蔡佳丽 陈菲菲 蒋鸣谦 宋宇航 杨婉莹

（华南农业大学动物科学学院 广东广州 510642）

蚕丝是人类最早利用的动物纤维之一。作为优良的丝织材料，蚕丝以其华丽的光泽和柔滑舒适的穿着感成为纺织材料中的贵族。随着生命科学和材料科学发展的日新月异，这一古老的纺织材料成为生物医学材料研发的焦点，被广泛应用到组织工程开发中。文章将着重介绍丝素蛋白的结构、功能特性及在生物材料领域中的应用研究，为丝素蛋白作为生物材料的进一步开发研究提供参考。

1 丝素蛋白的结构

蚕丝主要由丝胶（sericin）和丝素蛋白（fibroin）组成，两者在氨基酸组成和结构性能上存在差异。丝素蛋白约占蚕丝总质量的70～75%，是蚕丝的主要组成成分。丝素蛋白由18 种氨基酸组成，其中丝氨酸（serine）、丙氨酸（alanine）和甘氨酸（glycine）3 种氨基酸约占其氨基酸总量的87%。丝素蛋白中存在两种区域：以甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸残基为主构成的整齐且有序的结晶区；以苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）、色氨酸（tryptophan）等其他氨基酸残基构成的松散且无序的非结晶区[1-2]。

目前一致认为丝素蛋白由H 链、L 链及糖蛋白P25 组成，分子比为6∶6∶1。丝素蛋白主要含有Silk I 型和Silk II型两种分子构象，其中Silk I 型是介于α-螺旋和β-折叠之间的一种中间形态的分子构象，而Silk II 型是一种反平行β-折叠层状结构。通常在不同的溶液条件和温度影响下，Silk I容易向Silk II 转变[3]。另外，Valluzzi 等（1999）发现了一种特殊的Silk III 型丝素结晶形态，立体结构为3-折叠螺旋，其主要存在于丝素溶液-空气界面上，说明丝素蛋白材料的理化特性以及机械性能正是取决于其特殊的分子结构[4]。

2 丝素蛋白材料的特性

2.1 丝素蛋白的力学性能

丝素蛋白中结晶区紧密的β-折叠结构，使其拥有较高的抗拉伸性和良好的韧性，而非结晶区的杂乱无序和较多的极性基团，又能使其获得较好的弹性和延展性。虽然天然丝素材料有良好的力学性能，但再生丝素蛋白的力学性能因丝素蛋白分子原有的部分结构遭到破坏而有所下降，这种差异可归因于再生材料缺乏适当的二级和分级结构[5]。由于丝素蛋白结构与力学性能之间的关系，其被应用在生物材料领域时，需要在再生过程中操纵其结构，以提升力学性能，甚至可以显著提高再生丝产品的强度，使其达到天然纤维水平甚至更高[6]。

对蚕丝蛋白结构的改造研究仍处于概念验证阶段，且主要与再生纤维有关。为了提高再生丝材料的强度和伸长率，必须进行更多的尝试。如果可以根据应用需求将机械性能调整到要求的水平，那么蚕丝在各种组织工程中的应用前景将得到改善。

2.2 丝素蛋白的生物相容性

生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种反应，包括生物反应、物理反应、化学反应等。丝线缝合的成功使蚕丝蛋白成为一种具有良好生物相容性的材料。在丝素蛋白的18 种氨基酸中，有11 种氨基酸为人体必需的氨基酸，且蚕丝无毒无污染，具有良好的抑菌效果和一定的抗紫外线效果。其吸湿能力和保湿能力优良，致敏性极低。但是，由于其非哺乳动物来源，与引起异物反应的其他非自体生物材料一样，不能排除某些与蚕丝蛋白相关的免疫排斥反应。

迄今为止，科研人员已经进行了大量丝素支架的免疫原性和抗原性实验测试。Zhou 等（2010）在皮下植入电纺纤维垫长达8 周，在这个过程中尽管观察到吞噬细胞和淋巴细胞有一些典型的积累，但没有出现感染迹象。根据苏木精和曙红染色组织的显微镜检查，只有极少免疫细胞产生微弱炎症[7]。Wang 等（2008）将蚕丝3-D 支架皮下植入Lewis 大鼠中，在饲养一年后，检测皮下组织的TNF-α、IFN-δ、IL-4、IL-6 和IL-13 等炎症因子指标，发现只会产生非常轻微的免疫反应[8]。这说明与聚乳酸和胶原蛋白等其他常用的生物材料比较，经过适当脱胶和灭菌的蚕丝产品具有良好的生物相容性[9]。

2.3 丝素蛋白的可降解性

作为一种生物医学材料，生物降解性是材料选择的一项重要指标。生物降解性是指生物材料在生理环境下发生分解、溶解或生分子量下降，降解产物可以被机体吸收或释放出体外的性质。丝素蛋白材料无论是何种形态，在合适的酶作用下都可以被最终降解，决定其降解速率的一个重要因素即材料的微观结构。降解过程中，降解速度由快到慢依次为材料中的无规结构部分、Silk I 结构、Silk II 结构。Hu Y等（2012）发现调整Silk II 结构的含量后可以有效改变丝素蛋白材料的降解速率[10]。Wang等人证明了蚕丝蛋白在生物体内的可降解性，他们的研究表明，水凝胶丝素3D 支架植入Lewis 大鼠后，在几周内就出现裂解，并在一年后完全消失。宿主免疫系统对三维丝素蛋白多孔支架的降解有显著影响，丝素海绵的降解由巨噬细胞介导，这表明丝素不仅可降解，而且可以被机体有效吸收[8]。

3 丝素蛋白在生物材料领域的应用

目前，在组织工程技术研究中，应用的生物材料大多数是通过化学合成，其最大问题是降解后会产生有害物质，不能大范围使用。天然生物材料具有较好的可降解性且无毒害，如明胶、胶原、壳聚糖、海藻酸盐等。近年来，丝素蛋白作为生物材料在组织工程中的研究越来越深入，应用也日益广泛。

3.1 骨组织

骨组织工程当前研究的重要方向是制备具有骨再生功能且可生物降解的支架材料。丝素蛋白成为骨组织工程的重点开发对象，可形成各种形式的丝素蛋白生物材料，如丝素膜、丝素水凝胶、丝素多孔支架等。

在骨组织修复应用中，丝素蛋白可以作为引导骨组织再生（guide bone regeneration，GBR）膜的重要材料来源，并通过先进的技术来改良其性能，对骨缺损修复起到重要作用。在骨组织工程所需的支架材料中，丝素蛋白可以提供细胞生长、附着和分化的空间。但由于再生的丝素蛋白力学性能大大降低，且单一丝素蛋白材料制成的支架在植入体内后会因为水化难以成形，细胞附着能力也不强，导致支架的强度和应用效果都不能满足需求[11]。

近年来，研究人员更加致力于研究能够满足力学性能和抗压指标，具有良好骨传导性和骨诱导性，同时保有材料良好的生物相容性及降解性的丝素蛋白复合材料。目前，在复合材料中应用较为广泛的一种主要无机成分即羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA），丝素蛋白无论是作为支架主要组成还是表面修饰材料，都会提高支架的生物力学性能[12]。另一种被广泛关注的复合材料是丝素/壳聚糖复合材料，将两者按一定比例交联，冷冻干燥后制成三维多孔支架，牛涵波等人的研究表明，两者质量比为1∶1 时，支架性能最好，且实验中加入碳化二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）交联剂，可以提升支架稳定性[13]。此外，具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性的硅基材料，也得到了学者们的关注，硅基材料由于质地轻脆，无法作为单一的支架材料使用，但可以和丝素蛋白共混获得复合材料来提升力学性能和骨传导性等。通过生物矿化得到的丝素蛋白/硅基复合材料，不但提升了支架材料的生物活性，相较化学方法还能够减少有毒物质的引进，保护蛋白质不易变性[14]。

3.2 血管组织

丝素蛋白特殊的氨基酸排列结构使它具有一定的抗凝血功能，同时还具有抗血栓形成的表面，对高剪切应力和血流压力具有良好的抵抗力[15]。将蚕丝蛋白用于人造血管的材料中，不但具有良好的生物相容性，还有利于人造血管的内皮细胞定植生长。

丝素蛋白虽然具有一定的止血作用，但单一材料制成人造血管，其抗凝血能力在医学应用中效果不佳。徐清栋等（2018）在研究中以丝素蛋白为主要材料，混入一定比例的明胶制备成复合材料，丝素与明胶比为8∶2 时，复合材料的止血性能最佳，同时其生物相容性也有所提高[16]。此外，加入甘油可增加材料的难溶性，亦可提高止血性能。余劭婷等（2019）人利用层层组装法（layer-by-layer selfassembly，LBL）在丝素蛋白表面构建再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin protein，RSF）和壳聚糖多层膜，显著提高了人工血管材料的生物相容性[17]。

3.3 神经组织

每年有数以百万计的人遭受周围神经损伤，人的神经系统大致分为中枢神经系统（central nervous system，CNS）和周围神经系统（peripheral nervous system，PNS）。PNS 能够自我修复轻度伤害，而大的损伤需要通过在身体其他部位收获的神经移植物进行手术治疗。自体神经移植由于术后并发症和自体神经量有限的问题，并不能很好地满足医疗需求，因此可使用人工神经移植物桥接来达到修复目的，但人工神经移植物的修复能力远比不上自体神经。

寻找合适的生物材料来提高人工神经的修复能力是一个关键问题。Yang 等（2017）研究发现，丝素蛋白在不影响其正常表型或功能性的情况下支持背根神经节和其细胞的活力[18]。除了胶原/丝素蛋白神经导管研究之外，占蓓蕾等人的研究发现，在丝素蛋白中混入丝胶蛋白可以大大提高材料的机械强度，制备机械强度优良的高仿生丝胶蛋白/丝素蛋白共混材料人工神经导管[19]。赵亚红等研究发现，以3D 打印技术与静电纺丝法相结合所制备出的聚吡咯/丝素蛋白（PPy/SF）纤维基导电型复合支架，支架稳定性强，生物相容性好，有助于背根神经节（DRG）的粘附生长和轴突的延伸生长[20]。

3.4 皮肤组织

皮肤是人体第一大器官，也是重要的第一道屏障，皮肤大面积受损难以自愈时会导致皮肤完整性丧失，甚至导致死亡。成年人的皮肤主要由表皮（角质化层）和真皮（富含胶原蛋白的层）组成。毛发和激素腺等附属物从表皮上长出，但根深蒂固在真皮内。这种复杂的结构使皮肤工程成为一项艰巨的任务。

丝素蛋白能很好地支持人类角质形成细胞和成纤维细胞[21]。用丝素蛋白制成的皮肤敷料可以帮助皮肤得到更快的修复。理想的皮肤敷料应该具有生物相容性好、力学性能接近人体皮肤、粘附性适宜的同时，还应具有透气性、平衡创面环境湿度温度、抑菌促愈以及三维结构维持时间久，保证血管和成纤维细胞长入等特点。国内外研究丝素蛋白作为主要材料来制备各种形式的敷料时，主要是以丝素水凝胶形式进行。单颖慧等（2015）通过静电纺丝法将黄芪装载于丝素/明胶纳米纤维膜中，得到一种载药纳米纤维敷料，生物相容性好，促进皮肤创口愈合且能抑制疤痕形成[22]。汪宜宇等（2017）用冷冻干燥复合技术制备一种具备不对称双层结构的、以丝素和海藻酸钠为主要成分组成的稳定的多孔支架材料，通过对正常皮肤组织结构进行生物模拟，解决了单层结构支架力学性能差的问题。这种支架还能够加快毛细血管新生，具有良好生物相容性和膨润性，同时孔径结构也有助于细胞生长[23]。周晗磊将构建的负载纳米银的胶原-丝素蛋白真皮支架植入皮肤创面，发现这种丝素蛋白复合材料能促进新生组织生长，减少创面的炎症反应[24]。

3.5 药物缓释载体

药物缓释是指使药物缓慢进入血液以降低血液中的药物浓度，所以制备能使被承载的药物缓慢释放的载体材料是非常必要的。现今常见的材料包括壳聚糖、水凝胶、聚羟基丁酸酯等。丝素蛋白也因其优良特性在药物缓释中得到应用。张海云（2015）以丝素蛋白与Fe3O4纳米颗粒为主要材料，制备成一种具有磁靶向的复合微球药物载体，其具有药物靶向释放能力，可以有效提高药物利用率和控制药物缓释，并证明了具备良好流动性后的丝素蛋白水凝胶的药物传递效率也较高[25]。丁彪等（2018）以肖顿-鲍曼（Schotten-Baumann）化学合成法加工处理制备获得的丝胶氨基酸表面活性剂和丝素氨基酸表面活性剂，可以作为开发抗癌药物缓释载体的实验原料，得到的缓释载体性能稳定且缓释效果良好[26]。

3.6 生物传感器

生物传感器（biosensor）是一种对生物物质敏感，并能将生物活性表达的信号转换为电信号进行检测的仪器，其分子识别部分（敏感元件）是由固定化的生物敏感材料制成。丝素蛋白膜可以满足底物与产物的渗透，不影响酶促反应，使酶可以被长期固定与贮存。同时，丝素蛋白具有一定的柔韧性和良好的生物相容性，使其固定酶的同时也可以保持酶活性，故可以作为稳定酶活的有效载体，如以复合材料的形式被制作成微针生物传感器来监测血糖[27]。康天放等（2016）利用戊二醛作为交联剂，将乙酰胆碱酶固定在再生丝素蛋白上，再将再生丝素蛋白与碳糊电极固定，获得的生物传感器可以用于有机磷农药和氨基甲酸酯农药检测，效果较好[28]。

4 结束语

丝素蛋白因其良好的生物相容性和降解后无毒害作用，成为生物医学材料研究领域的新宠。通过与其他有机或无机材料混合制备成复合材料来提升其力学性能成为研究的主流。目前，除了在组织工程中研究较为广泛以外，丝素蛋白还被应用到生物传感器和药物缓释载体研究领域。随着对丝素蛋白功能特性和复合生物材料的研究，必将提升蚕丝的附加值，使古老的纺织材料发展得到新机遇。