蔡佳麗 陳菲菲 蔣鳴謙 宋宇航 楊婉瑩

（華南農業(yè)大學動物科學學院 廣東廣州 510642）

蠶絲是人類最早利用的動物纖維之一。作為優(yōu)良的絲織材料，蠶絲以其華麗的光澤和柔滑舒適的穿著感成為紡織材料中的貴族。隨著生命科學和材料科學發(fā)展的日新月異，這一古老的紡織材料成為生物醫(yī)學材料研發(fā)的焦點，被廣泛應用到組織工程開發(fā)中。文章將著重介紹絲素蛋白的結構、功能特性及在生物材料領域中的應用研究，為絲素蛋白作為生物材料的進一步開發(fā)研究提供參考。

1 絲素蛋白的結構

蠶絲主要由絲膠（sericin）和絲素蛋白（fibroin）組成，兩者在氨基酸組成和結構性能上存在差異。絲素蛋白約占蠶絲總質量的70～75%，是蠶絲的主要組成成分。絲素蛋白由18 種氨基酸組成，其中絲氨酸（serine）、丙氨酸（alanine）和甘氨酸（glycine）3 種氨基酸約占其氨基酸總量的87%。絲素蛋白中存在兩種區(qū)域：以甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸殘基為主構成的整齊且有序的結晶區(qū)；以苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）、色氨酸（tryptophan）等其他氨基酸殘基構成的松散且無序的非結晶區(qū)[1-2]。

目前一致認為絲素蛋白由H 鏈、L 鏈及糖蛋白P25 組成，分子比為6∶6∶1。絲素蛋白主要含有Silk I 型和Silk II型兩種分子構象，其中Silk I 型是介于α-螺旋和β-折疊之間的一種中間形態(tài)的分子構象，而Silk II 型是一種反平行β-折疊層狀結構。通常在不同的溶液條件和溫度影響下，Silk I容易向Silk II 轉變[3]。另外，Valluzzi 等（1999）發(fā)現(xiàn)了一種特殊的Silk III 型絲素結晶形態(tài)，立體結構為3-折疊螺旋，其主要存在于絲素溶液-空氣界面上，說明絲素蛋白材料的理化特性以及機械性能正是取決于其特殊的分子結構[4]。

2 絲素蛋白材料的特性

2.1 絲素蛋白的力學性能

絲素蛋白中結晶區(qū)緊密的β-折疊結構，使其擁有較高的抗拉伸性和良好的韌性，而非結晶區(qū)的雜亂無序和較多的極性基團，又能使其獲得較好的彈性和延展性。雖然天然絲素材料有良好的力學性能，但再生絲素蛋白的力學性能因絲素蛋白分子原有的部分結構遭到破壞而有所下降，這種差異可歸因于再生材料缺乏適當?shù)亩壓头旨壗Y構[5]。由于絲素蛋白結構與力學性能之間的關系，其被應用在生物材料領域時，需要在再生過程中操縱其結構，以提升力學性能，甚至可以顯著提高再生絲產品的強度，使其達到天然纖維水平甚至更高[6]。

對蠶絲蛋白結構的改造研究仍處于概念驗證階段，且主要與再生纖維有關。為了提高再生絲材料的強度和伸長率，必須進行更多的嘗試。如果可以根據(jù)應用需求將機械性能調整到要求的水平，那么蠶絲在各種組織工程中的應用前景將得到改善。

2.2 絲素蛋白的生物相容性

生物相容性是指材料與生物體之間相互作用后產生的各種反應，包括生物反應、物理反應、化學反應等。絲線縫合的成功使蠶絲蛋白成為一種具有良好生物相容性的材料。在絲素蛋白的18 種氨基酸中，有11 種氨基酸為人體必需的氨基酸，且蠶絲無毒無污染，具有良好的抑菌效果和一定的抗紫外線效果。其吸濕能力和保濕能力優(yōu)良，致敏性極低。但是，由于其非哺乳動物來源，與引起異物反應的其他非自體生物材料一樣，不能排除某些與蠶絲蛋白相關的免疫排斥反應。

迄今為止，科研人員已經進行了大量絲素支架的免疫原性和抗原性實驗測試。Zhou 等（2010）在皮下植入電紡纖維墊長達8 周，在這個過程中盡管觀察到吞噬細胞和淋巴細胞有一些典型的積累，但沒有出現(xiàn)感染跡象。根據(jù)蘇木精和曙紅染色組織的顯微鏡檢查，只有極少免疫細胞產生微弱炎癥[7]。Wang 等（2008）將蠶絲3-D 支架皮下植入Lewis 大鼠中，在飼養(yǎng)一年后，檢測皮下組織的TNF-α、IFN-δ、IL-4、IL-6 和IL-13 等炎癥因子指標，發(fā)現(xiàn)只會產生非常輕微的免疫反應[8]。這說明與聚乳酸和膠原蛋白等其他常用的生物材料比較，經過適當脫膠和滅菌的蠶絲產品具有良好的生物相容性[9]。

2.3 絲素蛋白的可降解性

作為一種生物醫(yī)學材料，生物降解性是材料選擇的一項重要指標。生物降解性是指生物材料在生理環(huán)境下發(fā)生分解、溶解或生分子量下降，降解產物可以被機體吸收或釋放出體外的性質。絲素蛋白材料無論是何種形態(tài)，在合適的酶作用下都可以被最終降解，決定其降解速率的一個重要因素即材料的微觀結構。降解過程中，降解速度由快到慢依次為材料中的無規(guī)結構部分、Silk I 結構、Silk II 結構。Hu Y等（2012）發(fā)現(xiàn)調整Silk II 結構的含量后可以有效改變絲素蛋白材料的降解速率[10]。Wang等人證明了蠶絲蛋白在生物體內的可降解性，他們的研究表明，水凝膠絲素3D 支架植入Lewis 大鼠后，在幾周內就出現(xiàn)裂解，并在一年后完全消失。宿主免疫系統(tǒng)對三維絲素蛋白多孔支架的降解有顯著影響，絲素海綿的降解由巨噬細胞介導，這表明絲素不僅可降解，而且可以被機體有效吸收[8]。

3 絲素蛋白在生物材料領域的應用

目前，在組織工程技術研究中，應用的生物材料大多數(shù)是通過化學合成，其最大問題是降解后會產生有害物質，不能大范圍使用。天然生物材料具有較好的可降解性且無毒害，如明膠、膠原、殼聚糖、海藻酸鹽等。近年來，絲素蛋白作為生物材料在組織工程中的研究越來越深入，應用也日益廣泛。

3.1 骨組織

骨組織工程當前研究的重要方向是制備具有骨再生功能且可生物降解的支架材料。絲素蛋白成為骨組織工程的重點開發(fā)對象，可形成各種形式的絲素蛋白生物材料，如絲素膜、絲素水凝膠、絲素多孔支架等。

在骨組織修復應用中，絲素蛋白可以作為引導骨組織再生（guide bone regeneration，GBR）膜的重要材料來源，并通過先進的技術來改良其性能，對骨缺損修復起到重要作用。在骨組織工程所需的支架材料中，絲素蛋白可以提供細胞生長、附著和分化的空間。但由于再生的絲素蛋白力學性能大大降低，且單一絲素蛋白材料制成的支架在植入體內后會因為水化難以成形，細胞附著能力也不強，導致支架的強度和應用效果都不能滿足需求[11]。

近年來，研究人員更加致力于研究能夠滿足力學性能和抗壓指標，具有良好骨傳導性和骨誘導性，同時保有材料良好的生物相容性及降解性的絲素蛋白復合材料。目前，在復合材料中應用較為廣泛的一種主要無機成分即羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA），絲素蛋白無論是作為支架主要組成還是表面修飾材料，都會提高支架的生物力學性能[12]。另一種被廣泛關注的復合材料是絲素/殼聚糖復合材料，將兩者按一定比例交聯(lián)，冷凍干燥后制成三維多孔支架，牛涵波等人的研究表明，兩者質量比為1∶1 時，支架性能最好，且實驗中加入碳化二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）交聯(lián)劑，可以提升支架穩(wěn)定性[13]。此外，具有良好的生物相容性、骨傳導性和骨誘導性的硅基材料，也得到了學者們的關注，硅基材料由于質地輕脆，無法作為單一的支架材料使用，但可以和絲素蛋白共混獲得復合材料來提升力學性能和骨傳導性等。通過生物礦化得到的絲素蛋白/硅基復合材料，不但提升了支架材料的生物活性，相較化學方法還能夠減少有毒物質的引進，保護蛋白質不易變性[14]。

3.2 血管組織

絲素蛋白特殊的氨基酸排列結構使它具有一定的抗凝血功能，同時還具有抗血栓形成的表面，對高剪切應力和血流壓力具有良好的抵抗力[15]。將蠶絲蛋白用于人造血管的材料中，不但具有良好的生物相容性，還有利于人造血管的內皮細胞定植生長。

絲素蛋白雖然具有一定的止血作用，但單一材料制成人造血管，其抗凝血能力在醫(yī)學應用中效果不佳。徐清棟等（2018）在研究中以絲素蛋白為主要材料，混入一定比例的明膠制備成復合材料，絲素與明膠比為8∶2 時，復合材料的止血性能最佳，同時其生物相容性也有所提高[16]。此外，加入甘油可增加材料的難溶性，亦可提高止血性能。余劭婷等（2019）人利用層層組裝法（layer-by-layer selfassembly，LBL）在絲素蛋白表面構建再生絲素蛋白（regenerated silk fibroin protein，RSF）和殼聚糖多層膜，顯著提高了人工血管材料的生物相容性[17]。

3.3 神經組織

每年有數(shù)以百萬計的人遭受周圍神經損傷，人的神經系統(tǒng)大致分為中樞神經系統(tǒng)（central nervous system，CNS）和周圍神經系統(tǒng)（peripheral nervous system，PNS）。PNS 能夠自我修復輕度傷害，而大的損傷需要通過在身體其他部位收獲的神經移植物進行手術治療。自體神經移植由于術后并發(fā)癥和自體神經量有限的問題，并不能很好地滿足醫(yī)療需求，因此可使用人工神經移植物橋接來達到修復目的，但人工神經移植物的修復能力遠比不上自體神經。

尋找合適的生物材料來提高人工神經的修復能力是一個關鍵問題。Yang 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白在不影響其正常表型或功能性的情況下支持背根神經節(jié)和其細胞的活力[18]。除了膠原/絲素蛋白神經導管研究之外，占蓓蕾等人的研究發(fā)現(xiàn)，在絲素蛋白中混入絲膠蛋白可以大大提高材料的機械強度，制備機械強度優(yōu)良的高仿生絲膠蛋白/絲素蛋白共混材料人工神經導管[19]。趙亞紅等研究發(fā)現(xiàn)，以3D 打印技術與靜電紡絲法相結合所制備出的聚吡咯/絲素蛋白（PPy/SF）纖維基導電型復合支架，支架穩(wěn)定性強，生物相容性好，有助于背根神經節(jié)（DRG）的粘附生長和軸突的延伸生長[20]。

3.4 皮膚組織

皮膚是人體第一大器官，也是重要的第一道屏障，皮膚大面積受損難以自愈時會導致皮膚完整性喪失，甚至導致死亡。成年人的皮膚主要由表皮（角質化層）和真皮（富含膠原蛋白的層）組成。毛發(fā)和激素腺等附屬物從表皮上長出，但根深蒂固在真皮內。這種復雜的結構使皮膚工程成為一項艱巨的任務。

絲素蛋白能很好地支持人類角質形成細胞和成纖維細胞[21]。用絲素蛋白制成的皮膚敷料可以幫助皮膚得到更快的修復。理想的皮膚敷料應該具有生物相容性好、力學性能接近人體皮膚、粘附性適宜的同時，還應具有透氣性、平衡創(chuàng)面環(huán)境濕度溫度、抑菌促愈以及三維結構維持時間久，保證血管和成纖維細胞長入等特點。國內外研究絲素蛋白作為主要材料來制備各種形式的敷料時，主要是以絲素水凝膠形式進行。單穎慧等（2015）通過靜電紡絲法將黃芪裝載于絲素/明膠納米纖維膜中，得到一種載藥納米纖維敷料，生物相容性好，促進皮膚創(chuàng)口愈合且能抑制疤痕形成[22]。汪宜宇等（2017）用冷凍干燥復合技術制備一種具備不對稱雙層結構的、以絲素和海藻酸鈉為主要成分組成的穩(wěn)定的多孔支架材料，通過對正常皮膚組織結構進行生物模擬，解決了單層結構支架力學性能差的問題。這種支架還能夠加快毛細血管新生，具有良好生物相容性和膨潤性，同時孔徑結構也有助于細胞生長[23]。周晗磊將構建的負載納米銀的膠原-絲素蛋白真皮支架植入皮膚創(chuàng)面，發(fā)現(xiàn)這種絲素蛋白復合材料能促進新生組織生長，減少創(chuàng)面的炎癥反應[24]。

3.5 藥物緩釋載體

藥物緩釋是指使藥物緩慢進入血液以降低血液中的藥物濃度，所以制備能使被承載的藥物緩慢釋放的載體材料是非常必要的?，F(xiàn)今常見的材料包括殼聚糖、水凝膠、聚羥基丁酸酯等。絲素蛋白也因其優(yōu)良特性在藥物緩釋中得到應用。張海云（2015）以絲素蛋白與Fe3O4納米顆粒為主要材料，制備成一種具有磁靶向的復合微球藥物載體，其具有藥物靶向釋放能力，可以有效提高藥物利用率和控制藥物緩釋，并證明了具備良好流動性后的絲素蛋白水凝膠的藥物傳遞效率也較高[25]。丁彪等（2018）以肖頓-鮑曼（Schotten-Baumann）化學合成法加工處理制備獲得的絲膠氨基酸表面活性劑和絲素氨基酸表面活性劑，可以作為開發(fā)抗癌藥物緩釋載體的實驗原料，得到的緩釋載體性能穩(wěn)定且緩釋效果良好[26]。

3.6 生物傳感器

生物傳感器（biosensor）是一種對生物物質敏感，并能將生物活性表達的信號轉換為電信號進行檢測的儀器，其分子識別部分（敏感元件）是由固定化的生物敏感材料制成。絲素蛋白膜可以滿足底物與產物的滲透，不影響酶促反應，使酶可以被長期固定與貯存。同時，絲素蛋白具有一定的柔韌性和良好的生物相容性，使其固定酶的同時也可以保持酶活性，故可以作為穩(wěn)定酶活的有效載體，如以復合材料的形式被制作成微針生物傳感器來監(jiān)測血糖[27]?？堤旆诺龋?016）利用戊二醛作為交聯(lián)劑，將乙酰膽堿酶固定在再生絲素蛋白上，再將再生絲素蛋白與碳糊電極固定，獲得的生物傳感器可以用于有機磷農藥和氨基甲酸酯農藥檢測，效果較好[28]。

4 結束語

絲素蛋白因其良好的生物相容性和降解后無毒害作用，成為生物醫(yī)學材料研究領域的新寵。通過與其他有機或無機材料混合制備成復合材料來提升其力學性能成為研究的主流。目前，除了在組織工程中研究較為廣泛以外，絲素蛋白還被應用到生物傳感器和藥物緩釋載體研究領域。隨著對絲素蛋白功能特性和復合生物材料的研究，必將提升蠶絲的附加值，使古老的紡織材料發(fā)展得到新機遇。