大豆蛋白在生物医用材料中的研究进展

李梦洁 柯军 苗晓琳 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

大豆蛋白在生物医用材料中的研究进展

李梦洁 柯军 苗晓琳 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

大豆蛋白以其优异的可加工性、生物相容性和生物可降解性，在生物医用材料领域显示出巨大的应用潜力。本文综述了近年来大豆蛋白及其改性产物在药物载体、医用敷料和组织工程支架等方面的研究进展，并对其在该领域的未来发展方向进行了展望。

大豆蛋白 生物医用材料 生物相容性

天然高分子以其优异的性能及丰富的来源，在生物医用材料（biomedical materials）领域得到广泛应用。而在众多高分子材料的研究中，又主要集中于以胶原蛋白、纤维蛋白等为代表的天然蛋白[1]。然而，这类动物性来源蛋白的使用安全性仍饱受质疑，其可能携带有动物病毒的风险（例如由牛组织提取的胶原蛋白可能含有疯牛病病毒和口蹄疫病毒等），在植入体内后是否会带来危害仍没有明确的科学定论[2]。近年来，大豆分离蛋白（Soy protein isolation）作为一种植物性蛋白，在生物医用材料领域的应用正日益得到关注[3]。研究显示，大豆分离蛋白具有优异的可加工性、生物相容性和生物可降解性，其降解产物对细胞增殖和组织再生具有促进作用。因此在药物释放载体、伤口敷料和组织工程等方面都具有极大的应用潜能[4]。

1.大豆蛋白的组成与结构

大豆蛋白是大豆的重要成分，是将豆粕除去大豆油和水溶性非蛋白成分后得到的一种由多种蛋白组成的非均一蛋白。其组成根据沉降系数的不同，可分为2S、7S、11S和15S四种，其中7S组分中的β-大豆伴球蛋白和11S组分中的大豆球蛋白（结构如图1所示）是大豆蛋白的主要组分，两者占大豆蛋白的70%左右，大豆7S球蛋白是一类三聚糖蛋白（分子量141000 Da～170000Da），由疏水相互作用缔合的α’（分子量58000 Da）、α（分子量57000 Da）和β（分子量42000 Da）三个亚单位组成。大豆11S是由酸性多肽（分子量35000 Da～37000Da）和碱性多肽（分子量20000 Da）构成的、分子量为300000 Da～380000 Da的疏水性六聚体。此外，大豆蛋白中含有多种微量活性组分，其中被称为植物雌激素的异黄酮，具有抑制软骨细胞反分化的作用，即能够抑制软骨细胞异常胶原的表达并维持正常的II型胶原和蛋白多糖表达的能力[5]。异黄酮是一类由12种不同结构组成的混合物，其中苷元结构的染料木素（genistein）和大豆黄素（daidziein）是大豆异黄酮的活性成分。不同浓度的异黄酮对软骨细胞的增殖表现出双重作用，过高的浓度反而会抑制软骨细胞的增殖，同时浓度对软骨细胞胶原、蛋白多糖、IGF-1、TGF-β1 mRNA表达的作用也有较大影响。

图1. 大豆球蛋白（a）和β-大豆伴球蛋白（b）的结构模型

2.大豆蛋白的改性

理想的生物医用材料根据使用范围，需要具备合适的力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。大豆蛋白在干态时，硬脆性大，力学性能较差，同时其强亲水性也导致了其耐水性差，为增强其力学性能和耐水性能，常采用交联的方法进行改性。例如利用戊二醛等醛类的交联作用，与大豆蛋白分子中的赖氨酸和组氨酸的ε-氨基残基反应，可提高材料的疏水性；利用双醛淀粉作为交联剂，则能够使大豆蛋白基质的拉伸强度和疏水性同时提高。化学交联剂不可避免存在一定的生物毒性，研究发现，利用生物酶能够使蛋白质分子内或分子间发生交联，改变其功能性质。如转谷氨酰胺酶能够快速水解大豆蛋白的酰胺基，催化大豆蛋白分子的交联，交联后的大豆蛋白凝胶强度、热稳定性都明显提高[6]。除了交联，利用接枝反应在大豆蛋白分子中引入其他高分子也可改善其相关性能，如与含有异氰酸酯（-NCO）的高分子反应，不仅能够改善其物理性能，同时能够赋予其特殊的血液相容性和组织相容性。

生物医用材料与一般材料的最大差别就是其还需具有良好的生物相容性，即材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。研究显示，大豆蛋白的主要组成：大豆球蛋白和β-大豆伴球蛋白具有一定的免疫原性，其致敏反应的机理主要是由IgE抗体介导的I型过敏反应[7,8]。Sun等利用皮肤致敏试验来检测大豆蛋白的致敏作用，以大豆球蛋白为对象，利用新生仔猪建立动物模型，通过在仔猪皮内注射抗原蛋白发现其皮肤致敏反应呈阳性[9]。Tircia等将大豆蛋白悬浮液注射入小鼠腹腔内，观察到有大量的白细胞浸润，而将大豆蛋白膜植入小鼠体内7d后出现强烈的免疫排斥反应[10]。糖基化被认为是能够消除大豆蛋白抗原的一种有效方法，利用大豆蛋白与单糖或多糖结合制备共价衍生物，可以基本上掩蔽大豆蛋白中原有的抗原结构，从而降低或消除大豆蛋白的免疫原性。Van等利用ELISA进行抗原性分析，发现在95°C中加热5h后，大豆蛋白抗原仅下降20%，而相同条件下大豆蛋白-低聚果糖或果糖的糖基化衍生物的抗原性下降了90%[11]，同时多糖链的引入，还能够增加大豆蛋白中的亲水性羟基，并且可以导致蛋白二级结构部分展开，使其分子链柔性增加，从而可以在一定程度上改善其机械性能和降解性能[12]。

3.大豆蛋白及其衍生物在生物医用材料中的应用

在医学领域，大豆蛋白一直被视为营养保健物质，研究表明其在胃肠道保养、缓解慢性肾病、预防和治疗骨质疏松症及癌症等方面具有重要的价值，而在生物医用材料领域的研究和应用仍处于起步阶段。其实，早在古代中国民间就曾广泛使用大豆凝乳处理伤口，发现其可以有效促进创伤面的愈合[13]。而在2002年，Vaz等提出了利用甘油增塑后挤出和热压成型的大豆蛋白基质可以应用于生物医用材料[14]。随后，开展的大豆蛋白的制备、细胞相容性评价、生物降解性等系列研究工作[15]，为大豆蛋白在生物医用材料领域的研究和应用起到了很好的促进作用。研究认为，大豆蛋白优异的物理和生物学性能，在药物释放、伤口敷料和组织工程等方面都具有极大的应用潜能。

（1）药物释放载体

大豆蛋白良好的可加工性，使其极易被加工为膜、微粒、胶囊、纤维等不同形状；同时大豆蛋白的两亲性决定了其既可与亲水性药物互溶，又可与疏水性药物混溶。Vaz等在2003年以茶碱为模型药物，通过共注成型法制备了以不载药物大豆蛋白为壳层、以载药的大豆蛋白为核层的双层药物载体，并证明了这种双层结构的设计具有控制药物缓释的作用[16]。Chen等将大豆蛋白膜用于亲水以及疏水药物的释放载体，研究其在肠胃环境下的释放行为，发现酶作用下的膜降解控制了药物释放速率，通过交联密度可有效控制药物的释放[17]。通过化学交联或者共混改性，如利用琥珀酸酐酰化改性后再利用戊二醛交联或者混入海藻酸盐和聚丙烯酸盐，引入pH敏感基团羧基，可以实现大豆蛋白载体体系如微球、膜或水凝胶对pH的响应性，以满足在体内不同部位pH环境下的药物释放要求。Zheng等利用大豆蛋白/海藻酸钠共混物在氯化钙溶液中的凝固成型制备复合微球，以氨茶碱为模型药物，考察不同pH值对药物释放的影响，发现复合微球在胃（pH为1）环境下不易溶胀，药物释放较慢，而在结肠（pH为7.4）环境下易溶胀，药物可以快速释放[18]。Liu等则以N’,N’-亚甲基双丙烯酰胺和大豆蛋白为主要原料，通过游离自由基反应和戊二醛的交联反应获得了具有互穿网络结构的高分子水凝胶。该水凝胶具有温敏性，作为载体时对药物的释放速率受温度的影响，当环境温度为37°C时，释放量与时间呈线性关系，并且随着温度的升高，药物释放速率减慢[19]。

（2）伤口敷料

理想的伤口敷料不仅需要能够防止细菌和不良环境对伤口的损伤，同时也希望其能够通过防止细胞脱水、促进胶原蛋白的合成以加快受损部位的愈合。研究显示，以大豆蛋白及其衍生物为原料制备敷料，能够有效地保持伤口处湿润环境，伤口不易结痂，不粘连，同时大豆蛋白还可以整合到血凝块中，激发胶原蛋白的沉积，另外还具有载药的特性，都显示其在伤口敷料方面具有极大的应用潜力。Zachi等将庆大霉素与大豆蛋白膜复合，通过控制交联度可对复合膜的拉伸强度进行调控，交联后膜的水蒸气透过率达到2300g·m-2·day-1，这符合伤口敷料对水蒸气透过率在2000～2500 g·m-2·day-1的要求，庆大霉素在复合膜中可稳定释放4周[20]。将大豆蛋白复合功能性纳米粒子，如具有抗菌作用的纳米Ti、纳米Ag+离子，或具有加速伤口愈合作用的蒙脱石等，也可获得具有良好抗菌和促进伤口愈合的复合敷料。如Sun等将AgNO3溶液均匀分散在大豆蛋白水溶液中，通过流延成型干燥制备复合膜，结果显示当AgNO3浓度达到336μg/μL时，对大肠杆菌的抑制能力最强[21]。除复合功能性粒子外，大豆蛋白与其他高分子材料进行共混改性也可获得性能良好的敷料。如与带正电的碱性多糖-壳聚糖复合，制备的复合膜没有明显的细胞毒性并能促进细胞在其表面粘附增殖。动物实验显示，植入复合膜的伤口处在培养两周后出现了新的上皮层，未修复伤口面积明显小于未植入材料的阴性对照组，说明复合敷料具有缩短伤口愈合时间和促进伤口组织快速上皮化的作用[22]。

4.组织工程支架

组织工程支架材料是能与组织活体细胞结合并能植入生物体的材料，在一定程度上是细胞外基质的暂时替代物，是组织工程化组织的最基本构架。大豆蛋白在组织工程领域中的研究仍处于起步阶段，相关文献仍少见报道。初步证实大豆蛋白能够显著促进成体细胞的增殖与分化。有研究直接将大豆蛋白颗粒与成骨细胞共培养，发现在大豆蛋白自身微量活性物质的作用下，能够刺激成骨分泌胶原和骨结节，并抑制单核细胞和破骨细胞的活性，证明材料具有诱导成骨细胞分化为骨的能力[23]。Karen等将酶交联后的大豆蛋白通过冻干法制备成三维多孔支架，通过酶的交联控制其降解时间，人间充质干细胞在支架孔内生长状况良好，分布密集，培养2周后仍保持正常的细胞形态[24]。Antonio进一步将大豆蛋白基材料作为填充物植入新西兰大白兔中，发现与未放入材料的对照组相比，植入8周后，缺损部位有骨基质生成，并且有新的和不断成熟的骨小梁形成，而且这些骨小梁有着明显的网状骨的特征，而未加材料组的缺损则未愈合[25]。以上结果均显示大豆蛋白具有一定的促成骨活性，有望作为牙周外科、颌面外科和整形外科理想的骨填充剂或骨组织工程支架材料。

5.总结

大豆蛋白是一类来源广泛、资源丰富且可再生的可生物降解天然高分子，其在食品工业已经得到广泛的应用，通过一定的改性手段，在赋予其优异的机械性能的同时降低其免疫原性，将能够拓宽大豆蛋白在生物材料中的应用。大豆蛋白在药物载体、伤口敷料、组织工程支架等方面均具有非常良好的发展前景。随着人们对生物制品安全性的关注，利用更为可靠的植物性来源的大豆蛋白替代传统的动物性来源蛋白将会是未来生物医用材料研究的一个热点。

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[12～25] 略。

Application of Soy Protein Isolation in Biomedical Materials

LI Meng-jie TIAN Ye Institute of Guangdong Medical Equipment Quality Supervision and Inspection (Guangzhou 510663)

Soy protein isolation (SPI) showed potential application in biomedical materials for its great machinability, biocompatibility and biodegradability. This paper summarized the research development of SPI and its modifed product applied in drug carrier, surgical dressing and tissue engineering scaffold, and forecast the development direction of its application in this feld.

Soy protein isolation, Biomedical materials, Biocompatibility

1006-6586(2016)11-0010-04

R318.08

A

2016-09-14