蚕丝蛋白生物医学材料的研究现状

侯春春，张胡静，李圣春，成国涛，徐 水(西南大学 生物技术学院，重庆 400715)

蚕丝蛋白生物医学材料的研究现状

侯春春，张胡静，李圣春，成国涛，徐 水
(西南大学 生物技术学院，重庆 400715)

针对蚕丝蛋白的结构和特点，综述了蚕丝蛋白作为人工神经、皮肤、骨骼、血管、肌腱、韧带和角膜等生物医学材料的功能开发和研究现状。

蚕丝蛋白；生物相容性；生物降解性；生物医学材料

蚕丝是一种天然纤维，是人类最早利用的动物纤维之一，享有“纤维皇后”的美誉。传统意义上，蚕丝是优质的服饰原料。随着对蚕丝显微结构的深入研究发现，蚕丝的非服饰用途也非常广泛，如在食品、化妆品、保健品以及医学等方面的应用。特别是随着现代组织医学的发展，丝素蛋白以其良好的生物相容性和生物降解性成为人工组织材料中的重要天然材料。

人体组织损伤的修复多采用自体移植，其优势在于供体与受体间的排异反应弱，生物相容性好，受损区域能在短时间内达到较好修复效果，缺陷是供体有限。后期的研究中尝试采用异体移植，临床中虽不乏成功案例，但其缺陷也尤为明显，潜藏人畜共患病传播的危险，以及受体表现出严重的排异现象。随着组织医学材料研究的兴起，新材料的开发逐渐替代了传统的治疗方法，已取得大量突破性进展。如利用金属、陶瓷分别修复人体骨骼缺损和作为牙齿的替代品，人工多聚物合成人工晶体用作眼疾的治疗，或是利用硅胶作为人体脂肪的替代品。大量的临床案例已证明以上材料的适用性。但随着植入时间的增加，金属以及人工多聚物在体内血液和体液的作用下逐渐降解成小分子或溶出金属离子，引起受体局部炎症反应，严重者造成组织坏死。近年来，天然材料的应用逐渐引起人们的关注，如胶原、蚕丝、纤维蛋白、几丁质、珊瑚、壳聚糖等。

1 蚕丝蛋白在生物医学应用方面的优势

1.1 生物相容性

作为组织的替代品，人工材料首先应具有较好的生物相容性，并适宜细胞的附着、延伸和繁殖。生物相容性是由材料本身和结构决定的，一般分为材料表面的生物相容性和结构相容性两方面，表面相容性由材料表面的化学性质控制，影响细胞的贴附和延伸；结构上的生物相容性是指材料在空间结构上影响细胞的生长和繁殖[1]。Bruce Panilaitis等[2]通过比较在不同蚕丝纤维表面培养小鼠的巨噬细胞1～7 d，证实了单纯的丝素蛋白不会产生免疫反应。Gregory H Altman等[3]尝试在丝素做成的载体上培养成人的骨髓基质细胞，通过扫描电镜观察、DNA量化分析，以及胶原蛋白的测定，发现骨髓细胞能在丝素载体上正常生长。Ronald E Unger等[4]在纯丝素膜上培养来源于人体不同组织的不同细胞，如上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、角化细胞等，扫描电镜观察发现，所有的细胞都能在丝素膜表面贴附、延伸，细胞之间联系紧密。其中绝大多数细胞能在丝素膜表面存活，并覆盖于整个膜表面和材料表面的凹陷，细胞的生长对材料的结构并无改变。M Fini等[5]采用丝素凝胶修复兔大腿骨损伤并对比常用的乳酸乙交酯，以梁小骨的数量、厚度、间隙作为依据，证实丝素凝胶更有利于缺陷的恢复，相对于乳酸乙交酯材料更接近人骨的再生。

1.2 生物降解性

材料的降解性也是衡量其能否作为组织替代品的标准之一。理想的人工组织材料应具有与修复区组织细胞生长一致的降解速率。同时，不能降低相关的力学性能，这样才能为新生组织提供相应的力学支撑。降解后的单体不造成组织免疫反应。研究表明：植入活体的丝素纤维，2个月内，其力学强度仍高于植入前力学强度的50 %[6]。植入体内的蚕丝在一年里仍保持一定张力，而完全分解大约需要2年[7]。所以，蚕丝作为一种蛋白质是可以降解的，并且植入人体内最终也会被吸收，只是降解时间比一般意义上的可降解材料要长。L Meinel等[8]在多孔丝素支架上模拟体内骨细胞生长环境，培养人体骨髓干细胞5周，发现丝素支架缓慢的降解过程有利于羟基磷灰石的沉淀以及类骨小梁细胞的出现。将该种材料植入小鼠的骨缺损区发现，5周内有新骨形成。与当前的人工材料，如聚乳酸、聚乙二醇等相比，丝素的降解产物为小分子氨基酸，安全性更高，而人工材料的降解产物会通过降低环境的pH值而产生明显的炎症反应。胶原蛋白作为当前研究最广泛的天然材料，在降解过程中同样无炎症反应，但降解的速度受到交联度影响，导致降解速度不易控制。丝素的降解性可以通过改变丝素材料中的蛋白质结构，材料的孔隙率，孔径大小以及植入区域得到调控[9-10]。

2 蚕丝蛋白在生物医学领域的研究现状

蚕丝最早被用作手术缝合线，相对其他缝合材料，蚕丝的亲和力和适应性非常强，在伤口愈合后可被人体吸收降解，患者免受拆线的痛苦[11]。由于最初采用的蚕丝缝合线表面仍残留部分丝胶，引起炎症反应，所以在过去仅限于小范围使用，并未得到推广。直至近年，人们对蚕丝的应用研究才逐渐扩大和深入，并逐年增加。当前已有蚕丝在皮肤、神经、骨、血管、心脏等组织修复中的研究报道。

2.1 人工神经

神经创伤修复是当今医学的一大难题。由于创伤、疾病等造成的不规则神经创面，恢复过程中如果缺乏必需的填充物，将导致神经瘤的形成。因此，自体移植到目前为止仍被认为是最有效的修复方法。长期以来由于供体的严重匮乏，以及替代材料的研究进展缓慢，致使大量患者得不到及时有效的治疗。修复神经的非神经材料有硅胶管、骨骼肌、动脉或静脉血管和几丁质等。近十年的研究表明理想的神经修复材料必须具备以下条件：一是替代品需完全降解、无组织毒性，且能促进神经细胞的再生。非降解性材料需通过后期手术取出。二是人工神经在受体中存在较长时间来满足再生轴突通过远端吻合口。三是替代品有足够的空间和表面通透性，满足雪旺细胞的生长和营养物质的运输[12]。

Y M Yang等[13]在丝素纤维上和丝素提取液中分别培养鼠背根神经和坐骨神经，通过与对照比较发现，丝素对2种细胞的存活和生长无负面效应，这为丝素作为神经材料的开发奠定了基础。Yu Min Yang等[14]通过对丝素、自体移植材料和缺损空白材料在6个月内对雄性鼠坐骨神经缺损的修复效果的对比发现，含有丝素纤维的丝素修复材料不但具有较好的机械性能和可渗透性，而且修复效果接近自体移植。由此表明：丝素在神经修复材料中具有较高的应用价值。

2.2 人工皮肤

人体皮肤主要分为表皮和真皮，表皮位于皮肤的最外层，与外环境相接触，主要起保护作用。表皮从里向外又分为：基底细胞层、颗粒层、透明细胞层和角化层。正常情况下，基底细胞层不断分化，向外推移并不断替代角化层的衰老细胞。小面积的创伤可以通过表皮细胞的爬行作用得到修复。并且，利用皮肤细胞自己的爬行修复能力进行人工皮肤的研究，已付诸实践[15]。

丝素蛋白膜既有良好的透水、透气性，又对创面有较强的黏合力而无占位现象(即不影响人工皮肤覆盖下自体皮肤的生长)，不被细菌穿透，而且遇湿更加柔软，与创面的贴附良好，再加上丝素蛋白膜光滑柔软、无刺激性，因此是人工皮肤和创面覆盖等极为理想的材料。吴徵宇[16]用丝素膜制成人造皮肤创面保护膜和新鲜猪皮在兔身上做对比，试验结果显示，丝素膜的各项性能均优于猪皮。

张幼珠等[17-18]通过在丝素中添加抗菌药物制备得到具有抗菌作用的丝素膜。临床试验表明，药物丝素膜既具有保护创面的作用，又具有清除细菌、控制感染的作用。因此，兼有局部应用抗菌药物和作为创面覆盖膜的优点，用于烧伤感染创面，可有效地控制创面感染，促进创面愈合。杨建等[19]通过化学改性的方法将抗菌肽Cecropin B 接枝到水不溶性蚕丝蛋白(丝素)膜表面，制备了具有良好、持久抗菌活性的蚕丝蛋白膜。该改性蚕丝蛋白膜对小鼠成纤维细胞L929的增殖没有明显的抑制作用，对细胞形态也无明显的影响。

再生丝素材料在皮肤修复过程中取得了巨大成功，但在使用过程中机械性能上的不足限制了它的应用范围。为获得不同机械性质的丝素膜材料，研究人员尝试在制备过程中添加一种或多种物质，基于不同材料优势互补的构想，获得目的材料。常用的改性方法有接枝和共混。如李明忠等[20]制备的丝素／聚氨酯共混膜中，聚氨酯阻止了丝素蛋白质大分子链段间产生过多的氢键结合，降低了丝素的结晶度，增加了可自由伸展链段，加上聚氨酯主链本身具备很好的柔顺性，所以共混膜的强度，柔软性、弹性相对纯丝素膜有明显提高。到目前为止，人们已尝试将丝素分别与壳聚糖、胶原、聚乳酸和聚己内酯等进行共混获得新的支架材料，以达到优势互补。

2.3 人工骨骼

骨的修复必需有种子细胞、支架材料和生物调节因子3个要素[21]。细胞在材料上的生长需经过附上、黏附以及延伸3个步骤。其中支架材料在修复过程中作为模板为骨细胞的贴附生长提供一个稳定的环境，并影响骨细胞的进一步繁殖。理想的支架应表现出稳定的与天然骨近似的机械性能、良好的生物相容性以及与新骨生长相适应的降解性。目前用于骨修复的支架材料主要有金属、生物玻璃、人工聚合物、天然聚合物、医用复合材料、医用生物陶瓷和纳米人工骨等。各种材料都存在不同程度的缺陷，限制了其在临床上的应用。丝素具有良好的机械性能和理化性质，可调节的生物降解性，生物相容性好，无毒、无刺激性等优点，已逐步成为人工骨的一种重要材料来源。

Sofia等[22]和J Chen等[23]通过在丝素纤维上培养造骨细胞、骨髓细胞和成纤维细胞，证实了丝素肽链中所含有的促生长因子Arg(R)-Gly(G)-Asp(D)相对其他人工骨材料更有利于骨细胞的贴附生长。张锋等[24]把BMP-2装载到多孔丝素蛋白支架上，研究其在体内外的释放。当把装载有BMP-2和hMSCs的支架移植到鼠极限缺损颅骨中后，产生了明显的骨向内生长。特别是当把支架、BMP-2和hMSCs在植入前先进行组织工程培养4周后，可提高骨愈合。

丝素蛋白还是软骨组织工程的较理想支架材料。Y Wang等[25-26]通过实时RRT-PCR对细胞外基质、软骨特异性基因标志物的分析，以及用组织学和免疫组化手段对细胞外基质软骨特异组分的评估证明，MSCs在丝素支架上具有成软骨特性。

人们还运用多种方法对丝素蛋白进行修饰改性，使其能适于不同细胞的生长；或将丝素与其他材料(如海藻酸钠、壳聚糖、明胶、间规聚乙烯醇等)共混，从而得到性能优异的支架材料，以满足组织工程对支架材料的多方面的性能要求。

2.4 人工血管和抗凝血材料

人工血管材料不但应具有较好的生物相容性，也应具有与人体血管相适应的力学性能，才能保证其能顺利植入体内，在体内保持通畅，还应具有顺应性和可灭菌性[27]。目前所使用的人工血管根据材质可分为：合成血管、生物血管、表面改性人工血管和支架血管。合成血管主要由惰性高分子合成，是当前应用最多的人造血管，如Dacron(涤纶)、e-PTFE(膨化聚四氟乙烯膜)和PU(聚氨酯)等。前者抗凝结性较弱，易形成血栓，引起严重的炎症反应。生物血管主要指自体、异体和异种血管。表面改性血管主要是通过物理、化学或生物方法对血管改性，使其更适用于人体环境。而支架血管主要是通过在金属支架外套上一层血管膜来提高其生物相容性。上述人工血管各有优势，而最大的不足在于大多数不具有生物降解性，或是降解后的产物会引起受体的炎症反应[28]。王维慈等[29]通过对几种临床常用的人造血管生物材料和丝素蛋白改性聚氨酯材料SF-PU(1∶1)在大鼠体内引起的急性期组织反应的对比证实，SF-PU(1∶1)材料的组织相容性最好，加之SF-PU(1∶1)具有优异的物理性能，因此在小口径人造血管的研制方面有很好的应用前景。

蚕丝具有较好的机械性能，并可根据实际需要制备获得需要的形态。但蚕丝的抗凝血性不佳，影响了蚕丝在组织工程中的应用。因此考虑在保持蚕丝优势的前提下，通过在蚕丝表面接枝抗凝血因子，来提高其抗凝血效果。玉田靖等[30]用浓硫酸处理丝素蛋白水溶液，经过一系列的处理获得硫酸化的丝素蛋白粉末。经硫酸处理的丝素蛋白与未处理的相比，显示出抗凝血活性，硫酸化丝素蛋白的抗凝血活性取决于加入硫酸基团的数量，这些结果表明蚕丝素蛋白中硫酸基团的介入导致其具有抗凝血剂的功能。但是硫酸化丝素的抗凝性比肝素低。在进一步的研究中，使用氯磺酸来代替浓硫酸得到的抗凝血活性约提高100倍，活性达到肝细胞的20 %左右[31]。

开发丝素蛋白抗凝血材料的原理和方法很复杂，上述方法为在丝素蛋白中导入硫酸基或磺酸基，使丝素蛋白具有类似肝素的蛋白结构从而具有抗凝性。此外还有很多种方法，如共混改性的丝素蛋白材料，接枝MPC或褐藻多糖硫酸酯的丝素蛋白材料，固定vWf因子的丝素蛋白材料，RGD-IgG-SPA改性丝素蛋白材料等[32]。

2.5 人工肌腱和韧带

1900年，Lange等首次采用丝线制成肌腱。随后的100年内，国内外先后有关于利用头发、涤纶、塑料、合金和碳纤维等材料制备获得人工肌腱的研究报道。但这些材料存在或多或少的缺陷：降解速度难以控制，生物相容性较差，或是材料无法降解。因而大多数未能在临床中应用。徐华等[33]通过建立和观察蚕丝人工肌腱止点腱骨愈合及腱腱愈合的动物模型证实，蚕丝人工肌腱通过胶原和骨道连接，随着时间的延长，逐渐出现软骨化和骨化，表现出形成正常腱骨的趋势。

蚕丝作为一种新型可开发医药材料，具有缓慢的降解性、弱免疫反应、机械性能与人体韧带材料接近等特点，有利于用于人工韧带替代品的开发。实验表明：蚕丝植入动物体内的2个月，仍能保持50 %的张力。Meinel等[34]将丝素蛋白纤维经特定的理化处理，形成接近于正常的前十字韧带结构的丝素蛋白基质材料，与间充质干细胞共培养。研究表明丝素蛋白支架促进了间充质干细胞向肌腱细胞的分化，且3周内未见丝素蛋白支架有明显的机械强度改变。Altman等[35]认为蚕丝纤维具有良好的力学性质，生物相容性以及缓慢的降解性，是制作人工韧带的良好支架材料。

2.6 人工角膜

当前临床中普遍采用聚甲基丙烯酸甲酯作为人工角膜材料，该种材料可塑性强，易加工，并有较高的透光性和曲光度。但该种材料又具有硬度高，植入受体后难处理，存在其他副作用等局限性。也有研究采用胶原纤维合成能用于角膜修复的支架，虽有研究证明角膜细胞能在胶原纤维上正常生长，但对于该种支架的研究并未取得成功。丝素不但具有很好的生物相容性，缓慢降解性，同时具有高机械性和易获取的优势，使其更适合于人工角膜的开发。B D Lawrence等[36]采用分子量为90万的以聚乙烯氧化物为致孔剂制备得到孔径为0.5～5.0 μm、厚度为2 μm的透明丝素膜，通过水蒸气韧化后用于培养人和兔眼角膜的成纤维细胞。研究发现，该细胞能在丝素膜上正常地贴附、生长。

3 结 语

人工组织材料不仅具有良好的机械性能，并且可以运用丰富的加工手段，通过对材料空间结构和性能的改变调节降解速度。蚕丝以其良好的机械性能、生物相容性和易于加工性，在组织工程材料中得到越来越广泛的应用。但是如何更好地控制基于蚕丝的人工生物材料的生物力学性能、孔径和孔隙度、降解速率等以适应不同组织修复的要求，研制出更理想的人工组织材料，还有待于进一步的、更广泛而深入地研究。

[1]LI W J, LAURENCIN C T, CATERSON E J, et al. Electrospun Nanofibrous Structure: A Novel Scaffold for Tissue Engineering[J]．Eelectrospun Nanofiber Scaffold, 2002, 60: 613-621．

[2]PANILAITIS B, ALTMAN G H, CHEN J S, et al．Macrophage Responses to Silk[J]．Biomaterials, 2003, 24: 3079-3085．

[3]ALTMAN G H, HORAN R L，LU H H, et al. Silk Matrix for Tissue Engineered Dnterior Cruciate Ligaments[J]．Biomaterials, 2002(23): 4131-4141．

[4]UNGER R E, WOLF M, PETERS K, et al．Growth of Human Cells on a Non-woven Silk Fibroin Net: a Potential for Use in Tissue Engineering [J].Biomaterials, 2004, 25: 1069-1075．

[5]FINI M, MOTTA A, TORRICELLI P, et al．The Healing of Confi ned Critical Size Cancellous Defects in the Presence of Silk Fibroin Hydrogel[J].Biomaterials, 2005, 26: 3527-3536．

[6]HORAN R L, ANTLE K, COLLETTE A L, et al.In Vitro Degradation of Silk Fibroin[J]．Biomaterials, 2005, 26: 3385-3393．

[7]BUCKNALL T E，TEARE L, ELLIS H.The Choice of a Suture to Close Abdominal Incisions[J]．Eur Surg Res, 1983, 15: 59-66．

[8]MEINEL L，FAJARDO R,HOFMANN S, et al．Silk Implants for the Healing of Critical Size Bone Defects [J]．Bone, 2005, 5: 688-698．

[9]SOONG H K,KENYON K R．Adverse Reactions to Virgin Silk Sutures in Cataract Surgery[J]．Ophthalmology, 1984, 91: 479-483．

[10]SALTHOUSE T N,MATLAGA B F,WYKOFF M H.ComparativeTissue Response to Six Suture Materials in Rbbit Cmea, Sclera，and Ocular Muscle[J]．Jophthalmol(Am), 1977, 84: 224-233．

[11]MEHTA K,RAO R,CHANDRASHEKAR R．Transglutaminases of the Lower Organisms[J]．Minerva Biotech, 2002, 14: 129-134．

[12]何继银，劳杰．人工神经预构的研究进展[J]．中国修复重建外科杂志，2005(9)：755-757．

[13]YANG Y M, CHEN X M,DING F, et al.Biocompatibility Evaluation of Silk Fibroin with Peripheral Nerve Tissues and Cells in Vitro[J]．Biomaterials, 2007, 28: 1643-1652．[14]YANG Y M, DING F, WU J, et al．Development and Evaluation of Silk Fibroin-based Nerve Grafts Used for Peripheral Nerve Regeneration[J]．Biomaterials, 2007, 28: 5526-5535．

[15]陈剑平，刘德伍，毛远桂．组织工程皮肤的结构和特性[J]．中国组织工程研究与临床康复，2008，12(24)：4731-4734．

[16]吴徵宇．丝素蛋白作为生物医用材料的研究[J]．材料导报，2000，14(9)：62-64．

[17]张幼珠，吴徵宇，田保中，等．药物丝素膜的性能及在烧伤感染创面上的应用[J]．纺织学报，2001，22(3)：172-174．

[18]张幼珠，吴徵宇，田保中，等．抗菌药物丝素膜的研制及应用[J]．蚕业科学，1999，25(4)：242-245．

[19]杨建，刘琳，白利强，等．抗菌肽改性蚕丝蛋白膜的细胞相容性研究[J]．丝绸，2008(8)：21-24．

[20]李明忠，缪俊娜，柴玲华．丝素/聚氨酯共混膜的性能[J]．丝绸，2002(7)：9-11．

[21]饶燕刚，田卫东．组织工程骨培养的分子机制[J]．国际口腔医学杂志，2007(1)：53-55．

[22]SOFIA S, MCCARTHY M B, GRONOWICZ G, et al．Functionalized Silk-based Biomaterials for Bone Formation[J]．Journal of Biomedical Materials Research Part A，2000, 54: 139-148．

[23]CHEN J, ALTMAN G H, KARAGEORGIOU V, et al．Human Bone Marrow Stromal Cell and Ligament Fibroblast Responses on RGD-modified Silk Fibers[J]．Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2003, 67A: 559-570．

[24]张锋．BMP-2在体内外三维多孔丝素蛋白支架上的释放研究[J]．外国丝绸，2007(3)：7-9，36．

[25]WANG Y, BLASIOLI D J, KIM H J, et al. Cartilage Tissue Engineering with Silk Scaffolds and Human Aticular Condrocytes[J]．Biomaterials, 2006, 27: 4434-4442．

[26]WANG Y, KIM U J, BLASIOLI D J, et al．In Vitro Cartilage Tissue Engineering with 3D Porous Aqueousderived Silk Scaffolds and Mesenchymal Stem Cells[J]. Biomaterials, 2005, 26: 7082-7094．

[27]霍丹群，陈柄灿，侯长军，等．人工血管及其研究进展[J]．中国医疗器械杂志，2004，28(3)：200-202．[28]汪忠镐，陈学明．人工血管在血管外科中的应用[J]．临床外科杂志，2008，16(1)：12-14．

[29]王维慈，金毕，欧阳晨曦．高分子人工血管材料大鼠肌肉内的急性期反应[J]．生物工程学报，2010，26(1)：79-84．

[30]玉田靖.蚕丝在医药领域的开发利用[J]．周耀祖，译．蚕桑通报，1998(29)：59-60．

[31]滕野胜夫．绢新素材の开发とその产业利用[M]．制糸夏期大学教材，第51回，1998．

[32]程忠玲，邵建明．抗凝血丝素蛋白材料的研究进展[J]．材料导报，2005，19(z2)：363-365．

[33]徐华，蒋青，王骏飞，等．蚕丝人工腱止点转归动物模型的建立[J]．中国比较医学杂志，2007，17(5)：285-291．

[34]MEINEL L, KARAGEORGIOU V, HOFMANN S, et al．Engineering Bone-like Tissue in Vitro Using Human Bone Marrow Stem Cells and Silk Scaffolds[J]．Biomed Mater Res A, 2004, 71: 25-34．

[35]ALTMANA G H，HORAN R L，LU H H，et al．Silk Matrix for Tissue Engineered Anterior Cruciate Ligments [J]. Biomaterials，2002, 23: 4131-4141．

[36]LAWRENCE B D，MARCHANT J K, PINDRUS M A, et al. Silk Film Biomaterials for Cornea Tissue Engineering[J]．Biomaterials, 2009, 30: 1299-1308．

Research Status of Silk Protein as Artifi cial Tissue Material

HOU Chun-chun, ZHANG Hu-jing, LI Sheng-chun, CHENG Guo-tao, XU Shui
(College of Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Silk protein is a natural polymer material with good mechanical properties, chemical properties, biodegradability and good compatibility with human body. It is a good biomedical material. In view of the structure and characteristics of silk protein, this paper reviewed the status quo and development of silk protein as artificial nerve, skin, bones, blood vessels, tendons, ligaments, cornea and other features of biomedical materials, as while discussed the prospects for their development.

Silk protein; Biocompatibility; Biodegradability; Biomedical materials

TS149；TS102.33

A

1001-7003(2010)07-0018-05

2010-03-18；

2010-05-08

重庆市科委科技攻关项目（CSTC2009AC1006）

侯春春(1986－ )，女，硕士研究生，研究方向为生物材料。通讯作者：徐水，副教授，硕士生导师，xushui@swu.edu.cn。