丝素蛋白做为生物医用材料的研究进展

丝素蛋白作为生物医用材料的研究进展前言生物医用材料是以生物医用为目的，用于和活体组织接触，具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的材料。

金属材料、合成高分子材料在生物医用材料中多有应用，但金属材料的生物力学性能不匹配，合成高分子材料的生物相容性较差以及生物降解性能可调性差限制了其作为生物医用材料的应用。

丝素蛋白是由蚕茧缫丝脱胶而得的纤维状蛋白[1]，是一种性能优异的天然高分子材料。

丝素蛋白分子结构独特，除具备良好的生物相容性和稳定的生物安全性、出色的机械性能之外还具备吸湿保湿性能、透氧透气性能、细胞附着性。

因此，丝素蛋白在人造皮肤、人工角膜、人工肺、隐形眼镜、酶固定化载体、药物缓释载体、细胞培养基等生物医药领域有诸多潜在应用[2-3]。

1 丝素蛋白的结构组成丝素蛋白中含有18种氨基酸，其中侧基较小的氨基酸残基，如甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等按照一定序列排成较为规则的链段，构成结晶区，构成了丝素蛋白高强度力学的基础；带有较大侧基的苯氨酸、酪氨酸和色氨酸等构成非结晶区，赋予了丝素蛋白较高的弹性和较好的韧性[4-5]。

丝素蛋白有四种分子构象，分别是无规卷曲、sil kⅠ、sil kⅡ、sil kⅢ:丝素蛋白分子链按照α-螺旋和β-平行折叠构象交替堆积构成sil kⅠ型构象，其晶胞属于正交晶系；分子链按照反平行β折叠则形成sil kⅡ型构象；分子链按照β-折叠螺旋形成sil kⅢ型构象，其晶胞为六方晶系。

sil kⅠ型丝素蛋白亲水性较好，不宜形成沉淀；sil kⅡ型丝素蛋白则亲水性差，易结晶沉淀，是丝素蛋白的主要晶型。

以β-折叠为基础，丝素蛋白可以形成直径大约为10nm的微纤维，微纤维又可以密切结合程直径大约1μm的细纤维，进而细纤维沿长轴排列可构成直径为10-18μm的丝素蛋白纤维[4]。

2 丝素蛋白的性能特点丝绸的生产在中国已有千年的历史，真丝绸穿着舒适、手感柔软滑爽、色泽和谐、华丽高贵，同时，还具备保健功能，被称为保健性纤维。

蚕丝最早应用在医疗领域是作为手术缝合线，目前已在外科手术中广泛应用。

丝素蛋白是天然蚕丝的主要成分，相关研究表明，丝素蛋白作为生物材料[1]有如下优点：①机械性能可媲美高性能纤维，明显优于其他天然纤维②可加工成膜支架等形式；③表面易化学共价修饰黏附位点和细胞因子；④可通过遗传工程改造丝蛋白成分来调节相对分子质量的大小、可结晶性和可溶性；⑤可部分生物降解，在体内外降解速率缓慢，降解产物不仅对组织无毒副作用，还对周围组织有营养与修复作用。

3 丝素蛋白的应用3.1 丝素蛋白作为骨组织工程材料骨[6]主要是由纳米晶羟基磷灰石和胶原纤维组成，其中，针状结晶羟基磷灰石长40~60nm，径向为3~20nm，它的结晶方向沿着胶原纤维的长轴分布，晶体中心轴与胶原纤维的长轴平行。

骨组织工程[7]是在分子细胞学、生物材料等学科基础上发展起来的，其研究内容包括：种子细胞、生长因子和基质材料三大部分，最终目的是组合三种因素构建组织工程化骨来解决临床上的问题。

由于天然骨中I 型胶原蛋白含量最多，因此，国内外相关骨组织工程材料的研究多选用该类型蛋白质。

但胶原蛋白提纯工艺复杂，不易获取高纯度胶原蛋白，并易引起炎症反应。

因此，利用胶原以外的有机基质作为骨组织工程材料的支架可能是一条理想的途径。

丝素蛋白材料在传统领域中多用作纺织材料，劳动强度大、产值小、效益低[3]。

基于其优越的力学性能和良好的生物亲和性能，丝素蛋白材料被研究用于骨组织工程材料。

苏州大学的卢神州等[6]研究了羟基磷灰石/丝素蛋白纳米复合颗粒的制备，他们用氢氧化钙与磷酸湿法合成羟基磷灰石，加入丝素蛋白以诱导羟基磷灰石晶体的定向生长，以仿生的方法得到复合颗粒。

结果表明，制备的复合颗粒为纳米级粉体，长度在100-400nm，宽度在30~80nm之间。

丝素蛋白可以诱导羟基磷灰石形成针状晶体，晶体的长轴方向沿着c轴方向，这是因为丝素蛋白与羟基磷灰石之间的相互作用造成的。

并且随着丝素蛋白加入量的增加，长径比增加，随着温度的增加，结晶度增加，其组成和结构与入骨组织中纳米微晶非常相似。

由于羟基磷灰石丝素蛋白复合纳米粒子与入骨中磷灰石微晶的相似性以及基体材料的可降解性，这些材料被赋了；优异的骨诱导性能和可降解性能，在骨修复或骨固定材料方面有着潜在的用途，可以为适合于临床应用的HA产品提供优质的粉体原料。

张家港第一人民医院的徐卫袁等[7]复合了丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白及骨髓间充质干细胞复合新型组织工程骨，并采用脊柱融合实验进行生物力学分析。

取10只兔体外扩增骨髓间充质干细胞，接种复合于丝素蛋白，牛骨形态发生蛋白复合物上，构建组织工程骨。

剩余60只兔随机分成5组：丝素蛋白，牛骨形态发生蛋白，骨髓间充质干细胞组、丝素蛋白／骨髓间充质干细胞组、丝素蛋白，牛骨形态发生蛋白组、单纯丝素蛋白组、空白对照组。

12只，组。

各组均咬除L5棘突建立植骨床，前4 组植入对应移植物进行椎板间融合，空白对照组仅去皮质骨，不给予任何外植物。

结果：①植入12周时，丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白/骨髓间充质干细胞组100% 融合，丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白组、丝素蛋白/骨髓间充质干细胞组、单纯丝索蛋白组融合率分别为83.3% ，25.0% ，16.7%，空白对照组为0 ；②丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白/骨髓间充质干细胞组丝素蛋白完全降解。

新生骨组织已进入塑形期，向板层骨发展；丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白丝素蛋白完全降解，新生骨组织以编织骨为主；丝素蛋白/骨髓问充质干细胞组骨岛数目较前增多，未见连续性新生骨；单纯丝素蛋白组新生骨增加不明显；空白对照组始终未见新生骨生成；③丝素蛋白/牛骨形态发生蛋白/骨髓间充质干细胞组、丝索蛋白/牛骨形态发生蛋白组体内植入的融合脊柱具有明显的稳定性，刚度、强度较好，与其余 3 组比较差异有显著性意义。

证明丝素蛋白是一种良好的细胞外基质材料。

浙江理工大学的刘琳[8]研究了纳米羟基磷灰石/丝素蛋白复合支架材料的降解特性及生物相容性研究应用共混法制备了纳米羟基磷灰石/丝素蛋白复合支架材料，通过体外降解和细胞培养实验研究了复合支架材料的降解特性和生物相容性．体外降解实验结果显示，复合支架材料具有稳定的降解能力；在降解过程中，羟基磷灰石由于与降解液发生钙、磷等离子的交换，使其结晶得到了进一步生长和完善．利用细胞计数法、四甲基偶氮唑盐(MTT)比色法和碱性磷酸酶(ALP)活性测定等分析了复合支架材料的生物相容性，结果表明，MG63细胞在复合支架材料上具有良好的粘附、增殖能力，并可引起早期的骨分化．因此，纳米羟基磷灰石／丝素蛋白复合支架作为骨组织工程的支架材料具有良好的应用前景。

Joshua R. Mauney[9]等采用水性溶剂（AB）和有机溶剂（HFTIP）处理的方法制备了丝素蛋白支架材料，并同胶原蛋白、聚乳酸同时进行体外实验和体内实验的表征。

采用人骨髓细胞和脂肪间充质细胞进行体外细胞培养，小鼠进行植入实验并采取Alamar Blue Analysis、Oil-Red O analysis等表征细胞在三种材料上的活性、分化等。

研究表明：具有三维大孔结构的AB和HFIP丝素蛋白支架能够作为脂肪组织工程支架，尤其能够为体内软组织的生长提供长期的结构支撑。

相关研究均表明，丝素蛋白对细胞表现出良好的细胞附着率和增值率，具有维持细胞正常形态的作用，可以被用作细胞支架材料；丝素蛋白降解缓慢，其降解能力可以通过与其他材料复合进行调整，可以为细胞生长提供合适的支持。

同时，基于丝素蛋白良好的力学性能，考虑加工方法提高其作为细胞支架材料要求的空隙、形状以及表面性能是丝素蛋白作为骨组织工程材料的未来研究方向。

3.2 丝素蛋白作为抗凝血材料的研究血液相容性（blood compatibility）是指生物医用聚合物与血液接触后，产生符合要求的生物学反应和起有效作用的性能。

生物材料良好的抗凝血性和诱导血管分化能力是作为血管材料的必要条件。

丝素蛋白中含有大量由6种氨基酸残基交替排列的结构(Gly-Ala—GI la-Gly-Ser-)，其中Ser之间的距离，与肝磷脂中有抗凝血作用的重要基团硫酸基的距离十分接近。

用浓硫酸在在一定温度下处理丝素水溶液一定时间[2]，用NaOH 中和后，将硫酸化的丝素溶液透析脱盐，经冷冻干燥后得到硫酸化丝素粉.红外光谱表征结果表明丝素蛋白分子中的酪氨酸或丝氨酸的羟基被硫酸酯化，形成的硫酸酯基在1 100~1 400 cm-1处有强烈吸收峰．说明丝素蛋白中被导入了硫酸基。

相关学业实验则表明，硫酸化丝素粉具备良好的抗凝血性能。

使用氯磺酸来代替浓硫酸处理丝素蛋白材料，得到的抗凝血活性约提高100倍，活性达到肝细胞的20％左右。

因此硫酸化丝素由于具有阻止血凝的作用。

Tamada等[10]报道将丝素蛋白硫酸化后具有阻止血凝的作用，可用于制造人工血管。

丝素蛋白作为需求量很大的人造血管高新材料，已开始在日本应用。

我国始于1957年研制蚕丝人造血管，目前上海丝绸研究所已制成多种类型和不同直径的真丝人造血管。

丝素蛋白纤维具有出色的力学性能和生物相容性。

Zhang Xiaohui等[11]将人类主动脉内皮细胞和人类冠状动脉平滑肌细胞接种到静电纺丝法制备的丝素蛋白纤维支架上，采用扫描电镜、共聚焦显微镜等技术手段，考察了上述细胞的形态、分化、细胞外基质的形成，结果表明：丝素蛋白纤维适合作为血管组织工程材料。

现有合成的生物材料多被用作制备大直径血管但未能在微血管的制备上取得进展。

Michael Lovett等[12]报道了微管丝素蛋白用于微血管修复。

表征了PEO致孔微管丝素蛋白支架的孔径、爆裂强度、蛋白质通透性、酶降解状况、细胞迁移能力。

低孔隙度的微管丝素蛋白表现出了卓越的高爆破压力和低的蛋白通透性；较高空隙率则表现出低的爆破压力和较高的蛋白通透性。

同时，丝素蛋白本身具备优异的生物相容性，因此，微管丝素蛋白是很有潜力应用于微血管移植。

3.3 丝素蛋白作为人工神经组织材料用于周围神经损伤修复的神经管道要能够引导轴突发芽同时在数周之后完成降解和适于加载相应的生长因子来促进神经再生。

丝素蛋白具有良好的生物相容性和生物力学性能且生物降解速率缓慢，适宜作为神经管道材料。

Lorenz Uebersax 等[13]报道了加载NGF（生长因子）的丝素蛋白神经管道的研究。

研究了生长因子在3种不同方法制备的丝素蛋白神经管道3周之内的释放状况，表明该材料没有造成明显的蛋白聚集和PC12细胞活性的损失，可以进一步研究该材料在周围神经损伤修复中的应用。

Yang yuming等[14]报道了丝素蛋白材料用于周围神经组织和细胞体外培养的生物相容性。

将大叔背根神经节衬底上丝素纤维，结合显微镜和电镜观察细胞生长过程；同时在丝素蛋白提取液中培养大鼠坐骨神经细胞。