蚕丝蛋白在生物医用仿生材料中的应用

蚕丝蛋白在生物医用仿生材料中的应用

生物材料主要包括人工器官材料、骨科和齿科材料、固定化酶、提议材料、刚性材料和传感器、医疗用品和可吸收缝合材料。医用仿生材料的重要替代作用众所周知,蚕丝蛋白就是医用仿生材料天然的理想素材之一。我国是丝的生产大国,家蚕生丝产量已占世界一半。蚕丝具有纯度高,来源广等一系列优点,对其进行详细的研究具有十分重大的意义。蚕丝蛋白分为两层,内层为丝素蛋白,外层则被丝胶蛋白包覆。其中,丝素蛋白的质量分数约为70%-80%,包含有18种氨基酸,其中侧基较为简单的甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser)约占总组成的85%,并且三者按照一定的序列结构排列成较为规整的链段。丝胶蛋白是一种分子量较大的球晶蛋白,链与链之间的间隙较大,且其侧链上亲水基团的比重较大,因而易溶于水、酒精等极性溶剂。蚕丝蛋白具有多孔性和较高的吸水回潮率,因而透气性好、手感好、光滑柔软、穿着舒适。加之本身具有良好的细胞相容性、生物安全性以及生物降解性,所以很适合用作医用仿生材料。本文着重综述了蚕丝蛋白在人造皮肤、人造骨骼、人造血管、人造肌腱与韧带以及人造角膜上的研究进展。1植皮的材料人体的皮肤分为三层:表皮、真皮、皮下组织。重度烧伤的患者,皮肤会受到严重损伤,没有了皮肤的保护,患者体内的液体会大量地渗出、蒸发、丢失,这种情况往往会对患者的生命造成威胁,而更让人担心的是细菌感染。人体对自己的皮肤不会排斥,而对于任何来自外来的异己皮、异种皮、人造皮都会产生免疫反应,因而所有的植皮材料只能作为一种敷料,这就好像是给我们的皮肤提供了一个适宜生长的“土壤”。除此之外,我们还必须将自己完好的皮肤“微粒”播撒在“土壤”中,在以敷料为“土壤”的环境中,这些“微粒”细胞才可以逐渐扩散、增殖,最后使创面完全愈合。理想的人造皮肤,应具有以下特性:无抗原性、无毒、良好的细胞相容性、透气透水性好、对创面的粘合力强、可塑性强等一系列优点。目前植皮主要用小白猪真皮当做敷料,但是它的安全性较低。2006年,闵思佳提取蚕丝中的蛋白质,制成蚕丝人造皮肤。这种人造皮肤明显优于其他材质的人造皮,它既光滑,又平整,柔韧性也很强。而且,与猪皮材料相比,它的安全性更高。蚕丝蛋白人造皮肤乍一看像混沌皮,在显微镜下却能看到它的表面有许多多孔的海绵状的细微结构,用手拉韧性十足。科研人员曾选取了15只大白兔,分5批进行动物实验,实验发现,贴上人造皮肤后,不到20d兔子身上直径3cm的创口就愈合了。张幼珠等研制出抗菌药物丝素膜,临床实验证明,该丝素膜既可以保护创面,控制创面感染,又能促进创面愈合。2蚕丝蛋白及其应用在骨组织再生材料中的应用目前骨修复已经不仅仅用于治疗骨损伤和骨缺损,还包括医疗整形。传统的内源性骨修复是医生从病人身体的其他部位取骨来修补受损的骨骼。接受手术的病人由于要经历取骨和移植,所以整个过程十分痛苦。虽然术后效果良好,但手术费用高,恢复过程也慢。因此,为了改善这一状况,临床上已采用人造骨骼进行外源性骨修复。但由于金属及一些有机高分子材料与理想的骨修复材料在人体亲和性、相容性等方面都相差甚远,因此近年来科学家们都致力于寻找更好的替代材料。现今,人造骨运用的新材料主要有:陶瓷膏状人造骨、美国陶瓷人造骨骼、人造“懒骨头”、磷酸钙和骨胶原人造骨骼、钛骨骼、海草人造骨、生物玻璃人造骨以及玻璃基生物水泥等。运用蚕丝蛋白作为骨组织再生的生物材料则是较理想的方式。蚕丝蛋白中大量的羧基与羟基能与钙离子紧密结合并诱导羟基磷灰石在其上结晶形成自组装纳米复合材料。李罡等发现骨髓基质细胞对气流高压静电纺制成的蚕丝蛋白纳米纤维表现出良好的亲和性。2012年Mandal等开发出了一种基于丝蛋白-蛋白界面结合形成的高抗压强度的高分子骨骼复合材料。利用水解得到的10μm-600μm丝纤维加固致密的复合材料后,此材料可调节其抗压强度,且孔隙度与纤维长度相近。而这种表面粗糙、多孔的刚性支架,有利于骨髓间充质干细胞分化为骨样组织。此外,通过实验证明其体内免疫反应较低,表明了这种丝纤维加固复合材料具有组织相容性,是作为骨组织替代工程的良好材料。3维纶人造血管随着人类社会的发展,健康问题受到越来越多的关注。但这并不能抵挡我们身体的老化、损伤和病变,此时人体的血管显得格外的脆弱。由于各方面因素,异体血管的移植根本无法满足需求,因此,医用人造血管的研究和开发具有非常重要的现实意义。自1952年Voorhees首次研制出了维纶人造血管以来,人们陆续研究开发出了不同材料、不同孔隙率的人造血管,要求人造血管具有良好的血液相容性、顺应性、弹性以及一定的抗凝血性,而且对人造血管的性能有了深入的了解。涤纶人造血管是最早使用的血管材料,且由于通畅率较高,长期以来被成功地用于大血管置换,但无法完全满足小口径人造血管的制造要求。徐卫林、欧阳晨曦等历时两年联手研制的一种新型人造血管,解决了这一难题。在小狗体内进行的动物实验,最终小狗存活状况良好。而且这种新型人造血管就是用特殊的高分子材料与蚕丝蛋白制成。丝素蛋白中含有6种氨基酸残基交替排列的结构,相邻丝氨酸之间的距离与甘氨酸中起抗凝血作用的硫酸基距离十分相近,因而,丝素蛋白具有抗凝血作用,正是其成为人造血管的重要原因。4大鼠韧带、设计方案的开发肌腱和韧带分别是连接骨与肌肉、骨与骨的致密结缔组织。其功能为加强、维护关节在运动中的稳定。当肌腱和韧带被牵拉而超过其生理耐受范围时,即会发生不同程度的损伤。而肌腱、韧带的断裂或缺损尤其是运动员在生涯中不可避免的伤痛。治疗和修复肌腱和韧带,也一直是骨科的一大难题。临床上修复断裂的韧带常是直接缝合,但这样就缩短了其原有的长度,限制了关节的活动范围;钢丝固定也因相容性和弹性等原因,造成了后续生活上的诸多不便。因而,人造肌腱和韧带的开发成为了医学、材料学上关注的问题。通过研究发现,蚕丝的强度和弹性系数与人体肌腱非常接近。且其良好的生物相容性、亲和性以及与介导细胞信号转导的性能,有利于开发人造肌腱和韧带。同样利用蚕丝蛋白的羟基、羧基与钙离子结合诱导生物骨质成分中的羟基磷灰石结晶的原理制成的复合材料也适用于人造肌腱和韧带。玉田靖等在蚕丝蛋白中导入带电化合物,发现处理过的蚕丝蛋白中钙的凝集量比未处理的有大幅增加,尤其导入磷酸基的蚕丝蛋白中钙的凝聚量要高出10倍以上。且经X射线透射检验,验证其含有人骨的主要成分,证明蚕丝具有肌腱和韧带的骨附着和结合特性,为进一步开发人造肌腱和韧带打下了基础。5人工视网膜材料角膜病是仅次于白内障的致盲性眼病,世界上有超过1000万的角膜病患者,有80%可以通过角膜移植手术来进行治疗。但传统的角膜移植对于特殊的角膜盲患者进行移植常常失败,并引起其他病征如烧伤引起严重角膜瘢痕血管化、眼疤痕性类天疱疮或角结膜上皮角化及多次穿透性角膜移植排斥等,且由于角膜供体来源困难,因而人工角膜的植入则成为这些患者恢复视力的希望。据报道,2010年加拿大和瑞典的研究人员使用人造角膜让患者不同程度地恢复了视力,不仅效果和获得与接受角膜捐赠的差不多,还可以杜绝从死者身上获取捐献的角膜可能存在的疾病传染及排异风险。这从临床上更加证实了人造角膜的可行性。人造角膜多由透明中心镜柱及支架组成。镜柱主要起到光学作用,支架则起支撑、固定镜柱的作用。人造角膜的材料需要有极高的生物相容性、优良的光学特性和稳定的物理特性才能解决组织融解、房水渗漏角膜移位和排出等并发症以长期存留于人体。目前用于制造人工角膜的材料有硅胶、壳聚糖、肽和PLLA等。阎涛等通过研究发现,用蚕丝制备的丝素膜不仅透氧率高(高达33mUh/m2)、有较高的亲水性、对不同波长光的透过率均非常高(均超过90%),且通过细胞培养发现再生丝素膜较普通培养板能更好的诱导角膜上皮细胞的贴壁,贴壁细胞的形态也均匀,这证明蚕丝蛋白能非常好的应用于人造角膜。6蚕丝蛋白医用仿生材料研究