蚕丝丝素蛋白材料的生物降解性能研究进展

徐亚梅，李明忠

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

蚕丝丝素蛋白材料的生物降解性能研究进展

徐亚梅，李明忠

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

丝素蛋白具有良好的生物相容性，但其用于制备组织工程支架等生物材料时，制成的材料还需具备的一个重要条件是其降解速率与组织新生的速率相匹配。近年来国内外对丝素蛋白材料生物降解性能的研究进展表明，影响材料降解性能的因素包括材料的形态、结构、植入点的机械和生理环境等。这些参数影响降解行为的具体过程和机理将是今后的研究重点。

蚕丝；丝素；生物材料；降解

生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织及器官，或增进其功能的新型高技术材料[1]。理想的生物医用材料应该不会引起炎症和免疫排斥反应，有良好的生物相容性[2]。除此之外，在作为组织工程支架、药物缓释载体等应用时，还应可被生物降解、吸收或排出体外。

在可被降解的生物医用材料中，丝素蛋白材料由于具有良好的透氧性、无毒性、无刺激性，以及良好的生物相容性受到了广泛的关注[3]。家蚕丝素纤维临床用作手术缝合线已近100年，而且近年来家蚕丝素蛋白材料也被用于人工皮肤、血管、角膜、功能性细胞培养载体、生物传感器等生物医用材料。这些研究结果表明丝素蛋白是作为生物医用材料的重要可选原料。

蚕丝手术缝合线植入体内2个月后，力学性能能保持50 %以上，根据美国药典，它被界定为非降解性手术缝合线。但是后来的研究表明，丝素蛋白作为一种蛋白质，可以被某些酶催化水解，并且在活体内也会最终被吸收。被降解、吸收的速率与诸多因素有关，例如材料的结构、形态、植入点的机械和生理环境等[4]。

1 蚕丝丝素蛋白的组成与结构

家蚕丝素由20种氨基酸组成，其中甘氨酸(Gly)含量大概占46 %，丙氨酸(Ala)约占29 %，丝氨酸(Ser)约为12 %。这些侧基较小的氨基酸主要位于丝素蛋白的结晶区，而侧基较大的氨基酸如苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)和色氨酸(Trp)等则主要位于非晶区[5-6]。

丝素蛋白是由重链(H链，分子量350 kDa)、轻链(L链，分子量25.8 kDa)及糖蛋白P25(分子量23.55 kDa，另加3个寡糖链)组成，重链和轻链通过一个二硫键相连接，在丝素蛋白中以1∶1的比例存在，P25糖蛋白以非共价相互作用与重链和轻链连接[7]。

家蚕丝素的2种主要结晶结构是silkⅠ和silkⅡ。silkⅠ呈曲柄形结构，silkⅡ是反平行β-折叠结构，silkⅠ结构不稳定，经过湿热、极性溶剂等的处理会很容易地转变成稳定的silkⅡ结构[4]。Regina等[8]发现了silkⅢ结构，其肽链的构象为β-折叠螺旋，存在于丝素溶液与空气界面上。

在丝素的结晶区，结晶形态主要是β-折叠结构，肽链端排列较整齐，相邻链段之间的氢键和分子间引力使它们结合得相当紧密，抵抗外力拉伸的能力强，柔软度低，在水中难以溶解，对酸、碱、盐、酶及热的抵抗力较强。在非结晶区丝素中链段的排列不整齐，链段之间的结合力较弱，在水中易溶胀，柔软度高，抵抗外力拉伸的能力弱，吸湿性强，对酸、碱、盐、酶和热的抵抗力较弱[9]。

2 蚕丝丝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环境下发生分子量下降、分解或溶解的生物材料，其降解产物可被机体吸收或排出体外。高分子材料的生物降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用，相互促进的过程[10]。最早在20世纪60年代就有人为了研究丝素的结晶结构，用α-胰凝乳蛋白酶将丝素纤维的无定形区水解，这说明无定形结构的丝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、羧化酶等降解丝素纤维，将水解后的丝素用于食品添加剂和化妆品。这些早期的研究已基本能说明丝素是可以被酶催化水解的。

3 蚕丝丝素材料的体外降解性能

具备良好的生物相容性是作为组织工程或组织诱导支架的一个必要前提，但还有关键的一点是材料的生物降解性能。材料的降解速率必须与组织的再生速率相匹配，并且满足组织的功能需求[16]。因此，需要弄清丝素蛋白材料的生物可降解程度、降解机理及影响降解速率的因素。

Minoura等[17]研究了放线菌蛋白酶E对丝素纤维和50 %甲醇处理的丝素膜的降解作用，结果表明放线菌蛋白酶E能降解丝素膜，但对丝素纤维的作用不明显。Arai等[18]用胶原蛋白酶IA、α-胰凝乳蛋白酶，放线菌蛋白酶XXI对丝素纤维和50 %甲醇处理的丝素膜进行体外降解实验，降解17 d后，丝素纤维质量没有明显变化，但断裂强度和断裂伸长率下降明显；丝素膜质量损失明显，在放线菌蛋白酶XXI中损失最显著，损失达60 %。对降解后膜的氨基酸组成分析表明，随着降解时间的延长，未被降解的残留物中甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸的相对含量增加，酪氨酸、缬氨酸或是极性或是带有大的侧链的氨基酸含量降低。甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸是组成丝素结晶区的主要氨基酸，而一些带有大的或极性侧链基团的氨基酸则主要分布于丝素的非晶区。可见，酶降解是优先作用于丝素膜的无定形区的。

Horan等[19]将蚕丝纤维并捻后脱胶，用放线菌蛋白酶XIV进行体外降解，降解42 d后，质量损失50 %以上，10周后，丝素纤维直径减小至原来的66 %。对降解残留物的检测结果表明，丝素L链的相对含量减少、H链分子量下降。

Li等[20]将交联剂加入丝素溶液后，采用冷冻干燥法制成丝素多孔材料，用胶原蛋白酶IA、α-胰凝乳蛋白酶、放线菌蛋白酶XIV体外降解。结果表明，在胶原蛋白酶IA溶液中降解后，残留的丝素多孔材料中的silkⅡ结构含量降低，形成了少量的silkⅠ结构。在放线菌蛋白酶溶液中，经降解后残留的丝素多孔材料的结晶度有所提高。3种酶降解后，降解产物的平均分子量是放线菌蛋白酶XIV＜胶原蛋白酶IA＜α-胰凝乳蛋白酶。这说明放线菌蛋白酶XIV对丝素蛋白的作用位点多，降解能力强。

Taddei等[21]对50 %甲醇处理的柞蚕丝素膜作体外降解研究表明，放线菌蛋白酶XXI能攻击柞蚕丝素蛋白中的无定形区，而α-螺旋区则对酶的抵抗能力强。酶降解17 d后，柞蚕丝素膜质量降低70 %。

以上对不同形态的丝素蛋白材料的降解行为的报道，研究了丝素蛋白材料的降解机理，进一步证明了丝素蛋白材料能被降解。在此基础上，国内外研究者开始研究影响丝素蛋白材料降解速率的因素，寻找调控其降解速率的方法。

丝素材料的降解程度与结构和形态特征(纤维，膜，多孔材料)[18]，以及催化其降解的酶种类，也就是切割位点的专一性有关。丝素纤维因其高度的规整性和大量SilkⅡ结构的存在而不易被降解，对于规整性相对较差的膜材料，酶更容易进攻，所以较易被降解[22]。Kojthung等[23]研究了γ射线辐照对丝素纤维降解的影响，随着辐照剂量加大，丝素纤维表面破损严重，纤维强力下降，在酶溶液中的降解沉淀物增多。这是因为γ射线辐照减少了丝素中的SilkⅡ结构，使丝素的无规结构增多，酶降解更容易，从而在降解产物中释放出小分子量的蛋白质。黄训亭[22]等研究发现，SilkⅡ结构的含量能明显地影响材料的降解速率，减少材料中SilkⅡ结构的含量会大大加快材料的降解速率。因此，改变材料中SilkⅡ结构的含量能够有效地调节材料的降解速度。

Kim等[16]研究了完全水处理法(盐沥取法)和有机溶剂处理(HFIP)制得的丝素多孔材料的降解性能，水处理的多孔材料，丝素溶液浓度增大时，降解速率明显减慢，但在1 U/5 mL线菌蛋白酶溶液中21 d后，材料都能完全降解，而用六氟异丙醇处理的多孔材料在20 U/5 mL溶液中21 d质量仅损失30 %。可见改变丝素溶液的浓度或使用不同的处理方法都能改变丝素蛋白材料的降解速度。

共混也可以改变材料的降解速率。She等[24]研究了丝素/壳聚糖(SF/CS)共混多孔材料在PBS缓冲液中的降解，持续观察了8周，发现SF/CS共混多孔材料能保持多孔结构约6周，在前两周质量下降较快，2周后质量损失13.18 %，而8周后质量损失19.28 %。壳聚糖的质量下降比丝素快。

丝素材料的降解速率还可以通过改变丝素的分子量分布来调节。改变丝素的分子量分布，可以在加热的条件下用碱处理，或者用不同的盐、不同的温度溶解[25-26]。

4 蚕丝丝素材料的体内降解性能

Bucknall等[27]用天然丝素纤维制成医用手术缝合线，用于缝合腹部切口，10 d后，强力损失29 %，30 d损失73 %，70 d损失83 %。Greenwald等[28]将天然丝素纤维植入大鼠皮下6周后，强力损失55 %，弹性模量损失16 %。这些研究说明丝素纤维可在生物体内被降解。

Wang等[29]分别将盐沥取法和六氟异丙醇处理制得的丝素多孔材料植入大鼠皮下，研究观察了1年，所有动物的免疫反应都轻微，大多数支架在2～6个月内被完全降解。用六氟异丙醇处理制得的支架，组织生长和降解都比盐沥取法制得的支架差，而且丝素溶液的浓度越高，组织向支架内生长就越少。结果表明，丝素支架在体内的降解行为是可以预测的，从而可以对其调控，以满足组织工程不同的需求。

为了进一步研究丝素蛋白材料不同的形式和在不同的生理条件下的降解行为，Yang等[30]将丝素纤维和冷冻干燥法制成的丝素神经导管植入兔的皮下，植入8周和12周后，丝素神经导管质量分别下降25 %和65.4 %，24周后质量几乎完全消失，而丝素纤维24周后质量降解到65.7 %。HE染色表明，丝素神经导管植入4周后，大量组织开始向内生长，12周后材料完全浸润，大量的孔塌陷，到24周时材料碎裂，在一些植入点已经找不到材料的碎片了。而丝素纤维，在24周时还保持着完整的结构。

5 展 望

蚕丝丝素蛋白料作为生物医用材料的优异性能和巨大潜力引起了国内外生物材料界的极大关注。而生物降解性是作为医用组织再生支架的一个必要条件，无论是在体外还是体内完成组织的再生，材料的降解速率应与组织的再生速率相匹配。

近年来的研究表明，影响材料降解性能的因素有很多，如材料的形态、结构、植入点的机械和生理环境等[4]。但是，这些参数影响降解行为的具体过程和机理还不太清楚。因此，需要进行深入的研究，弄清楚丝素材料的降解过程和机理及影响因素，只有这样才能有效地调控丝素蛋白材料的降解速率，满足组织工程对支架材料的要求。

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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

国家自然科学基金项目(30970714)；江苏省基础研究计划项目(BK2010252)

徐亚梅(1985－ )，女，硕士研究生，研究方向为丝蛋白生物材料及纺织功能材料。通讯作者：李明忠，教授，博导，mzli@suda.edu.cn。