蠶絲蛋白在生物醫(yī)用仿生材料中的應用

蠶絲蛋白在生物醫(yī)用仿生材料中的應用

生物材料主要包括人工器官材料、骨科和齒科材料、固定化酶、提議材料、剛性材料和傳感器、醫(yī)療用品和可吸收縫合材料。醫(yī)用仿生材料的重要替代作用眾所周知,蠶絲蛋白就是醫(yī)用仿生材料天然的理想素材之一。我國是絲的生產(chǎn)大國,家蠶生絲產(chǎn)量已占世界一半。蠶絲具有純度高,來源廣等一系列優(yōu)點,對其進行詳細的研究具有十分重大的意義。蠶絲蛋白分為兩層,內(nèi)層為絲素蛋白,外層則被絲膠蛋白包覆。其中,絲素蛋白的質(zhì)量分數(shù)約為70%-80%,包含有18種氨基酸,其中側(cè)基較為簡單的甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和絲氨酸(Ser)約占總組成的85%,并且三者按照一定的序列結(jié)構(gòu)排列成較為規(guī)整的鏈段。絲膠蛋白是一種分子量較大的球晶蛋白,鏈與鏈之間的間隙較大,且其側(cè)鏈上親水基團的比重較大,因而易溶于水、酒精等極性溶劑。蠶絲蛋白具有多孔性和較高的吸水回潮率,因而透氣性好、手感好、光滑柔軟、穿著舒適。加之本身具有良好的細胞相容性、生物安全性以及生物降解性,所以很適合用作醫(yī)用仿生材料。本文著重綜述了蠶絲蛋白在人造皮膚、人造骨骼、人造血管、人造肌腱與韌帶以及人造角膜上的研究進展。1植皮的材料人體的皮膚分為三層:表皮、真皮、皮下組織。重度燒傷的患者,皮膚會受到嚴重損傷,沒有了皮膚的保護,患者體內(nèi)的液體會大量地滲出、蒸發(fā)、丟失,這種情況往往會對患者的生命造成威脅,而更讓人擔心的是細菌感染。人體對自己的皮膚不會排斥,而對于任何來自外來的異己皮、異種皮、人造皮都會產(chǎn)生免疫反應,因而所有的植皮材料只能作為一種敷料,這就好像是給我們的皮膚提供了一個適宜生長的“土壤”。除此之外,我們還必須將自己完好的皮膚“微?！辈ト鲈凇巴寥馈敝?在以敷料為“土壤”的環(huán)境中,這些“微?！奔毎趴梢灾饾u擴散、增殖,最后使創(chuàng)面完全愈合。理想的人造皮膚,應具有以下特性:無抗原性、無毒、良好的細胞相容性、透氣透水性好、對創(chuàng)面的粘合力強、可塑性強等一系列優(yōu)點。目前植皮主要用小白豬真皮當做敷料,但是它的安全性較低。2006年,閔思佳提取蠶絲中的蛋白質(zhì),制成蠶絲人造皮膚。這種人造皮膚明顯優(yōu)于其他材質(zhì)的人造皮,它既光滑,又平整,柔韌性也很強。而且,與豬皮材料相比,它的安全性更高。蠶絲蛋白人造皮膚乍一看像混沌皮,在顯微鏡下卻能看到它的表面有許多多孔的海綿狀的細微結(jié)構(gòu),用手拉韌性十足。科研人員曾選取了15只大白兔,分5批進行動物實驗,實驗發(fā)現(xiàn),貼上人造皮膚后,不到20d兔子身上直徑3cm的創(chuàng)口就愈合了。張幼珠等研制出抗菌藥物絲素膜,臨床實驗證明,該絲素膜既可以保護創(chuàng)面,控制創(chuàng)面感染,又能促進創(chuàng)面愈合。2蠶絲蛋白及其應用在骨組織再生材料中的應用目前骨修復已經(jīng)不僅僅用于治療骨損傷和骨缺損,還包括醫(yī)療整形。傳統(tǒng)的內(nèi)源性骨修復是醫(yī)生從病人身體的其他部位取骨來修補受損的骨骼。接受手術(shù)的病人由于要經(jīng)歷取骨和移植,所以整個過程十分痛苦。雖然術(shù)后效果良好,但手術(shù)費用高,恢復過程也慢。因此,為了改善這一狀況,臨床上已采用人造骨骼進行外源性骨修復。但由于金屬及一些有機高分子材料與理想的骨修復材料在人體親和性、相容性等方面都相差甚遠,因此近年來科學家們都致力于尋找更好的替代材料?，F(xiàn)今,人造骨運用的新材料主要有:陶瓷膏狀人造骨、美國陶瓷人造骨骼、人造“懶骨頭”、磷酸鈣和骨膠原人造骨骼、鈦骨骼、海草人造骨、生物玻璃人造骨以及玻璃基生物水泥等。運用蠶絲蛋白作為骨組織再生的生物材料則是較理想的方式。蠶絲蛋白中大量的羧基與羥基能與鈣離子緊密結(jié)合并誘導羥基磷灰石在其上結(jié)晶形成自組裝納米復合材料。李罡等發(fā)現(xiàn)骨髓基質(zhì)細胞對氣流高壓靜電紡制成的蠶絲蛋白納米纖維表現(xiàn)出良好的親和性。2012年Mandal等開發(fā)出了一種基于絲蛋白-蛋白界面結(jié)合形成的高抗壓強度的高分子骨骼復合材料。利用水解得到的10μm-600μm絲纖維加固致密的復合材料后,此材料可調(diào)節(jié)其抗壓強度,且孔隙度與纖維長度相近。而這種表面粗糙、多孔的剛性支架,有利于骨髓間充質(zhì)干細胞分化為骨樣組織。此外,通過實驗證明其體內(nèi)免疫反應較低,表明了這種絲纖維加固復合材料具有組織相容性,是作為骨組織替代工程的良好材料。3維綸人造血管隨著人類社會的發(fā)展,健康問題受到越來越多的關(guān)注。但這并不能抵擋我們身體的老化、損傷和病變,此時人體的血管顯得格外的脆弱。由于各方面因素,異體血管的移植根本無法滿足需求,因此,醫(yī)用人造血管的研究和開發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實意義。自1952年Voorhees首次研制出了維綸人造血管以來,人們陸續(xù)研究開發(fā)出了不同材料、不同孔隙率的人造血管,要求人造血管具有良好的血液相容性、順應性、彈性以及一定的抗凝血性,而且對人造血管的性能有了深入的了解。滌綸人造血管是最早使用的血管材料,且由于通暢率較高,長期以來被成功地用于大血管置換,但無法完全滿足小口徑人造血管的制造要求。徐衛(wèi)林、歐陽晨曦等歷時兩年聯(lián)手研制的一種新型人造血管,解決了這一難題。在小狗體內(nèi)進行的動物實驗,最終小狗存活狀況良好。而且這種新型人造血管就是用特殊的高分子材料與蠶絲蛋白制成。絲素蛋白中含有6種氨基酸殘基交替排列的結(jié)構(gòu),相鄰絲氨酸之間的距離與甘氨酸中起抗凝血作用的硫酸基距離十分相近,因而,絲素蛋白具有抗凝血作用,正是其成為人造血管的重要原因。4大鼠韌帶、設計方案的開發(fā)肌腱和韌帶分別是連接骨與肌肉、骨與骨的致密結(jié)締組織。其功能為加強、維護關(guān)節(jié)在運動中的穩(wěn)定。當肌腱和韌帶被牽拉而超過其生理耐受范圍時,即會發(fā)生不同程度的損傷。而肌腱、韌帶的斷裂或缺損尤其是運動員在生涯中不可避免的傷痛。治療和修復肌腱和韌帶,也一直是骨科的一大難題。臨床上修復斷裂的韌帶常是直接縫合,但這樣就縮短了其原有的長度,限制了關(guān)節(jié)的活動范圍;鋼絲固定也因相容性和彈性等原因,造成了后續(xù)生活上的諸多不便。因而,人造肌腱和韌帶的開發(fā)成為了醫(yī)學、材料學上關(guān)注的問題。通過研究發(fā)現(xiàn),蠶絲的強度和彈性系數(shù)與人體肌腱非常接近。且其良好的生物相容性、親和性以及與介導細胞信號轉(zhuǎn)導的性能,有利于開發(fā)人造肌腱和韌帶。同樣利用蠶絲蛋白的羥基、羧基與鈣離子結(jié)合誘導生物骨質(zhì)成分中的羥基磷灰石結(jié)晶的原理制成的復合材料也適用于人造肌腱和韌帶。玉田靖等在蠶絲蛋白中導入帶電化合物,發(fā)現(xiàn)處理過的蠶絲蛋白中鈣的凝集量比未處理的有大幅增加,尤其導入磷酸基的蠶絲蛋白中鈣的凝聚量要高出10倍以上。且經(jīng)X射線透射檢驗,驗證其含有人骨的主要成分,證明蠶絲具有肌腱和韌帶的骨附著和結(jié)合特性,為進一步開發(fā)人造肌腱和韌帶打下了基礎。5人工視網(wǎng)膜材料角膜病是僅次于白內(nèi)障的致盲性眼病,世界上有超過1000萬的角膜病患者,有80%可以通過角膜移植手術(shù)來進行治療。但傳統(tǒng)的角膜移植對于特殊的角膜盲患者進行移植常常失敗,并引起其他病征如燒傷引起嚴重角膜瘢痕血管化、眼疤痕性類天皰瘡或角結(jié)膜上皮角化及多次穿透性角膜移植排斥等,且由于角膜供體來源困難,因而人工角膜的植入則成為這些患者恢復視力的希望。據(jù)報道,2010年加拿大和瑞典的研究人員使用人造角膜讓患者不同程度地恢復了視力,不僅效果和獲得與接受角膜捐贈的差不多,還可以杜絕從死者身上獲取捐獻的角膜可能存在的疾病傳染及排異風險。這從臨床上更加證實了人造角膜的可行性。人造角膜多由透明中心鏡柱及支架組成。鏡柱主要起到光學作用,支架則起支撐、固定鏡柱的作用。人造角膜的材料需要有極高的生物相容性、優(yōu)良的光學特性和穩(wěn)定的物理特性才能解決組織融解、房水滲漏角膜移位和排出等并發(fā)癥以長期存留于人體。目前用于制造人工角膜的材料有硅膠、殼聚糖、肽和PLLA等。閻濤等通過研究發(fā)現(xiàn),用蠶絲制備的絲素膜不僅透氧率高(高達33mUh/m2)、有較高的親水性、對不同波長光的透過率均非常高(均超過90%),且通過細胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)再生絲素膜較普通培養(yǎng)板能更好的誘導角膜上皮細胞的貼壁,貼壁細胞的形態(tài)也均勻,這證明蠶絲蛋白能非常好的應用于人造角膜。6蠶絲蛋白醫(yī)用仿生材料研究