丝素蛋白的应用

背景及概述^[1][2][3]

蚕丝是由蚕体内绢丝腺分泌出来的丝液凝固而成，它由丝素蛋白(Silk Fibr oin，简称SF)和丝胶蛋白(Silk Sericin )两部分组成。丝素蛋白是蚕丝的主体，约占蚕丝质量的70 %～80 %，是一种无生理活性的天然生物大分子，由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸、酪氨酸等18 种氨基酸以多缩氨键连接而成，通常认为其分子量约为3.7×10⁵。

丝素蛋白质与其他天然高分子相比有明显的优越性，研究表明它具有良好的生物相容性、无毒、无污染、无刺激性、可生物降解。因此，众多学者致力于研究开拓丝素蛋白应用的新领域。丝纤维作为纺织纤维应用有几千年的历史，而用于临床上如用作手术缝合线等，也已经有几十年的历史。自从发现丝素蛋白具有独特的物理化学性质和对人体有良好的相容性以来，它作为食品添加剂和在化妆品上的应用已进行了广泛的研究。近年来，逐渐发现丝素蛋白有更多潜力，如应用于生物传感，生物医学材料，软组织相容材料，组织工程等领域，同时在传统领域也有了新的进展。

组成^[1]

丝素蛋白含有18 种氨基酸，其中甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸约占氨基酸总数的85%，蛋白质分子的直径在10 25 μm，是包含重链( H chain，约390 kD) 和轻链( L chain，约26 kD) 的天然高分子纤维蛋白，如图：

H 链C 端第20 位半胱氨酸残基与L 链第172 位半胱氨酸残基之间形成二硫键使二者相结合。此外，还有一个分子质量约30 kD 的糖蛋白( P25) 与H 链和L 链的复合物之间通过疏水作用力相结合，H 链、L 链、P25 的摩尔比为6 ∶ 6 ∶ 1。在H 链中，94% 的序列为高度重复的结晶区，剩余的部分包括N-末端序列( 信号肽) 、结晶区之间的连接部分以及C-末端序列。

结晶区中的氨基酸序列主要由六肽重复序列( Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)构成，形成反相平行的β-折叠结构。丝素蛋白在聚合状态下由结晶态和无定形态组成，结晶态可分为silkⅠ和silkⅡ。反向平行β-折叠片层结构属于silkⅡ，是斜方晶系； silkⅠ则是一种介于α-螺旋和β-折叠之间的中间形态，立体构象呈曲柄型，剪切力作用和温度、溶剂的改变都可能使silkⅠ转化为silkⅡ。

此外，还有一种结晶态silkⅢ，是在丝素蛋白溶液与空气界面之间形成的丝素蛋白膜中发现的，是处于silkⅠ和silkⅡ之间的一种中间形态。丝素蛋白的上述独特结构使其具有多种特殊性能。丝素蛋白不仅具有良好的生物相容性和降解性能，还有易加工修饰、降解产物无毒性和低免疫原性等特点，并且丝素蛋白材料的机械强度也明显优于其它生物材料。

应用^[1][2]

近年来，许多研究者将成骨种子细胞和丝素蛋白结合起来制备具有骨修复能力的丝素蛋白材料，材料中的丝素蛋白可为细胞生长、粘附和分化提供所需的空间及环境。基于丝素蛋白骨修复材料的研发已经成为骨组织工程研究的热点之一，目前各种形式的丝素蛋白生物材料，包括丝素膜、丝素纳米纤维、丝素水凝胶以及丝素多孔支架已经被广泛应用于对骨缺失、损伤的修复。

1. 丝素蛋白在生物传感器领域的应用研究

生物传感器是将生物活性物质材料用作敏感元件，配以适当的换能器所构成的分析系统。生物活性酶的固定化是几乎所有类型的生物传感器制备的必须步骤。由丝素蛋白制备的丝素膜是一种优良的固定化酶载体，它在生物传感器应用方面的研究报道很多。丝素膜作为酶的固定化载体始于1978 年。

1989 年首次将丝素膜固定化葡萄糖氧化酶生物传感器应用于分析系统。现在，丝素膜作为一种优良的酶固定剂，已被广泛应用于生物传感器和其他探测器。已见报道的用丝素蛋白膜固定的酶有葡萄糖氧化酶(GOD)、过氧化物酶(POD)、脲酶、脂肪酶、果胶酶、过氧化氢酶、糖化酶、超氧化物歧化酶、青霉素酰化酶、木瓜蛋白酶、苯丙氨酸裂解酶、β -葡萄糖苷酶等。

另外，丝素膜用于神经递质传感器也见报道。研究了丝素膜的带电特性，研究表明丝素膜是一种具有两性荷电效应的聚氨基酸膜，其荷电主要来自碱性氨基酸和酸性氨基酸侧链上的带电基团，等电点为pH 值=4.5 左右。利用丝素膜在等电点前后的两性荷电特性和电荷之间的静电作用，它可用于修饰电极，在生理条件pH 值=7 .4 情况下，丝素膜呈负荷电膜的特性能有效地消除阴离子性化合物的干扰。

将电极用于神经递质类化合物体系的测定中，测定了神经递质DA 和5 -HT，验证了此修饰电极的pH 值电荷选择效应，并且由于丝素膜具有无毒、与人体亲和性等优点，充分显示其用于生物物质测定及生命科学研究的广阔前景。

2. 生物酶防护剂

有机磷农药可通过有机磷酸酯与体内的胆碱酯酶结合成稳定的磷酸化胆碱酯酶，从而抑制人体内胆碱酯酶的活性，使神经正常活动所产生的乙酰胆碱不能随即分解而致人中毒和死亡。因此首先在体外用酶与毒剂发生反应，使之丧失进入体内进行破坏的能力，是一条有效的防毒途径。以乙酰胆碱酯酶为解毒酶，丝素蛋白溶液为酶载体，处理得到的织物具有良好的防毒效果，并且在温度合适的条件下可保存较长的时间，而以蒸馏水为酶载体时，同样可使织物获得良好的防毒效果，但其防毒效果随着时间的增加而变差。

说明用丝素蛋白溶液作材料合成的生物酶防护剂时，可直接和有毒物质(有机磷酸酯)发生反应，结合成稳定的磷酰化胆碱酯酶而阻断毒剂对人体的侵害。研究表明以丝素蛋白溶液作为生物酶防护剂是可行的，它具有较好的防毒效果，可使酶具有较长的保存寿命。

3. 药物控制释放材料

用丝素膜包埋5 -氟尿嘧啶(5 -FU)，在不同pH 值下测定了丝素5 -FU 复合膜中药物的释放情况。结果表明丝素膜可作为5-FU 载体，均匀地包埋5-FU。由于丝素涂层的保护，复合膜中的5 -FU 溶解释放速度变慢，释放时间延长。

经涂层的复合膜在接近丝素蛋白等电点(pH 值=4.5)时，5-FU 在溶液中释放速度较慢，释放时间较长，这表明调节外部溶液pH 值可以调控5 -FU 的释放速度。采用冷冻干燥法制得多孔结构的丝素膜，膜中大量毛细管的存在大大提高丝素膜的透气、透湿性，将药物施加于多孔丝素膜内，多孔的存在有助于药物的控制释放。

4. 仿生材料

用丝素膜制成“ 人造皮肤” 创面保护膜和新鲜猪皮在兔身上作对比试验，结果显示丝素膜的各项性能均优于猪皮。在深Ⅱ 度创面和浅Ⅱ 度创面临床试验中，具有良好的透湿性和与创面的粘附性，促进了创面愈合。在生物学性能方面，杀菌性强，药物丝素膜与体表粘合力好，符合创面覆盖物要求且无毒性，对皮肤无刺激作用，细胞毒性为一级，适用于深Ⅱ 度烧伤和整形取皮区等皮肤损伤创面的保护和治疗等方面都基本上能满足支架材料的应用，但在生物相容性和细胞粘附能力方面却远不如天然高分子。

支架材料的生物相容性和细胞粘附能力是至关重要的。丝素蛋白作为一种具有优良生物相容性的天然高分子材料受到青睐。近年来运用丝蛋白对一些生物高分子材料进行改性也引起了研究人员的广泛关注。

主要参考资料

[1] 施李杨, 杨明英, 朱良均. 丝素蛋白生物材料在骨修复中的应用研究进展[J]. 蚕业科学, 2013, 39(4): 812-819.

[2] 陈艳雄, 陈敏, 朱谱新, 等. 丝素蛋白的研究和应用进展[J]. 紡織科技進展, 2007, 2007(2): 13-18.

[3] . 闻荻江, 王辉, 朱新生, 等. 丝素蛋白的构象与结晶性[J]. 纺织学报, 2005, 26(1): 110-112.