大豆蛋白在生物醫(yī)用材料中的研究進(jìn)展

李夢潔 柯軍 苗曉琳 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣州 510663）

大豆蛋白在生物醫(yī)用材料中的研究進(jìn)展

李夢潔 柯軍 苗曉琳 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣州 510663）

大豆蛋白以其優(yōu)異的可加工性、生物相容性和生物可降解性，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。本文綜述了近年來大豆蛋白及其改性產(chǎn)物在藥物載體、醫(yī)用敷料和組織工程支架等方面的研究進(jìn)展，并對其在該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

大豆蛋白 生物醫(yī)用材料 生物相容性

天然高分子以其優(yōu)異的性能及豐富的來源，在生物醫(yī)用材料（biomedical materials）領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而在眾多高分子材料的研究中，又主要集中于以膠原蛋白、纖維蛋白等為代表的天然蛋白[1]。然而，這類動物性來源蛋白的使用安全性仍飽受質(zhì)疑，其可能攜帶有動物病毒的風(fēng)險（例如由牛組織提取的膠原蛋白可能含有瘋牛病病毒和口蹄疫病毒等），在植入體內(nèi)后是否會帶來危害仍沒有明確的科學(xué)定論[2]。近年來，大豆分離蛋白（Soy protein isolation）作為一種植物性蛋白，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用正日益得到關(guān)注[3]。研究顯示，大豆分離蛋白具有優(yōu)異的可加工性、生物相容性和生物可降解性，其降解產(chǎn)物對細(xì)胞增殖和組織再生具有促進(jìn)作用。因此在藥物釋放載體、傷口敷料和組織工程等方面都具有極大的應(yīng)用潛能[4]。

1.大豆蛋白的組成與結(jié)構(gòu)

大豆蛋白是大豆的重要成分，是將豆粕除去大豆油和水溶性非蛋白成分后得到的一種由多種蛋白組成的非均一蛋白。其組成根據(jù)沉降系數(shù)的不同，可分為2S、7S、11S和15S四種，其中7S組分中的β-大豆伴球蛋白和11S組分中的大豆球蛋白（結(jié)構(gòu)如圖1所示）是大豆蛋白的主要組分，兩者占大豆蛋白的70%左右，大豆7S球蛋白是一類三聚糖蛋白（分子量141000 Da～170000Da），由疏水相互作用締合的α’（分子量58000 Da）、α（分子量57000 Da）和β（分子量42000 Da）三個亞單位組成。大豆11S是由酸性多肽（分子量35000 Da～37000Da）和堿性多肽（分子量20000 Da）構(gòu)成的、分子量為300000 Da～380000 Da的疏水性六聚體。此外，大豆蛋白中含有多種微量活性組分，其中被稱為植物雌激素的異黃酮，具有抑制軟骨細(xì)胞反分化的作用，即能夠抑制軟骨細(xì)胞異常膠原的表達(dá)并維持正常的II型膠原和蛋白多糖表達(dá)的能力[5]。異黃酮是一類由12種不同結(jié)構(gòu)組成的混合物，其中苷元結(jié)構(gòu)的染料木素（genistein）和大豆黃素（daidziein）是大豆異黃酮的活性成分。不同濃度的異黃酮對軟骨細(xì)胞的增殖表現(xiàn)出雙重作用，過高的濃度反而會抑制軟骨細(xì)胞的增殖，同時濃度對軟骨細(xì)胞膠原、蛋白多糖、IGF-1、TGF-β1 mRNA表達(dá)的作用也有較大影響。

圖1. 大豆球蛋白（a）和β-大豆伴球蛋白（b）的結(jié)構(gòu)模型

2.大豆蛋白的改性

理想的生物醫(yī)用材料根據(jù)使用范圍，需要具備合適的力學(xué)性能以滿足耐磨、耐壓、抗沖擊、抗疲勞、彎曲等醫(yī)用要求。大豆蛋白在干態(tài)時，硬脆性大，力學(xué)性能較差，同時其強(qiáng)親水性也導(dǎo)致了其耐水性差，為增強(qiáng)其力學(xué)性能和耐水性能，常采用交聯(lián)的方法進(jìn)行改性。例如利用戊二醛等醛類的交聯(lián)作用，與大豆蛋白分子中的賴氨酸和組氨酸的ε-氨基殘基反應(yīng)，可提高材料的疏水性；利用雙醛淀粉作為交聯(lián)劑，則能夠使大豆蛋白基質(zhì)的拉伸強(qiáng)度和疏水性同時提高?；瘜W(xué)交聯(lián)劑不可避免存在一定的生物毒性，研究發(fā)現(xiàn)，利用生物酶能夠使蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間發(fā)生交聯(lián)，改變其功能性質(zhì)。如轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶能夠快速水解大豆蛋白的酰胺基，催化大豆蛋白分子的交聯(lián)，交聯(lián)后的大豆蛋白凝膠強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性都明顯提高[6]。除了交聯(lián)，利用接枝反應(yīng)在大豆蛋白分子中引入其他高分子也可改善其相關(guān)性能，如與含有異氰酸酯（-NCO）的高分子反應(yīng)，不僅能夠改善其物理性能，同時能夠賦予其特殊的血液相容性和組織相容性。

生物醫(yī)用材料與一般材料的最大差別就是其還需具有良好的生物相容性，即材料在人體內(nèi)要求無不良反應(yīng)，不引起凝血、溶血現(xiàn)象，活體組織不發(fā)生炎癥、排拒、致癌等。研究顯示，大豆蛋白的主要組成：大豆球蛋白和β-大豆伴球蛋白具有一定的免疫原性，其致敏反應(yīng)的機(jī)理主要是由IgE抗體介導(dǎo)的I型過敏反應(yīng)[7,8]。Sun等利用皮膚致敏試驗來檢測大豆蛋白的致敏作用，以大豆球蛋白為對象，利用新生仔豬建立動物模型，通過在仔豬皮內(nèi)注射抗原蛋白發(fā)現(xiàn)其皮膚致敏反應(yīng)呈陽性[9]。Tircia等將大豆蛋白懸浮液注射入小鼠腹腔內(nèi)，觀察到有大量的白細(xì)胞浸潤，而將大豆蛋白膜植入小鼠體內(nèi)7d后出現(xiàn)強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng)[10]。糖基化被認(rèn)為是能夠消除大豆蛋白抗原的一種有效方法，利用大豆蛋白與單糖或多糖結(jié)合制備共價衍生物，可以基本上掩蔽大豆蛋白中原有的抗原結(jié)構(gòu)，從而降低或消除大豆蛋白的免疫原性。Van等利用ELISA進(jìn)行抗原性分析，發(fā)現(xiàn)在95°C中加熱5h后，大豆蛋白抗原僅下降20%，而相同條件下大豆蛋白-低聚果糖或果糖的糖基化衍生物的抗原性下降了90%[11]，同時多糖鏈的引入，還能夠增加大豆蛋白中的親水性羥基，并且可以導(dǎo)致蛋白二級結(jié)構(gòu)部分展開，使其分子鏈柔性增加，從而可以在一定程度上改善其機(jī)械性能和降解性能[12]。

3.大豆蛋白及其衍生物在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，大豆蛋白一直被視為營養(yǎng)保健物質(zhì)，研究表明其在胃腸道保養(yǎng)、緩解慢性腎病、預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥及癌癥等方面具有重要的價值，而在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用仍處于起步階段。其實，早在古代中國民間就曾廣泛使用大豆凝乳處理傷口，發(fā)現(xiàn)其可以有效促進(jìn)創(chuàng)傷面的愈合[13]。而在2002年，Vaz等提出了利用甘油增塑后擠出和熱壓成型的大豆蛋白基質(zhì)可以應(yīng)用于生物醫(yī)用材料[14]。隨后，開展的大豆蛋白的制備、細(xì)胞相容性評價、生物降解性等系列研究工作[15]，為大豆蛋白在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用起到了很好的促進(jìn)作用。研究認(rèn)為，大豆蛋白優(yōu)異的物理和生物學(xué)性能，在藥物釋放、傷口敷料和組織工程等方面都具有極大的應(yīng)用潛能。

（1）藥物釋放載體

大豆蛋白良好的可加工性，使其極易被加工為膜、微粒、膠囊、纖維等不同形狀；同時大豆蛋白的兩親性決定了其既可與親水性藥物互溶，又可與疏水性藥物混溶。Vaz等在2003年以茶堿為模型藥物，通過共注成型法制備了以不載藥物大豆蛋白為殼層、以載藥的大豆蛋白為核層的雙層藥物載體，并證明了這種雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有控制藥物緩釋的作用[16]。Chen等將大豆蛋白膜用于親水以及疏水藥物的釋放載體，研究其在腸胃環(huán)境下的釋放行為，發(fā)現(xiàn)酶作用下的膜降解控制了藥物釋放速率，通過交聯(lián)密度可有效控制藥物的釋放[17]。通過化學(xué)交聯(lián)或者共混改性，如利用琥珀酸酐?；男院笤倮梦於┙宦?lián)或者混入海藻酸鹽和聚丙烯酸鹽，引入pH敏感基團(tuán)羧基，可以實現(xiàn)大豆蛋白載體體系如微球、膜或水凝膠對pH的響應(yīng)性，以滿足在體內(nèi)不同部位pH環(huán)境下的藥物釋放要求。Zheng等利用大豆蛋白/海藻酸鈉共混物在氯化鈣溶液中的凝固成型制備復(fù)合微球，以氨茶堿為模型藥物，考察不同pH值對藥物釋放的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合微球在胃（pH為1）環(huán)境下不易溶脹，藥物釋放較慢，而在結(jié)腸（pH為7.4）環(huán)境下易溶脹，藥物可以快速釋放[18]。Liu等則以N’,N’-亞甲基雙丙烯酰胺和大豆蛋白為主要原料，通過游離自由基反應(yīng)和戊二醛的交聯(lián)反應(yīng)獲得了具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子水凝膠。該水凝膠具有溫敏性，作為載體時對藥物的釋放速率受溫度的影響，當(dāng)環(huán)境溫度為37°C時，釋放量與時間呈線性關(guān)系，并且隨著溫度的升高，藥物釋放速率減慢[19]。

（2）傷口敷料

理想的傷口敷料不僅需要能夠防止細(xì)菌和不良環(huán)境對傷口的損傷，同時也希望其能夠通過防止細(xì)胞脫水、促進(jìn)膠原蛋白的合成以加快受損部位的愈合。研究顯示，以大豆蛋白及其衍生物為原料制備敷料，能夠有效地保持傷口處濕潤環(huán)境，傷口不易結(jié)痂，不粘連，同時大豆蛋白還可以整合到血凝塊中，激發(fā)膠原蛋白的沉積，另外還具有載藥的特性，都顯示其在傷口敷料方面具有極大的應(yīng)用潛力。Zachi等將慶大霉素與大豆蛋白膜復(fù)合，通過控制交聯(lián)度可對復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控，交聯(lián)后膜的水蒸氣透過率達(dá)到2300g·m-2·day-1，這符合傷口敷料對水蒸氣透過率在2000～2500 g·m-2·day-1的要求，慶大霉素在復(fù)合膜中可穩(wěn)定釋放4周[20]。將大豆蛋白復(fù)合功能性納米粒子，如具有抗菌作用的納米Ti、納米Ag+離子，或具有加速傷口愈合作用的蒙脫石等，也可獲得具有良好抗菌和促進(jìn)傷口愈合的復(fù)合敷料。如Sun等將AgNO3溶液均勻分散在大豆蛋白水溶液中，通過流延成型干燥制備復(fù)合膜，結(jié)果顯示當(dāng)AgNO3濃度達(dá)到336μg/μL時，對大腸桿菌的抑制能力最強(qiáng)[21]。除復(fù)合功能性粒子外，大豆蛋白與其他高分子材料進(jìn)行共混改性也可獲得性能良好的敷料。如與帶正電的堿性多糖-殼聚糖復(fù)合，制備的復(fù)合膜沒有明顯的細(xì)胞毒性并能促進(jìn)細(xì)胞在其表面粘附增殖。動物實驗顯示，植入復(fù)合膜的傷口處在培養(yǎng)兩周后出現(xiàn)了新的上皮層，未修復(fù)傷口面積明顯小于未植入材料的陰性對照組，說明復(fù)合敷料具有縮短傷口愈合時間和促進(jìn)傷口組織快速上皮化的作用[22]。

4.組織工程支架

組織工程支架材料是能與組織活體細(xì)胞結(jié)合并能植入生物體的材料，在一定程度上是細(xì)胞外基質(zhì)的暫時替代物，是組織工程化組織的最基本構(gòu)架。大豆蛋白在組織工程領(lǐng)域中的研究仍處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)仍少見報道。初步證實大豆蛋白能夠顯著促進(jìn)成體細(xì)胞的增殖與分化。有研究直接將大豆蛋白顆粒與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在大豆蛋白自身微量活性物質(zhì)的作用下，能夠刺激成骨分泌膠原和骨結(jié)節(jié)，并抑制單核細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性，證明材料具有誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化為骨的能力[23]。Karen等將酶交聯(lián)后的大豆蛋白通過凍干法制備成三維多孔支架，通過酶的交聯(lián)控制其降解時間，人間充質(zhì)干細(xì)胞在支架孔內(nèi)生長狀況良好，分布密集，培養(yǎng)2周后仍保持正常的細(xì)胞形態(tài)[24]。Antonio進(jìn)一步將大豆蛋白基材料作為填充物植入新西蘭大白兔中，發(fā)現(xiàn)與未放入材料的對照組相比，植入8周后，缺損部位有骨基質(zhì)生成，并且有新的和不斷成熟的骨小梁形成，而且這些骨小梁有著明顯的網(wǎng)狀骨的特征，而未加材料組的缺損則未愈合[25]。以上結(jié)果均顯示大豆蛋白具有一定的促成骨活性，有望作為牙周外科、頜面外科和整形外科理想的骨填充劑或骨組織工程支架材料。

5.總結(jié)

大豆蛋白是一類來源廣泛、資源豐富且可再生的可生物降解天然高分子，其在食品工業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，通過一定的改性手段，在賦予其優(yōu)異的機(jī)械性能的同時降低其免疫原性，將能夠拓寬大豆蛋白在生物材料中的應(yīng)用。大豆蛋白在藥物載體、傷口敷料、組織工程支架等方面均具有非常良好的發(fā)展前景。隨著人們對生物制品安全性的關(guān)注，利用更為可靠的植物性來源的大豆蛋白替代傳統(tǒng)的動物性來源蛋白將會是未來生物醫(yī)用材料研究的一個熱點。

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[12～25] 略。

Application of Soy Protein Isolation in Biomedical Materials

LI Meng-jie TIAN Ye Institute of Guangdong Medical Equipment Quality Supervision and Inspection (Guangzhou 510663)

Soy protein isolation (SPI) showed potential application in biomedical materials for its great machinability, biocompatibility and biodegradability. This paper summarized the research development of SPI and its modifed product applied in drug carrier, surgical dressing and tissue engineering scaffold, and forecast the development direction of its application in this feld.

Soy protein isolation, Biomedical materials, Biocompatibility

1006-6586(2016)11-0010-04

R318.08

A

2016-09-14