【知识科普】丝素蛋白在骨组织工程领域的应用|水凝胶_新浪财经

转自：春立在线

什么是丝素蛋白？

丝素蛋白是来源于蚕丝的纤维蛋白，作为一种天然高分子材料，避免了化学合成材料的繁琐步骤和副产物的干扰，也没有胶原、动物来源骨等免疫排斥或病原隐患，同时其来源广泛、产量丰富、价格低廉，在骨组织工程研究与应用中具有极大的价值。丝素蛋白具有良好的生物相容性、可控的生物降解速率、高药物渗透性、低免疫原性、降解产物无毒等特点，是一种良好的生物材料原料。

丝素蛋白结构

蚕丝主要由两部分组成：内部的丝素蛋白以及外部包裹的丝胶蛋白（图1a），丝素蛋白约占总量的70%-75%，丝胶蛋白约占总量的20%-25%。丝素蛋白主要含有碳、氢、氧、氮等元素，还含有钾、钙、锶、铁、铜等微量元素，它富含18种氨基酸，其中丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸约占总量的85%。

丝素蛋白是纤维状蛋白，由两条肽链构成：重链(H) 约396.367kDa，轻链（L）约25kDa，二者通过二硫键连接在一起（图1b）。此外，还有被称为P25的糖蛋白，通过疏水作用力与两条肽链组成的复合物结合在一起。

注：a.蚕丝纤维的层级结构

b.丝素蛋白重链的分子结构

图1 蚕丝纤维及丝素蛋白结构

丝素蛋白在骨组织工程领域的应用

骨组织具有疏密有序的孔隙，可利用不同加工方法以丝素蛋白制备不同结构的材料。从化学成分上看，骨组织由有机部分（胶原、各种蛋白、透明质酸等）与无机部分（羟基磷灰石、碳酸盐、无机盐等）组成，其中有机组分约占骨组织的35%，无机组分约占65%；从组成结构上看，骨组织表面有富含干细胞的骨膜，内部孔隙中分布有骨细胞、破骨细胞和血管组织等。

在组织工程领域，利用丝素蛋白良好的生物相容性和降解性，可根据不同目的和加工工艺，将丝素蛋白制备成不同的结构形式，以发挥独特的作用（图2）；在骨组织工程应用中，丝素蛋白主要以微球、水凝胶、膜和多孔支架形式发挥促进骨缺损修复的作用。

图2利用不同加工方法以丝素蛋白制备不同结构材料的示意图

2.1载体微球

骨组织再生过程中涉及多种细胞（包括成骨细胞、破骨细胞、血管内皮细胞、干细胞等）的增殖、分化等生理活动，受体内钙磷离子、生长因子等的调控。为了促进骨组织的再生，加速骨缺损的愈合，骨组织工程领域常将外源调控因子（如生长因子、中药提取物、金属离子）引入骨缺损处，靶向刺激细胞生长和组织再生。载药微球可作为上述外源调控因子的载体。载药微球一般为直径1~250μm的球状实体，由药物吸附或分散在高分子聚合物基质中形成，具有靶向性、缓释与长效性、高药物稳定性、低细胞毒性等优点，已逐渐成为骨组织工程领域的研究热点。将能提高骨组织再生相关的药物或生长因子分散在丝素蛋白溶液体系内，经特定的加工过程，即可制得具有特定功能的载药微球。常用的制备丝素蛋白微球的方法有乳化分散法、赋形法和凝聚法。

2.2水凝胶

水凝胶是由亲水或水溶性的高分子通过物理或化学交联形成的一种三维网络结构，可用于载药和细胞运输。水凝胶的溶液状态含水量较高，可以模仿细胞内部的三维微环境并可以均匀地包裹细胞和药物，同时，部分水凝胶还具有可注射性，利于生物组织的原位再生与重建。水凝胶的这些性质使其被广泛运用于骨组织修复工程领域，与其他高分子相同，可通过对丝素蛋白侧链上的氨基酸活性基团进行化学修饰从而促进丝素蛋白纤维间进行交联的方法制得水凝胶。但丝素蛋白区别于其他高分子的独特优势是利用丝素蛋白分子结构内的β⁃折叠，使大分子肽链缠绕、聚集，形成蛋白微球胶束，使丝素蛋白凝胶化，避免接枝等过程中有毒化学试剂的使用。常见的有高温、超声、涡流、化学交联以及化学改性等水凝胶化方法。

2.3膜材料

生物膜结构在体内发挥着重要的作用。骨骼表面的骨膜内富含丰富的干细胞，在骨折愈合过程中起重要作用。骨膜存在骨祖细胞，可增殖分化为成骨细胞，人工制造的丝素蛋白膜材料可模拟骨组织外部的骨膜结构，用于修复骨缺损。丝素蛋白膜的应用十分广泛，不仅可用于骨组织修复，也可用于血管修复、角膜修复以及肌腱修复等领域。丝素蛋白膜的制作方法有溶液——凝胶法、溶液共混法、静电纺法、冷冻干燥法等。

2.4多孔支架

骨组织内部具有多级微纳米孔隙结构，为骨组织再生过程中细胞的迁移与募集、增殖与分化、血管长入与体液循环提供了空间结构和力学支撑。因此，用于骨修复的多孔支架除了要具备生物材料的一般条件（良好的生物相容性、一定的机械强度等），还需具有一定的孔隙率和孔隙大小，以容纳细胞的迁移活动。以丝素蛋白为基础，制造多孔支架方法有很多，例如，编制纤维法：先将丝素蛋白纺成纤维，再将纤维进一步编制成支架；颗粒沥滤法：通过添加盐或糖作为成孔剂，制造多孔支架等（图3）。

图3丝素蛋白溶液利用颗粒沥滤法制备多孔支架流程图

总结与展望

丝素蛋白通过与其他各种生物材料相结合，根据需求加工成微球、水凝胶、薄膜、支架等多种形态，发挥着药物靶向、结构支撑、原位诱导等功效，不仅可以应用于骨组织工程，还可应用于软骨、肌腱、韧带、血管、神经等领域。对蚕丝进行深度加工，开发以丝素蛋白为基础的骨组织工程支架，有利于深化蚕丝产业的发展，使低附加值产品向高附加值产品延伸，促进农业和加工业的发展。随着未来加工技术的不断进步与科学研究的不断深入，丝素蛋白材料将在骨组织修复中得到更多的发展应用，为整个组织工程领域开辟更多的发展空间。

注：[1]匙峰、梁帅、王倩、等丝素蛋白在骨组织工程领域的应用研究进展[J]. 西华师范大学学报（自然科学版），2022, 43(2):137-143.

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