丝素在组织工程领域中的研究热点

潘岳林，杨明英，邓连霞，朱良均

（浙江大学应用生物资源研究所，浙江 杭州 310058）

丝素在组织工程领域中的研究热点

潘岳林，杨明英，邓连霞，朱良均＊

（浙江大学应用生物资源研究所，浙江 杭州 310058）

丝素蛋白因其特殊的机械性和良好的生物相容性、生物降解性在组织工程领域中得到广泛的关注。本文通过介绍丝素蛋白的结构和性质，综述了丝素蛋白在骨组织、软骨组织、皮肤组织等方面的应用进展，并对丝素蛋白在组织工程临床应用提出了几个亟待解决的问题。

丝素蛋白；组织工程；应用

随着人们骨缺损、软骨损伤、皮肤烧烫伤等疾病发病率的增加以及捐赠者数量的限制，组织工程应运而生。组织工程是将人体各种缺损组织或器官的细胞在体外培养扩增后，采用物理、化学、生物的方法制成细胞-支架复合体植入缺损部位，从而实现缺损组织的治疗目的。由于支架材料是细胞生长的基础，所以良好的支架材料必须满足无毒、一定的机械强度、良好的生物相容性、生物降解性以及可塑性等要求［1，2］。聚合物、金属以及陶瓷等材料被广泛应用于组织工程领域，但也存在各自的局限性，没有一种合适的生物材料可以同时满足所有组织支架的要求。近年来丝素蛋白因其良好的理化性能，在组织工程领域得到越来越多的关注与研究。

1　丝素蛋白的结构和性能

蚕丝是由丝胶蛋白、丝素蛋白以及少量的色素、碳水化合物构成。丝素蛋白是蚕丝的主要蛋白质，由18种氨基酸组成，其中带亲水基团的丝氨酸、酪氨酸、门冬氨酸等占总量的31%，其特征氨基酸带有氨基和羧基，具有两性电解质性质［3～5］。丝素蛋白的主要二级结构可分为无规卷曲、α-螺旋和β-折叠，可通过改变温度、pH值、剪切力等处理将不稳定的无规卷曲和α-螺旋转变成稳定的β-折叠结构。丝素蛋白的的结晶形态主要为SilkⅠ和SilkⅡ，SilkⅠ结晶形态难以保持统一性，SilkⅡ是反平行的β-折叠结构［6，7］。近来也有学者发现SilkⅢ结晶构象，其结构主要是左手三重螺旋［8］。丝素蛋白的氨基酸排列顺序决定其二级结构，从而决定其具有良好的机械性能和理化性能，如可塑性、生物相容性、生物降解性、缓释性等，通过对其进行加热、冷冻干燥、有机溶剂处理等方法可以获得不同的丝素蛋白形态，如纤维、微球、支架、膜以及凝胶等［9，10］。丝素蛋白的无毒性以及低免疫原性、良好的生物相容性、缓慢的降解速度为其应用于组织工程领域提供了可能。

2　丝素在组织工程领域中的应用

2.1骨组织工程

胶原蛋白和羟基磷灰石是骨的主要成分，能够使骨具有一定的机械性能、韧性以及抗压抗扭转能力，因此在骨组织工程中，研究者主要以羟基磷灰石为主要成分复合丝素蛋白制备多孔支架。

Wang等［11］研究了丝素-羟基磷灰石复合物培养骨髓间质细胞对兔子骨缺损的影响，经过对比不同比例、孔隙大小、孔隙率的丝素-羟基磷灰石在大鼠的降解性，发现SF/HA-3可以作为细胞培养支架有效地进行骨修复治疗。Kweon等［12］进一步研究了纳米羟基磷灰石/丝素复合物对兔子颅骨缺损的治疗，研究发现纳米羟基磷灰石复合物能够明显加快骨的形成并快速修复缺损处。

2.2软骨组织工程

软骨是一种无血管、无神经的结缔组织，主要由胶原组织、细胞、水份构成。作为软骨组织支架首先要为软骨细胞提供黏附，丝素蛋白对软骨细胞具有良好的吸附作用，并可维持其正常形态和功能，适合建立软骨组织支架［13］。

众多研究者采用多糖与蛋白质共混的水凝胶来模仿软骨的自然环境以期为软骨组织的生长和再生提供一个最适宜的环境。Silva等［14］用京尼平交联壳聚糖与丝素制备了具有稳定规则结构的壳聚糖/丝素海绵，这种共混物海绵不仅能够为ATDC5细胞提供良好的附着，促进ATDC5细胞分化，而且能够诱导软骨样细胞再生，为软骨组织工程提供了选择。近年来随着3D技术的流行，学者开始进行3-D组织构建工程。Bhardwaj等［15］制备了丝素/壳聚糖共混支架，其中丝素作为细胞黏附和增值的培养基，壳聚糖具有类似黏多糖的结构可以进行软骨修复。将牛的软骨细胞在体外用该支架培养两周后，有细胞接种结构的细胞生长增值要明显多于未接种的。随后，Talukdar等［16］又研究了在3D-技术的丝素支架上细胞接种密度对于关节软骨组织工程的影响，发现接种密度高会增加软骨结构的DNA、GAG和胶原蛋白含量，这表明接种密度对于功能性软骨组织生成具有重要的意义。

2.3皮肤组织工程

人的皮肤由表皮层和不可再生的真皮层构成。目前，国内外成百上千位烧烫伤患者的皮肤移植问题亟待解决。自体皮肤移植常常面临供皮区不足的现象，而异体移植又会引起致敏性、刺激性和细胞毒性等问题。医用丝素蛋白皮肤再生膜具有良好的生物相容性，不仅可以保护创面免收外部感染，而且能够促进皮肤的再生，是一种良好的皮肤修复材料［13，17］。

Zhang等［18］已证实采用静电纺丝技术制备的丝素蛋白支架能够很好的支持人角质化细胞和成纤维细胞的生长。也有学者采用静电纺丝技术制备了丝素/甲壳素、丝素/胶原蛋白纳米纤维支架，并探究了人表皮角质化细胞和成纤维细胞在共混支架上的黏着、生长和增值等情况，发现与纯丝素蛋白纤维支架相比，共混纳米纤维支架能够加快细胞的生长增值［19，20］。

2.4血管组织工程

丝素蛋白具有抗凝血性能，可以此开发人造血管和抗血栓物质。为了提高丝素的抗凝血性能，可以对其表面进行磺酸化处理，主要采用两种方式：硫酸处理法、低温等离子体技术［21］。

Yagi等［22］通过涂布有丝素蛋白的双经编制的丝素纤维制备了内直径为1.5 mm、长度为10 mm的人造血管，这种丝素人造血管不仅具有良好的物理性能，而且外层的涂层能够阻止血液的渗漏，避免早期的血栓症。为了满足功能性微径人造血管在外科血管的形成中的需求，Nakazawa等［23］制备了内直径为1.5 mm的丝素纤维血管并将内皮细胞和平滑肌细胞移植到纤维上，发现该丝素纤维具有良好的拉伸强度并能够行成内皮和介质样平滑肌膜。

2.5肌腱和韧带组织工程

肌腱和韧带组织是高密度的结缔组织，强大的物理负荷往往会导致这些组织收到损伤，然而组织内部的低细胞和血管含量又延长了其自身修复的过程［1］，这就要求支架材料具有优越的抗拉性能、弹性与韧性，以及结构完整性。丝素蛋白的力学性能与肌腱相似，具有治疗肌腱韧带损伤的可能性。

Fang等［24］研究了柞蚕丝在组织工程中的体内外应用，研究发现柞蚕丝素支架能够促进腱细胞的黏着和增值，小鼠体内移植16周后，在再生肌腱中的胶原蛋白主要为Ⅰ型，最大再生肌腱的负载为55.46%，这种柞蚕丝素支架具有良好的肌腱损伤的修复功能。Sahoo等［25］采用改良的脱胶技术制备了网状丝素支架，并在支架上涂布一层丝素/PLGZ纳米纤维溶液制备成纳米-微支架。研究发现不仅细胞能够在支架上快速增值，而且涂布共混层的支架能够拟补PLGA降解过快的缺点，从而发挥PLGA对于生成致密结缔组织的优点。

2.6神经组织工程

神经系统分为中枢神经系统和周围神经系统，周围神经系统的自修复功能是有限的，因此需要人工神经移植物的辅助治疗。但是移植物植入机体后会出现炎性侵润现象，并且如果植入物长期不能降解又会形成纤维性包膜囊，这就要求植入物具有一定的生物相容性和抗压性，不妨碍神经组织在管内的生长，并且该移植物最终可以在机体中被降解吸收，从植入部位消失［26］。

Wei等［27］以壳聚糖/丝素支架作为脂肪干细胞的载体和损伤神经再生的结构骨架来研究细胞支架载体对大鼠坐骨神经的修复作用，发现其能够明显改善神经的连续性和功能性的恢复，并能使大鼠骨骼肌受神经系统的支配。此外，Wang等［28］用聚左旋乳酸/丝素支架改善神经再生机能。Huang等［29］将含有蜘蛛丝纤维的家蚕丝素纤维导管作为大鼠坐骨神经的桥梁，研究其修复效果发现，蜘蛛丝纤维具有类似施旺细胞和巨噬细胞的应答反应，该种支架具有优越的轴突再生和功能恢复的效果，有望应用于临床治疗。

3　展望

丝素作为一种天然高分子蛋白质在生物医学领域中有了广泛的研究，这充分显示了丝素蛋白作为生物医用材料的应用潜力。但是，目前将丝素蛋白应用于临床组织工程还存在一些不足，如在制备丝素多孔支架时其孔径大小不能得到控制，会导致部分细胞的迁移；丝素蛋白在骨修复中其机械强度需要进一步提高，以适应高强度的物理负荷；载入生物信号分子，能够直达损伤部位，从而提高丝素支架的治疗效果。这些问题的解决需要今后研究者的共同努力才能实现。随着科学技术的发展，综合各方面的高分子材料技术研究，丝素蛋白在组织工程领域将有更广阔的应用前景。

［1］ 杨磊，朱良均，杨明英，等.丝素组织工程支架的研究进展［J］.蚕业科学，2011，37（2）：296～302.

［2］ 段巧艳，段祥，张焕相.丝素蛋白在组织工程中的应用［J］.中国组织工程研究与临床修复，2007，11（26）：5199～5203.

［3］ 倪丽，王璋，姚文华，等.丝素蛋白结构的研究［J］.中国食品学报，2001，1（1）：12～18.

［4］ Rajkhowa R，Hu X，Tsuzuki T，et al.Structure and Biodegradation Mechanism of Milled Bombyx mori Silk Particles［J］.Biomacromolecules，2012，13：2503～2512.

［5］ 黄晨，徐新颜，盛家铺.丝素膜的结构测定和分析［J］.蚕业科学，1996，22（3）：183～186.

［6］ 吴徽宇，金钟明，徐力群.丝素的结晶度和结构变化的研究［J］.蚕业科学，1993，19（2）：105～110.

［7］ Sushmitha S，Joydip K，Subhas CK.Biopolymeric nanoparticles［J］.Science and technology of advanced materials，2010，11：1～12.

［8］ Regina V，Samuel PG.The crystal structure of Bombyx mori silk fibroin at the air-water interface［J］.Biopolymers，1997，6：705～717.

［9］ 周凤娟，许时婴，杨瑞金，等.可溶性丝素蛋白的功能性质［J］.食品科学，2007，28（11）：71～75.

［10］Ung-Jin K，Jaehyung P，Chunmei L，et al.Structure and PropertiesofSilkhydrogels［J］.Biomacromolecules，2004，5：786～792.

［11］G.Wang，H.Yang，M.Li，et al.The use of silk fibroin/hydroxyapatite composite co-cultured with rabbit bone-marrow stromal cells in the healing of a segmental bone defect［J］.Journal of bone and joint surgery-british volume，2010，92（2）：320～325.

［12］H.Kweon，KG.Lee，CH.Chae，et al.Development of nano-hydroxyapatite graft with silk fibroin scaffold as a new bone substitute［J］.Journal of oral and maxillofacial surgery，2011，69（6）：1578～1586.

［13］郭涛，禹正杨.丝素蛋白在生物医学领域的应用研究新进展［J］.现代医药卫生，2013，29（8）：1189～1191.

［14］SS.Silva，A.Motta，MT.Rodrigues，et al.Novel genipincross-linked chitosan/silk fibroin sponges for cartilage engineering strategies［J］.Biomacromolecules，2008，9（10）：2764～2774.

［15］N.Bhardwaj，QT.Nguyen，AC.Chen，et al.Potential of 3-D tissue constructs engineered from bovine chondrocytes/ silk fibroin-chitosan for in vitro cartilage tissue engineering［J］.Biomaterials，2011，32（25）：5773～5781.

［16］S.Talukdar，QT.Nguyen，AC.Chen，et al.Effect of initial cell seeding density on 3D-engineered silk fibroin scaffolds for articular cartilage tissue engineering［J］.Biomaterials，2011，32（34）：8927～8937.

［17］王林婷，朱良均，闵思佳，等.丝素蛋白在生物医学领域的应用研究［J］.北方蚕业，2009，30（3）：1～3，7.

［18］XH.Zhang，MR.Reagan，DL.Kaplan.Electrospun silk biomaterial scaffolds for regenerative medicine［J］.Advanced drug delivery reviews，2009，61（12）：998～1006.

［19］IS.Yeo，JE.Oh，L.Jeong，et al.Collagen-based biomimet-ic nanofibrous scaffolds：Preparation and characterization of collagen/silk fibroin bicomponent nanofibrous structures［J］.Biomacromolecules，2008，9（4）：1106～1116.

［20］CR.Yoo，IS，Yeo.KE.Park，et al.Effect of chitin/silk fibroin nanofibrous bicomponent structures on interaction with human epidermal keratinocytes［J］.International journal of biological macromolecules，2008，42（4）：324-334.

［21］马芳，邹凤竹.丝素蛋白在生物材料领域的应用研究概况［J］.山东农业大学学报，2005，36（4）：632～636.

［22］T.Yagi，M.Sato，Y.Nakazawa，et al.Preparation of double-raschel knitted silk vascular grafts and evaluation of short-term function in a rat abdominal aorta［J］.Journal of artificial organs，2011，14（2）：89～99.

［23］Y.Nakazawa，M.Sato，R.Takahashi，et al.Development of small-diameter vascular grafts based on silk fibroin fibers from bombyx mori for vascular regeneration［J］.Journal of biomaterials science-polymer edition，2011，22（1-3）：195～206.

［24］Q.Fang，DL.Chen，ZM.Yang，et al.In vitro and in vivo research on using Antheraea pernyi silk fibroin as tissue engineering tendon scaffolds［J］.Materials science&engineering C-biomimetic and supramolecular systems，2009，29（5）：1527～1534.

［25］S.Sahoo，SL.Toh，JCH.Goh，et al.PLGA nanofiber-coated silk microfibrous scaffold for connective tissue engineering［J］.Journal of biomedical materials research part B-applied biomaterials，2010，95B（1）：19～28.

［26］吴坚，严小莉，赵亚红，等.人工神经移植物丝素蛋白导管的生物相容性的初步探究［J］.组织工程与重建外科杂志，2009，5（2）：86～88.

［27］YJ.Wei，K.Gong，ZH.Zheng，et al.Chitosan/silk fibroinbased tissue-engineered seeded with adipose-derived stem cells enhances nerve regeneration in a rat model［J］.Journal of materials science-materials in medicine，2011，22（8）：1947～1964.

［28］CY.Wang，KH.Zhang，CY.Fan，et al.Aligned naturalsynthetic polyblend nanofibers for peripheral nerve regeneration［J］.Acta biomaterialia，2011，7（2）：634～643.

［29］W.Huang，R.Begum，T.Barber，et al.Regenerative potential of silk conduits in repair of peripheral nerve injury in adult rats［J］.Biomaterials，2012，33（1）：59～71.

Silk Fibroin for Tissue Engineering:Review

PAN Yue-lin，YANG Ming-ying，DENG Lian-xia，ZHU Liang-jun＊
（Institute of Applied Bioresources，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Silk fibroin，as especial mechanical properties，perfect biocompatibility and biodegradability，was widely used in tissue engineering area.This review discussed the application of silk fibroin in the bone，cartilage，skin tissue，et. Furthermore，some problems about the field should be solved urgently.

silk fibroin；tissue engineering；application

S886

A

0258-4069［2016］01-015-04

现代农业产业技术体系建设专项（CARS-22）

潘岳林（1989-），女，山东烟台人，硕士研究生，从事蚕丝蛋白生物资源高分子材料研究。E-mail：lin-myyue@163.com

朱良均，男，教授，博士生导师。E-mail：ljzhu@zju.edu.cn