生物角蛋白及其生物医学应用的研究进展

管峰，胡馨予，姚逸安，石国庆，刘守仁，万鹏程*

(1. 中国计量大学生命科学学院，浙江 杭州 310018；2. 新疆农垦科学院畜牧兽医研究所，新疆 石河子 832000)

随着人类对生物医学材料日益增长的需求和对获取材料的安全性、可持续开发利用以及环境保护等多方面要求的提升，促使人们寻求“绿色”的方法来开发基于现有材料的可利用“天然副产品”。自然界为人类提供了多种独特材料，蛋白质就是生物材料中重要的候选和来源材料之一，其中角蛋白凭借其独特的生物相容性和降解性在近年来得到广泛开发应用。角蛋白是一种属于纤维结构蛋白家族的硬蛋白，富含硫元素，分子量高达60 kDa，同时含有大量的二硫键和氢键，分子间还广泛存在相互疏水作用力，良好且独特的生物学特性使其在材料开发和应用中备受关注，其在饲料新来源开发[1]、农业肥料等新型缓释材料开发[2-3]、特异性水中有害物吸附剂[4]、水凝胶和多孔吸附性新材料[5-6]、新型医药材料与大健康[7-8]以及食品新材料[9]和新能源材料开发[10]等领域具有广阔的应用前景。角蛋白是动物体内最重要的生物大分子，来源广泛，目前羊毛纺织业、屠宰场、家禽养殖场和人类头发产生的角蛋白废料估计每年可达4 000万t[11]，这些材料主要来自畜牧业“废弃材料”或加工后的低值副产品。在世界各地，大量的角质废物被倾倒、填埋或焚烧，造成环境污染，因此迫切需要探究高效环保的方法来处理加工这些“废物”。

角蛋白具有多方面的生物学功能，材料来源丰富且价格便宜，但提取过程复杂，提纯难度大，通过生物降解技术能够使含有大量角蛋白的生物废料更有效地转化为有产业价值的角蛋白副产品，具有巨大的科学应用价值和商业前景。角蛋白在农业、纺织业、医药材料和化妆品等多个领域及行业都展示出独特的潜在广阔前景。由羊毛和头发制备的角蛋白存在可结合基序，由此制备的角蛋白材料具有止血和细胞结合的能力以及自组装和形成聚合物的内在能力[12]。角蛋白生物材料特殊的生物相容性以及促进细胞增殖的能力，使其可以进一步加工成海绵、薄膜和水凝胶等复合材料用于生物和临床医学多个领域，成为伤口愈合、药物传递和组织工程的绝佳新型材料[12]。在过去的几十年里，角蛋白作为功能材料在生物医学领域得到了广泛关注，以头发或羊毛提取物为基础的多孔海绵角蛋白已经进行了多项体外研究和测试，表明生物角蛋白极具医学应用价值和开发前景，这些研究结果为角蛋白生物材料的深入开发应用奠定了坚实的基础。本文围绕角蛋白来源、成分、结构和分类以及应用等方面，详细介绍了角蛋白当前的提取技术，重点论述角蛋白在医学材料领域的应用，为角蛋白生物材料的开发应用研究提供参考，也为提升畜牧产业动物养殖附加值提供了一个重要思路。

1 角蛋白构成与特点

1.1 结构与构成

角蛋白是组成毛发、指甲、羽毛、角、蹄、爪和羊毛的主要成分，是生物体最坚硬的生物材料之一，在动物保护、防御、捕食和盔甲生成及修复等多方面发挥着重要作用，但是不同机体中角蛋白的含量差异较大。角蛋白由多肽长链和交联纤维组成，分子内和分子间由大量二硫键(R-S-S-R)、氢键和离子键相连，这些化学键增加了角蛋白结构的稳定性和机械强度，角蛋白含有的多肽序列和二级结构可与细胞表面受体相互作用，促进细胞黏附、分化和成熟[13-14]。角蛋白的一级结构是由19种氨基酸排列而成的多肽链，不同角蛋白组织中氨基酸的含量和排列顺序存在巨大差异，也正是这些差异使不同水解方式得到的蛋白分子量不同，虽然羊毛、羽毛、人类头发中角蛋白氨基酸存在差异，但是其中存在两种稳定的基本重复单元，即A：Cys-Cys-X-Pro-X和B：Cys-Cys-X-SerThr-SerThr，并衍生出十肽衍生物和多氨基酸重复序列[8，11-12]。

多肽链作为细胞骨架构成了角蛋白的大分子基本结构，长链卷曲成螺旋状，生成紧致的棒状α-螺旋构象，伸展成扭曲扁平时折叠形成β-折叠构象，这就是角蛋白的二级结构，α-螺旋和β-折叠通过非共价相互作用(主要是氢键)稳定了50%的蛋白质二级结构[11]。根据构象不同角蛋白可分为中间丝蛋白(intermediate filament proteins，IFPs)即α-角蛋白和角蛋白联合蛋白(keratin associated proteins，KAPs)即β-角蛋白两大类[12]。构成角蛋白的氨基酸紧紧缠绕成一个右旋螺旋即α-螺旋，α-螺旋每轮有3.6个残基呈纵向排列，由于大量的半胱氨酸以及α-螺旋之间大量的二硫键，角蛋白结构稳定且具有较好的伸展性能[14]。β-折叠由往返折叠的多肽链组成，形成扭曲和褶皱的片层结构，通过氢键把主羰基氧原子和氨基氢原子稳定连接，呈平行堆积，片层之间形成Gly-Gly或Ser-Ser连接与共价键共同作用，当α-螺旋受热后致氢键断裂时肽链变为β-折叠，此时毛发可以被拉伸一倍[14]。α-螺旋经扭曲缠绕形成超螺旋，超螺旋进一步形成二聚体，这种α-螺旋二聚体是微纤维结构的亚单元，成百上千的二聚体在相互作用下构成微纤维，数十根微纤维相互作用形成原纤维，形成角蛋白的三级结构，化学键和多种作用力的组合决定了角蛋白的结构及理化特征[14]。

角蛋白最显著特点是富含半胱氨酸残基(占总氨基酸残基的7%～20%)，且大部分存在于蛋白质末端区域。大量存在的二硫键使角蛋白具有良好的机械强度和化学抗性，丰富的硫含量对角蛋白的天然结构及化学合成角蛋白的形态和功能都具有重要影响和作用[12]。角蛋白中除半胱氨酸外，还含有甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和缬氨酸，以及少量的蛋氨酸、赖氨酸和色氨酸[8，11]。角蛋白在抗机械剪切能力、生物合成和纤维基质形成三方面的功能不受生物体形态、大小或角蛋白类别的影响，始终保持高度一致。

1.2 角蛋白分类

角蛋白的分类方法很多，当前对所知角蛋白的分类主要依据其组分特征、含硫量、纤维化程度以及不同等电点(pI)等进行区分，角蛋白的分类是研究其理化特征、来源、功能以及应用方向的重要参考和依据。

根据结构和含硫量可将角蛋白分为α-角蛋白和β-角蛋白，α-角蛋白即IFPs，主要存在于纤维皮层；β-角蛋白即KAPs，不含半胱氨酸，主要由丝氨酸、丙氨酸和甘氨酸构成，提取难度大，不能形成稳定的重建结构[15]。α-角蛋白的分子单位是1个盘绕的异二聚体，α-角蛋白和β-角蛋白由非共价相互作用形成稳定结构[12]。α-角蛋白的分子量为40～60 kDa，β-角蛋白的分子量在10～22 kDa之间，α-角蛋白丝直径为7～10 nm，β-角蛋白丝直径为3～4 nm，相对较细的β-角蛋白在物理特性上比α-角蛋白更坚硬[16]。α-角蛋白广泛存在于哺乳动物中，是羊毛、毛发、爪、蹄和角的主要成分。β-角蛋白主要存在于鸟类和爬行类的硬组织中，如鸟类的羽毛、喙、爪和蚕丝丝心蛋白，以及爬行类的鳞片和爪，具有保护角蛋白纤维免受物理和化学损伤的作用[16]。

角蛋白根据含硫量和是否纤维化可分为硬角蛋白和软角蛋白[12]。硬角蛋白的含硫量较高(≥5%)且发生纤维化，主要构成坚韧的表皮，中间丝嵌在交联基质中并形成有序排列；硬角蛋白存在于与表皮相连的结构中作为结构支架，是构成毛发、羽毛、角和鳞片等组织的重要结构蛋白，是多种生物材料的提取来源，已广泛开展体内外降解和相容性等相关研究[11]。软角蛋白含硫量少(≤1%)，主要位于皮肤角质层，由松散的细胞质微丝束构成，具有稳定上皮细胞、为表皮提供弹性的作用；细胞内的软角蛋白是细胞膜、脊髓和视网膜神经等组织结构的重要组分[17-19]。

角蛋白也可以根据等电点进一步细分为酸性和碱性两大类，等电点是蛋白质中性时的pH值，角蛋白经蛋白翻译修饰后的pI值会发生改变，离子键的存在也与pH值有关，pI=4.9时，蛋白质以两性离子形式存在[12]。角蛋白一般是中性的，离子键在极端酸性或碱性条件下被削弱，铵离子和羧基阴离子之间存在离子键，这些化学键在高pH值时被氨基脱质子，在低pH值时被羧基质子化[12]。例如，头发基质蛋白的分子量为15～28 kDa，等电点5.0～7.0的酸性头发基质蛋白有14种；分子量18.5～28 kDa，等电点7.8～8.8的碱性基质蛋白有12种[15]。这些分类和基本理化特征是角蛋白研究的重要基础，基于不同分类方法的角蛋白种类随着蛋白鉴定和分离新技术以及新材料来源的开发也在持续增加。

1.3 角蛋白生物学特点

角蛋白来源的生物材料凭借其丰富的二硫键和氢键，形成了独特的生物相容性、生物降解以及机械强度等特征，在众多天然与合成的高分子化合物中独树一帜，极大改变了生物材料的来源途径和提取工艺。

生物相容性是指材料必须无毒、无刺激性、无致癌、无致突变和不使宿主发生局部炎症的基本特征，是生物医学材料必须具有的特性。在生物医学研究和临床应用之前，所有生物材料都必须进行细胞和组织相容性测试，细胞培养和组织培养是最常用的体外相容性评估方法。通过12种不同细胞系在角蛋白膜和聚苯乙烯上的生长行为比较研究，证明角蛋白材料具有良好的生物相容性[20]。进一步对不同来源的角蛋白提取物植入动物模型测试，表明角蛋白材料在活体动物水平具有良好的生物相容性[21]。另外，以头发中提取的角质糖(keratose，KOS)制成的透析膜，在生物体内与角膜的生物相容性较好，炎症反应轻，为角蛋白膜在角膜功能方面的开发利用奠定了基础[22]。目前已在小鼠、大鼠、兔子和非人灵长类动物体内进行相容性试验，结果均表明体内移植角蛋白不会引起明显的免疫反应，也不会对皮肤、肌肉、心脏和神经等组织和器官造成较大的负面影响[23]，表明生物角蛋白具有多组织相容性的特点。

生物降解性是角蛋白具有的天然特性之一，在临床应用中作为支架材料的理想降解速度应与目标组织的生长速度相匹配，角蛋白人工合成材料刚好满足了这一特殊要求[8]。角蛋白从毛发纤维中提取后，通过化学处理破坏二硫键，使IFPs蛋白与KAPs蛋白通过氧化或还原转化形成非交联模式，氧化提取后的角蛋白具有吸湿性、水溶性和交联性，在极端pH值下易水解，这些特性使得角蛋白生物材料在体内降解相对较快，几天至几周时间即可完成[8]。但是，经还原处理后的角蛋白极性降低，不易溶于水，在极端pH值下更稳定，这种角蛋白材料可以在体内存在数周至数月[8，14，24-25]。研究证明蛋白酶K可以降解角蛋白，但人体缺少专门降解角蛋白的角朊酶(keratinase)，因此角蛋白在人体内的稳定性高于那些易被胶原酶降解的蛋白质[26]。不同处理后的角蛋白生物降解性有较大差异，研究并控制生物材料降解速率是功能性组织设计的重要基础，也是临床应用的前提[8]。

角蛋白结构坚固、稳定性高，不溶于水和许多弱酸、碱等溶剂，其抗酶降解的稳定性和生物相容性已在生物医学应用和再生医学中得到了广泛关注[11，15]。角蛋白中丰富的半胱氨酸使其具有机械性、化学抗性和耐热性的特点，使得其在可制备生物材料领域具有广泛的应用前景。虽然角蛋白具有显著的生物学优良特性，但另一方面其作为生物材料也存在力学性能差、体内降解速度较快、分子量较低等不足，限制了角蛋白基生物材料的直接开发利用。交联处理是改善角蛋白物理力学性能的有效方法，同时根据交联程度保持角蛋白的生物活性[8，11]，在很大程度上克服角蛋白自身特性的不足。改良后的角蛋白具有独特的生物相容性、生物降解性和生物活性，使其成为具有广泛应用前景的生物医学材料，在伤口愈合、组织工程修复和药物传递等临床中具有巨大的开发潜力和市场前景。

2 角蛋白来源及提取技术

2.1 角蛋白来源

2.1.1 人类毛发角蛋白

人类毛发主要是头发，来源广泛并且数量较多、易于搜集，头发发丝纤维由外向内依次是角质层、皮质层和髓质层，角质层由矩形重叠扁平细胞组成，占纤维总重量的10%，含有5～12层的β-角蛋白[26]。髓质层位于毛发纤维的中心，由角质化细胞松散排列组成柔软松散的轴向流，是人发纤维的多孔部分，与全纤维相比髓质中半胱氨酸和含硫量较低，酸性和碱性氨基酸含量相对较高。皮质层是头发的主要组成部分，由低硫α-角蛋白和高硫β-角蛋白组成，分别占头发纤维重量的50%～60%和20%～30%[27]。从毛发中提取的角蛋白属于硬角蛋白，具有较强的成纤维能力[28]。目前证明人类毛发蛋白结构由17个KIFs基因和85个KAPs编码基因构成，分子量41.5～59 kDa，等电点5.1～6.8[27，29]。人类毛发尤其是头发提取角蛋白是个性化医学生物相容性材料的重要来源，其含有具有细胞黏附功能的亮氨酸-天冬氨酸-缬氨酸肽链，具有增加细胞-细胞和细胞-基质连接的能力，与天然组织结构相似，被认为是作为合成细胞外基质用于体外组织工程支架的良好候选材料。

2.1.2 羊毛角蛋白

羊毛主要成分是角蛋白[30]，由角质层和皮质层组成，多数粗羊毛类似头发结构含有髓质层，但以细毛著称的美利奴羊毛纤维结构中不含髓质层。角质层的细胞由梭形皮层细胞形成，扁平重叠的角质层细胞包围皮质层，皮质层是羊毛纤维的主体部分，占洁净羊毛总重量的90%～98%，皮质层主要由IFPs和KAPs组成，两种蛋白交叉连接发生角质化最终形成羊毛纤维[29，31]。羊毛的结构和人类头发有许多相似之处，但是羊毛的直径(约为20 μm)明显小于头发(约为80 μm)[32]。羊毛角蛋白分子量约15～58 kDa，等电点为4.7～5.4[8，31]。羊毛是角蛋白材料的重要来源，也被认为是中间丝蛋白IFPs的主要来源，在纺织业、化妆品和生物医学领域占有重要地位[29]。如何高效利用羊毛进行角蛋白提取并开发成新型生物材料是目前羊毛应用研究的一个新方向。

2.1.3 羽毛角蛋白

禽类羽毛由羽轴、羽片和羽枝三部分组成，羽毛成分中90%以上为角蛋白，大量羽毛作为禽类养殖业的副产品通过填埋或焚烧等方式处理，全世界羽毛年产量超6 500万t[14]，因此是角蛋白含量丰富且成本最低的材料来源。羽毛中主要有分子量10～30 kDa的β-角蛋白和部分α-角蛋白，β-角蛋白作为主要成分起到保护作用，少量的α-角蛋白则有利于羽毛的生长发育[13，16]。羽毛中约7%的半胱氨酸残基含量决定了角蛋白组织的柔韧度，羽毛相较于半胱氨酸11%～17%羊毛更为柔软[33]。基于半胱氨酸的含量和结构特征，通常可将其中的二硫键还原为巯基(SH)，处理后的羽毛角蛋白提取物可用于多项生物学研究和生产原料[8]。

2.2 角蛋白分离提取技术

目前从毛发等生物材料中提取角蛋白的方法有多种，根据毛发材料性质和提取物特点采用不同方法。最初使用化学试剂氧化或还原得到角蛋白，但该方法所需试剂对环境造成较大污染且提取效率较低。物理方法进行高温高压破坏二硫键，过程无污染、成本低，提取得到的角蛋白具有自我组装、聚合成纤维并形成多孔膜、生成凝胶和支架的内在能力。生物技术法则利用微生物分泌的特定酶降解角蛋白，该方法在一些新兴工业和生物技术领域探究中得到应用，是将来角蛋白提取产业化和规模化生产中最具开发潜力的新型技术[11]。随着蛋白分离提取技术的发展，研究者提出了利用快速搅拌的去溶剂法、盐析法、尿素-氯化胆碱共溶体系等提取羊毛角蛋白方法，相比之下尿素-氯化胆碱共溶体系提取得到的角蛋白结构更为完整[34]。角蛋白作为一种生物材料，运用不同的处理方法得到的最终产物及其特性也有所不同，这些特性直接影响生物材料(见表1)最终的物理、化学和生物特征，这些属性决定了角蛋白材料在医学中的用途。

3 角蛋白的应用

角蛋白作为天然生物材料被广泛运用于生物医学研究和临床治疗中，尤其在再生医学中发挥着越来越重要的作用。

早在16世纪我国著名医药学家李时珍就提出一种名叫“血余炭”的药物可以加速伤口的愈合，实则该物质是通过热裂解的头发提取物。在之后的数百年里人们对角蛋白的功能、组成和获取来源等很多方面开展了大量研究并获得了诸多资料，但是对于角蛋白的应用研究报道较少。在21世纪初，研究人员开始以羊毛角蛋白为材料进行细胞培养并用于组织工程，研究成果为角蛋白生物材料在神经修复、止血和伤口愈合等多个领域的应用提供了理论和技术基础。随着技术改进，现在可以从头发、羊毛和羽毛中提取并开发出不同形式的角蛋白生物材料，如薄膜、水凝胶、海绵、纤维和3D支架等，但人工提取或制造的角蛋白在机械性能方面具有一定的局限性，需要添加交联剂和增塑剂来改善角蛋白的部分机械特性以满足临床应用要求，在应用中与细胞外基质(extracellular matrix，ECM)如聚乙二醇等人工合成材料联合使用才能更好地满足临床和应用需求。另外，头发和指甲角蛋白及其薄膜可用于抗过敏材料和制备支架用于组织工程等[28]。多年来研究表明，角蛋白材料在临床应用如组织和器官再生、替换或修复中有着巨大的潜在市场前景，如骨、软骨、皮肤和神经修复以及替换等所需材料的开发就是最普遍应用的领域(图1)。

3.1 角蛋白在骨组织工程的应用

骨质疏松和骨关节炎症是临床常见病之一，手术再生和修复是临床治疗的重要手段[43]。使用角蛋白生物材料取代植入体内的传统医学金属合成物是近年来再生医学的重要突破，成为医学研究和临床骨组织修复材料应用领域之一[24]。

用于骨组织修复的材料要求具有良好的强度和弹性等机械性能，但提取的角蛋白材料力学性能不佳，需要与天然聚合物共混生成产物后使之具备极佳的物理力学等优良特性，同时改善降解性，成为医学骨组织修复中较佳的生物材料[44]。在角蛋白提取物改良方面，从起初添加羟基磷灰石(HAP)制成海绵支架到后来使用聚乳酸-羟基乙酸(poly lactic-co-glycolic acid，PLGA)制成复合支架，这些复合物改善了材料表面粗糙程度和分子颗粒大小以及热稳定性，使其具有更好的拉伸强度和断裂伸长率，还能显著促进成骨细胞附着能力并提升增殖速度，使其完全满足组织修复需要[45]。基于角蛋白复合材料具有自我聚合和组装能力，这些材料做成的生物活性支架能够修复多种组织[18]。例如，磷酸钙涂层角蛋白/聚已酸内酯(polycaprolactone，PCL)复合材料支架提高了Ca2+吸附能力，还增加了材料机械强度[43]，浓度20%的羊毛角蛋白中间丝蛋白水凝胶能够促进牙髓质愈合且效果良好[46]，这些材料都已在临床中得到广泛应用。

作为骨组织工程的支架材料，必须具备的多孔性和互联性也是角蛋白生物材料的关键特征，这样的支架才能允许营养物质和氧气扩散到细胞，消除细胞代谢产生的废物和周围组织的入侵[8]。改良的角蛋白纤维海绵支架具有高达约93%的连接孔隙度，同时模仿了细胞外基质的细胞识别点，该支架表现出良好的热稳定性和化学稳定性，具有良好的细胞粘附和增殖能力，还能够通过离子互相作用与骨形态蛋白BMP-2结合，作为载体用于缺损股骨的再生[47]。目前，角蛋白材料来源的组织工程研究在于建立合适的支架系统平台，更好的把生物材料或细胞及生长因子结合，提高组织修复能力，并改造成为个性化的支架材料，这是当前骨组织工程研究和开发到转化应用的重要课题。

3.2 角蛋白在神经组织工程的应用

医学中外科切除或物理损伤所致神经损伤的修复是当前医疗中面临的一个重要难题，神经损伤会导致患者完全丧失感觉和自主神经功能，外伤性周围神经损伤的首选治疗方法是将2根神经残端直接缝合修复，但是缝合后的愈合和损伤的修复需要更多的辅助治疗[48]。神经组织的修复和再生需要为细胞增殖提供支撑材料，传统的金属和生物材料填充物通常为细胞再生只能提供物理支持，现如今被多种生物可降解材料和人工神经导管材料逐步取代并广泛应用。角蛋白由于使用方便、具有天然生物活性和生物相容性以及价格优势，成为神经组织工程材料的重要替代物。目前研究表明，浓度15%的角蛋白材料具有帮助神经组织修复的良好效果[49]，是神经组织修复和再生医学的重要开发对象。

神经组织修复和再生的支撑材料比较特殊，角蛋白水凝胶作为填充物可以加速神经再生和恢复，但这种角蛋白的制备需要通过氧化法，且需要具有一定溶解度的α-角蛋白和β-角蛋白材料，改良材料不但保留大量水分、黏弹性强，还具有方便以微创方式植入并弥补不规则形状缺陷的优势和潜力，提高神经再生修复速度[8]。当前，神经组织工程中最常用的角蛋白材料是氧化法所得的角质糖KOS。体外研究表明，由头发制备的角质糖KOS凝胶有助于Swann细胞周围神经再生，促进细胞的附着和增殖，并上调重要基因的表达从而改善神经再生，且该KOS凝胶成功用于改善4 mm胫骨神经损伤小鼠模型的功能神经恢复[26]。机制研究表明，KOS可与周围神经系统(peripheral nervous system，PNS)相互作用，通过激活Swann细胞促进修复功能[50]。KOS凝胶作为基底材料的再生神经在面积和轴突密度甚至优于自体移植物，且神经传导速度更快[51]。我国科研人员探究使用盐酸处理的天然角蛋白材料与神经生长因子(nerve growth factor，NGF)相交联，该材料可以支持神经干细胞的黏附、生存、迁移和分化，有效促进神经干细胞向神经细胞分化，显著增加神经元分化比率，是一种神经组织修复较为理想的角蛋白材料[52]。在用于神经修复的角蛋白材料中，头发来源的角蛋白具有与自体移植相当或更好的效果，改良优化的角蛋白水凝胶是神经再生、修复和个性化医疗中最具应用前景的候选材料[51]。

3.3 角蛋白在伤口愈合的应用

人体严重病变或受损较重的表皮难以自我修复，要依靠药物、物理治疗甚至手术移植提高康复水平。角蛋白敷料在伤口愈合过程中具有吸收渗出物并形成凝胶的能力和良好的吸水性并能促进愈合过程。角蛋白膜材料的开发为组织损伤修复和组织替代品的临床应用提供了新材料和治疗方案，其创面修复和止血功能以及优良的特性可以有效促进细胞黏附，这种新材料已开发出多个临床产品[12，53]。

角蛋白制作的水凝胶、薄膜和纤维是最常见的临床用于伤口敷料的材料形式。乙二醇和戊二醛混合物中加入10%角蛋白和明胶制备的薄膜具有良好的力学性能和吸水性能，可用于伤口包扎[11]。多孔材料的角蛋白壳聚糖/虎杖甙复合生物支架则具有孔隙多、韧性强和塑性好等优点，是当前伤口修复效果最佳的材料之一[54]。聚乳酸/聚(羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯)-角蛋白复合纤维、聚乙烯吡咯烷酮-羊毛角蛋白复合纳米纤维可以维持人类原代皮肤成纤维细胞的附着和生长，作为皮肤支架能很好地支持皮肤组织再生过程和伤口愈合[55]。角蛋白复合材料比单纯的纳米纤维材料更有利于成纤维细胞的粘附和增殖，能加速创面恢复。KOS水凝胶在伤口修复中表现优异，在创伤早期通过增强成纤维细胞的浸润、胶原蛋白的生成和血管化，进而减少炎症，在后期清除成纤维细胞从而促进创面愈合，且愈合速度更快[56]。动物试验证明，KOS水凝胶能够维持化学烧伤模型小鼠和热烧伤模型猪伤口细胞的活力并促进增殖，缩短伤口愈合时间，优化伤口结痂过程[23]。人工改性KOS水凝胶可以促进成纤维细胞增殖和肉芽组织生成，更适于急性伤口愈合[56]。不同浓度角蛋白水凝胶对伤口愈合效果不同，9%的水凝胶适用烧伤皮肤的再生，15%的水凝胶适于神经组织修复和再生[11]，而5%水凝胶有助于体内伤口愈合[57]。另外，角蛋白具有的化学键和结合位点可以提高药物因子的药效，头发角蛋白偶联胰岛素具有更强止血和伤口愈合能力[58]，而复合角蛋白水凝胶治疗隐性营养不良性大疱性表皮松解效果更好[59]。如今，已有部分角蛋白产品完成临床试验，如治疗静脉曲张性溃疡(NCT02896725)和乳腺癌皮肤局部角质标识(NCT03374995)[59]。角蛋白材料在组织愈合和创面伤口修复的应用是临床医学组织医学工程的重要开发领域，对于提高生命健康具有重要意义。

3.4 角蛋白在药物转运中的应用

药物转运是指将治疗药物输送至患者体内直至药物靶点或病灶的过程，角蛋白因自身安全和具有提高药效等方面的优势成为药物传递系统(drug delivery systems，DDSs)的重要候选载体之一。生物角蛋白材料可用于多种药物输送，包括小分子药物和大分子生物制剂。此外，角蛋白富含活性化学基团(羟基、羧基和酰胺)，这些基团能够与生物活性分子相互作用，从而为后处理提供了技术突破口；如蛋白质和肽类药物中引入巯基可显著改善聚合物载体的黏附性，进而提高药物利用效率，保护药物活性[60]。角蛋白转运载体与现有临床使用的合成硫代聚合物相比，角蛋白带有硫醇基团或二硫键，提供了更有内聚性的聚合物基质，从而能够更精准可控地释放药物，将药物精准输送到作用靶点[60-61]。药物分子与生物角蛋白材料的交联在生物活性物质释放中起到重要作用，不同性状的角蛋白如颗粒状、膜和水凝胶等，均可以作为载体来固定或封装药物。生物分子、蛋白质和细胞等与载体之间的作用是不同的，采用适配类型的角蛋白可以防止转运物质尤其是药物发生不可控或未知的变化。角蛋白膜和水凝胶与转谷氨酰胺酶TGase交联后靶向药物的释放研究表明，前者的释放量较低，水凝胶更适于该类药物的转运[14]。但是，KOS降解较快，用作载体则会影响生长因子的释放速率[62]，而还原角蛋白水凝胶的降解则影响环丙沙星的转运和释放过程[63]，但具体调控机制和可用于临床的角蛋白材料尚需针对特定药物进一步研究。值得肯定的是，药物和KOS水凝胶存在直接的互相作用，二硫化物的交联程度可以改变药物或生长因子的释放速率[25]。交联二硫化物水凝胶是一种药物转运的新型材料，角蛋白/烯丙基硫醚水凝胶则是一种基质封装和细胞传递材料[64]，羧甲基/羟基磷灰石-角蛋白复合材料适于骨愈合和药物释放[65]，利用角蛋白制备DOX负载的角蛋白-透明质酸微凝胶，适用于肿瘤治疗相关药物释放[66]。羽毛角蛋白纳米颗粒具有疏水结构并携带正负电荷，可以装载多种类型药物并能定向转运至靶标器官[61]。角蛋白纳米颗粒与水凝胶和生物膜相比，纳米颗粒具有更大的接触面积，更易于保存和使用，用于转运罗丹明B和姜黄素的试验证明，对此类药物表现出pH值和氧化还原双重响应性[67]。角蛋白生物材料用于药物转运的临床应用以及作用机制仍在不断探索研究之中。

4 结语与展望

随着从多种材料中角蛋白提取和加工技术的不断改进，其作为一种来自动物体的天然蛋白材料在医药和临床医学领域的应用日益广泛，展现出潜在应用前景和市场价值。角蛋白材料是构成毛发、指甲、角、蹄和羽毛的主要成分，来源广泛，富含半胱氨酸结构和大量存在的二硫键使其具有较高的机械强度，也为加工后的产品提供了诸多可利用的化学基团。角蛋白具有天然不溶性和良好的机械性能，使其成为一种可再生、生物相容的天然材料，能通过不同处理获得多种产物。当前技术提取的角蛋白材料均具有良好的机械性和生物相容性，以及良好的耐久性和易于生物降解等优点，且具备作为细胞增殖载体的优良特征[12]。生物角蛋白材料可以加工后转化为复杂的三维支架、纤维、海绵、薄膜和水凝胶，用于生物医学多个领域的研究和临床[8，12]，但是角蛋白的提取和加工过程优化仍是当前生物技术研究的重要课题。

角蛋白作为新型生物材料在生物医学领域中的研究和应用引起了广泛关注，是集材料学、生物物理学、生理学和临床医学等多个学科的一门应用科学，目前主要集中于骨和神经组织工程以及组织再生和药物释放等方面。随着角蛋白作为组织工程材料在促进细胞生长、组织再生等方面分子机制的研究，其在多种疾病的临床治疗与药物转运中也展现出潜在的应用价值。角蛋白生物材料的深度开发和功能探究为新型生物医学材料的开发利用提供了方向和思路，在生命健康和生态环保领域的应用将日益广泛。