絲蛋白在生物醫(yī)藥材料中的研究進展

劉　琳，穆暢道

（四川大學化學工程學院四川 成都　610065）

絲蛋白在生物醫(yī)藥材料中的研究進展

劉琳，穆暢道

（四川大學化學工程學院四川 成都610065）

摘要：絲蛋白屬線狀蛋白質，具有獨特的結構和性能特點，本文綜述了絲蛋白作為藥物載體、骨組織修復材料、神經(jīng)與血管移植等生物醫(yī)藥材料的功能開發(fā)和研究進展.

關鍵詞：生物醫(yī)藥材料；絲蛋白；生物相容性；生物降解性

絲蛋白，又名絲素蛋白，屬線狀蛋白質，具有抗蛋白水解酶、抗紫外線，而且以其顯著的柔韌性、抗疲勞和與鋼材相似的張力強度，高溫下的熱穩(wěn)定性，在酸堿條件下的穩(wěn)定性，在-50℃～60℃的溫度范圍內(nèi)保持有良好的彈性等.絲蛋白以其良好的生物相容性和生物降解性成為生物醫(yī)藥材料中的重要天然材料.以其高純度、低價格等優(yōu)點，在生物醫(yī)藥材料上的有廣闊的應用前景.主要包括：藥物載體、骨骼與軟骨組織修復材料、神經(jīng)與血管移植等.

1　絲蛋白應用在生物醫(yī)藥中的特性

1.1生物相容性

生物醫(yī)藥材料應具備良好的生物相容性，并能使細胞在該材料上生長與繁殖，研究表明［1-3］，從實驗小白鼠不同組織的采集的不同細胞，培養(yǎng)在絲蛋白膜上，驚奇地發(fā)現(xiàn)，細胞均能在其表面上生長與繁殖，且細胞間也聯(lián)系致密.另一項研究中，［4］傳統(tǒng)材料修復兔大腿骨損傷的效果與新材料絲蛋白凝膠修復效果進行比較，以梁小骨的厚度、間隙、數(shù)量等作為依據(jù)，實驗數(shù)據(jù)表明，絲蛋白凝膠更有利于兔大腿骨損傷的恢復，兔大腿骨的成骨細胞也能很好的與絲蛋白材料結合.

1.2生物降解性

生物醫(yī)藥材料中的人工組織材料必須具有與修復區(qū)組織細胞生長一致的降解速率。如果其降解速率不一致，其相關的力學性能會降低，就不能為新生組織提供相應的力學支撐，同時也會引起組織免疫反應等。在一項研究中［5］，于絲蛋白支架上模擬骨細胞的生長環(huán)境，培養(yǎng)骨髓干細胞一個月后，絲蛋白支架降解對羥基磷灰石的沉淀、類骨小梁細胞的生成有利，若將絲蛋白植入小鼠的骨缺損區(qū)，一個月后有新骨形成.

2　絲蛋白在生物醫(yī)藥中的應用近況

2.1藥物載體

固態(tài)或液態(tài)藥物被高分子材料包封形成的微小囊狀粒子，我們稱之為微囊［6］.目前，微囊在藥物制劑中已被廣泛的研究.微囊可以改變藥物釋放曲線、吸收、分布、消除，對于提高產(chǎn)品的療效和安全性［7］，以及提高病人的方便性與依從性.微囊膜以及微囊化技術是保證微囊質量以及控制藥物釋放的關鍵.由于絲蛋白的優(yōu)良特性，通過研究表明［8］其可用于制備固定酶、藥物緩釋或控釋載體，裝載酶、核酸、多肽、蛋白質藥物等，為微囊的研制提供基礎.在藥物靶向傳遞的發(fā)展中［9］，使藥物在體內(nèi)流向唯一活性的靶向區(qū)域（例如，在癌細胞區(qū)域），并持續(xù)釋放制劑，其微囊中的藥物在一段時間內(nèi)從制劑中以控制的方式被釋放.Dkevint等、Gjohnt等、刑鐵玲等［10-12］的實驗得出了絲蛋白很適合制備成微囊的結論，并且其具有一定的機械強度，也具有良好的化學穩(wěn)定性能，可以很容易地封裝大分子，同時允許小分子可以自由滲透.絲蛋白微囊代表了一類能在分子水平上進一步改進與控釋功能的新材料.

2.2骨骼與軟骨組織修復材料

骨骼與軟骨組織是堅硬的結締組織，由細胞、纖維和基質構成［13］.而絲蛋白在這之中起到的支架作用尤其重要.其優(yōu)異的機械性能、較低的炎癥反應、緩慢生物降解性能和完善的生物相容性能，使其必然會成為骨骼與軟骨組織修復材料中的主要材料之一.張鋒等［14］的研究充分證明了低降解速率的絲蛋白支架，其在體內(nèi)外骨發(fā)生研究方面具有潛在應用價值；謝瑞娟等［15］將非水溶性的絲蛋白加入到磷酸鈣骨水泥中，制成復合粉體，再按一定的液固比將復合粉體調和成糊狀物，轉化為與骨有相似結構的絲蛋白-磷酸鈣骨水泥復合材料.它具有良好的力學性能和生物相容性，通過注射器直接注入手術部位，可準確塑型固化作為骨修復的充填材料使用；或者在體外環(huán)境中自固化后再植入體內(nèi)，作為骨修復的植入材料使用.NSunita等［16］研究絲蛋白與金屬鈦的功能化應用，mRNA轉運了骨涎蛋白、骨鈣蛋白和堿性磷酸酶到成骨細胞，強化絲蛋白、絲蛋白-RGD固定化鈦基體培養(yǎng).當巨噬細胞和成骨-巨噬細胞共同培養(yǎng)在絲蛋白固定化的鈦表面，記錄顯示，沒有產(chǎn)生大量的促炎性細胞因子，如：TNF-α、1L-1β、一氧化氮等.研究結果表明，絲蛋白固定化的鈦表面有潛在的以鈦為基礎，植入有用的生物活性涂層材料.

2.3神經(jīng)與血管移植

絲蛋白應用于神經(jīng)移植是因為絲蛋白與末梢神經(jīng)組織、細胞的生物相容性很好［17］，實驗中還提到，神經(jīng)導管釋放的神經(jīng)營養(yǎng)因子可以穿過神經(jīng)缺口增強神經(jīng)再生［18］，而絲蛋白作為支架，植入一個10毫米長的坐骨神經(jīng)缺損的小白鼠，實驗結果表明，絲蛋白也能促進末梢神經(jīng)的再生，其效果接近于神經(jīng)自體移植。然而，目前國內(nèi)外一致認為神經(jīng)自體移植才能治療大多數(shù)的末梢神經(jīng)缺陷［19］.絲蛋白應用于血管移植是由于其支持血管細胞的附著、增殖和分化、模擬血流量的能力，并抵抗剪切應力、壓力.從而能抑制血栓的形成［20］，能增加抗凝血性能［21］，能使絲蛋白改性聚氨酯材料的組織相容性達到最佳［22］，所以絲蛋白在人造血管的制造與應用方面具有較好的前景.除了上面提到的這些，其他領域也在研究絲蛋白.例如，葡萄糖氧化酶固定于聚乙烯醇的混合膜、葡萄糖生物傳感器［23］.此外，絲蛋白被用作角膜材料［24］、氣管支架［25］、韌帶和肌腱［26］等.

3　結束語

綜上所述，在生物材料領域中，絲蛋白具有極大的開發(fā)潛力.同時，仍然有一些問題需要解決：（1）絲蛋白需要加工成不同的形態(tài)，以滿足不同的需求；（2）生物降解速率應能控制并且能匹配生物體的生長；（3）表面改性是用來改善絲蛋白材料的生物相容性，生產(chǎn)臨床使用的絲蛋白材料應具有低免疫原性或無免疫原性；（4）應該研究出更多新的、有價值的絲蛋白材料用于臨床醫(yī)學.

參考文獻：

［1］HuiYang，Lu-luZhang，ChuangWang.AdvancedMater-ials ResearchVols［J］.287-290（2011）:1335-1343.

［2］LI W J，LAURENCIN C T，CATERSON E J，et al.Elec-trospun NanofibrousStructure:ANovelScaf-foldforTissue-Engineering［J］.Eelectro spun Nanofiber Scaffold，2002，60:613-621.

［3］UNGERRE，WOLFM，PETERSK，etal.GrowthofHum-anCells ona Non-wovenSilkFibroinNet，aPo-tential for Use in Tissue Engineering［J］.Biomaterials，2004，25: 1069-1075.

［4］FINI M，MOTTA A，TORRICELLI P，et al.The Heal-ing of Con？ned Critical Size Cancellous De-fects in the PresenceofSilkFibroinHydro-gel［J］.Biomaterials，2005，26:3527-3536.

［5］MEINEL L，F(xiàn)AJARDO R，HOFMANN S，et al.Silk Im-plants for the Healing of Critical Size Bone De fects［J］. Bone，2005，5:688-698.

［6］RaviKumarMNV.HandbookofParticulateDrugDelivery；KumarRMNV，Eds.AmericanScien-tificPublishers:Los Angeles，CA，USA，2008，2:26-27.

［7］MandalBB，MannJK，KunduSC.Silkfibroin/gelatinmultilayeredfilms as a model systemfor controlled drug release.EurJPharm.Sci.2009，37:160-171.

［8］Megeed Z，Haider M，Li D，O'Malley Jr B W，Cap-pello J，Ghandehari H.In vitro and in vivo e-valuation of recombinant silk-elastinlike hydrogels for cancer genetherapy.JControlRel2004，94:433-445.

［9］MandalBB，KapoorS，KunduSC.Silkfibroin/polyacrylamidesemi-interpenetrating net-work hydrogels for controlleddrugrelease.Biomaterials2009，30: 2826-2836

［10］KevinD，Hermanson，DanielHuemmerich，ThomasScheibel. advanced materials.Adv.Mater.2007，19，1810-1815.

［11］JohnG.Hardy，LinM.Romer，ThomasR.Scheibel.sciencedirect.Polymer，2008，49:4309-4327.

［12］邢鐵玲，盧神州，李明忠，等.一種絲素蛋白納米球的制備方法：中國，201110357105.9［P］.2013-07-24.

［13］GriffithLG，NaughtonG.Tissueengineer-ingcurrent challenges and expanding oppor-tunities.Science 2002，295:1009-1014.

［14］張鋒.BMP-2在體內(nèi)外三維多孔絲素蛋白支架上的釋放研究［J］.外國絲綢，2007，36（3）:7-9.

［15］謝瑞娟，王彪，李明忠.一種絲素蛋白磷酸鈣骨水泥復合材料及其制備方法：中國，20101028-8285.5［P］. 2010-09-21.

［16］Sunita Nayak，Tuli Dey，Deboki Naskar，Sub-has C. Kundu.Biomaterials Volume34，Issue12，April2013，Pages2855-2864

［17］YangYM，ChenXM，DingF，ZhangP，Liu J，Gu XS.Bioc-XS.Biocompatibility evaluation of silk fi-broin with peripheral nerve tissues and cells in vitro. Biomaterials2007，28:1643-1652.

［18］Piotrowicz A，Shoichet MS.Nerve guidance channels as drug delivery vehicles.Biomat-erials 2006，27: 2018-2027.

［19］YangYM，DingF，WuJ，HuW，LiuW，LiuJ，GuXS.Development and evaluation of silk fibro-inbased nerve grafts usedforperipheralnerveregeneration.Biomaterials 2007，28: 5526-5535.

［20］霍丹群.人工血管及其研究進展［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2004，28（3）：200-202.

［21］李少彬.等離子體磺酸化絲素蛋白膜聚四氟乙烯復合小口徑人工血管體外的實驗研究.南方醫(yī)科大學學報，2010，30（9）:2100-2103.

［22］王維慈.高分子人工血管材料大鼠肌肉內(nèi)的急性期反應［J］.生物工程學報，2010，26（1）:79-84.

［23］Liu YC，Zhang XH，LiuHY，YuTY，DengJQ.Immobi-liza tion of glucose oxidase onto the blend membrane of poly（vinyl alcohol）and rege-nerated silk fibroin: morphology and appli-cation to glucose biosensor. JBiotechnol，1996，46:131-138.

［24］Lawrence BD，MarchantJK，Pindrus M A，Omene-tto FG，Kaplan DL.Silk film biomaterials for cornea tissue engineering.Biomaterials，2009，30:1299-1308.

［25］NiYS，ZhaoX，ZhouL，ShaoZZ，YanWH，ChenX，CaoZB，Xue Z，JiangJJ.Radiologicandhisto-logiccharacterization of silk fibroin as scaffold coating for rabbit tracheal defe-ct repair.Otolaryngol HeadNeck Surg，2008，139:256-261.

［26］Liu HF，F(xiàn)an HB，Toh SL，Goh JH.A comparison ofrabbit mesenchymal stem cells and anteriorcru ciate ligament fibroblasts responses on combined silk scaffolds.Biomaterials，2008，29:1443-1453.

責任編輯：張隆輝

中圖分類號：R915

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2094（2015）02-0153-03

收稿日期:2014-11-20

作者簡介：劉琳（1983-），男，四川巴中人，四川大學化學工程學院制藥工程碩士在讀.研究方向：藥品工藝開發(fā).穆暢道（1970-），男，新疆阿勒泰人，四川大學化工學院教授，工學博士，博士生導師.研究方向：生物化工，制藥工程，綠色化學.

Progress in Research on Silk Fibroin as a kind of Biomedical Materials

LIU Lin，MUChangdao
（School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu sichuan 610065）

Abstract：Silk protein is a natural polymer material with good mechanical properties， chemical properties， biodegradability. In view of the structure and characteristics of silk protein， this paper reviewed the status quo and development of silk protein as microcapsule， bone tissue repair materials， artificial nerve， artificial blood vessels and other features of biomedical materials， aswhile discussed the prospects for their development.

Keywords:Biomedical Materials； Silk Protein； Biocompatibility； Biodegradability