蠶絲絲素蛋白材料的生物降解性能研究進展

徐亞梅，李明忠

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

蠶絲絲素蛋白材料的生物降解性能研究進展

徐亞梅，李明忠

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

絲素蛋白具有良好的生物相容性，但其用于制備組織工程支架等生物材料時，制成的材料還需具備的一個重要條件是其降解速率與組織新生的速率相匹配。近年來國內外對絲素蛋白材料生物降解性能的研究進展表明，影響材料降解性能的因素包括材料的形態、結構、植入點的機械和生理環境等。這些參數影響降解行為的具體過程和機理將是今后的研究重點。

蠶絲；絲素；生物材料；降解

生物醫用材料是用于對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織及器官，或增進其功能的新型高技術材料[1]。理想的生物醫用材料應該不會引起炎癥和免疫排斥反應，有良好的生物相容性[2]。除此之外，在作為組織工程支架、藥物緩釋載體等應用時，還應可被生物降解、吸收或排出體外。

在可被降解的生物醫用材料中，絲素蛋白材料由于具有良好的透氧性、無毒性、無刺激性，以及良好的生物相容性受到了廣泛的關注[3]。家蠶絲素纖維臨床用作手術縫合線已近100年，而且近年來家蠶絲素蛋白材料也被用于人工皮膚、血管、角膜、功能性細胞培養載體、生物傳感器等生物醫用材料。這些研究結果表明絲素蛋白是作為生物醫用材料的重要可選原料。

蠶絲手術縫合線植入體內2個月后，力學性能能保持50 %以上，根據美國藥典，它被界定為非降解性手術縫合線。但是后來的研究表明，絲素蛋白作為一種蛋白質，可以被某些酶催化水解，并且在活體內也會最終被吸收。被降解、吸收的速率與諸多因素有關，例如材料的結構、形態、植入點的機械和生理環境等[4]。

1 蠶絲絲素蛋白的組成與結構

家蠶絲素由20種氨基酸組成，其中甘氨酸(Gly)含量大概占46 %，丙氨酸(Ala)約占29 %，絲氨酸(Ser)約為12 %。這些側基較小的氨基酸主要位于絲素蛋白的結晶區，而側基較大的氨基酸如苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)和色氨酸(Trp)等則主要位于非晶區[5-6]。

絲素蛋白是由重鏈(H鏈，分子量350 kDa)、輕鏈(L鏈，分子量25.8 kDa)及糖蛋白P25(分子量23.55 kDa，另加3個寡糖鏈)組成，重鏈和輕鏈通過一個二硫鍵相連接，在絲素蛋白中以1∶1的比例存在，P25糖蛋白以非共價相互作用與重鏈和輕鏈連接[7]。

家蠶絲素的2種主要結晶結構是silkⅠ和silkⅡ。silkⅠ呈曲柄形結構，silkⅡ是反平行β-折疊結構，silkⅠ結構不穩定，經過濕熱、極性溶劑等的處理會很容易地轉變成穩定的silkⅡ結構[4]。Regina等[8]發現了silkⅢ結構，其肽鏈的構象為β-折疊螺旋，存在于絲素溶液與空氣界面上。

在絲素的結晶區，結晶形態主要是β-折疊結構，肽鏈端排列較整齊，相鄰鏈段之間的氫鍵和分子間引力使它們結合得相當緊密，抵抗外力拉伸的能力強，柔軟度低，在水中難以溶解，對酸、堿、鹽、酶及熱的抵抗力較強。在非結晶區絲素中鏈段的排列不整齊，鏈段之間的結合力較弱，在水中易溶脹，柔軟度高，抵抗外力拉伸的能力弱，吸濕性強，對酸、堿、鹽、酶和熱的抵抗力較弱[9]。

2 蠶絲絲素材料生物降解性能的早期研究

可降解生物材料是指在生理環境下發生分子量下降、分解或溶解的生物材料，其降解產物可被機體吸收或排出體外。高分子材料的生物降解并非單一機理，而是一個復雜的生物物理、生物化學協同作用，相互促進的過程[10]。最早在20世紀60年代就有人為了研究絲素的結晶結構，用α-胰凝乳蛋白酶將絲素纖維的無定形區水解，這說明無定形結構的絲素蛋白可以被蛋白酶降解[11-12]。Chen和Hirabayashi等[13-15]曾用糜蛋白酶、羧化酶等降解絲素纖維，將水解后的絲素用于食品添加劑和化妝品。這些早期的研究已基本能說明絲素是可以被酶催化水解的。

3 蠶絲絲素材料的體外降解性能

具備良好的生物相容性是作為組織工程或組織誘導支架的一個必要前提，但還有關鍵的一點是材料的生物降解性能。材料的降解速率必須與組織的再生速率相匹配，并且滿足組織的功能需求[16]。因此，需要弄清絲素蛋白材料的生物可降解程度、降解機理及影響降解速率的因素。

Minoura等[17]研究了放線菌蛋白酶E對絲素纖維和50 %甲醇處理的絲素膜的降解作用，結果表明放線菌蛋白酶E能降解絲素膜，但對絲素纖維的作用不明顯。Arai等[18]用膠原蛋白酶IA、α-胰凝乳蛋白酶，放線菌蛋白酶XXI對絲素纖維和50 %甲醇處理的絲素膜進行體外降解實驗，降解17 d后，絲素纖維質量沒有明顯變化，但斷裂強度和斷裂伸長率下降明顯；絲素膜質量損失明顯，在放線菌蛋白酶XXI中損失最顯著，損失達60 %。對降解后膜的氨基酸組成分析表明，隨著降解時間的延長，未被降解的殘留物中甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸的相對含量增加，酪氨酸、纈氨酸或是極性或是帶有大的側鏈的氨基酸含量降低。甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸是組成絲素結晶區的主要氨基酸，而一些帶有大的或極性側鏈基團的氨基酸則主要分布于絲素的非晶區。可見，酶降解是優先作用于絲素膜的無定形區的。

Horan等[19]將蠶絲纖維并捻后脫膠，用放線菌蛋白酶XIV進行體外降解，降解42 d后，質量損失50 %以上，10周后，絲素纖維直徑減小至原來的66 %。對降解殘留物的檢測結果表明，絲素L鏈的相對含量減少、H鏈分子量下降。

Li等[20]將交聯劑加入絲素溶液后，采用冷凍干燥法制成絲素多孔材料，用膠原蛋白酶IA、α-胰凝乳蛋白酶、放線菌蛋白酶XIV體外降解。結果表明，在膠原蛋白酶IA溶液中降解后，殘留的絲素多孔材料中的silkⅡ結構含量降低，形成了少量的silkⅠ結構。在放線菌蛋白酶溶液中，經降解后殘留的絲素多孔材料的結晶度有所提高。3種酶降解后，降解產物的平均分子量是放線菌蛋白酶XIV＜膠原蛋白酶IA＜α-胰凝乳蛋白酶。這說明放線菌蛋白酶XIV對絲素蛋白的作用位點多，降解能力強。

Taddei等[21]對50 %甲醇處理的柞蠶絲素膜作體外降解研究表明，放線菌蛋白酶XXI能攻擊柞蠶絲素蛋白中的無定形區，而α-螺旋區則對酶的抵抗能力強。酶降解17 d后，柞蠶絲素膜質量降低70 %。

以上對不同形態的絲素蛋白材料的降解行為的報道，研究了絲素蛋白材料的降解機理，進一步證明了絲素蛋白材料能被降解。在此基礎上，國內外研究者開始研究影響絲素蛋白材料降解速率的因素，尋找調控其降解速率的方法。

絲素材料的降解程度與結構和形態特征(纖維，膜，多孔材料)[18]，以及催化其降解的酶種類，也就是切割位點的專一性有關。絲素纖維因其高度的規整性和大量SilkⅡ結構的存在而不易被降解，對于規整性相對較差的膜材料，酶更容易進攻，所以較易被降解[22]。Kojthung等[23]研究了γ射線輻照對絲素纖維降解的影響，隨著輻照劑量加大，絲素纖維表面破損嚴重，纖維強力下降，在酶溶液中的降解沉淀物增多。這是因為γ射線輻照減少了絲素中的SilkⅡ結構，使絲素的無規結構增多，酶降解更容易，從而在降解產物中釋放出小分子量的蛋白質。黃訓亭[22]等研究發現，SilkⅡ結構的含量能明顯地影響材料的降解速率，減少材料中SilkⅡ結構的含量會大大加快材料的降解速率。因此，改變材料中SilkⅡ結構的含量能夠有效地調節材料的降解速度。

Kim等[16]研究了完全水處理法(鹽瀝取法)和有機溶劑處理(HFIP)制得的絲素多孔材料的降解性能，水處理的多孔材料，絲素溶液濃度增大時，降解速率明顯減慢，但在1 U/5 mL線菌蛋白酶溶液中21 d后，材料都能完全降解，而用六氟異丙醇處理的多孔材料在20 U/5 mL溶液中21 d質量僅損失30 %。可見改變絲素溶液的濃度或使用不同的處理方法都能改變絲素蛋白材料的降解速度。

共混也可以改變材料的降解速率。She等[24]研究了絲素/殼聚糖(SF/CS)共混多孔材料在PBS緩沖液中的降解，持續觀察了8周，發現SF/CS共混多孔材料能保持多孔結構約6周，在前兩周質量下降較快，2周后質量損失13.18 %，而8周后質量損失19.28 %。殼聚糖的質量下降比絲素快。

絲素材料的降解速率還可以通過改變絲素的分子量分布來調節。改變絲素的分子量分布，可以在加熱的條件下用堿處理，或者用不同的鹽、不同的溫度溶解[25-26]。

4 蠶絲絲素材料的體內降解性能

Bucknall等[27]用天然絲素纖維制成醫用手術縫合線，用于縫合腹部切口，10 d后，強力損失29 %，30 d損失73 %，70 d損失83 %。Greenwald等[28]將天然絲素纖維植入大鼠皮下6周后，強力損失55 %，彈性模量損失16 %。這些研究說明絲素纖維可在生物體內被降解。

Wang等[29]分別將鹽瀝取法和六氟異丙醇處理制得的絲素多孔材料植入大鼠皮下，研究觀察了1年，所有動物的免疫反應都輕微，大多數支架在2～6個月內被完全降解。用六氟異丙醇處理制得的支架，組織生長和降解都比鹽瀝取法制得的支架差，而且絲素溶液的濃度越高，組織向支架內生長就越少。結果表明，絲素支架在體內的降解行為是可以預測的，從而可以對其調控，以滿足組織工程不同的需求。

為了進一步研究絲素蛋白材料不同的形式和在不同的生理條件下的降解行為，Yang等[30]將絲素纖維和冷凍干燥法制成的絲素神經導管植入兔的皮下，植入8周和12周后，絲素神經導管質量分別下降25 %和65.4 %，24周后質量幾乎完全消失，而絲素纖維24周后質量降解到65.7 %。HE染色表明，絲素神經導管植入4周后，大量組織開始向內生長，12周后材料完全浸潤，大量的孔塌陷，到24周時材料碎裂，在一些植入點已經找不到材料的碎片了。而絲素纖維，在24周時還保持著完整的結構。

5 展 望

蠶絲絲素蛋白料作為生物醫用材料的優異性能和巨大潛力引起了國內外生物材料界的極大關注。而生物降解性是作為醫用組織再生支架的一個必要條件，無論是在體外還是體內完成組織的再生，材料的降解速率應與組織的再生速率相匹配。

近年來的研究表明，影響材料降解性能的因素有很多，如材料的形態、結構、植入點的機械和生理環境等[4]。但是，這些參數影響降解行為的具體過程和機理還不太清楚。因此，需要進行深入的研究，弄清楚絲素材料的降解過程和機理及影響因素，只有這樣才能有效地調控絲素蛋白材料的降解速率，滿足組織工程對支架材料的要求。

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Research progress of biodegradation properties of silkworm silk fibroin materials

XU Ya-mei, LI Ming-zhong
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; National Engineering Laboratory for Modern Silk,Suzhou 215123, China)

Silk fibroin has good biocompatibility. However, being used as tissue engineering scaffold, one of the key factors should be considered, which is the biodegradation rate of the silk fi broin should match the formation speed of a new tissue. This article reviewed the research development of biodegradation properties of silk fibroin biomaterials at home and abroad in recent years. The results show that influence factors of materials degradation performance include material form, structure, mechanical and physiology environment of the implant point, etc. The detailed process and mechanism of degradation behavior influenced by these parameters will be the research emphasis in the future.

Silkworm silk; Silk fibroin; Biomaterial; Degradation

TS149

A

1001-7003(2011)05-0019-04

2010-12-31；

2011-01-14

國家自然科學基金項目(30970714)；江蘇省基礎研究計劃項目(BK2010252)

徐亞梅(1985－ )，女，碩士研究生，研究方向為絲蛋白生物材料及紡織功能材料。通訊作者：李明忠，教授，博導，mzli@suda.edu.cn。