家蚕丝蛋白生物材料新功能的开发及应用

2006.6

家蚕丝蛋白生物材料新功能的开发及应用

王玉军ａ，柳学广ａ，徐世清ａ，ｂ

（苏州大学　ａ．生命科学学院；ｂ．蚕桑研究所，江苏　苏州　２１５１２３）

摘要：家蚕丝蛋白质是一种具有良好透气与透湿性、无毒、无刺激、与人体相容性强的生物材料。文章总结了家蚕丝蛋白作为人造皮肤、血管、肌腱、韧带、骨骼和牙齿等人造组织材料，以及作为手术缝合线、隐形眼镜、角膜、抗血凝剂、药物控释材料、功能性细胞培养基质、固定化酶载体和生物传感器等生物医学材料的功能开发和应用进展，还总结了家蚕丝蛋白质在环保新材料、化妆品、保健营养食品等日化和环保领域的功能开发和应用方法。分析认为，由于家蚕基因组研究工作的重大成果，以及基因工程和生物技术的快速进步，家蚕丝蛋白质的生物功能有望在军事、航天、医学、环保等领域得到更深、更广地开发和应用。关键词：桑蚕丝；蛋白；生物材料；功能；开发应用

中图分类号：ＴＳ１４９；Ｓ８８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－７００３（２００６）０６－００４４－０５

收稿日期：２００５－１１－１８；修回日期：２００６－０５－１３基金项目：国家自然科学基金项目（３０３７１０８６），国家茧

丝绸风险基金项目（２００３－２９）；江苏省国际合作项目（ＢＺ２００５００３）

作者简介：王玉军（１９７８—），男，硕士研究生，主要

从事蚕学研究。

家蚕丝蛋白质含量高达９８％，由７０％～８０％的丝素蛋白和２０％～３０％覆盖在外面的丝胶蛋白组成，丝素蛋白由一条Ｈ链和一条Ｌ链通过Ｓ—Ｓ键结合而成。丝胶蛋白质在缫丝和精练加工过程中，大部分随废水排放掉。以２００４年蚕丝生产量计算，全国每年约有１１０００ｔ丝胶作为废弃物被丢弃，不仅是原料的巨大浪费，也给水环境造成了很大的压力。丝蛋白富含１８种氨基酸，其中Ｖａｌ、Ｌｅｕ、Ｉｌｅ、Ｐｈｅ、Ｍｅｔ、Ｔｒｐ、Ｔｈｒ和Ｌｙｓ是人体必需的氨基酸。除碳、

氢和氮元素外，丝蛋白还含不超过０．７％的钾、钙、硅、锶、磷、铁和铜等多种无机元素［１］。随着科技发展，特别是材料科学、生物化学和分子生物学在蚕丝学领域广泛应用，素有“纤维皇后”美誉的蚕丝已不仅仅是一种纺织原料，其生物新功能在医学、材料科学、日化、食品和环保等众多领域都得到了广泛的应用，特别是丝胶蛋白质的新用途开发和应用对提高蚕业生产效益，减少环境污染有更加显著的意义。

１

在生物医学领域的功能开发和应用

１．１

家蚕丝人造组织１．１．１

家蚕丝人造皮肤

利用家蚕丝蛋白质制造人工器官的研究工作主要集中

综述与译介

Exploit and Application of New Biologic Material Function of Bombyx Mori Silk Protein

Abstruct ：Ａｓ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ，　ｔｈｅ　Ｂｏｍｂｙｘ　ｓｉｌｋ　ｐｒｏｔｅｉｎ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ，ｎｏｎｐｏｉｓｏｎｏｕｓ，　ｈａｒｍｌｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｉｅｓ．　Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｔｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂｏｔｈ　ｉｎ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｔｉｓｓｕｅ　ａｎｄ　ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｉｓｍａｉｎｌｙ　ａｂｏｕｔ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｓｋｉｎ，　ｂｌｏｏｄ　ｖｅｓｓｅｌ，　ｔｅｎｄｏｎ，　ｌｉｇａｍｅｎｔ，　ｓｋｅｌｅｔｏｎ，　ｔｈｅ　ｌａｔｔｅｒ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅａｍｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ，　ｃｏｎｔａｃｔ　ｌｅｎｓｅｓ，　ｃｏｒｎｅａ，　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｓｅｎｓｏｒ，　ｅｔｃ．．　Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｄａｉｌｙ　ｃｏｓｍｅｔｉｃ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｎｅｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，　ｔｈｅ　ｃｏｓｍｅｔｉｃｓ，　ｈｅａｌｔｈ　ｃａｒｅ　ａｎｄ　ｎｕｔｒｉｔｉｏｕｓ　ｆｏｏｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｉｌｋｗｏｒｍ抯　ｇｅｎｏｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｒｋ，　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｔｈｅ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｌｋ　ｗｉｌｌ　ｇｅｔ　ｗｉｄｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｉｌｉｔａｒｙ，　ｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ，　ｍｅｄｉｃａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅ，　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．

Key Words ：Ｍｕｌｂｅｒｒｙ　ｓｉｌｋ；Ｓｉｌｋ　ｐｒｏｔｅｉｎ；Ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ；Ｆｕｎｃｔｉｏｎ；Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉ－ｃａｔｉｏｎ

WANG Yu-jun a ，LIU Xue-guang a ，XU Shi-qing a,b

（ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ；　ｂ．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｅｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，　Ｓｏｏｃｈｏｗ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１２３，　Ｃｈｉｎａ）

2006.6

在人造皮肤［２］。人类皮肤特别是真皮层被破坏后，皮肤将无法再生，只能进行皮肤移植，但移植后皮肤一般极难生长愈合。作为一种生物材料，家蚕丝素蛋白膜无毒、无刺激、无过敏，不产生占位现象且与人类皮肤组织有很好的相容性，能使创伤面无隙结合，有优异的愈合功能［３］。家蚕丝素蛋白膜的透水、透气性介于新鲜断层猪皮与储存断层猪皮之间，透水、透气性及与创面的黏合等方面性能优越，具备制造人工皮肤的材料要求；丝素膜分子的构象及结晶度与膜的物理机械性能有关，制膜时施以适宜的交联及接枝共聚处理或高分子膜复合可制得具有接近正常皮肤的柔软性、伸缩性及润湿强度的丝素蛋白膜，加之它完全透明，覆盖于创面能看到膜下创面的变化情况与愈合过程，给临床治疗及创面愈合的研究提供了方便［４，５］。

苏州大学李明忠等人在国家８６３等重点项目支持下，研制出多孔家蚕丝素蛋白膜，膜的结构和性能可控，动物试验表明毛细血管和成纤维细胞能长入膜中，多孔丝素膜能够血管化，全部或部分成活；研制的抗菌性药物丝素创面保护膜是具有抗感染、加速创面愈合作用的新型烧伤创面覆盖材料。所含的药物抗菌谱广，对烧伤局部感染常见的Ｇ＋球菌和Ｇ－感菌具有杀灭作用，可用于感染创面和深Ⅱ度烧伤创面的治疗［６，７］。丝素创面保护膜已经工业化生产，并在苏州开始用于临床。而家蚕丝素蛋白膜真正作为人造皮肤在临床应用还需要进一步利用细胞工程技术，将家蚕丝素蛋白膜与真皮干细胞有机结合，形成有人类皮肤细胞活性，具有皮肤生长和体毛再生作用的真正意义上的（人造）皮肤组织。

１．１．２家蚕丝人造血管

人造血管的研制开始于２０世纪初，各国学者首先采用金属、玻璃、聚乙烯、硅橡胶等材料制成的管状物进行大量动物实验，但因其易在短期内并发腔内血栓而未能在临床上得到广泛应用。随着纤维材料和医学生物材料的不断发展，多种材料、多种加工方法生产的有孔隙的人造血管不断出现，并用于动物实验和临床。现在已经商品化的高分子材料人造血管有涤纶人造血管、家蚕丝人造血管和膨体聚四氟乙烯人造血管。家蚕丝素与人体的角蛋白、胶原蛋白的结构十分相似，具有极好的人体生物相容性。我国始于１９５７年研制蚕丝人造血管，目前上海丝绸研究所已制成多种类型和不同直径的真丝人造血管［８］。制造人工血管时，需要添加血液凝固阻止物质，硫酸化丝素由于具有阻止血凝的作用，作为需要量很大的人造血管高新材料已开始在日本应用［９］。

１．１．３家蚕丝人工肌腱和韧带

肌腱是连接骨骼肌和骨的致密结缔组织，通过肌肉的收缩带动关节的活动，由于杠杆作用和应力集中，以及各种创伤极易造成肌腱断裂或缺损，而其治疗和修复一直是骨科的一大难题。对于家蚕丝的力学特性研究发现，其强度和刚度数值与人体肌腱非常接近［１０］。蛋白纤维作为天然的细胞外基质成分，有较好的介导细胞间信号传导及相互作用的性能。玉田靖等［１１］在家蚕丝素蛋白中导入带电化合物，加速其与钙、磷酸团的凝集，进一步将带有负电荷的羟磷灰石结晶中的基团紧密凝聚，其钙的凝集量比无处理的丝素蛋白有大幅度的增加，特别是导入磷酸基的丝素蛋白中，钙的凝聚量比未处理的丝素蛋白高过１０倍以上［１２］。利用这种方法在丝素表面形成结晶物，经Ｘ线透射验证含有人骨的主要成分，证明家蚕丝具有骨结合性和附着性，完全可能作为人造肌腱和人造韧带的材料。组织工程化肌腱要真正应用于临床进行产业化的生产，关键是模拟体内环境在体外成功构建肌腱组织，因而在体外利用生物反应器模拟体内环境进行组织工程化肌腱的构建将是未来的研究方向。１．１．４人造骨骼、人造牙齿

高分子量的丝素粉末经加热和加压后很容易按照模型成形，可以制成一定形状的固体，当添加黏着剂ＭＭＡ或ＧＭＡ后工艺性增强，其产品强度显著提高，能成为稳定的固体。尤其是添加ＧＭＡ更为突出，若添加４０％时得到的成形品可与聚丙烯的强度相仿，以此为材料作印章、纽扣、人造骨骼和人造牙齿等都较理想［１３］。

在丝上引进磷酸基团时，蛋白纤维就能够吸收钙离子，形成很强的结晶。而且，这些经过修饰的丝纤维有良好的拉伸性能。Ｆｕｒｕｚｏｎｏ　等［１４］使用交替浸泡法使得磷灰石沉淀到丝纤维上，得到了这种很有潜力的生物材料，制作人造骨骼和人造牙齿更加理想。

１．２家蚕丝生物医学材料

１．２．１家蚕丝手术缝合线

长期以来外科手术主要使用羊肠线作为可吸收缝线。羊肠线柔韧性欠佳，组织反应大，在消化液和感染环境下抗张强度耗损快，而且羊肠线吸水后会因膨胀而造成结扎不牢。针对其缺点，一系列可降解的纤维缝合线不断出现，主要有聚二氧杂环己酮纤维（ＰＤＳ）、聚乙烯醇纤维（ＰＶＡ）、聚乙交酯纤维（ＰＧＡ）和聚丙乙交酯纤维（ＰＧＬＡ）聚乳酸（ＰＬＡ）［１５］。近年来，天然降解高分子材料得到生物医学界的追捧，美国和日本相继开发出甲壳素与壳聚糖纤维手术缝线。由于丝素蛋白的优良特性，日本蚕丝昆虫研究所则在蚕