絲素蛋白及其復合材料的研究進展

李瑩瑩，王 昉，劉其春，張東敏， 張 雪，馬青玉，顧正桂

(1 南京師范大學 分析測試中心，南京 210023; 2 南京師范大學 化學與材料科學學院，南京 210023; 3 南京師范大學 物理科學與技術學院，南京 210023)

蠶絲是目前世界上產量最大的天然纖維之一，廣泛用于服裝紡織領域。其以質地柔軟、透氣性良好、懸垂感優良、穿著舒適等特點備受人們的青睞，素有“纖維皇后”之稱。絲素蛋白是蠶絲的主要成分，在蠶絲中含量較高，容易分離提純，具有許多獨特的物理、化學性質和優良的生物相容性[1-3]。絲素蛋白來源廣泛，制備方法簡單，可以再生和加工成薄膜、海綿、水凝膠和微球等形態，適用于不同的應用場合。為了拓展絲素蛋白材料的功能，人們對其進行了探索和研究。其中，有對蠶絲蛋白中的官能團進行的改性研究，以及將其與其他材料進行復合，制備出不同用途的絲素蛋白復合材料[4-7]。近年來，開發新型組織工程材料，用人造組織替代損壞的組織，進行組織修復成為研究的熱點[8-10]。同時，有研究者指出，絲素蛋白材料在吸附和催化方面也具有較好的發展潛力[11-13]。本文結合目前國內外學者的研究現狀，對絲素蛋白的結構、性能及其復合材料的制備方法、應用前景進行了介紹和展望。

1 絲素蛋白材料的研究進展

1.1 絲素蛋白的結構

絲素蛋白主要由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸等18種氨基酸組成，由重鏈約390kDa(千道爾頓)、輕鏈約26kDa及糖蛋白鏈約28kDa三部分組成，其摩爾比為6∶6∶1。絲素蛋白的基本結構由緊密整齊的結晶區和松散無序的非結晶區組成，其中結晶區主要為甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸的殘基，非結晶區主要由苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等其他氨基酸殘基組成[14]。

蠶絲素蛋白的分子構象可分為2類，即Silk Ⅰ型和Silk Ⅱ型：SilkⅠ型分子鏈由α-螺旋和β-平行折疊構象交替堆積而成，其晶胞屬于正交晶系；SilkⅡ型是反平行β折疊(β-sheet)的層狀結構。在溫度和溶劑影響下SilkⅠ型易向SilkⅡ型轉變[15]。Valluzzi等[16]發現了存在于蠶絲素溶液-空氣界面上的一種新的蠶絲素結晶形態，稱之為Silk Ⅲ型，其晶體結構與聚甘氨酸Ⅱ相似，屬六方晶系，肽鏈的立體構象為β-折疊螺旋。絲素蛋白的氨基酸排列順序決定了分子結構，從而決定其力學性能和理化特性。

1.2 絲素蛋白的制備

絲素蛋白從來源上分為天然絲素和再生絲素。直接從家蠶的后部絲腺得到的是天然的絲素，不含絲膠蛋白，呈白色半透明狀。利用化學的方法將絲膠和絲素分離，并去除其他物質后得到的就是再生絲素。最早的絲素溶解研究始于20世紀30年代，使用較早的溶劑體系有無機酸，這類溶劑雖然可以溶解絲素，但對絲素破壞嚴重，將部分絲素分子降解為小分子肽鏈，形成的再生絲素蛋白材料幾乎沒有力學性能。Furuhata等[17]研究了絲素在鹵化鋰/有機氨溶劑體系中的溶解條件。于海洋等[18]指出，在氯化鈣溶液中絲素蛋白會與鈣離子形成配合物，使絲素蛋白體積膨脹，水分子逐漸進入膨脹后的空間，膨脹到一定程度后絲素蛋白的化學鍵斷裂，形成可溶性的絲素蛋白溶液。這類高濃度的中性鹽溶液在加熱條件下可以溶解絲素，而且溶解能力和溶解效果都較好。還有用CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶液[19]和溴化鋰水溶液[20]來溶解蠶絲，這兩種溶解方式對絲素大分子的破壞作用都相對較小。

1.3 絲素蛋白材料的性能研究

1.3.1 絲素蛋白的力學性能

天然蠶絲纖維的初始模量為5～12GPa，斷裂強度為500MPa，斷裂伸長率為19%；脫膠蠶絲纖維的初始模量為15～17GPa，斷裂強度為610～690MPa，斷裂伸長率為4%～16%。與天然絲素纖維相比，再生絲素材料力學性能有所下降，主要原因是因為，在溶解天然絲素纖維的過程中，高濃度的中性鹽溶液破壞了絲素蛋白分子原有的部分結構。所以，改善再生絲素材料力學性能已成為絲素蛋白生物材料領域的重要研究課題。如將一些高分子物質，如聚乙二醇[21]、聚己內酯[22]、聚乙烯醇[23]等，與絲素蛋白進行共混，從而達到改善絲素材料力學性能的效果。此外，向再生絲素蛋白材料中添加微/納米級別的物質，同樣可以制備得到力學性能增強的絲素材料。除了制備材料和方法的影響，絲素蛋白分子還受到外界物理(溫度、射線等)或化學因素(酸、堿、氧化劑等)的影響，會產生物理、化學性質的變化。溫度、射線等會使蠶絲變黃、力學性能下降；酸、堿會促使蠶絲發生水解；氧化劑會氧化氨基酸側鏈[24]。另外，其復合材料的力學性能不僅取決于個體的特性組件，還取決于界面之間構成材料的兼容性[25]。

1.3.2 絲素蛋白的乳化活性

蠶絲的核心是絲素蛋白，它具有交替親水性和疏水性，并沿分子鏈有著高度重復的氨基酸序列。絲素蛋白同時具有親水區和分子折疊成二級或更高級結構時所形成的不同的疏水區，所以絲素蛋白本身具有兩親性和表面活性，在水介質和油相的界面富集并最終形成穩定的黏彈性膜，可防止液滴聚結，有利于形成穩定的乳液[26]，因此，絲素蛋白可以作為新型乳液穩定劑，應用于載藥系統和化妝品領域。對于乳液穩定性的影響因素，除了溫度、pH 值和離子強度外，蛋白質濃度、油相體積分數和油相類型(極性)也同樣對乳液的物理和化學性質以及黏彈性能有較大的影響[27]。

1.3.3 絲素蛋白的生物相容性

生物相容性是指材料與人體之間相互作用而產生的各種復雜的生物、物理和化學反應。植入人體的生物材料必須無毒、無致敏性，對組織、血液和免疫等系統不能產生不良反應。絲素蛋白是蠶絹絲腺內壁上內皮細胞分泌、合成的天然高純度蛋白質，其最終降解產物可被機體吸收，并且它的分子質量大小也可通過改造絲蛋白的成分來進行調節，從而達到適應不同生物體內環境的要求，因此具有很好的生物相容性[2]。

1.3.4 絲素蛋白的生物降解性

絲素蛋白纖維的抗拉強度較高，高度的規整性和大量SilkⅡ結構使其在不加處理的情況下就可以植入生物體，并能完全降解，一般降解時間為6～12周[3]。Takayuki等[28]研究發現，絲素蛋白分子中存在蛋白酶特異性結合位點而容易被水解，但是水解程度取決于蛋白質基體的形態與結構。朱正華等[29]在再生絲素蛋白纖維制備過程中，添加不同濃度的氯化鈣，可以控制其在生物體內的降解速率，結果表明，當添加的氯化鈣質量分數為 11%時，再生絲素蛋白纖維中的鈣離子濃度接近天然絲素蛋白中谷氨酸和天冬氨酸的濃度，絲素蛋白纖維的機械強度下降 90%，而降解速率明顯加快。

2 絲素蛋白復合材料的研究進展

2.1 絲素蛋白復合材料的制備機理

絲素是一種包含超過5000個氨基酸的高分子蛋白質，其側鏈含有氨基、羥基、羧基等基團，如絲氨酸側鏈的羥基，酪氨酸側鏈的酚羥基、精氨酸側鏈的胍基等。絲素與其他材料的復合一般是通過化學反應改變其某些側基，或通過與側基的反應引入其他功能基團，如磺酸基、磷酸基和環氧基等。常用的改性方法有接枝共聚改性、交聯改性和互穿網絡改性。

2.1.1 接枝共聚改性

絲素蛋白的接枝共聚改性就是利用絲素分子中所具有的—OH、—NH2和—COOH等反應性基團與活潑單體發生接枝聚合反應以達到改性目的。接枝共聚是一種有效的化學修飾方法，在不破壞絲蛋白主鏈、保持其原有特性的同時有效地改善絲素的結構和性能。劉瓊等[4]將活化的聚乙二醇?；锿ㄟ^化學反應直接接枝到酶解后的絲素蛋白粉末上，研究了接枝化合物的抗菌性以及細胞毒性。實驗結果表明，其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌效果，且對細胞無毒性作用。許云輝等[5]采用HNO3/H3PO4-NaNO2體系選擇性地將氧化棉織物引入活性羧基，然后與絲素蛋白反應接枝形成酰胺化學鍵。研究了HNO3/H3PO4-NaNO2氧化時間對氧化棉織物羧基含量、斷裂強力的影響，分析了氧化時間、絲素質量分數和處理時間對氧化棉織物接枝率的影響。結果表明，絲素改性棉織物的機械強度和白度稍有降低，而折皺回復性和吸濕性明顯提高；絲素改性棉織物承載和緩釋的金銀花提取物為原棉織物的3.45倍，金銀花處理的絲素改性棉織物經30次水洗后仍有較高的抑菌活性。Dhyani等[6]通過等離子體處理技術將聚丙烯酸接枝到絲素膜表面，從而增加了絲素的羧基，調控了絲素蛋白的親水性。研究顯示，與未改性絲素蛋白相比，細胞在表面接枝聚丙烯酸絲素上的黏附性增強。

2.1.2 交聯改性

交聯劑與絲素之間的相互作用會引起絲素分子之間的相互作用，從而賦予材料不同的結構特征，使得人們可以在更大的范圍內調節材料的性能，以滿足組織工程上的應用需求。常用的化學交聯劑有碳化二亞胺、二縮水甘油醚和京尼平等。楊華等[7]以環氧氯丙烷和聚乙二醇400為原料，合成聚乙二醇縮水甘油醚(Poly(Ethylene Glycol diglycidyl ether), PEGO)，利用PEGO與絲氨酸的羥基、谷氨酸的羧基、賴氨酸的氨基以及胱氨酸的巰基的反應對絲素蛋白進行交聯改性。實驗結果表明，PEGO的添加改變了膜的結構，會引起其結晶性、熱穩定性、親水程度和力學性質的改變。改性膜具有更好的熱穩定性和良好的力學性能，可應用于生物醫學和日用化工領域。

2.1.3 互穿網絡改性

基于共價連接的磺酸基團可增強絲素膜的親水性。馬曉曄等[30]通過自由基聚合的方法，合成制備了自膨脹聚丙烯酸鈉-SF半互穿網絡水凝膠，進一步探討了該水凝膠作為微創治療中組織植入物的潛能。實驗結果顯示，隨著水凝膠中SF含量的增加，膨脹率增大，壓縮強度減小，藥物釋放速度加快。該自膨脹水凝膠具有高膨脹率和良好的藥物釋放能力，可以進行藥物輸送或植入其他材料。Romero等[31]提出一種制備互穿SF-聚吡咯導電網絡的方法。帶負電的親水性磺酸基團共價結合到SF上，可以選擇性促進吡咯的吸收，并在改性薄膜內聚合，增強了絲素表面的親水性；其中兩種帶電聚合物之間的靜電引力驅動聚吡咯在聚合過程中完全穿插到絲素內部，從而形成堅固的不可分層的復合材料。此方法為生產力學性能良好、電化學性能穩定的聚合物電極提供了新思路。

2.2 絲素蛋白復合材料的制備方法

2.2.1 干法紡絲法

蠶在常溫、常壓下能以水為溶劑，在空氣中吐絲形成高強度和高韌性的蠶絲纖維，而且纖維的綜合性能優于普通合纖。因此，最早是采用干法紡絲技術來進行人工模擬生物紡絲。Yue等[32]用氯化鈣/甲酸為溶劑溶解絲素，采用干法紡絲技術制備再生絲素蛋白纖維。該溶解過程簡單、高效，且獲得具有納米原纖結構的紡絲原液。由于紡絲液中納米原纖的保留，制得的再生絲素蛋白纖維的力學性能有明顯提高，且更易于牽伸；當絲素溶液質量分數增加至25%時，再生絲素蛋白纖維的斷裂強度可達230MPa，后牽伸可進一步改善纖維的斷裂強度和斷裂伸長率，纖維的韌性增強。

2.2.2 冷凍干燥法

冷凍干燥法的原理是將聚合物(絲素蛋白或其復合物)制成溶液或凝膠狀，放入真空冷凍干燥機中進行冷凍，預凍溶液發生汽化進而與聚合物分離，溶液中的冰晶升華，在原有位置產生孔洞，最終得到孔隙率較高的聚合物。該方法目前應用較多，可以通過時間、溫度和濃度來控制支架材料的孔的尺寸和形狀。Wang等[33]將Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2-H2O與絲素蛋白共混制得的溶液進行冷凍干燥。研究證明，二者共混物的生物相容性及在新骨形成方面的能力優于單一的絲素蛋白或膠原蛋白。Zhu等[34]將去離子水、十六烷基三甲基溴化銨、硅酸乙酯和氫氧化鈣水溶液混合，經過高壓、升溫、保溫和冷卻至室溫，再煅燒、保溫和冷卻后得到硅酸鈣納米晶須，然后按一定質量分數溶于絲素蛋白溶液中配成共混膜，研究結果顯示，絲素蛋白/硅酸鈣共混膜具有更高的比表面積和孔體積，骨肉瘤細胞能很好附著和增殖在此共混膜上，表明該復合膜具有良好的理化性能和生物學性能，在骨組織工程三維支架方面有很大的應用潛力。

2.2.3 靜電紡絲法

靜電紡絲是一種簡單、快速而高效的納米/亞微米纖維制備技術[35]。在紡絲過程中，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下，在注射器或者毛細管的頂點被加速，當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流，接著轉變為卷曲的螺旋纖維，在電場力作用下拉伸變細，分裂成微米級至納米級的纖維。整個電紡過程中因溶劑揮發、纖維固化落在接收裝置上形成類似非織造布狀纖維氈。靜電紡絲得到的無紡布具有孔隙率高、比表面積大和均一性強等優點，使得其能夠在生物材料、過濾材料和傳感器材料等方面具有很好的應用前景。崔新愛等[36]以六氟異丙醇(Hexafluoroisopropanol, HFIP)為溶劑，將膠原和絲素以一定的質量比共混后進行電紡，并經戊二醛蒸汽交聯制備出膠原/絲素復合微/納米纖維。研究顯示，復合纖維的β化程度、結晶度和熱穩定性均有一定提高，且隨著絲素含量的增加其提高越明顯。當絲素含量為70%時，纖維膜的平均斷裂強度最高，細胞在材料表面生長狀態良好，體現了其優良的生物相容性。Li等[37]將絲素蛋白和聚乳酸-羥基乙酸共聚物(SF/PLA-PLGA)以2∶1的質量比溶解于5%的HFIP中，進行靜電紡絲。結果表明，紡絲電壓為20kV、擠出率為2mL/h、接收距離為10cm時，纖維的平均直徑為593nm；當接收距離為15nm時，纖維的平均直徑為334nm。用這種靜電紡絲制備得到的SF/PLA-PLGA納米纖維膜能夠模擬細胞外基質，并培養細胞附著，可以對大白鼠周圍神經損傷進行有效的修復。和生物體自身組織修復不同的是：通過控制這種膜的規格、降解速率、力學性能和體系結構可以靈活地控制組織的修復效果。

2.2.4 氣體發泡法

氣體發泡法包括化學發泡法和物理發泡法。化學發泡法一般采用碳酸鹽類化合物作為發泡劑，即將絲素蛋白溶液和碳酸鹽類化合物混合后加入到模具中，待溶劑部分揮發，直接浸入熱水中發泡，使氣體揮發，最后冷凍干燥得到多孔支架。物理發泡法是指在材料成型過程中，通過材料的揮發組分或分散在材料中的揮發組分使材料產生泡孔的方法。Xu等[38]采用碳酸鈉(Na2CO3)氣體發泡法制備高強度絲素蛋白/羥基磷灰石支架材料，避免了成型后的多次洗滌。此法制得的支架孔隙率較高且均勻，避免了有機溶劑對絲素蛋白支架活性的影響，但操作較復雜。Nazarov 等[39]將凍干的絲素蛋白與HFIP配制成一定濃度的絲素醇溶液，再將其加入到裝有碳酸氨(NH4CO3)顆粒的模具中，把支架放入95℃的熱水中發泡得到多孔絲素支架。支架孔徑為(155±144)μm，均為開孔，孔隙率高達99%，且孔隙間連通性好，支架表面沒有留下較厚的表皮層，抗壓應力及模量較高，符合骨組織工程要求。

2.2.5 3D打印

近年來隨著3D打印技術的快速發展，采用3D打印技術制備生物支架成為可能。3D打印技術是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計(CAD)模型或計算機斷層掃描(CT)等數據，將這些材料數據進行精確3D堆積，快速制造出任意復雜形狀的3D物體的一種新型數字化成型技術。3D打印技術可以對孔隙結構進行控制，可制備出氣孔率可調、形狀復雜、孔隙率較高和力學性能好的材料。孫凱等[40]以絲素、膠原兩種材料為打印基質，探討3D打印軟骨組織工程支架的可行性。結果表明，當絲素蛋白與膠原蛋白質量比為4∶2時，支架的理化性能和生物相容性最佳，并且與傳統的冷凍干燥法、化學交聯方法相比，3D打印成形技術在支架材料的制備過程中，尤其是制備復雜結構和內部可控微結構材料中具有更大的優勢；且還具有設計制造一體化，成型過程高度柔性化和快速化的特點。

2.3 各種絲素蛋白復合材料

2.3.1 天然生物蛋白復合材料

角蛋白(Keratin)系硬蛋白之一，是一類具有結締和保護功能的纖維狀蛋白質。由于角蛋白含有較多的胱氨酸(14%～15%)，故二硫鍵含量特別多，在蛋白質肽鏈中起交聯作用，因此角蛋白化學性質特別穩定，有較高的機械強度且不易溶解和消化。陳慧[41]通過羊毛纖維與蠶絲下腳料和廢棄物中提取出來的羊毛角蛋白(Wool Keratin Silk Fibroin，WKSF)與絲素蛋白復合，不僅保持了羊毛纖維良好的皮膚親和性與力學性能，還能對廢舊羊毛纖維與蠶絲進行循環利用，提高了羊毛纖維與蠶絲的利用率。其制備方法為：將提取好的羊毛角蛋白與絲素蛋白放入9mol/L硫氰酸鋰中，配置成不同絲素蛋白質量比的混合溶液，并從每種比例的混合溶液中取出20g倒入直徑為50mm的玻璃皿中，將玻璃皿放置在溫度為105℃的烘箱中干燥至恒重，即可制備成羊毛角蛋白絲素蛋白膜。表1列出了其各項性能。隨著羊毛角蛋白與絲素蛋白質量比的增加，即隨著質量比從1∶9到9∶1，蛋白膜的吸濕回潮率、溶脹率、斷裂伸長率皆增加，而斷裂強力降低。馮超等[42]將絲素蛋白和人發角蛋白進行有效的混合，并加入不同比例的氯化鈣溶液，制備出自產氧型人發角蛋白/絲素蛋白復合材料。他們發現，當過氧化鈣濃度為20%時，支架材料的釋氧時間最長(P<0.05)，且后期釋氧水平較為平穩；含有過氧化鈣的復合材料在體外能夠更好支持細胞生長，體現出了良好的生物相容性。

表1 不同質量比的羊毛角蛋白絲素蛋白膜的性能表征[41]Table 1 Characterization on the properties of wool keratin membrane with different mass ratios[41]

殼聚糖和纖維素都是自然界中無毒、無污染、可生物降解和生物相容性較好的天然高分子材料。殼聚糖是一種無毒副作用的帶正電的堿性天然多糖，是甲殼素脫乙酰的產物。殼聚糖不溶于水和堿溶液，可溶于部分無機酸和大多數有機酸，有抑制細菌活性、促進血液凝固的作用。纖維素是由b-(1→4)-鏈接的D-葡萄糖組成，含有大量羥基，易形成分子內和分子間氫鍵，具有一定的力學強度。但都有成膜性差、再生膜脆性大的缺點。膠原蛋白(Collagen，COL)是細胞外基質的結構蛋白質，具有低抗原性、可被人體吸收、體內降解產物無毒副作用等優點，但其力學性能不佳，特別是在水溶液中降解速率太快，從而限制了它的應用。馬育棟等[43]將絲素蛋白-殼聚糖混合溶液與1%醋酸溶液共混制備得到復合凝膠材料。實驗結果表明，在制備復合凝膠的過程中，混合時體積配比不同，形成凝膠的時間長短和均勻程度不同，凝膠化程度也不同，且此復合凝膠材料具有抑菌止血的功效。柳磊等[44]采用冷凍干燥法制備了絲素蛋白/殼聚糖支架，并通過二次交聯(第一次是甲醇/氫氧化鈉，第二次是碳化二亞胺/N-羥基琥珀酰亞胺)構建了穩定的且孔隙率較好的三維多孔結構。他們發現，40%絲素蛋白-60%殼聚糖的比例適合成骨細胞生長。鄭麗等[45]選用氫氧化鈉-尿素-硫脲體系溶解纖維素，并與絲素蛋白共混制得纖維素/絲素蛋白共混膜。結果表明，當m(纖維素)∶m(絲素蛋白)=4∶1時，絲素蛋白與纖維素的相容性、力學性能、吸濕保濕性能、透濕性能最好，纖維素/絲素蛋白共混膜的綜合性能優于純纖維素膜。李娟等[46]通過共混法制備了纖維素/絲素復合膜，研究結果表明，復合膜的最佳配比為纖維素占共混膜的90%，絲素占10%。XRD分析表明，隨著絲素含量的增加，復合膜的結晶度有先增大后減小的趨勢。因為混入少量的絲素可以與纖維素之間形成氫鍵，提高分子間的規整性；但隨著絲素的不斷加入，過量的絲素之間又會形成氫鍵結合，降低分子間的規整性。在此條件下形成的復合膜的力學性能、水溶液穩定性和水蒸氣透過系數較單一成分的膜有明顯改善，纖維素與絲素之間因存在著氫鍵等強烈的相互作用而使其具有良好的相容性。白蓮村等[47]將絲素纖維/膠原蛋白纖維以不同質量配比進行混紡，然后通過針刺非織造工藝制備軟半月板組織工程支架材料，研究表明，絲素纖維含量越多越難成網，且纖維的損失率越高。因此，將絲素纖維與表面較粗糙、卷曲度高的膠原纖維在高濕度狀態下進行混紡，則可較好成網。隨著膠原纖維含量的增加，支架材料的孔徑范圍有所擴大，支架材料的孔徑大于100μm 時，其細胞增殖情況良好，有利于支架材料降解，且其生物相容性滿足細胞的生長要求。

2.3.2 絲素蛋白/無機復合材料

納米SiO2獨特的體積效應和宏觀量子隧道效應，使其能與材料的大分子結合成立體網狀結構[48]。徐水等[49]以納米SiO2為基材，乙醇為溶劑，與絲素共混，制備出不同質量比的絲素/納米SiO2凝膠共混膜。實驗結果顯示，加入具有補強增韌功能的納米SiO2制備的絲素共混膜，更接近于優良人工皮膚材料的物理特性，絲素與納米SiO2的共混質量比以80∶3和80∶5為宜。納米銀具有抗菌能力強、效果持久等優點。Min等[50]用一定量氨水和0.05mol/L的硝酸銀溶液配制銀氨溶液，再將0.8%的絲素溶液、0.2%的葡萄糖溶液與銀氨溶液混合，調節混合溶液pH值為10，80℃水浴攪拌4h可制得絲素納米銀水溶液。用絲素納米銀溶液對棉織物進行浸漬整理，質量浴比為1∶50，在60℃水浴中振蕩30min后取出，水洗后自然晾干，得到絲素納米銀棉織物。得到的納米銀棉織物不僅保持了原有棉織物的柔韌性以及舒適感，而且在抗菌、殺菌方面也有著優異的性能。

人體骨組織是由有機和無機成分構成的生物礦化組織，無機成分主要是納米羥基磷灰石結晶，Ⅰ型膠原是天然骨組織中含量最多的有機基質。羥基磷灰石的優點主要包括良好的生物相容性、化學穩定性，以及材料中有孔隙度，有利于骨組織長入，可以為新骨的沉積與再生提供優良的生理支架[51]。絲素蛋白或羥基磷灰石單獨作為骨組織工程種植材料時，暴露出如強度較低、韌性較差和力學性能不足等缺點，顯著降低了其作為生物支架的潛能。將兩者復合后可以利用組合材料的優點來克服單個材料的缺點[52]。寧旭等[53]以絲素蛋白和鈣磷溶液為基材，通過共沉淀法合成了絲素納米纖維/納米羥基磷灰石復合材料。通過對復合材料進行透射電鏡和X射線衍射實驗發現，復合材料具有類似于天然骨的結構和性能，與天然骨組織中磷灰石十分類似，但是力學性能還未達到組織工程應用中支架強度的標準。圖1為絲素蛋白和羥基磷灰石復合工藝流程。如圖1所示，Mi等[54]將0.2mol/L氯化鈣水溶液與絲素蛋白納米纖維混合30min，然后加入0.2mol/L的磷酸氫二鈉水溶液攪拌，30min后在37℃下獲得不同質量比(0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.40)的絲素蛋白納米纖維和納米羥基磷灰石混合溶液，懸浮培養24h后，通過過濾膜的溶液，室溫干燥12h后得到復合薄膜(孔徑為0.2μm)。實驗結果表明，該法下制備的復合薄膜具有良好的機械強度，當施加5000%剪切應變時，儲能模量能夠在50s內恢復到85%。另外，介孔生物玻璃具有更高、有序的介觀尺度，在機體內能激活成骨細胞基因的應用中，更加有利于提高細胞的增殖和分化，具有良好的骨傳導和骨誘導作用。李靜靜等[55]采用冷凍干燥法制備了介孔生物玻璃(M58S)/絲素蛋白復合多孔海綿，其中M是介孔生物玻璃(mesoporous bioactive glasses )的英文首字母代稱，S指二氧化硅(SiO2)，58是二氧化硅在物質中的含量。他們通過透射電鏡和場發射掃描電鏡觀察發現，該復合多孔海綿主要通過作用于血液的內源性凝血系統途徑促進凝血；小鼠肝臟止血模型顯示，當M58S含量>15%時，復合多孔海綿的止血效果較好，且優于明膠海綿，可以用作體外快速止血材料。

圖1 絲素蛋白和羥基磷灰石復合[54]Fig.1 Composite process of silk fibroin and hydroxyapatite[54]

2.3.3 絲素蛋白/合成聚合物復合材料

絲素的濕膜強度小、致密無孔以及支撐性較差等缺點限制了絲素膜的應用范圍，而將其與聚合物共混制備多孔膜，是改善絲素不足的有效途徑。張靜等[56]以飽和硫氰酸鈉(NaSCN)水溶液為共溶劑，制備了不同共混比的絲素蛋白/聚丙烯腈(SF/PAN)共混膜，用溶度參數法及紅外光譜研究了SF/PAN共混體系的相容性，分析和討論了鑄膜液的共混比、溫度和凝固浴組成等對膜結構與性能的影響，并用場發射掃描電鏡觀察了共混膜的表面和斷面微觀形貌。結果顯示，SF與PAN具有部分相容性，其在成膜過程中會產生界面微孔；隨著共混膜中SF含量的增加，共混膜呈孔隙率增大和截留率減小的變化趨勢；隨著鑄膜液溫度的升高，共混膜呈孔隙率和水通量增大的變化趨勢；當凝固浴組分為50%乙醇水溶液時，所得共混膜孔結構較為疏松；SF的添加使PAN膜的水接觸角明顯減小，表明SF可有效改善PAN膜的親水性。錢巧芬等[57]將一定比例的聚乙二醇混入絲素膜中，可使膜在保持原有良好生物性質的前提下，柔韌性有所改善，且透光性較好，但因其聚合物相對分子量較大，故與絲素的可混性稍差。Suzuki等[58]將絲素溶液與分子量為300的聚乙二醇混合，并通過京尼平制備得到復合絲素蛋白膜。在與非處理膜的對比中發現，復合膜的力學性能有著明顯提升，并在人類角膜緣上皮細胞的原代培養中體現了良好的生物相容性。王利君等[59]通過靜電紡絲技術，制備出不同質量比的聚乳酸-聚己內酯/絲素蛋白復合納米纖維膜支架。研究結果顯示，復合納米纖維膜中絲素蛋白經甲醇處理后由無定形結構轉變為β-折疊結構，隨著復合納米纖維膜中絲素含量的增加，納米纖維膜的孔隙率和吸附性降低，親水性和生物相容性增加，有利于細胞的黏附和增殖。聚乳酸-乙醇酸共聚物具有良好的生物降解性和力學性能，且降解速率可調節，但在生物相容性方面較之于天然高分子材料還有一定的差距，主要有親水性差、細胞吸附能力較弱、缺少細胞識別位點等缺點。肖紅偉等[60]以六氟異丙醇為共溶劑，通過靜電紡絲法制備了聚乳酸-乙醇酸共聚物/絲素蛋白共混納米纖維多孔膜。實驗結果顯示，共混多孔膜中纖維直徑隨SF的加入逐漸降低，均勻性變好；共聚物與SF只發生分子間的互容并且存在氫鍵作用，但當SF含量超過40%時，共混多孔膜的力學性能下降；另外發現，SF的加入能夠顯著改變共混多孔膜的親水性和生物相容性。

2.3.4 絲素蛋白/碳納米管與氧化石墨烯復合材料

碳納米管(CNT)是一種一個原子厚的石墨層圓柱體,它是典型的力學性能增強劑[61]。潘彩霞[62]以絲素蛋白為材料，通過與多壁碳納米管及碳化二亞胺(EDC)共混，研制出絲素蛋白復合膜材料。結果顯示，相比純絲素膜，添加了質量分數為0.5%碳納米管的復合絲素膜的彈性模量和最大應力分別提高了24%和39%；而且，隨著碳納米管含量的增加，絲素蛋白的β-折疊質量分數含量從17.8%提高到53.6%；當碳納米管含量為1%時，混合溶液的黏度提高了10倍；此外，通過細胞培養實驗證實，絲素蛋白/碳納米管復合膜無毒，具有良好的生物相容性，可以作為生物材料。Pan等[63]將多壁碳納米管懸浮液加入絲素溶液中，使用高壓靜電紡絲技術制備多壁碳納米管/絲素復合納米纖維支架。發現與純絲素靜電紡納米纖維支架相比，添加1.0%多壁碳納米管的復合膜的斷裂強度提高2.8倍，彈性模量提高4.4倍，斷裂功提高2.1倍；多壁碳納米管在絲素蛋白基體中，不僅能防止基體的裂紋擴展，而且因誘導絲素蛋白向β-折疊結構轉變，可有效提高絲素纖維網支架的力學性能。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是具有獨特二維平面結構的六邊形環狀碳網絡。GO含有大量含氧官能團，這些官能團主要是分布在平面上的羥基和環氧基，少量分布在平面邊緣上的羧基、羰基、酚、內酯和醌等。這種結構使其具有良好的親水性和分散性；同時，氧化石墨烯也具有良好的生物相容性、超強的吸附能力以及優異的力學性能，由于其化學反應能力強，常被作為增強填料添加到聚合物基體中[64]。方潔羽等[65]采用澆鑄法制備出絲素-甘油復合膜，并在其中加入了氧化石墨烯來改善復合膜的綜合性能。實驗結果表明，加入氧化石墨烯后，絲素由晶型Silk Ⅰ向Silk Ⅱ結構轉變，復合膜拉伸強度提高了35%，氧化石墨烯在絲素結晶過程中起到了成核劑的作用，并且增強了復合膜的穩定性。Zhang 等[66]將氧化石墨烯添加到再生絲素蛋白水溶液中進行共混紡絲，他們認為氧化石墨烯的加入可以增強其力學性能；并且隨著晶體比例的逐漸增加，復合材料的應變率從5%增加到18%，表明其復合材料的拉伸強度也與兩者的結晶狀態有關。

2.4 絲素蛋白及其復合材料的應用

2.4.1 藥物緩釋載體

藥物控釋是指控制藥物定量、勻速地在體內釋放，使血藥濃度保持恒定。許多藥物由于其本身的限制，如小分子藥物在體內容易突釋，大分子藥物半衰期短，組織滲透性慢以及藥物潛在的毒性等，都會影響藥物的治療效果[67]。將藥物固定在特定部位并以恒定的速率釋放，不僅可以在局部提高藥物的濃度，降低毒副作用，還可以減輕病人的痛苦。絲素蛋白具有較強的可塑性，易于加工成各種形態，是一種優良的載體材料，通過改變絲素蛋白的β-折疊的含量能夠實現對藥物的控釋。以絲素蛋白作為緩釋載體材料，目前主要有水凝膠、薄膜衣、微粒子、納米粒子、通道、支架以及藥片等幾種物理形式，可根據藥物分子量大小及釋放快慢要求，制成不同規格的藥物載體。馬曉曄等[30]通過自由基聚合的方法合成了自膨脹聚丙烯酸鈉-絲素半互穿網絡水凝膠，并研究了抗生素藥物阿莫西林在其中的包載與釋放性能。研究發現，隨著水凝膠中絲素蛋白含量的增加，其膨脹率增大，壓縮強度減小，藥物釋放速率加快；且能在120h內釋放(83.4±0.9)%的藥物，體現了其具有微創治療和局部藥物釋放的優點，可以應用于在藥物輸送或其他植入材料領域。Yang等[68]用聚乙二醇誘導絲素蛋白形成納米顆粒，并將姜黃素包埋其中，研究了其抗細胞衰老的作用。研究發現，包埋在絲素蛋白納米顆粒中的姜黃素延緩大鼠骨髓間充質干細胞衰老的效果明顯優于游離的姜黃素。

2.4.2 抗血凝性材料

人體創傷出血是常見現象，因此止血就顯得尤為重要。創傷急救主要是為了暫時控制出血，將傷口與外界隔離避免感染，為了能達到較好的止血效果和形成良好的創面，醫用止血材料的研究備受關注。絲素蛋白具有極小的炎癥反應性，同時有一定的生物降解性，因此絲素蛋白及其復合材料是一種性能良好的抗凝血材料。張桂媛[69]研究了一種加載Ca2+的再生絲素蛋白多孔止血材料，將蠶絲蛋白與交聯劑聚乙二醇雙環氧丙烷醚(PEG-DE)按一定比例混合，通過冷凍干燥的方法制備絲素多孔材料。聚乙二醇雙環氧丙烷醚的加入改善了蠶絲蛋白材料的柔軟性，而多孔結構也改善了材料的可壓縮性和吸水性，并為血小板的黏附聚集提供空間。吸水性的提高，能快速吸收血液中的水分，增加血液的黏度，使血流減慢而凝固；血小板黏附空間的增加，有利于材料在短時間內聚集大量血小板，激活凝血因子，快速止血。實驗結果表明，加載 Ca2+后的絲素蛋白多孔材料止血性能顯著提高，以 100∶10 和 100∶15 加載 Ca2+的絲素蛋白多孔材料，綜合止血效果較好。

2.4.3 組織工程材料

組織工程是將人體各種缺損組織或器官的細胞在體外培養擴增后，采用物理、化學和生物的方法制成細胞-支架復合體植入缺損部位，從而實現缺損組織的治療目的[8]。組織工程的核心是建立由細胞和生物支架材料構成的三維空間復合體，材料在其中起關鍵作用[9]。作為組織工程研究的人工細胞外基質，支架材料為細胞的生長、繁殖、新陳代謝以及形成新組織提供支持。由于支架材料是細胞生長的基礎，所以良好的支架材料必須滿足無毒、一定的機械強度、良好的生物相容性、生物降解性以及可塑性等要求[10]。目前研究較多的有可降解高分子材料、陶瓷類材料、復合材料和生物衍生材料等[70]。郭志豪等[71]通過溶液共混法制備了絲素蛋白/介孔生物玻璃陶瓷復合材料，并對30只SD(Sprague Dawley)大鼠(遠交群大鼠)建立5mm顱骨缺損模型進行修復實驗。研究表明，骨缺損處填充支架材料后，能使來自周圍組織的結締組織發生遷移，形成具有骨細胞潛能的細胞塊，容易包膜骨填充材料，從而能延緩骨愈合時間，影響骨修復的質量；復合材料與宿主之間具備良好的生物相容性，能促進缺損部位早期恢復。李明等[72]通過引入石墨烯，并采用鹽析法制備了石墨烯/絲素蛋白骨組織工程三維多孔支架材料，用于提高骨組織修復與重建。他們發現，絲素蛋白內加入石墨烯作為力學增強材料，不僅提高了支架材料的力學性能，而且增加了支架材料的電傳導性與成骨活性。胡沐黎[73]制備了與骨軟骨組織相仿的絲素蛋白/羥基磷灰石一體化三層支架，這種支架孔徑在300～500μm，且具有良好連通性，結構致密并呈一定取向排列，具有較好的拉伸強度，能夠有效防止骨相與軟骨相的剝離；通過支架的骨髓間充斥干細胞(Bone Marrow filled with Stem Cells, BMSCs)貼附實驗以及兔股骨髁處缺損的修復實驗，驗證了此復合材料具有良好的生物相容性和軟骨修復能力。

2.4.4 固定化酶載體材料

酶的固定化在化學、生物醫學以及生物感應器等領域應用較廣。固定化酶的效果在很大程度上取決于載體結構。絲素有大量的親水和疏水基團，不需要任何的交聯劑就能完成基本的固定，因此固定過程中很少引入其他的化學試劑，從而減小酶失活的可能性，提高了酶的固定效率；并且絲素蛋白變性的程度可控、無毒、安全性高、經過一定的處理可以制成多種形狀，這些優點使得絲素成為固定化酶的優質材料[74]。Xu等[75]將絲素和聚酰胺-胺共價結合到磁性Fe3O4納米顆粒上，制備成磁性絲素納米顆粒，并用戊二醛將過氧化物酶交聯到磁性絲素納米顆粒上制備成結合酶，向反應溶液中插入電極，在溶液中直接產生過氧化氫，同時通入氧氣。該方法不僅將絲素制備成納米顆粒，增加了酶載量和反應的比表面積，且加入的Fe3O4方便反應結束后固定化酶的回收，同時該裝置還可自釋氧。該材料為用電極和酶結合的方法除去廢水中的有機磷和芳香類化合物提供了理論依據。Delezuk等[76]制備并研究了殼聚糖/絲素蛋白復合組織材料，通過圓二色譜分析顯示，改性絲素溶液在197nm處值最小，這說明殼聚糖的加入引發了絲素蛋白薄層的構象變化，并出現了無規則卷曲。在進一步的實驗中發現，該復合材料對植酸檢測的敏感度明顯增強，因此作為新型生物傳感器具有良好的發展前景。

2.4.5 吸附材料

隨著社會經濟的發展、工業化生產的普及等，在自然界和人類生活環境中，存在較多的有害金屬離子，危及人類和動植物的健康。研究表明，不同形態的絲素蛋白對重金屬離子存在不同能力的吸附作用，且其吸附比率隨著絲素蛋白濃度的增加而增大，對單一金屬離子和混合離子具有同樣效果[77]。孫越宜等[11]測定和分析了不同狀態下的絲素蛋白，包括溶液狀、凝膠狀和粉末狀絲素蛋白對金屬離子鋅的吸附作用。實驗結果顯示，絲素蛋白吸附鋅離子時，氫元素與氧元素參與了其反應，而氮元素也可能參與了反應。絲素蛋白肽鏈上的—OH、—CO—NH—以及—NH2與Zn2+通過配位鍵形成了配合物，且絲素蛋白β-折疊增加而無規卷曲減少，絲素蛋白與Zn2+形成的配合物具有更穩定配位結構；同時發現pH值對該配位反應過程也存在一定的影響。張凱等[12]采用流延法將絲素蛋白涂覆在聚苯乙烯板上，室溫下成膜，并通過添加硅烷偶聯劑制備了水不溶性絲素雜化膜(水溶性低于3%)。他們指出，偶聯劑的加入促使絲素蛋白的構象由無規卷曲α-螺旋型向β-折疊型轉變，相應的結晶形態由SilkⅠ型向SilkⅡ型轉變，并使得材料對鎘離子和鉛離子存在較強的選擇性吸附能力。

2.4.6 織物改性添加劑

絲素蛋白自身易形成分子水平的空腔，其結構性能特點決定了它具有改善織物的表面摩擦性、功能性、保健整理等性能，又被稱為是天然的“綠色整理劑”。近年來，國內外學者研究采用乙二醛、戊二醛、多元羧酸、環氧樹脂、聚乙烯醇等交聯劑將絲素蛋白接枝固定在纖維或織物表面，使其具有絲素蛋白的表觀特點，并將絲素蛋白的優異功能轉移到服用纖維中。李繼豐等[78]對棉織物進行羧基化改性，再將絲素蛋白接枝處理，棉織物的抗皺能力、耐磨性能和吸濕性能顯著提高，但拉伸強度和白度略有降低，改性后的絲素蛋白棉織物具有良好的耐熱水洗性，具有棉織物親膚、抗皺、高吸濕性和抗靜電性等優點。李陳梅等[79]以絲素為保護劑，葡萄糖為還原劑，制備絲素納米銀水溶液，并對棉織物進行處理。處理后的織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為98.36%和98.50%，經50次洗滌后其抑菌率仍能保持在92%以上；同時，整理后棉織物表面摩擦因數和表面粗糙度均有所降低，光滑度增加。

2.4.7 催化劑

目前，有學者開始將絲素材料應用在催化領域。例如，將絲素與無機材料進行復合改性后得到光催化材料，用于消除污染，這是一種環境友好的新型材料。趙林等[80]通過溶膠-凝膠法制備了絲素蛋白/TiO2復合納米材料，研究了其在可見光下的催化活性。研究發現，在可見光照射下，復合材料的Cr(VI)光催化還原效率達36%，甲酸降解效率達3.4%，相對于純TiO2，復合材料的可見光吸收能力有所提高。Luo等[13]利用絲素蛋白和Fe2+/Fe3+之間的螯合作用，通過共沉淀法制備了Fe3O4負載的絲素凝膠材料，該水凝膠具有較高的飽和磁化強度，并提高了過氧化物的酶活性和催化時間，結合絲素蛋白的生物相容性，絲素/Fe3O4水凝膠可應用在環境化學與生物技術方面。

2.4.8 食品與美容產品助劑

食物腐敗不僅影響著食品質量和安全，還導致了資源的浪費和經濟損失。迄今為止，人們研究出了許多方法延長水果食物的保質期，如冷凍、化學殺菌劑、防腐包裝、低壓以及熱處理等。隨著科技的不斷發展，可食用防腐涂層的出現為食物防腐提供了新的解決方案。絲素蛋白具有良好的生物相容性并且無味，是一種良好的食品防腐涂層添加劑。Marelli等[81]將1%的絲素蛋白懸浮液涂抹于草莓上，考察了其對草莓保鮮性能的改善效果，并對該懸浮液進行了金屬離子以及元素檢測來評估溶液的安全性。他們發現，絲素蛋白涂層能有效減緩草莓表面呼吸氧化速率，從而延長其保質期；并且，毒性水平遠低于日常飲用水標準，為可食用防腐涂層的發展提供了有利的科學實驗依據。屠潔等[82]為改善攪拌型酸奶的品質，采用二因素三水平析因實驗設計，將4種常用穩定劑，包括果膠、黃原膠、海藻酸鈉和耐酸性羧甲基纖維素鈉(CMC)分別與絲素蛋白混合，加入酸奶中，考察它們對攪拌型酸奶的黏度和保水性的影響。實驗結果顯示，穩定劑和絲素蛋白的加入對酸奶的黏度和保水性均有極顯著的交互作用，其中海藻酸鈉與絲素蛋白的組合不僅提升了酸奶的口感，還提升了酸奶的營養價值，可作為新型的酸奶添加劑。

絲素蛋白同樣是提升美容產品的保水性和彈性的優質材料，可以用于角膜修復和皮膚護理等方面。趙應征等[83]提供了一種肌膚護理用絲素蛋白水凝膠的制備方法。通過改變絲素蛋白、透明質酸和蝸牛黏蛋白等組分的配比來調節材料的力學強度和降解速率。研究指出，該絲素蛋白水凝膠具有良好的保水性，能促進皮膚表面的新陳代謝，達到抗皺、養容的作用，可以作為面膜和護膚霜等護膚產品中的基質。曹麗楠等[84]在絲素蛋白和膠原蛋白的復合膜上接種L-929細胞，細胞正常生長，后期在新西蘭大白兔皮膚缺損處分別敷貼醫用絲素蛋白皮膚再生膜，定期觀察紅斑和水腫情況，同時建立急性全身毒性實驗，檢測細胞毒性和細胞纖維連接蛋白mRNA表達等。研究發現，絲素蛋白復合膜未對皮膚造成刺激，具有保護創面和誘導皮膚再生的作用。

3 結束語

與傳統材料相比，由于絲素蛋白獨特的結構，使得改性后的絲素復合材料在力學、生物和化學等方面的性能顯著提高，從而在生物工程、醫藥、食品、美容以及催化等領域具有很好的發展前景，是一種極具研究價值的新型功能材料。但是，目前絲素蛋白在實際應用方面還存在一些不足，例如，在骨修復中其機械強度仍不足以適應高強度的物理負荷，絲素與一些人工高分子材料復合的機理尚需進一步驗證等。目前國內對絲素蛋白的應用研究較多，主要是集中在醫藥生物功能材料方面，但是對其基因序列、改性機理方面的研究基本上都是來源于國外，所以通過對絲素蛋白結構更深的了解，可以從基因層面對絲素蛋白進行重組改性，從而得到具有前瞻性的材料合成路線。

結合目前絲素蛋白的研究現狀，其發展趨勢為以下4方面：(1)智能材料可以自適應不同的生物體系以延長其使用壽命，所以智能絲素蛋白材料應具有很大的應用潛力；(2)絲素蛋白材料在醫學上的應用目前還處于動物實驗階段，如何將其運用到人類的康復治療中還需進行大量的實驗研究；另外，值得思考的是如何載入生物信號分子，使其直達損傷部位，從而提高絲素支架的治療效果；(3)絲素蛋白復合材料的熱力學機理以及在環境和催化等方面的研究；(4)規?；⒏咝屎涂芍貜褪褂玫冗@些產業化應用的技術問題。