丝素蛋白的应用研究

杜睿 欧锦涟

摘要：为更好的拓展丝素蛋白应用，弥补因脱胶造成丝素蛋白某些性能上的缺陷，综述了近年来对丝素蛋白改性的方法。介绍丝素蛋白基本性质，包括丝素蛋白基本结构以及性能特点;总结丝素蛋白在智能可穿戴、生物医学领域的应用进展。随着人们对绿色环保理念的增强，无毒无污染的基因改性和添食育蚕法将成为改性丝素蛋白性能的研究重点。

关键词：丝素蛋白;结构与性能;应用

1丝素蛋白的基本结构与性质

1.1丝素蛋白的基本结构

蚕丝是在蚕茧形成期自然形成的，形状呈扁平椭圆型，直径约为30μm。其由两根呈三角形或半椭圆形的丝素蛋白纤维和一层胶状的丝胶蛋白外衣组成，其中，SF是蚕丝的主要组成部分，在家蚕丝中约占70%，包裹在SF外围的丝胶，在家蚕丝中约占25%，剩余5%为杂质[1]。

1.2丝素蛋白的理化性能

随着各种环境污染以及医疗卫生资源不足等问题的加剧，开发一种来源广、安全性高、可再生的新型材料成为材料研究新趋势，而天然的SF材料由于其独特的生物可降解性、生物相容性等特点成为近年来关注的热点[2]。

（1）SF具有良好的生物相容性。细胞与生物材料表面的粘附是细胞识别的一种标志，通常为细胞迁移、增殖、分化和存活等后续过程奠定基础，作为一种促进细胞生长的生物材料，丝素被发现能显著促进细胞粘附，并对周围细胞的损害很小，其良好的生物相容性已被证实。Bussabong C等人研究了SF刺激健康和特应性受试者的外周血单个核细胞，从而产生白细胞介素10（IL-10）的能力。结果表明，SF对外周血单个核细胞无毒，也不诱导炎症因子（Th1/Th17相关因子和Th2相关因子）的释放，具有良好的生物相容性[3，4]。

（2）SF材料具有高度可操控性。再生蚕丝蛋白溶液能够转化为多种不同的药物递送形式和治疗方法，如可植入式晶片、凝胶、泡沫、薄膜等，多样化的SF制备方式扩大了其应用[3，5]。且具有一定的成骨能力，在骨修复和再生方面具有广阔的应用前景[6]。

（3）SF材料具有优异的生物可降解性。蚕丝在体内的降解是一个渐进的过程，一般通常需要一到两年才能完全降解。目前，蚕丝的降解有两种常见的解释，即酶降解和吞噬降解[3]。Cao Y等人指出，降解主要是由蛋白水解酶促进的，在此过程中发生酶结合和酶消化[7]。

（4）SF具有良好的乳化活性。SF同时具有亲水区和分子折叠成二级或更高级结构时所形成的疏水区，因而具有两亲性和表面活性，在水介质和油相的界面富集并最终形成稳定的黏弹性膜，可防止液滴聚结，有利于形成稳定的乳液，作为一种新型乳液稳定剂，SF广泛应用于載药系统和化妆品领域[8]。

2丝素蛋白的应用

SF材料是一种性能优异的天然有机高分子材料，在许多方面都有着广泛的应用，而随着科学技术的进步与发展，SF材料应用领域正逐步向智能可穿戴、生物医药等领域扩展[9-11]。

2.1智能可穿戴领域

SF材料作为一种可再生的生物资源，具有柔性、优异的机械稳定性等特点，因而成为近几年智能可穿戴领域包括机械（应变、压力）、电生理、温度和湿度传感器等研究的重要方向[12-14]。

2.2生物医学领域

由于SF材料优异的理化性能和特有的生物相容性和生物降解性，SF材料广泛应用于生物材料和再生医学等领域，尤其是在组织支架、药物输送、凝胶等领域应用广泛[3，10，11，14]。

2.2.1水凝胶

SF是一种独特的天然聚合物，因其特殊的大分子结构，能通过加工制备成SF水凝胶，其具有高含水量和高度交联的空间网络结构，且具有独特的理化性质以及对细胞和小分子优异的透过性和扩散性。目前，SF水凝胶已在生物医用领域得到了广泛的应用[14，15]。

2.2.2药物输送

在药物释放体系中，除了药物本身外，药物载体材料也扮演着非常重要的角色，常用的载体材料可分为可生物降解材料和非生物降解材料。可生物降解材料相对于非生物降解材料可以免除治疗后进行外科手术移除载体的过程，因而可生物降解材料应用更加广泛。可生物降解材料主要分为人工合成材料和天然材料两类，而人工合成材料成本较高，且可能遗留一定的毒性，因此相比而言，以SF为代表的天然材料具有生物相容性好、价格低廉的特点，受到了广泛的关注[16]。

2.2.3组织支架

组织工程是通过工程技术与生命科学的原理、方法制备组织替代物，改善和修复组织缺损或恢复功能的新学科。目前，由于SF具有较好的促进组织再生、生物相容性、生物降解性、机械强度与变形能力、无毒、无或低免疫原性、适宜的孔径以及来源广、易获取、成本低等特点，因而其在骨组织工程、软骨组织工程、韧带组织工程等领域应用广泛[17]。

3结语：在如今资源逐渐匮乏的今天，利用和开发可再生绿色材料将成为今后持续关注的热点话题。SF作为一种可再生的优异生物质材料，其良好生物相容性、可降解性、新颖的介电特性等性能特点必将持续受到更多研究者的关注，推动我国蚕丝产业的进一步发展。随着人类医疗资源紧张程度不断加剧，SF材料与电子、生物信息等学科的融合发展必将使其在医用敷料、医用支架、智能传感器等领域持续大放异彩，不断扩大应用领域。

参考文献：

[1]张凯.丝素蛋白的提取及丝素膜的制备、修饰与应用研究[D].东华大学，2015.

[2]范苏娜，陈杰，顾张弘，等.丝素蛋白纤维及功能化材料的设计与构筑[J].高分子学报，2021，52（1）：29-46.

[3]Blake S， Kim N.Y， Kong N， et al. Silk’s cancer applications as a biodegradable material[J]. Materials Today Sustainability，2021（13）：100069.

[4]Chancheewa B， Buranapraditkun S， Laomeephol C， et al. In vitro immune responses of human peripheral blood mononuclear cells to silk fibroin： IL-10 stimulated anti-inflammatory and hypoallergenic properties[J]. Materials Today Communications，2020（24）：101044.

[5]罗子木.蚕丝蛋白的改性研究及相应脱模装置的设计[D].华中师范大学，2014.

[6]Yu Y.F， Yu X.F， Tian D.L， et al. Thermo-responsive chitosan/silk fibroin/amino-functionalized mesoporous silica hydrogels with strong and elastic characteristics for bone tissue engineering[J]. International Journal of Biological Macromolecules，2021（182）：1746-1758.

[7]Cao Y， Wang B.C. Biodegradation of Silk Biomaterials[J]. International Journal of Molecular Sciences，2009，10（4）：1514-1524.

[8]李瑩莹，王昉，刘其春，等.丝素蛋白及其复合材料的研究进展[J].材料工程，2018，46（8）：14-26.

[9]Saric M， Scheibel T. Engineering of silk proteins for materials applications[J]. Current opinion in biotechnology，2019（60）：213-220.

[10]张勇，陆浩杰，梁晓平，等.蚕丝基智能纤维及织物：潜力、现状与未来展望[J].物理化学学报，2021（03）：1-16.

[11]明津法，黄晓卫，宁新，等.丝素蛋白材料制备及应用进展[J].丝绸，2021，58（2）：20-26.

[12]李胜优，刘镓榕，文豪，等.蚕丝基可穿戴传感器的研究进展[J].物理学报，2020，69（17）：130-142.

[13]Luo Y， Pei Y.C， Feng X.M， et al. Silk fibroin based transparent and wearable humidity sensor for ultra-sensitive respiration monitoring[J]. Materials Letters，2020（260）：126945.

[14]王苗苗，韩倩倩.丝素蛋白的制备方法及在生物医用材料领域的应用[J].中国医疗器械杂志，2021，45（3）：301-304+309.

[15]Zhao Y， Zhu Z.S， Guan J， et al. Processing， mechanical properties and bio-applications of silk fibroin-based high-strength hydrogels[J]. Acta Biomaterialia，2021（125）：57-71.

[16]吉立静，柯靖，贾兰，等.丝素蛋白作为药物载体材料的研究进展[J].生物医学工程学杂志，2015，32（6）：1364-1368.

[17]信更新，刘毅.天然高分子材料在软组织工程中的应用[J].华南国防医学杂志，2019，33（9）：656-659.

作者简介：

杜睿，1999.7.30，男，汉，陕西省延安市宝塔区，本科，材料研究，广西科技大学。