絲素蛋白生物材料在抗菌領(lǐng)域中的研究進展

傷口感染一直是嚴(yán)重影響人們生命健康的全球性衛(wèi)生保健問題，在創(chuàng)傷、燒傷和手術(shù)等傷口中發(fā)病率較高，是不容忽視的問題[1-2]。促進傷口愈合，降低傷口的感染率，已成為醫(yī)學(xué)研究中重點關(guān)注的方向[3]。傷口感染為傷口中存在的微生物持續(xù)增殖對宿主造成損害，是創(chuàng)傷手術(shù)后發(fā)生的主要并發(fā)癥，嚴(yán)重時不僅導(dǎo)致手術(shù)失敗，甚至造成患者截肢[4]。在引起傷口感染的微生物中，細(xì)菌占絕大多數(shù)。細(xì)菌廣泛存在于人體和周圍環(huán)境中，可以通過吸入帶細(xì)菌的空氣、傷口接觸帶菌的物體等方式引起傷口感染，尤以接觸感染較為多見[5]。目前，無菌術(shù)和清創(chuàng)術(shù)是外科治療傷口感染的主要手段，此兩種方法主要是通過減少傷口部位的細(xì)菌數(shù)量，清除傷口部位微生物分泌的毒素及其他污染物來預(yù)防和治療傷口感染[6-7]。與此同時，抗菌藥物也廣泛應(yīng)用于傷口感染的治療。在抗菌藥物使用過程中存在一些不容忽視的問題，如藥物使用方法不規(guī)范、給藥時機不合理、用藥時間過長等[8-9]?？咕幬锏牟缓侠響?yīng)用可以延長傷口感染的時間，導(dǎo)致耐藥菌的產(chǎn)生，甚至在醫(yī)院中出現(xiàn)感染的暴發(fā)，增加患者的病死率和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[7]。此外，在全身使用抗菌藥物治療傷口感染時，傷口感染部位的抗菌藥物濃度無法達(dá)到抑制或殺死病原體的水平，或者無法滲透進入細(xì)菌生物膜(bacterial biofilm，BF)抑制或殺死細(xì)菌[10-11]。研究[12-13]表明，傷口局部應(yīng)用抗菌藥物時可以使傷口部位藥物濃度達(dá)到治療水平，但是全身濃度較低，副作用少(如腎毒性和耳毒性)，并減少病原體耐藥性的產(chǎn)生。近年來，隨著生物材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，許多新型的醫(yī)用抗菌材料已經(jīng)被研究出來，研究者將抗菌材料添加到生物醫(yī)用材料上，使其在原有的功能特性基礎(chǔ)上增加了抗菌功能，從而起到局部防治感染的作用。在生物醫(yī)用材料中由于其優(yōu)良的生物特性被廣泛應(yīng)用，制造出很多絲素蛋白抗菌材料[14-15]。本文重點從新型絲素蛋白抗菌材料分類的角度，對絲素蛋白生物材料的研究情況和其在抗菌領(lǐng)域的最新進展進行綜述。

1 細(xì)菌感染與傷口愈合

傷口愈合是一個非常復(fù)雜的過程，主要包括以下3個階段[16]：(1)炎癥期：傷口部位血管收縮，清除周圍受損的壞死組織；(2)修復(fù)期：炎癥細(xì)胞增殖遷移，形成肉芽組織，基質(zhì)合成沉積上皮化；(3)成熟期：毛細(xì)血管再生并新生組織重塑。傷口愈合過程受到多種細(xì)胞、細(xì)胞因子和細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的影響。同時，傷口愈合過程中有多種推遲傷口愈合的潛在因素，如傷口部位細(xì)菌感染、有缺陷的再上皮化和受損的基質(zhì)重塑等[17]。傷口部位細(xì)菌感染能夠?qū)谟系母鱾€階段造成影響，從而延遲傷口愈合。影響主要包括：增加補體蛋白的消耗、損傷白細(xì)胞的功能、增加游離氧自由基的生成、減少成纖維細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞遷移、增加局部血栓形成和加速血管收縮代謝產(chǎn)物的釋放等[18-20]，加重組織破壞，從而導(dǎo)致傷口部位水腫、出血、形成易碎肉芽床及過度瘢痕等。

目前，研究[21]發(fā)現(xiàn)有許多因素可導(dǎo)致傷口部位細(xì)菌定植發(fā)展至感染，包括細(xì)菌的數(shù)量、種類，機體的免疫作用，病原體的毒性和不同種細(xì)菌之間的協(xié)同作用。相關(guān)研究[22]表明，當(dāng)每克組織中的細(xì)菌數(shù)量<105CFU時，由于宿主正常的抵抗力，細(xì)菌產(chǎn)生的致病作用在機體正常耐受能力范圍之內(nèi)，一般不會形成組織感染影響傷口愈合；而當(dāng)每克組織中存在的細(xì)菌數(shù)量≥105CFU時，則容易形成相關(guān)的感染。因此，減少傷口部位細(xì)菌數(shù)量，對預(yù)防傷口感染、促進傷口愈合至關(guān)重要。所以，在傷口局部使用抗菌藥物，減少傷口部位細(xì)菌數(shù)量可以促進傷口愈合。此外，外用抗菌劑包括銀、碘和洗必泰等的使用，還可能對傷口愈合有特定的作用。研究[23-24]顯示，磺胺嘧啶銀已被證實能夠加速傷口愈合，而金屬鋅可能是桿菌肽鋅中促創(chuàng)面愈合的活性成分。

迄今為止，已經(jīng)有多種生物材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，應(yīng)用生物材料時出現(xiàn)的相關(guān)細(xì)菌感染是主要的不良影響。研究[25]表明，細(xì)菌可以生存在傷口的生物膜環(huán)境內(nèi)，從而免受機體免疫系統(tǒng)和抗菌藥物的破壞。細(xì)菌生物膜是一種細(xì)菌為適應(yīng)生存而黏附于生物材料表面的微菌落聚集物，主要包括細(xì)菌和由其分泌的細(xì)胞外基質(zhì)[26]。生物膜內(nèi)的細(xì)菌對抗菌藥物的耐受能力遠(yuǎn)大于普通的游離細(xì)菌，因此，容易并發(fā)以生物材料為中心的感染。研制出自身具有抗感染功能的生物醫(yī)學(xué)材料，使其發(fā)揮長期抗菌作用，從而減少材料自身或其他原因?qū)е碌母腥?，減少全身抗菌藥物的使用，促進傷口愈合，將對生物材料的長遠(yuǎn)發(fā)展和臨床應(yīng)用產(chǎn)生重大的意義。

2 以絲素蛋白為基礎(chǔ)的生物材料

2.1 絲素蛋白的優(yōu)良特性 絲素蛋白是從天然蠶絲中提取出來的高分子纖維蛋白[27]。絲素蛋白超微結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的反平行β折疊構(gòu)象，由SilkⅠ和SilkⅡ兩種構(gòu)象組成，并且兩種構(gòu)象可通過不同的理化條件進行轉(zhuǎn)換，使得絲素蛋白在長軸方向上有良好的力學(xué)強度和延展性能[28]。

近年來，絲素蛋白由于其優(yōu)良的生物材料特性，被作為常用的生物醫(yī)學(xué)材料進行相關(guān)研究。絲素蛋白主要有以下優(yōu)良特性[15，29-31]：(1)機械性能：與其他天然纖維相比，其機械特性較好；(2)可加工性：可加工成膜支架或其他形式；(3)可修飾性：通過化學(xué)修飾等不同處理方法可在其表面黏附位點或細(xì)胞因子；(4)生物相容性：對其他生物有良好的安全性，對機體細(xì)胞無毒性，且不會引起炎癥反應(yīng)；(5)生物降解性：可緩慢穩(wěn)定進行生物降解，降解產(chǎn)物不僅對機體組織無毒副作用，還對周圍組織有營養(yǎng)與修復(fù)作用；(6)促進愈合性：可以增強表皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的黏附力、伸展力和增殖力，從而促進傷口愈合。Sugihara 等[32]研究出絲素蛋白薄膜并將其應(yīng)用于全層皮膚缺損的鼠模型,觀察其對創(chuàng)面修復(fù)的療效，結(jié)果顯示絲素蛋白薄膜可以加快創(chuàng)口皮膚的再生。

目前，絲素蛋白在其他方面的應(yīng)用也較多，首先，對絲素蛋白進行不同的處理(如超聲、鹽析、電紡、冷凍干燥等)后可得到凝膠、薄膜、微孔支架等生物材料產(chǎn)品[33]。其次，絲素蛋白中加入其他生物材料后可以形成復(fù)合材料[34]。另外，通過基因工程方法提升材料現(xiàn)有的性能或增加新的特性是目前比較熱門的研究方向[35]。

2.2 絲素蛋白復(fù)合抗菌生物材料 絲素蛋白本身并不具有明顯的抗菌效果，不能控制傷口感染，單純的絲素蛋白生物材料無法滿足臨床抗菌需要。因此，大量的研究通過利用金屬元素及相關(guān)物質(zhì)、抗菌藥物類藥物、天然抗菌物質(zhì)、人工合成抗菌聚合物等抗菌材料與絲素蛋白復(fù)合形成新型生物材料，起到抑制或殺滅微生物的作用。

2.2.1 金屬元素相關(guān)復(fù)合絲素蛋白抗菌材料 金屬元素復(fù)合絲素蛋白抗菌材料主要是由絲素蛋白與金屬相關(guān)的抗菌劑復(fù)合而成，金屬相關(guān)抗菌劑主要包括金屬元素、金屬離子或其鹽類(Ag、Ti、Zn、Cu等)、金屬氧化物及納米顆粒(TiO2，ZnO等)[36-37]。金屬元素及其相關(guān)物質(zhì)由于具有較廣的抗菌譜、抗菌效率高、持續(xù)時間長、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢，已受到研究人員的重視。一般認(rèn)為，金屬材料主要通過損傷細(xì)菌菌體中的蛋白質(zhì)、DNA等生物必需大分子，破壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使其無法正常進行生命活動而達(dá)到抗菌的目的[38]。

目前，研究最多的是銀(Ag)離子抗菌材料及二氧化鈦(TiO2)粒子材料。Ag在金屬元素中抗菌性最佳，其對常見致病菌的有效作用濃度最低為10 μg/mL[39]。相關(guān)機制研究認(rèn)為，Ag進入細(xì)菌后與氧代謝酶結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)菌無法正常進行呼吸運動而死亡；此外，Ag還可以通過與細(xì)菌的DNA結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，抑制DNA的正常復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)菌無法正?；顒覽40]。通過將Ag相關(guān)原料與絲素蛋白結(jié)合生產(chǎn)的復(fù)合生物材料主要應(yīng)用其高效抗菌性[41]。

Jeong等[42]利用靜電紡技術(shù)將不同濃度磺胺嘧啶銀鹽(SSD)加入絲素蛋白中,得到絲素納米纖維,結(jié)果顯示銀鹽的濃度提升，納米材料的抗菌效果也隨之增強，但是復(fù)合材料對細(xì)胞的毒性也會增強,所以在最大限度提高抗菌活性的同時，盡量減少Ag的細(xì)胞毒性是最為關(guān)鍵的問題。Pei等[43]將納米銀混入絲素蛋白和羧甲基殼聚糖中，制得載銀SF/CMC復(fù)合海綿材料，復(fù)合海綿對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有良好的抗菌作用，并且有良好的吸水性和透氣性，是一種可以預(yù)防傷口感染和促進傷口愈合的傷口敷料。李珍珠等[44]將生物相容性較好的絲素蛋白與力學(xué)性能優(yōu)異的聚氨酯結(jié)合，再加入抗菌性能優(yōu)異的Ag+使其具備抗菌性能，從而制造出一種新型抗菌復(fù)合膜材料。研究結(jié)果顯示，納米銀均勻地分散于基質(zhì)內(nèi)外，復(fù)合膜材料對大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌有良好的抗菌性能，并且無細(xì)胞毒性，血液相容性檢測顯示該材料有一定抗凝效果。因此，該復(fù)合材料具有應(yīng)用于醫(yī)療器械表面涂層材料或醫(yī)用導(dǎo)管材料的潛力。王圣杰等[45]通過靜電紡絲技術(shù)制備再生絲素蛋白納米纖維，再將制得的纖維放入乙醇蒸汽中處理使其交聯(lián)，最后負(fù)載銀粒子制成抗菌水凝膠材料。該水凝膠材料結(jié)合了銀的抗菌性，同時，絲素蛋白具有良好的生物相容性，體內(nèi)降解無毒，可以較好地黏附在成纖維細(xì)胞、皮膚表皮細(xì)胞表面，防止體液流失。另有研究[46-47]表明，含納米銀的絲素蛋白納米材料，具備安全、高效和持久的抗菌特征，有作為抗菌材料應(yīng)用的前景。

另外，有一些金屬氧化物(TiO2、ZnO等)也具有較好的抗菌性能，金屬氧化物的抗菌機制為光催化抗菌機制[37]。由于氧化物顆粒小、表面積大，存在“表面效應(yīng)”，在陽光下特別是紫外線的照射下，表面能產(chǎn)生大量的·OH自由基和·O自由基，當(dāng)這些自由基接觸到微生物時，可以將微生物體內(nèi)的有機物氧化成CO2，從而在短時間內(nèi)殺死微生物。Jao等[48]將絲素蛋白納米纖維與二氧化鈦納米顆粒混合后制備出納米纖維膜，與普通絲素蛋白納米纖維相比，它具有更好的高平衡含水量和水蒸氣透過率。該材料在紫外線下表現(xiàn)出強效的抗大腸埃希菌作用，可應(yīng)用于傷口敷料研究。

2.2.2 抗生素絲素蛋白復(fù)合抗菌材料 抗生素是目前應(yīng)用較為廣泛的抗菌藥物，而絲素蛋白是藥物釋放載體材料研究的熱點。絲素蛋白通過加載抗生素或再復(fù)合其他材料制備復(fù)合生物材料，使藥物緩慢并持續(xù)地釋放，從而達(dá)到延長藥物作用，提高藥物療效或減輕藥物的毒副作用的目的。作為緩釋藥物系統(tǒng)的絲素蛋白生物材料主要有以下幾種：絲素水凝膠緩釋系統(tǒng)、絲素微球顆粒緩釋系統(tǒng)和絲素薄膜緩釋系統(tǒng)。

Sharma等[49]將慶大霉素加載到絲素蛋白制備成納米顆粒，沉積于鈦金屬內(nèi)置物表面實現(xiàn)藥物的持續(xù)釋放。納米粒子的有效表面積較大，可以使慶大霉素通過物理吸附作用實現(xiàn)負(fù)載；藥物釋放曲線顯示慶大霉素與納米顆粒結(jié)合可以緩慢有效釋放；同時，與裸金屬種植體相比，納米顆粒在實現(xiàn)抗菌作用的同時，還具有促進細(xì)胞的黏附、增殖以及分化的作用。Hassani等[50]將萬古霉素負(fù)載到絲素蛋白納米顆粒上形成絲素蛋白支架，應(yīng)用于嚴(yán)重骨感染的小鼠脛骨骨髓炎模型中，研究結(jié)果顯示，通過萬古霉素的緩釋，絲素蛋白納米顆粒降低了骨缺損部位骨感染的發(fā)生。Lan等[51]制備出抗生素明膠微球/絲素支架治療感染性全層燒傷創(chuàng)面，首先通過乳化法制備明膠微球，然后負(fù)載選定的鹽酸萬古霉素和硫酸慶大霉素抗生素形成明膠微球復(fù)合物，復(fù)合物與絲素蛋白溶液共混冷凍干燥后，制得抗生素/明膠/絲素蛋白復(fù)合支架。主要是利用明膠微球的特性，負(fù)載抗生素后實現(xiàn)了對抗菌藥物的控釋，結(jié)果顯示，復(fù)合支架具有良好的抗菌能力，能夠有效抑制燒傷后皮膚全層缺損的大鼠模型創(chuàng)面的感染，促進皮膚再生，加速創(chuàng)面愈合。盧敏等[52]選用異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化丙烯二醇(PPG)等為原料，合成陰離子型聚氨酯(PU)預(yù)聚體，經(jīng)過三乙胺(TEA)中和成鹽后，將絲素蛋白溶液與之共混，得到具備交聯(lián)結(jié)構(gòu)的絲素蛋白/聚氨酯(SF/PU)水凝膠，并在水凝膠上負(fù)載氯霉素和環(huán)丙沙星，通過該水凝膠對大腸埃希菌生長的抑制效果表明，載有抗生素的水凝膠周圍都出現(xiàn)了明顯的抑菌圈，因此，證明了該水凝膠對通過釋放抗菌藥物起到抗菌作用。劉瓊等[53]使用鹽溶透析法制備微米級絲素蛋白，然后再應(yīng)用中性蛋白酶酶解制備出擁有納米級顆粒大小的絲素蛋白(Nano-SFP)；通過化學(xué)反應(yīng)將活化后的聚乙二醇(PEG)?；锝又Φ絅ano-SFP分子上，得到Nano-SFP/PEG復(fù)合材料，再使用氯霉素與復(fù)合材料共混，結(jié)果顯示，復(fù)合材料具有明顯的氯霉素緩釋性能，并且釋放出的氯霉素比單純氯霉素藥物有更好的抗菌性能，且體外細(xì)胞毒性實驗顯示復(fù)合物無毒性。

2.2.3 天然抗菌物質(zhì)與絲素蛋白復(fù)合抗菌材料 天然抗菌物質(zhì)是最早用來抵抗細(xì)菌感染的材料，天然抗菌物質(zhì)主要來源于動植物提取的多糖與多肽，具有良好的生物相容性、副作用低等特點。目前，大量研究通過將天然抗菌物質(zhì)與其他生物材料合成復(fù)合抗菌材料，使天然抗菌物質(zhì)獲得了更廣闊的應(yīng)用空間。天然抗菌物質(zhì)與絲素蛋白復(fù)合抗菌材料的研究也取得了一些成果。

Li等[54]將絲素蛋白、殼聚糖和聚乙烯醇混合后制作出復(fù)合海綿，用于慢性創(chuàng)面的敷料。殼聚糖又稱殼多糖、甲殼胺等，主要來源于植物、微生物及真菌細(xì)胞壁等。殼聚糖的分子是帶強陽性電荷的氨基糖類分子，對帶負(fù)電荷的分子存在很強的吸引力，通過靜電作用，可以吸附帶有負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞壁，從而破壞細(xì)菌細(xì)胞壁[55-56]。因此，殼聚糖具有抗菌功能，其抗菌活性取決于其分子質(zhì)量、脫乙酰度、取代基類型及細(xì)菌類型[57]。復(fù)合絲素海綿敷料可以改善血管的形成，促進傷口皮膚組織的再生，可以應(yīng)用于慢性創(chuàng)面的愈合。Steinstraesser等[58]將粘菌素負(fù)載到絲素蛋白膜上，用于治療銅綠假單胞菌感染導(dǎo)致的傷口感染。研究[59]顯示，粘菌素對多重耐藥的銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌、鮑曼不動桿菌引起的感染有治療作用。粘菌素可以與革蘭陰性菌細(xì)胞壁的主要成分脂多糖(LPS)特異性結(jié)合，導(dǎo)致整個LPS結(jié)構(gòu)紊亂，增加細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)胞膜裂解導(dǎo)致菌體死亡[60]，提高絲素蛋白膜中粘菌素的濃度后，可有效的預(yù)防革蘭陰性菌的感染。研究者根據(jù)以上原理制作出生物相容性和降解性良好的糊精、有抗炎作用的仙人掌汁和重組人表皮生長因子(rhEGF)的載體的復(fù)合支架[61-63]，這些復(fù)合支架具有良好的穩(wěn)定性、力學(xué)性能，對大腸埃希菌和表皮葡萄球菌有強大的抗菌性，可以避免傷口感染及進一步蔓延，還可以促進創(chuàng)面上皮細(xì)胞的生長。白利強等[64]以60%體積分?jǐn)?shù)的乙醇處理制備出絲素蛋白膜，再通過碳二亞胺法將Cecropin B抗菌肽共價接枝到絲素膜表面，結(jié)合后的蛋白膜不易溶于水，并具有高效、持久的抗菌能力?？咕氖巧矬w內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種具有強效且廣泛抗菌作用的多肽類物質(zhì)。抗菌肽通過作用于細(xì)菌質(zhì)膜而發(fā)揮作用，不易產(chǎn)生耐藥性，具有良好應(yīng)用前景[65]。

2.2.4 人工合成抗菌聚合物與絲素蛋白復(fù)合抗菌材料 人工合成抗菌聚合物具有穩(wěn)定性強、抗菌持久和改良性好等優(yōu)良特性。人工合成抗菌聚合物材料的抗菌機制復(fù)雜不一，最多見的是由于其相對分子量較大、表面正電荷密度大和吸附結(jié)合細(xì)菌容易、微生物細(xì)胞膜內(nèi)帶負(fù)電的磷脂等起到抗菌作用[66]。

Calamak等[67]通過將抗菌聚乙烯亞胺(PEI)與絲素蛋白共混后經(jīng)靜電紡絲制備出生物納米材料，該材料不僅具有優(yōu)異的生物相容性，還對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有較強的抗菌作用。聚乙烯亞胺(PEI)是一種陽離子高分子聚合物，可結(jié)合帶負(fù)電的細(xì)胞，促進細(xì)胞生長和增殖，并且有高效的抗菌性能[68]。

3 展望

絲素蛋白在目前的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演了重要的角色。由于其具備良好生物相容性、可加工性等性能，能夠結(jié)合其他材料或藥物制備出各種新型生物材料。隨著新的材料制備手段的應(yīng)用，絲素蛋白復(fù)合材料將會更快地發(fā)展[33]。

減少細(xì)菌感染是醫(yī)療領(lǐng)域始終追求的目標(biāo)，優(yōu)良抗菌材料的開發(fā)將是研究者不斷努力的一個方向。利用絲素蛋白的優(yōu)勢，結(jié)合其他抗菌材料的研究已取得一定的成果，但仍處于起步階段，尚缺乏臨床實驗研究。目前的絲素蛋白抗菌材料均存在一些問題，主要有功能單一、抗菌性能不足或不可控、復(fù)合材料穩(wěn)定性差、副作用大等。因此，未來絲素蛋白抗菌材料的研究重點應(yīng)該向著絲素蛋白與其他多種材料復(fù)合，多種優(yōu)勢集中協(xié)調(diào)的方向發(fā)展。使得絲素蛋白抗菌材料除了優(yōu)良的抗菌性能以外，能夠促進傷口、創(chuàng)面或者缺損的部位更快、更好地生長愈合，使絲素蛋白抗菌材料可以取代一些現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)材料或抗感染手段，在臨床上得到廣泛應(yīng)用。

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