絲素及其復(fù)合材料在骨組織工程中的研究與應(yīng)用

侯春春，李圣春，張胡靜，周 嬋，徐 水

(西南大學(xué) 生物技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

絲素及其復(fù)合材料在骨組織工程中的研究與應(yīng)用

侯春春，李圣春，張胡靜，周 嬋，徐 水

(西南大學(xué) 生物技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

對(duì)絲素的性能及其在骨組織工程中的研究進(jìn)展與應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)與展望。絲素具有良好的機(jī)械性能和理化性質(zhì)，以及優(yōu)秀的生物降解性和生物相容性，是一種優(yōu)秀的生物材料，已廣泛應(yīng)用于骨組織工程的各個(gè)方面，修飾改性或與其他材料復(fù)合后可得到更好的應(yīng)用。

骨組織工程；復(fù)合材料；絲素

1 骨組織工程的現(xiàn)狀

人類由于先天缺陷、磕碰、腫瘤及矯形等諸多原因均會(huì)造成骨損傷，骨修復(fù)是骨科的一個(gè)重要課題。據(jù)資料顯示，目前全世界進(jìn)行的器官移植手術(shù)中，骨移植的數(shù)量?jī)H次于輸血，居第二。而骨的修復(fù)必須有種子細(xì)胞、支架材料和生物因子3個(gè)要素，其中支架材料尤為重要，能夠?yàn)榻M織工程提供細(xì)胞基質(zhì)，維持細(xì)胞的增殖并保持其分化功能，提供暫時(shí)的力學(xué)支撐，滿足組織修復(fù)和重建的要求。

理想的支架材料需要滿足以下要求：

1)良好的生物相容性，不引起細(xì)胞毒性、炎癥反應(yīng)和免疫排斥；

2)良好的降解性，降解產(chǎn)物無(wú)毒性，并且支架的降解速率與骨的再生速率相匹配；

3)合適的孔隙尺寸，利于細(xì)胞種植和生長(zhǎng)、氧氣和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)送、代謝物的排泄；

4)具有三維立體結(jié)構(gòu)，有高的比表面積和合適的表面理化性質(zhì)，以利于細(xì)胞黏附、增殖和分化；

5)具備與植入部位組織的力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠?yàn)樾律M織提供支撐；

6)具有骨傳導(dǎo)性或骨誘導(dǎo)性，能促進(jìn)骨質(zhì)沉積和骨生長(zhǎng)；

7)易于塑形，植入人體時(shí)，可按組織器官缺損情況任意塑形；

8)具有負(fù)荷最大量細(xì)胞的高滲透性；

9)易于消毒，且消毒過(guò)程材料特性不丟失。

目前，用于骨修復(fù)的支架材料主要有人工合成支架材料和天然支架材料2種。人工合成支架材料主要包括無(wú)機(jī)材料和有機(jī)高分子材料。無(wú)機(jī)材料包括多孔羥基磷灰石、磷酸三鈣、生物活性玻璃等生物陶瓷類；有機(jī)高分子材料中聚乳酸、聚羥基乙酸及其共聚物應(yīng)用最為廣泛。天然支架材料常用的有珊瑚、纖維蛋白、幾丁質(zhì)、膠原、殼聚糖、骨基質(zhì)明膠及脫鈣骨基質(zhì)等。但是上述材料都由于自身的缺陷而使其應(yīng)用受到限制，研究者正致力于研究出更符合骨組織工程的支架材料。

2 絲素作為骨組織工程修復(fù)材料的優(yōu)越性

蠶絲由絲素和絲膠2種蛋白質(zhì)組成。其中絲素為主要成分，占70 %～80 %。絲素蛋白是聚集態(tài)結(jié)構(gòu)物質(zhì)，由結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)兩部分組成，含有18種氨基酸，其中大部分為甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和絲氨酸(Ser)。絲素具有良好的機(jī)械性能和理化性質(zhì)，日益廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。其作為骨組織工程修復(fù)材料的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1)生物相容性好，無(wú)毒，無(wú)刺激，引起的炎癥反應(yīng)小。對(duì)絲素生物材料的研究表明，它是從人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞到類骨組織和類軟骨組織的合適基質(zhì)材料，有利于細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)[1]。種植了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞并在成骨培養(yǎng)基中培養(yǎng)的絲蛋白支架產(chǎn)生了類骨生化響應(yīng)，與在其他生物材料上培養(yǎng)間充質(zhì)細(xì)胞所觀察到的典型結(jié)果相似。

2)生物降解性好。絲素可以被人體緩慢吸收或者部分生物降解，其降解產(chǎn)物對(duì)組織不僅沒(méi)有毒副作用，而且對(duì)周圍細(xì)胞可起到營(yíng)養(yǎng)作用。雖然曾有人對(duì)絲素蛋白用于生物醫(yī)學(xué)材料可能產(chǎn)生的致敏性和可降解性提出過(guò)質(zhì)疑，但絲素蛋白引起的異體反應(yīng)并不比其他一些常用的醫(yī)學(xué)材料嚴(yán)重[2]。

3)可調(diào)節(jié)的降解速度。絲素在體內(nèi)可以緩慢地降解和吸收，其速度與移植點(diǎn)、機(jī)械環(huán)境、病體的健康和生理特點(diǎn)、種類及絲素纖維直徑有關(guān)，并且蠶絲處理過(guò)程可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，使絲素的降解速度發(fā)生改變[3-4]。因此可以根據(jù)植入點(diǎn)的具體要求，采用不同的制備工藝來(lái)改變材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，進(jìn)而調(diào)節(jié)降解速度，達(dá)到更好的修復(fù)效果。

4)獨(dú)特的力學(xué)性能。由于絲素中存在結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，并且兩者是相互配合的，使得繭絲具有良好的拉伸強(qiáng)度與彈性。

5)可以通過(guò)不同處理方法獲得如纖維、溶液、粉末、膜及凝膠等各種形態(tài)，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；還可以通過(guò)某些氨基酸的氨基和側(cè)鏈的化學(xué)修飾較容易地改變表面性能。

6)蠶絲容易大量獲得，并且物美價(jià)廉。

3 絲素在骨組織工程中的應(yīng)用

3.1 絲素支架材料

絲素具有良好的生物相容性，人類干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞等均能在家蠶絲素蛋白材料上較好地黏附、擴(kuò)展、生長(zhǎng)及分化。

Sofia等[5]通過(guò)在絲素纖維上培養(yǎng)造骨細(xì)胞、骨髓細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，證實(shí)了絲素肽鏈中所含有的促生長(zhǎng)因子Arg(R)-Gly(G)-Asp(D)肽，相對(duì)于其他人工骨材料更有利于骨細(xì)胞的黏附生長(zhǎng)。并且有研究表明，將RGD肽引入絲蛋白膜表面能顯著提高材料的骨誘導(dǎo)性[6]。

Meinel等[7]首次將絲素蛋白做成三維多孔絲素蛋白支架用于骨組織工程研究，先將hBMSCs種植于支架，再植入鼠頭蓋骨創(chuàng)傷模型，說(shuō)明絲素蛋白可用于骨重建和再生，并且表現(xiàn)出機(jī)械穩(wěn)定性和持久性。Karageorgiou等[8]把裝載有BMP-2和hMSCs的支架植入到鼠極限缺損顱骨中后，產(chǎn)生明顯的骨向內(nèi)生長(zhǎng)，由此表明三維多孔絲素支架可用作顱骨極限缺損愈合基質(zhì)。

絲素蛋白還是軟骨組織工程較理想的支架材料。Wang Y等[9]通過(guò)實(shí)時(shí)RRT-PCR、組織學(xué)和免疫組化手段對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)軟骨特異組分的分析評(píng)估表明，MSCs在絲素支架上具有成軟骨特性。并且成軟骨細(xì)胞在此支架上也能黏附、增殖、分化，并能夠表達(dá)膠原Ⅱ、GAGs等。

3.2 絲素復(fù)合支架材料

絲素蛋白作為一種良好的細(xì)胞生長(zhǎng)介質(zhì)，能促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖。但是，單獨(dú)用絲素作為支架材料，力學(xué)性能較差，所以人們運(yùn)用不同方法對(duì)絲素蛋白進(jìn)行修飾，使其能適于不同細(xì)胞的生長(zhǎng)；或?qū)⒔z素與其他天然生物大分子、合成高分子(如殼聚糖、明膠、海藻酸鈉、間規(guī)聚乙烯醇等)進(jìn)行共混，以期得到性能優(yōu)異的支架材料，滿足組織工程對(duì)支架材料的多方面要求。

3.2.1 絲素與羥基磷灰石(HA)共混

HA是公認(rèn)的性能良好的人工骨材料，其化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、理化性能與人體骨骼非常相似，具有良好的骨傳導(dǎo)性能和生物活性。但是，純HA孔隙度小、壓縮強(qiáng)度低、脆性大、抗疲勞強(qiáng)度差，在體內(nèi)幾乎不能降解、替代速度緩慢，較大地限制了其應(yīng)用。因此，人們采用各種方法制備HA生物復(fù)合材料，期望通過(guò)不同材料的共混對(duì)其進(jìn)行改性。

研究表明，用絲素修飾生物材料能提高細(xì)胞在其表面的黏附和生長(zhǎng)能力，并且絲素蛋白含有較多的羥基和羧基，能和鈣離子緊密結(jié)合，誘導(dǎo)HA在絲素蛋白上的礦化結(jié)晶，形成自組裝納米復(fù)合材料。因此，利用絲素為HA的沉積、成核和晶體生長(zhǎng)提供模板，有利于形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，使HA晶體在材料中分散更加均勻。有文獻(xiàn)報(bào)道，將編織的絲蛋白纖維在鈣、磷溶液中交替浸泡，即可實(shí)現(xiàn)絲蛋白與HA的復(fù)合組裝[10]。研究發(fā)現(xiàn)，SF/HA復(fù)合材料具有良好的生物相容性和異位成骨作用，并且隨著材料孔隙率和孔隙內(nèi)部連通性的增加，其骨傳導(dǎo)能力更優(yōu)秀[11]。SF/HA復(fù)合材料能促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)分化，在細(xì)胞的增殖和黏附方面，幾乎與膠原無(wú)異，有望成為膠原材料的補(bǔ)充和替代[12]。

Nemoto等[13]通過(guò)機(jī)械化學(xué)途徑將絲素蛋白與HA晶體進(jìn)行組裝，獲得了HA-SF復(fù)合材料。由于絲素蛋白與HA之間的相互作用，絲素蛋白誘導(dǎo)HA形成針狀晶體，晶體的長(zhǎng)軸沿著C軸方向與絲素蛋白纖維平行。并且在一定溫度范圍內(nèi)，隨著絲素蛋白加入量的增加，長(zhǎng)徑比增加，溫度增加，復(fù)合材料的結(jié)晶度增加，其組成和結(jié)構(gòu)與人骨組織中納米微晶非常相似[14]。這些復(fù)合納米材料被賦予優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性能和可降解性能，在骨組織工程中有著重要的用途。豐強(qiáng)等[15]的研究又表明，無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的絲素蛋白和β-折疊結(jié)構(gòu)的絲素蛋白都能誘導(dǎo)HA沿C軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。

王江等[16]以Ca(NO3)2、Na3PO4為無(wú)機(jī)相的前驅(qū)體和絲素蛋白共混，仿生合成了納米HA-絲素蛋白生物礦化材料。礦化物顆粒尺寸在50～200 nm，抗壓強(qiáng)度為32.21 MPa，可作為非承重部位骨組織缺損修復(fù)材料。通過(guò)對(duì)礦化材料的分析表明，HA和絲素蛋白兩相間存在較強(qiáng)的化學(xué)鍵合，礦化材料中無(wú)機(jī)相含有少量碳酸根，為缺鈣類骨HA，并呈現(xiàn)一定的長(zhǎng)軸取向性，說(shuō)明絲素蛋白大分子對(duì)HA晶體的成核和生長(zhǎng)起著模板和調(diào)控作用。

劉琳等[17-18]在模擬體液中誘導(dǎo)HA晶體在絲素蛋白膜表面的沉積和生長(zhǎng)。絲素膜可有效地誘導(dǎo)HA晶體的沉積和生長(zhǎng)，不同的礦化時(shí)間和預(yù)處理方法都能夠影響絲素蛋白膜表面HA晶體的形成：較長(zhǎng)的礦化時(shí)間有利于形成較多結(jié)晶度良好的HA晶體；而不同預(yù)處理方法對(duì)絲素膜的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同影響，從而調(diào)控在其表面沉積的HA晶體的形貌和生長(zhǎng)方向。通過(guò)體外降解和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了復(fù)合支架材料具有穩(wěn)定的降解能力、良好的生物相容性，并可引起早期的骨分化。

Chunmei Li[19]在添加了骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP-2)的絲素-納米級(jí)HA靜電紡纖維支架上培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)，研究體外骨形成，結(jié)果表明：該復(fù)合支架能促進(jìn)hMSCs向成骨生長(zhǎng)和分化，含有BMP-2、nHAP的支架鈣沉積最高并能促進(jìn)BMP-2的轉(zhuǎn)錄水平。

3.2.2 絲素與磷酸鈣共混

自固化磷酸鈣骨水泥(CPC)是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一類新型可吸收骨替代材料，是由固相和液相以一定的比例混合所組成的復(fù)合體系，固相主要由各種磷酸鹽組成，液相為水、磷酸鹽溶液等，在人體生理環(huán)境下可自行固化且最終轉(zhuǎn)化為與人體骨結(jié)構(gòu)相似的HA。其良好的生物相容性、可降解性、應(yīng)用時(shí)可隨意塑形等優(yōu)點(diǎn), 使其成為臨床骨缺損修復(fù)的常用生物材料。但是純無(wú)機(jī)材料脆性大，強(qiáng)度低，凝固時(shí)間長(zhǎng)；缺乏骨誘導(dǎo)性，與種子細(xì)胞的親和力低，細(xì)胞黏附性較差，骨組織滲入材料的速度和深度有限。CPC因其具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，能在體內(nèi)降解，而且具有可注射性，可在微創(chuàng)手術(shù)中使用，被廣泛用于骨缺損等的治療。但其也存在著缺點(diǎn)，如脆性大，在負(fù)載情況下易碎裂，屈服強(qiáng)度稍差，不能承受較大的壓力等。因此，近年來(lái)對(duì)CPC的改性備受眾多研究人員的關(guān)注。

孔祥東等[20]研究了天然桑蠶絲蛋白對(duì)磷酸鈣晶體生長(zhǎng)的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)絲蛋白在近中性條件下可以促進(jìn)無(wú)定形磷酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的HA晶體，結(jié)晶沉積在絲蛋白分子上形成長(zhǎng)短不一的礦化復(fù)合纖維，表明絲蛋白能誘發(fā)形成不同層次的礦化復(fù)合纖維。

姚菊明等[21]利用FT-IR和XRD等手段，對(duì)具有不同初始蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的桑蠶絲素與磷酸鈣的復(fù)合材料的形成進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絲素蛋白的初始構(gòu)象為β-折疊時(shí)，有利于促進(jìn)礦化過(guò)程中無(wú)機(jī)相中鈣鹽轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的HA；并且礦化后的絲素纖維形成納米級(jí)的三維多孔結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞易于進(jìn)入空隙并均勻分布，有利于細(xì)胞的黏附和增殖。

李戰(zhàn)春等[22]模擬生物礦化過(guò)程，以蠶絲分子為模板，制得成分、微觀結(jié)構(gòu)與天然骨相似的蠶絲/納米HA復(fù)合物。材料與正常人骨的機(jī)械和物理性能相仿，具有相互連通的多孔結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，降解速率與骨生長(zhǎng)相匹配。礦化蠶絲基骨材料還具有顯著的骨誘導(dǎo)能力，首先使接觸正常軟組織的邊緣部分迅速形成骨連接，隨著結(jié)締組織的長(zhǎng)入，逐漸形成軟骨、類骨基質(zhì)，進(jìn)而生成骨小梁，這說(shuō)明促進(jìn)新骨的形成也是加速材料自身降解的一個(gè)重要措施。

陳曉慶[23]、謝瑞娟[24]和干旻風(fēng)等[25]研究了SF對(duì)CPC抗壓強(qiáng)度、注射性、細(xì)胞相容性等的影響。隨著絲素蛋白質(zhì)量比例增加，CPC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，注射系數(shù)隨著絲素蛋白質(zhì)量比例增加而逐漸下降。掃描電鏡結(jié)果顯示，絲素蛋白呈網(wǎng)狀貫穿于CPC晶體間，并將其緊密連接，在材料表面出現(xiàn)了HA的針狀結(jié)晶。將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與SF/CPC復(fù)合材料共培養(yǎng)，觀察到人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在復(fù)合材料上能黏附、生長(zhǎng)，并且有增長(zhǎng)趨勢(shì)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，SF/CPC復(fù)合材料對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)明顯影響和毒性，顯示出良好的細(xì)胞相容性。并且含5 %SF的CPC/SF復(fù)合材料的孔隙直徑大于純CPC固化材料的孔徑，更利于細(xì)胞的生長(zhǎng)。由此得出結(jié)論，絲素蛋白能在不明顯影響注射操作的情況下，顯著提高SF/CPC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和細(xì)胞相容性。

3.2.3 絲素與膠原共混

膠原是人類及哺乳動(dòng)物結(jié)締組織細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，在人體大多數(shù)組織中占據(jù)著重要的地位。膠原蛋白材料是組織工程中最具潛力的支架材料之一。它具有免疫原性低、組織相容性和親和性好的優(yōu)點(diǎn)，有利于軟骨細(xì)胞的維持和促進(jìn)蛋白多糖合成，可參與組織的愈合過(guò)程。但作為軟骨組織工程支架而言，單一的膠原材料機(jī)械性能和抗水性較差，在體內(nèi)降解較快。而蠶絲具有高度多孔結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的可降解性和機(jī)械特性，而且可以根據(jù)受移植的組織特性進(jìn)行化學(xué)和結(jié)構(gòu)上的調(diào)整。并且已經(jīng)有以蠶絲為支架、以骨髓基質(zhì)干細(xì)胞為種子細(xì)胞成功構(gòu)建的類軟骨組織。因而可利用蠶絲與膠原制作出更符合組織工程要求的混合型支架。有研究表明，經(jīng)膠原處理過(guò)的蠶絲對(duì)軟骨細(xì)胞具有較好的黏附性，并有利于軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖。雖然軟骨細(xì)胞在蠶絲和膠原凝膠2種支架上都能維持正常生長(zhǎng)狀態(tài)，但蠶絲作為軟骨組織工程支架在長(zhǎng)期效果上優(yōu)于膠原凝膠。

劉和風(fēng)等[26]構(gòu)建了絲素-膠原復(fù)合物半月板支架，并將體外培養(yǎng)擴(kuò)增的兔半月板纖維軟骨細(xì)胞接種于該支架上，加入轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β三維立體培養(yǎng)。結(jié)果表明，絲素－膠原復(fù)合物半月板支架細(xì)胞相容性良好，纖維軟骨細(xì)胞能良好地貼附于支架孔壁上。

3.2.4 絲素與聚乳酸(PLA)共混

聚乳酸是一種具有良好生物相容性和生物降解特性的聚合物，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量和熱成形性，在骨組織和軟骨組織的再生與修復(fù)等骨組織工程中基本能滿足作為細(xì)胞生長(zhǎng)載體材料的要求。但是其機(jī)械強(qiáng)度較差，不具有骨傳導(dǎo)性，在臨床單獨(dú)使用時(shí)，修復(fù)骨缺損的速度很慢，尤其難以達(dá)到對(duì)于大段骨缺損的完全修復(fù)，所以單獨(dú)的PLA不是理想的骨修復(fù)替代材料。

邢帥[27]將PLA支架材料放在絲素蛋白的水溶液中浸泡，干燥后制成PLA/SF蛋白復(fù)合支架。通過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，支架具有良好的三維空間結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的生物相容性，細(xì)胞能在其表面很好地黏附和生長(zhǎng)，其效果優(yōu)于純PLA支架材料。

吳海濤等[28]將蠶絲用胰蛋白酶消化和PLA包埋，制成三維支架，用于培養(yǎng)軟骨細(xì)胞并觀察其生長(zhǎng)情況。結(jié)果軟骨細(xì)胞在支架上易于黏附，生長(zhǎng)增殖十分活躍。因此蠶絲復(fù)合支架是軟骨細(xì)胞立體培養(yǎng)時(shí)良好的支架。

3.2.5 絲素與殼聚糖(CS)共混

CS是甲殼素的部分或全部脫乙?；a(chǎn)物，是自然界中唯一的堿性多糖，是天然的陽(yáng)離子聚合物，無(wú)毒，可被生物降解，免疫原性低，具有良好的生物相容性。用CS制備的生物材料具備較好的物理機(jī)械性能、良好的吸水性和較好的生物相容性。但單一的CS材料的生物降解速率往往過(guò)慢，難以與某些組織再生的速率相匹配，細(xì)胞黏附性較差，體內(nèi)不易吸收等。

Rios[29]將不同溫度下冷凍的SF/CS共混溶液用冷凍干燥法制備成SF/CS三維支架，結(jié)果表明多孔材料的彈性模量和抗張強(qiáng)度隨冷凍溫度的升高而減小。Gobin[1]的研究又表明，隨著SF含量的增加，支架的彈性模量和抗張強(qiáng)度得到顯著提高；而增加CS的含量，支架的含水量增大。由此可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍溫度和兩者的配比來(lái)改善支架材料的性能，制備出符合組織工程需要的支架材料。Gobin[30]又用SF/CS支架修復(fù)荷蘭豬由于腹壁肌筋膜缺損而導(dǎo)致的腹疝，結(jié)果表明細(xì)胞能夠在SF/CS三維支架上生長(zhǎng)成組織，并表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能。

3.2.6 絲素與聚乙烯醇(PVA)共混

李玲琍[31]等采用溶液共混法制備了SF與PVA的共混膜(PVA/SF)，又采用交互浸漬法在PVA/SF膜上生長(zhǎng)出HA。雖然SF與PVA不完全相容，但是SF能以球粒狀均勻分散在PVA連續(xù)相內(nèi)，顯著改善了單純PVA膜的力學(xué)性能。并且使復(fù)合膜引發(fā)HA生長(zhǎng)的能力增強(qiáng)，所得HA的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)與骨骼中的HA相似。PVA/SF復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能和生物活性，在骨組織工程方面具有一定的應(yīng)用潛力。

3.2.7 絲素與環(huán)氧化合物

田莉[32]采用一種不需要冷凍干燥的新方法，利用不同溫度下環(huán)氧化合物與絲素蛋白的相互作用制備出了2種新的絲素支架材料，2種材料孔徑都在150 μm以上，孔隙率都在90 %以上，但是2種絲素支架材料具有不同的孔徑結(jié)構(gòu)。通過(guò)各項(xiàng)分析測(cè)定得出，在－20℃下冷凍條件下，絲素蛋白與環(huán)氧化合物沒(méi)有發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，而在60 ℃反應(yīng)時(shí)，環(huán)氧化合物與絲素蛋白有交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，由此可知環(huán)氧化合物與絲素蛋白在不同溫度條件下可以獲得不同孔徑結(jié)構(gòu)的支架材料。

3.2.8 絲素與海藻酸鈉共混

海藻酸鈉分子量為5萬(wàn)～20萬(wàn)，按適當(dāng)比例與絲素復(fù)合后制備共混膜，通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)膜中的β結(jié)構(gòu)吸收峰增高，可有效增加復(fù)合膜的總結(jié)晶度。海藻酸鈉還具有優(yōu)良的吸水性，與絲素復(fù)合后，使復(fù)合膜在吸濕性、斷裂強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性等方面均比純絲素膜得到了較顯著的改善[33]。

3.2.9 絲素與碳酸鈣共混

筆者實(shí)驗(yàn)室正在研究將絲素與自制碳酸鈣通過(guò)共混的方法仿生合成人工骨復(fù)合材料，現(xiàn)已基本成型。復(fù)合材料具有相互貫通的孔形態(tài)、良好的孔隙率和力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)有新峰的生成和舊峰的消失，說(shuō)明絲素和碳酸鈣之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，有新物質(zhì)的產(chǎn)生。如果該復(fù)合材料能通過(guò)后期的生物安全性測(cè)試，將為骨組織工程提供一種制備簡(jiǎn)便、成本低廉、性能優(yōu)異的材料來(lái)源，降低骨缺損的修復(fù)費(fèi)用，為骨缺損患者帶來(lái)福音。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，骨組織工程支架材料的研究取得了一些進(jìn)展，但是，離臨床上廣泛應(yīng)用還有一定的距離。人們?cè)诓粩鄬ふ倚碌墓侵Ъ懿牧系耐瑫r(shí)，采用復(fù)合手段來(lái)解決理想骨支架問(wèn)題可能是一種有效的方法，也是尋找理想骨支架材料的必由之路。而絲素因其獨(dú)特的機(jī)械性能和理化性質(zhì)、良好的生物相容性，并且物美價(jià)廉，在組織工程中得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。通過(guò)絲素與其他物質(zhì)的復(fù)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，更能拓寬其應(yīng)用范圍。隨著人們對(duì)成骨機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷加深，以及骨組織工程學(xué)和相關(guān)科學(xué)的不斷進(jìn)步，復(fù)合骨支架材料的性能必將越來(lái)越接近骨組織工程學(xué)的理想支架材料的要求。

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Research and applications of silk fi broin and it's composites for bone tissue engineering

HOU Chun-chun, LI Sheng-chun,ZHANG Hu-jing, ZHOU Chan, XU Shui
(College of Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

This paper introduces the progress and prospects of the silk fibroin and its composites for bone tissue engineering applications. Silk fibroin is an excellent biomaterial, with fine mechanical property and physicochemical property, biodegradability and biocompatibility. It has been widely applied in various aspects of bone tissue engineering, and can get better application in modification or mixing with other materials.

Bone tissue engineering; Composite materials; Silk fibroin

TS149

A

1001-7003(2011)03-0013-06

2010-09-26；

2010-11-05

蘇州大學(xué)絲綢工程實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(KTS0917)

侯春春(1986－ )，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锊牧?。通訊作者：徐水，副教授，xushui@swu.edu.cn。