絲素蛋白在骨組織工程中的應(yīng)用研究進展

李大為，何 進，何鳳利，劉雅麗，鄧旭東，葉雅靜，尹大川

(西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院 空間生物實驗?zāi)M技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，陜西 西安710072)

絲素蛋白在骨組織工程中的應(yīng)用研究進展

李大為，何 進，何鳳利，劉雅麗，鄧旭東，葉雅靜，尹大川*

(西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院 空間生物實驗?zāi)M技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，陜西 西安710072)

簡述了骨組織工程的重要性及其對組織工程支架的要求，介紹了絲素蛋白的特性，著重介紹了5種形態(tài)的絲素蛋白材料在骨組織工程中的應(yīng)用，并總結(jié)了絲素蛋白復(fù)合支架的特點以及其對骨修復(fù)的影響，提出了絲素蛋白支架存在的主要問題并展望了其未來的研究方向。

絲素蛋白；骨組織工程；組織工程支架

Abstract：We briefly introduce the importance of bone tissue engineering and the requirements of the scaffold in bone tissue engineering.Moreover，we review the characteristics of silk fibroin and the application of its five forms in bone tissue engineering,and summarize the features of silk fibroin composite scaffold and its effect on bone repair.Finally,we present the main problem of silk fibroin scaffold in bone tissue engineering，and point out the direction for future research.

Keywords：silk fibroin;bone tissue engineering;tissue engineering scaffold

盡管骨組織具有一定的自我修復(fù)能力，但面對腫瘤切除、畸形、骨發(fā)育不全、嚴重的骨折等骨損傷時，患者仍然需要通過骨移植來治療。骨移植包括異體骨移植和自體骨移植，其中，異體骨移植具有較強的免疫和排異反應(yīng)，而自體骨移植來源有限，且難以進行體積較大的骨損傷修復(fù)。骨組織工程的發(fā)展為人們治療和修復(fù)骨損傷提供了一種新的方法。

過去的數(shù)十年中，各種不同類型的材料被用于骨組織工程的研究，如金屬、陶瓷、合成高分子等[1-3]。絲素蛋白(silk fibroin，SF)因其優(yōu)異的生物相容性、良好的降解性、合適的力學(xué)性能、簡易的加工方法以及較低的成本等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用作骨組織工程的支架材料。作者綜述了近年來SF支架材料在骨組織工程中的應(yīng)用研究進展。

1 骨組織與骨組織工程

1.1 骨組織的成分和結(jié)構(gòu)

天然骨是一種動態(tài)、剛性、高度血管化的結(jié)締組織，在提供結(jié)構(gòu)支撐、保護內(nèi)部器官和調(diào)節(jié)體內(nèi)礦物質(zhì)元素代謝等方面發(fā)揮了重要作用。骨基質(zhì)由約35%的有機物[如膠原(collagen，COL)、骨鈣蛋白(osteocalcin，OCN)和骨橋蛋白(osteopontin，OPN)等]和約65%的無機鹽[羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)和碳酸鈣]構(gòu)成。天然骨的結(jié)構(gòu)可以按照尺度分為3個層次[3-4](圖1)：(1)宏觀結(jié)構(gòu)，如皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨；(2)微觀結(jié)構(gòu)，如骨板層和骨單位(哈佛氏系統(tǒng))等；(3)納米結(jié)構(gòu)，如膠原蛋白、膠原纖維以及嵌入膠原纖維中的礦物質(zhì)晶體。

圖1 天然骨的分級結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of natural bone

1.2 骨組織工程

骨組織工程是指利用工程學(xué)、材料學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，將提取的細胞經(jīng)體外擴增后種植于多孔支架中，控制外界條件使其按預(yù)期形態(tài)生長，形成新的骨組織進行骨組織修復(fù)的過程。骨組織工程支架是新組織形成所需的最基本條件。面對體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境，理想的骨組織工程支架應(yīng)具有如下性能：(1)優(yōu)良的生物相容性，植入后不會引起炎癥反應(yīng)、免疫原性和細胞毒性；(2)合適的力學(xué)性能，植入后既不會在患者治療期間失效，又不會產(chǎn)生應(yīng)力遮擋現(xiàn)象；(3)較高的孔隙率和可控的連通性，90%以上的孔隙率和至少100 μm的孔徑有利于引導(dǎo)細胞長入支架，并在支架內(nèi)部進行血管化過程[5]；(4)合適的降解速率，組織工程支架理想的降解速率應(yīng)該與新的骨組織的形成速率相匹配；(5)骨誘導(dǎo)性和傳導(dǎo)性，良好的骨誘導(dǎo)性和傳導(dǎo)性有利于骨組織的形成。

2 絲素蛋白的特性

2.1 絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

蠶絲纖維由SF和包裹在其周圍的絲膠組成[6](圖2)。SF由390 kDa的H鏈多肽和26 kDa的L鏈多肽2種亞結(jié)構(gòu)單元組成，二者通過二硫鍵相互連接。SF具有3種典型的結(jié)構(gòu)，分別為silk Ⅰ、silk Ⅱ和silk Ⅲ。其中，亞穩(wěn)態(tài)的親水性結(jié)構(gòu)(α-helix)silk Ⅰ可以通過有機溶劑處理、溫度變化等方式很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷越Y(jié)構(gòu)(β-sheet)silk Ⅱ[7]，這種silk Ⅱ結(jié)構(gòu)決定了SF的力學(xué)性能。silk Ⅲ是一種在空氣-水界面自組裝形成的三倍體螺旋結(jié)構(gòu)[8]。與膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸等其它天然大分子生物材料相比，SF具有突出的力學(xué)性能。脫去絲膠后的SF具有300～740 MPa的拉伸強度、10～17 GPa的拉伸彈性模量、4%～26%的斷裂應(yīng)變[9]。SF支架的力學(xué)性能則主要由溶液濃度、孔隙率、孔徑、孔分布和制備方法共同決定。

圖2 蠶絲纖維的分級結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of silk fiber

2.2 絲素蛋白的生物相容性和降解性

SF支架材料良好的生物相容性主要體現(xiàn)在以下2個方面：(1)材料本身對正常的組織細胞沒有毒性；(2) 材料的降解產(chǎn)物不會引起組織的不良反應(yīng)。由于獨特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，SF具有良好的生物相容性。早在1993年，美國食品藥品監(jiān)督管理局已經(jīng)將SF認定為生物材料而被應(yīng)用于手術(shù)縫合線。SF還被當作網(wǎng)狀織物和傷口敷料用于臨床治療[10-11]。表明，SF的生物相容性可以滿足骨組織工程的需要。降解對于骨組織工程支架具有十分重要的意義。根據(jù)不同的目標組織，支架應(yīng)該具有可調(diào)控的降解速率以匹配新骨生成的速率。SF的酶解是其在體內(nèi)降解的主要形式，該過程主要分2步完成：第一步是酶通過表面結(jié)合域吸附在支架表面；第二步是酯鍵的水解[12]。SF降解后的最終產(chǎn)物是相應(yīng)的氨基酸，極易被機體吸收，不會對機體產(chǎn)生負面影響。Wang 等[13]使用SF支架進行大鼠的皮下植入試驗，一年后SF支架材料完全降解。研究發(fā)現(xiàn)再生SF的降解大約在2～6個月完成，這明顯快于天然SF[14]。SF的降解速率可以通過γ-射線輻照[15]、體外培養(yǎng)細胞的種類[16]等方式進行調(diào)節(jié)。對于多孔形態(tài)的SF支架，還可以根據(jù)處理溶劑的性質(zhì)(水相/有機相)、SF溶液濃度、孔隙率、結(jié)晶度以及SF分子量的分布來調(diào)節(jié)其降解速率。這說明SF支架的降解速率可以調(diào)控，以滿足骨組織工程的不同需求。

3 不同形態(tài)的絲素蛋白支架

支架的形態(tài)在骨組織工程中起到至關(guān)重要的作用。脫膠后的SF可以溶解在中性鹽溶液中，如LiBr和CaCl2溶液，經(jīng)去離子水透析3 d后得到再生SF溶液。采用不同的制備方法可以將再生的SF溶液加工成水凝膠、三維(3D)多孔支架、膜、纖維和顆粒，以滿足骨組織工程的需要。

3.1 絲素蛋白水凝膠

SF溶膠-凝膠過程可以通過pH值、離子、溫度、超聲等方式來激發(fā)。在此過程中SF的結(jié)構(gòu)從無定型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?sheet[17]。再生的SF水凝膠具有可注射性和流動性的特點，但其力學(xué)性能較差，主要用于非受力部位非規(guī)則骨缺損或軟骨損傷的修復(fù)。由12.6%的SF溶液制備的晶膠(crygel)支架具有高達50 MPa的壓縮模量，這使之成為可以用于骨修復(fù)的潛在支架[18]。使用超聲法制備的SF和SF-多聚-L-賴氨酸(SF-poly-L-lysine)水凝膠可以將人間充質(zhì)干細胞(human mesenchymal stem cells，hMSCs)包埋在其內(nèi)部，在不加入成骨誘導(dǎo)試劑時，hMSCs仍然可以進行成骨分化[19]。此外，家兔的體內(nèi)實驗表明注射型SF水凝膠可以促進其股骨遠端缺損的修復(fù)[20]。

3.2 絲素蛋白3D多孔支架

目前，3D多孔支架是SF骨組織工程支架的主要形態(tài)。其獨特的多孔結(jié)構(gòu)可以更好地模擬體內(nèi)的微環(huán)境，有利于細胞的粘附、增殖、遷移，同時促進營養(yǎng)物質(zhì)的擴散和新陳代謝產(chǎn)物的排出，并能在灌流系統(tǒng)中進行細胞的動態(tài)培養(yǎng)。溶劑澆鑄/粒子瀝濾法、冷凍干燥法及快速成型法(3D打印技術(shù)等)是目前幾種比較常見的制備SF 3D多孔支架的方法，見表1。

表1絲素蛋白3D多孔支架的制備方法

Tab.1 Preparation method of silk fibroin 3D porous scaffold

粒子瀝濾法可和其它方法相結(jié)合制備強度較高的SF支架。Mandal等[21]使用六氟異丙醇(hexafluoroisopropanol，HFIP)溶解再生SF，通過粒子瀝濾法制備SF支架，并用SF纖維對其進行強化處理，使壓縮模量從(0.90±0.11) MPa增加到(10.64±2.46)MPa。在這種支架上培養(yǎng)的hMSCs表現(xiàn)出較強的成骨分化能力，而支架本身所引起的極小的體內(nèi)免疫反應(yīng)說明這是一種可以用于骨組織修復(fù)的支架。粒子瀝濾法通過使用不同溶劑可以得到性能不同的SF支架。Correia等[22]分別用HFIP和水溶解再生SF，通過粒子瀝濾法制備了2種SF支架，使用這2種SF支架培養(yǎng)脂肪干細胞(adipose-derived stem cells，ASCs)，發(fā)現(xiàn)ASCs在使用HFIP作為溶劑的SF支架上表現(xiàn)出更好的骨形成能力，如更高的OPN、COL-1、鈣含量和礦化的細胞外基質(zhì)等。冷凍干燥法不使用有機溶劑和致孔劑，可以克服粒子瀝濾法的一些缺點。因此越來越多的人使用冷凍干燥法制備SF支架。Wray等[23]使用具有線性管狀列陣的模具通過冷凍干燥法制備出SF支架，中空的通道列陣貫穿整個SF支架，極大地提高了細胞培養(yǎng)時營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的輸送效率。Mao等[24]使用微結(jié)構(gòu)冰晶模具制備了具有微流體通道的多孔支架，此類結(jié)構(gòu)可以極大地提高細胞培養(yǎng)時營養(yǎng)物質(zhì)的運輸效率，并促進細胞在支架中的均勻分布?？焖俪尚头?3D打印技術(shù)等)克服了粒子瀝濾法和冷凍干燥法無法對支架內(nèi)部進行預(yù)設(shè)計的限制，可以根據(jù)要求設(shè)計任意形狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[25]。生物3D打印技術(shù)是指將細胞包封在水凝膠中逐層打印，形成穩(wěn)定的3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[26]。Suntivich等[27]開發(fā)了一種噴墨印刷技術(shù)用于制備包封細胞的SF網(wǎng)狀支架。其孔徑大小為70～100 μm，聚-L-賴氨酸(poly-L-lysine)和聚-L-谷氨酸(poly-L-glutamic acid)修飾支架表面以提高細胞在支架表面的粘附能力。3D打印技術(shù)制備SF支架還可以通過調(diào)整支架中β-sheet的含量來調(diào)整其硬度和水穩(wěn)定性，從而改變其降解速率。Das等[28]通過超聲手段提高了3D打印SF/明膠(gelatin)水凝膠支架中β-sheet的含量，發(fā)現(xiàn)MSCs在β-sheet含量較高的支架中顯示出較高的軟骨分化水平。

3.3 絲素蛋白膜

SF膜可以通過溶液澆鑄[29]、旋涂以及Langmuir-Blodgett(LB)等方法制備。溶液澆鑄法制備的絲素蛋白膜穩(wěn)定性較差，需要通過干燥、乙醇浸泡等方法提高β-sheet的含量，進而提高其穩(wěn)定性[30]。光刻等其它先進的技術(shù)手段則可以按照設(shè)計改變SF膜的表面形貌，以滿足細胞培養(yǎng)和骨組織工程的需要[31]。表面修飾可以使細胞在SF膜上表現(xiàn)出更好的功能。例如，Sofia等[32]使用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp)多肽對SF膜表面進行修飾可以明顯提高人骨肉瘤細胞(Saos-2)在膜表面的粘附率，而hMSCs則在骨形成蛋白(bone morphogenetic protein-2，BMP-2)修飾的SF膜上表現(xiàn)出較高的分化能力[33]。SF膜具有較好的生物相容性和一定韌性，但較差的力學(xué)性能限制了其在大段骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。

3.4 絲素蛋白靜電紡絲纖維

靜電紡絲法制備的SF多孔支架可以模擬細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，同時具有結(jié)構(gòu)可控、成本低廉、比表面積大和易于表面功能化修飾的特點。Ki等[34]發(fā)現(xiàn)在靜電紡絲SF支架上生長的小鼠前成骨細胞(MC3T3-E1)具有更高的增殖和分化水平。大鼠體內(nèi)植入實驗表明與聚乳酸(poly-lactic acid，PLA)支架相比，靜電紡絲SF支架明顯促進了大鼠頭蓋骨損傷的修復(fù)[35]。

3.5 絲素蛋白顆粒

SF微米/納米顆粒主要用于增強支架的力學(xué)性能和藥物輸運。制備SF微米/納米顆粒的方法很多，如噴霧干燥、噴射破碎、冷凍干燥、研磨、自組裝等。Rajkhowa等[36]綜合濕法紡絲和噴霧干燥技術(shù)制備出超細的SF顆粒，極大地提高了其在蛋白酶XIV中的降解速率。Wang 等[37]發(fā)現(xiàn)負載骨形成蛋白(rhBMP-2)和胰島素類生長因子(rhIGF-I)的SF微球可以提高hMSCs的成骨和成軟骨分化水平。Rockwood等[38]發(fā)現(xiàn)加入SF顆粒的 SF 3D支架的壓縮模量從0.3 MPa提高到1.9 MPa，而這種強度的增大提高了hMSCs的成骨分化水平。

4 絲素蛋白復(fù)合材料

純SF很難同時滿足實際應(yīng)用中對各種不同性質(zhì)的要求。因此，SF通常與其它材料相結(jié)合來制備SF復(fù)合材料支架，通過組分和制備工藝來調(diào)節(jié)其各方面的性質(zhì)，以滿足骨組織工程的不同需求。SF可以通過混合或交聯(lián)等方式與生物陶瓷、合成高分子以及天然高分子等相結(jié)合制備SF復(fù)合材料支架。

生物陶瓷是指HAP、磷酸三鈣、生物玻璃等。這些材料具有良好的生物相容性，但其較高的脆性、較差的韌性和較低的降解性限制了其在骨組織工程中的應(yīng)用。生物陶瓷與SF相結(jié)合制備的SF/生物陶瓷復(fù)合材料既具有良好的生物相容性又具有合適的力學(xué)性能。McNamara等[39]使用3種不同的方法制備SF/HAP復(fù)合支架，這些支架可以制備成特定的幾何形狀。其中，使用SF顆粒與HAP顆?；旌蠠Y(jié)制備的支架具有極高的壓縮強度[(152.4±9.1) MPa]和合適的孔隙率(62.9%±2.7%)，同時支持MSCs的粘附和增殖，且無細胞毒性。Kweon等[40]比較了HAP涂覆的SF支架和COL支架的骨形成能力，發(fā)現(xiàn)HAP涂覆的SF支架促進了骨再生，增大了骨與植入物間的接觸面積。Liu等[41]在SF/納米HAP復(fù)合支架上培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)，發(fā)現(xiàn)納米級的HAP顆?？梢酝ㄟ^上調(diào)一種可溶性因子IL-1α來提高COL和OPN的合成，促進BMSCs的成骨分化。納米級的HAP還可以摻入SF水凝膠中作為填充材料修復(fù)小骨的損傷[42]。Cao等[43]使用共沉淀法合成了SF-HAP復(fù)合材料，并將其與磷酸鈣膠合劑(calcium phosphate cements，CPCs)復(fù)合制備成了三相CPC/SF-HAP/SF復(fù)合支架，發(fā)現(xiàn)其在體內(nèi)外的實驗中表現(xiàn)出良好的生物相容性，可以作為填充材料來治療椎骨骨折。Lei等[44]利用浸涂法制備了3D介孔生物玻璃/SF復(fù)合支架，發(fā)現(xiàn)此類支架具有更好的誘導(dǎo)磷灰石形成的能力。

合成高分子同樣可以與SF相結(jié)合制備SF復(fù)合材料支架。Kim等[45]使用溶液靜電紡絲和熔融靜電紡絲相結(jié)合的方式制備出納米/微米纖維共存的SF/PCL纖維支架，體外培養(yǎng)MSCs和體內(nèi)植入的結(jié)果表明此類支架有利于提高骨再生的能力。Bhattacharjee等[46]使用電紡絲法制備SF/PCL支架，接著使用電沉積法在支架表面沉積納米級HAP。結(jié)果表明這種支架明顯促進了骨肉瘤細胞(MG-63)的早期成骨分化。Sheikh等[47]使用聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]和HAP制備了PLGA/SF/HAP復(fù)合支架，納米級HAP的引入提高了支架的親水性和力學(xué)性能，有利于大鼠顱骨缺損部位的修復(fù)。Wang等[48]將聚丙交酯-己內(nèi)酯[poly(lactide-co-ε-caprolactone)，PLCL]和SF混合用靜電紡絲法制備了一系列不同比例的SF/PLCL支架，研究發(fā)現(xiàn)當SF∶PLCL為50∶50時，其表現(xiàn)出最好的拉伸強度、粗糙度和親水性，還提高了hMSCs的成骨分化能力，體內(nèi)實驗顯示此類支架促進了大鼠顱骨損傷的修復(fù)。

將一些天然高分子或蛋白質(zhì)與SF相結(jié)合可以制備出生物相容性良好的骨組織工程支架。Sangkert等[49]使用COL和脫細胞的牙髓修飾SF支架，研究發(fā)現(xiàn)此類支架可以誘導(dǎo)小鼠成骨細胞增殖，提高細胞活性，這種材料在口腔腭裂修復(fù)方面具有潛在應(yīng)用價值。Lai等[50]使用靜電紡絲法制備了SF/CS(殼聚糖)支架，通過對hMSCs的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)CS的加入并不會影響SF的成骨特性，不會對細胞的增殖產(chǎn)生負面作用。Vorrapakdee等[51]發(fā)現(xiàn)經(jīng)SF/gelatin溶液修飾過的松質(zhì)骨支架可以促進MSCs的粘附、增殖和成骨分化。Lee課題組[52]將纖維蛋白(fibrin)混入SF支架中，提高了兔顱骨損傷的愈合能力。

5 總結(jié)與展望

SF是一種天然的生物材料，其獨特的生物學(xué)和力學(xué)性能使之在骨組織工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。SF可以與生物陶瓷、合成高分子以及天然高分子等其它生物材料相結(jié)合，制備模擬天然骨環(huán)境的骨修復(fù)材料以提高其骨損傷的修復(fù)能力。雖然一些體內(nèi)實驗證明了SF支架在骨組織工程中的應(yīng)用潛力，但這些實驗大多在體型較小的動物(大鼠、兔)上進行，人們無法預(yù)測其在人體內(nèi)的表現(xiàn)。在SF支架用于臨床治療和商業(yè)化生產(chǎn)之前，仍然需要進行大量的研究工作。今后應(yīng)該在以下幾個方面進行重點研究：(1)研發(fā)新的制備技術(shù)，探索合理的工藝參數(shù)制備具有較高力學(xué)性能和較慢降解速率的SF支架以滿足骨組織工程的需要；(2)深入研究生長因子、細胞與SF支架間的關(guān)系，從而提高支架對細胞粘附、遷移、增殖和分化的調(diào)控能力；(3)使用SF支架，通過力學(xué)加載、微流控等方式來構(gòu)建類似于骨組織的動態(tài)模型，研究細胞外基質(zhì)的礦化、礦物吸收以及血管化等過程。

[1] YOOK S W,JUNG H D,PARK C H,et al.Reverse freeze casting:a new method for fabricating highly porous titanium scaffolds with aligned large pores[J].Acta Biomaterialia,2012,8(6):2401-2410.

[2] ALVAREZ K,NAKAJIMA H.Metallic scaffolds for bone regeneration[J].Materials,2009,2(3):790-832.

[3] STEVENS M M.Biomaterials for bone tissue engineering[J].Materials Today,2008,11(5):18-25.

[4] BARTH H D,ZIMMERMANN E A,SCHAIBLE E,et al.Characterization of the effects of X-ray irradiation on the hierarchical structure and mechanical properties of human cortical bone[J].Biomaterials,2011,32(34):8892-8904.

[5] WU S L,LIU X M,YEUNG K W K,et al.Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering[J].Materials Science and Engineering,2014,80:1-36.

[6] ZHAO C H,ASAKURA T.Structure of silk studied with NMR [J].Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,2001,39(4):301-352.

[7] ASAKURA T,SUZUKI Y,NAKAZAWA Y,et al.Elucidating silk structure using solid-state NMR[J].Soft Matter,2013,9(48):11440-11450.

[8] CAO Y,WANG B.Biodegradation of silk biomaterials[J].International Journal of Molecular Sciences,2009,10(4):1514-1524.

[9] KOH L D,CHENG Y,TENG C P,et al.Structures,mechanical properties and applications of silk fibroin materials[J].Progress in Polymer Science,2015,46:86-110.

[10] PADOL A R,JAYAKUMAR K,SHRIDHAR N B,et al.Safety evaluation of silk protein film (a novel wound healing agent) in terms of acute dermal toxicity,acute dermal irritation and skin sensitization[J].Toxicology International,2011,18(1):17-21.

[11] WHARRAM S E,ZHANG X,KAPLAN D L,et al.Electrospun silk material systems for wound healing[J].Macromolecular Bioscience,2010,10(3):246-257.

[12] NAIR L S,LAURENCIN C T.Biodegradable polymers as biomaterials[J].Progress in Polymer Science,2007,32(8/9):762-798.

[13] WANG Y,RUDYM D D,WALSH A,et al.Invivodegradation of three-dimensional silk fibroin scaffolds[J].Biomaterials,2008,29(24/25):3415-3428.

[14] ZHAO C,WU X,ZHANG Q,et al.Enzymatic degradation ofAntheraeapernyisilk fibroin 3D scaffolds and fibers[J].International Journal of Biological Macromolecules,2011,48(2):249-255.

[15] WANG J N,LIU Z W,YANG Y X,et al.Enzymatic degradation behavior of silk fibroin fiber treated by gamma-ray irradiation [J].Textile Research Journal,2012,82(17):1799-1805.

[16] SENGUPTA S,PARK S H,SEOK G E,et al.Quantifying osteogenic cell degradation of silk biomaterials[J].Biomacromolecules,2010,11(12):3592-3599.

[17] MATSUMOTO A,CHEN J,COLLETTE A L,et al.Mechanisms of silk fibroin sol-gel transitions[J].The Journal of Physical Chemistry B,2006,110(43):21630-21638.

[18] AK F,OZTOPRAK Z,KARAKUTUK I,et al.Macroporous silk fibroin cryogels[J].Biomacromolecules,2013,14(3):719-727.

[19] CALABRESE R,KAPLAN D L.Silk ionomers for encapsulation and differentiation of human MSCs[J].Biomaterials,2012,33(30):7375-7385.

[20] FINI M,MOTTA A,TORRICELLI P,et al.The healing of confined critical size cancellous defects in the presence of silk fibroin hydrogel[J].Biomaterials,2005,26(17):3527-3536.

[21] MANDAL B B,GRINBERG A,GIL E S,et al.High-strength silk protein scaffolds for bone repair[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2012,109(20):7699-7704.

[22] CORREIA C,BHUMIRATANA S,YAN L P,et al.Development of silk-based scaffolds for tissue engineering of bone from human adipose-derived stem cells[J].Acta Biomaterialia,2012,8(7):2483-2492.

[23] WRAY L S,RNJAK-KOVACINA J,MANDAL B B,et al.A silk-based scaffold platform with tunable architecture for engineering critically-sized tissue constructs[J].Biomaterials,2012,33(36):9214-9224.

[24] MAO M,HE J,LIU Y,et al.Ice-template-induced silk fibroin-chitosan scaffolds with predefined microfluidic channels and fully porous structures[J].Acta Biomaterialia,2012,8(6):2175-2184.

[25] GHOSH S,PARKER S T,WANG X Y,et al.Direct-write assembly of microperiodic silk fibroin scaffolds for tissue engineering applications[J].Advanced Functional Materials,2008,18(13):1883-1889.

[26] DABABNEH A B,OZBOLAT I T.Bioprinting technology:a current state-of-the-art review[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2014,136(6):1-11.

[27] SUNTIVICH R,DRACHUK I,CALABRESE R,et al.Inkjet printing of silk nest arrays for cell hosting[J].Biomacromolecules,2014,15(4):1428-1435.

[28] DAS S,PATI F,CHOI Y J,et al.Bioprintable,cell-laden silk fibroin-gelatin hydrogel supporting multilineage differentiation of stem cells for fabrication of three-dimensional tissue constructs[J].Acta Biomaterialia,2015,11:233-246.

[29] GUPTA M K,KHOKHAR S K,PHILLIPS D M,et al.Patterned silk films cast from ionic liquid solubilized fibroin as scaffolds for cell growth[J].Langmuir,2007,23(3):1315-1319.

[30] KUNDU B,RAJKHOWA R,KUNDU S C,et al.Silk fibroin biomaterials for tissue regenerations[J].Advanced Drug Delivery Reviews,2013,65(4):457-470.

[31] LAWRENCE B D,PAN Z,WEBER M D,et al.Silk film culture system forinvitroanalysis and biomaterial design[J].Journal of Visualized Experiments,2012(62):e3646.

[32] SOFIA S,MCCARTHY M B,GRONOWICZ G,et al.Functionalized silk-based biomaterials for bone formation[J].Journal of Biomedical Materials Research,2001,54(1):139-148.

[33] KARAGEORGIOU V,MEINEL L,HOFMANN S,et al.Bone morphogenetic protein-2 decorated silk fibroin films induce osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2004,71A(3):528-537.

[34] KI C S,PARK S Y,KIM H J,et al.Development of 3-D nanofibrous fibroin scaffold with high porosity by electrospinning:implications for bone regeneration[J].Biotechnology Letters,2008,30(3):405-410.

[35] PARK S Y,KI C S,PARK Y H,et al.Electrospun silk fibroin scaffolds with macropores for bone regeneration:aninvitroandinvivostudy[J].Tissue Engineering Part A,2010,16(4):1271-1279.

[36] RAJKHOWA R,HU X,TSUZUKI T,et al.Structure and biodegradation mechanism of milledBombyxmorisilk particles[J].Biomacromolecules,2012,13(8):2503-2512.

[37] WANG X Q,WENK E,ZHANG X H,et al.Growth factor gradientsviamicrosphere delivery in biopolymer scaffolds for osteochondral tissue engineering[J].Journal of Controlled Release,2009,134(2):81-90.

[38] ROCKWOOD D N,GIL E S,PARK S H,et al.Ingrowth of human mesenchymal stem cells into porous silk particle reinforced silk composite scaffolds:aninvitrostudy[J].Acta Biomaterialia,2011,7(1):144-151.

[39] McNAMARA S L,RNJAK-KOVACINA J,SCHMIDT D F,et al.Silk as a biocohesive sacrificial binder in the fabrication of hydroxyapatite load bearing scaffolds[J].Biomaterials,2014,35(25):6941-6953.

[40] KWEON H,LEE S W,HAHN B D,et al.Hydroxyapatite and silk combination-coated dental implants result in superior bone formation in the peri-implant area compared with hydroxyapatite and collagen combination-coated implants[J].Journal of Oral and Maxillofacial Surgery,2014,72(10):1928-1936.

[41] LIU H,XU G W,WANG Y F,et al.Composite scaffolds of nano-hydroxyapatite and silk fibroin enhance mesenchymal stem cell-based bone regenerationviathe interleukin 1 alpha autocrine/paracrine signaling loop[J].Biomaterials,2015,49:103-112.

[42] RIBEIRO M,de MORAES M A,BEPPU M M,et al.Development of silk fibroin/nanohydroxyapatite composite hydrogels for bone tissue engineering[J].European Polymer Journal,2015,67:66-77.

[43] CAO C B,LI H,LI J,et al.Mechanical reinforcement of injectable calcium phosphate cement/silk fibroin(SF) composite by mineralized SF[J].Ceramics International,2014,40(9):13987-13993.

[44] LEI C H,FENG X X,XU Y Y,et al.Preparation and characterization of biomimetic mesoporous bioactive glass-silk fibroin composite scaffold for bone tissue engineering[J].Advanced Materials Research,2013,796:9-14.

[45] KIM B S,PARK K E,KIM M H,et al.Effect of nanofiber content on bone regeneration of silk fibroin/poly(epsilon-caprolactone) nano/microfibrous composite scaffolds[J].International Journal of Nanomedicine,2015,10:485-502.

[46] BHATTACHARJEE P,NASKAR D,MAITI T K,et al.Nonmulberry silk fibroin grafted poly(ε-caprolactone) nanofibrous scaffolds mineralized by electrodeposition:an optimal delivery system for growth factors to enhance bone regeneration[J].RSC Advances,2016,6(32):26835-26855.

[47] SHEIKH F A,JU H W,MOON B M,et al.Hybrid scaffolds based on PLGA and silk for bone tissue engineering[J].Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine,2016,10(3):209-221.

[48] WANG Z,LIN M,XIE Q,et al.Electrospun silk fibroin/poly(lactide-co-ε-caprolactone) nanofibrous scaffolds for bone regeneration [J].International Journal of Nanomedicine,2016,11:1483-1500.

[49] SANGKERT S,MEESANE J,KAMONMATTAYAKUL S,et al.Modified silk fibroin scaffolds with collagen/decellularized pulp for bone tissue engineering in cleft palate:morphological structures and biofunctionalities[J].Materials Science & Engineering C,Materials for Biological Applications,2016,58:1138-1149.

[50] LAI G J,SHALUMON K T,CHEN S H,et al.Composite chitosan/silk fibroin nanofibers for modulation of osteogenic differentiation and proliferation of human mesenchymal stem cells[J].Carbohydrate Polymers,2014,111:288-297.

[51] VORRAPAKDEE R,KANOKPANONT S,RATANAVARAPORN J,et al.Modification of human cancellous bone using Thai silk fibroin and gelatin for enhanced osteoconductive potential[J].Journal of Materials Science Materials in Medicine,2013,24(3):735-744.

[52] JANG E S,PARK J W,KWEON H Y,et al.Restoration of peri-implant defects in immediate implant installations by Choukroun platelet-rich fibrin and silk fibroin powder combination graft [J].Oral Surgery,Oral Medicine,Oral Pathology,Oral Radiology,and Endodontology,2010,109(6):831-836.

ResearchProgressinApplicationofSilkFibroininBoneTissueEngineering

LI Da-wei,HE Jin,HE Feng-li,LIU Ya-li,DENG Xu-dong,YE Ya-jing,YIN Da-chuan*

(KeyLaboratoryforSpaceBioscienceandBiotechnology,SchoolofLifeScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072，China)

R318.08

A

1672-5425(2017)09-0001-06

國家自然科學(xué)基金項目(U1632126)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(3102017OQD039)

2017-05-24

李大為(1986-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，博士研究生，研究方向：骨組織工程支架，E-mail：wwwldw@126.com；通訊作者：尹大川，教授，E-mail：yindc@nwpu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.09.001

李大為，何進，何鳳利，等.絲素蛋白在骨組織工程中的應(yīng)用研究進展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(9)：1-6,28.