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科普文章《Theranostics》：用于软骨/骨软骨修复的丝素蛋白基生物材料研究
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目前软骨修复的治疗策略包括微骨折(骨髓刺激)、自体软骨细胞移植、异体/自体软骨移植，虽然这些治疗策略在临床上得到了广泛的应用，但仍存在一些不足。例如，微骨折常导致纤维软骨的形成。此外，异体/自体软骨移植的应用还受到供体短缺、整合性差、手术感染等因素的限制。近年来，组织工程已成为修复受损组织，如皮肤、心脏和骨骼的一种有前途的策略。丝素蛋白是一种天然的蛋白质材料，在临床上的应用已有几十年的历史。与合成材料和天然材料相比，丝素蛋白具有优异的韧性、生物相容性、生物降解性和热稳定性。此外，丝素蛋白还能显著促进骨和软骨再生。基于此，丝素蛋白基生物材料在生物医学领域，尤其是组织工程领域得到了广泛的研究和应用。 近日，上海大学ziyang zhou, jin cui等学者就近10年来丝素蛋白基生物材料在软骨/骨软骨修复中的研究进行综述，为设计和制备丝素蛋白基生物材料用于软骨/骨软骨修复提供理论依据。文章以“silk fibroin-based biomaterials for cartilage/osteochondral repair”为题在线发表在《theranostics》上。 丝素蛋白：来源、成分、结构和特性 丝素蛋白是蚕丝经过脱胶、漂洗、干燥等工序处理获得。丝素蛋白分子结构复杂，由二硫键连接的轻链(分子量26kda)和重链(分子量390kda)组成，如图2所示。丝素蛋白具有比其他天然材料和合成材料更好的力学性能(最大断裂伸长率为4%，极限杨氏模量为26%，极限杨氏模量为300-700mpa)。此外，丝素蛋白的力学性能可以通过改变晶体和非晶结构的大小、数量、取向和排列来调节。其化学成分和结构使其具有良好的生物相容性和生物降解性。丝素蛋白的降解产物(主要是氨基酸和多肽)不仅没有细胞毒性，而且可以为组织再生提供营养。这使得丝素蛋白具有良好的临床应用前景。事实上，丝素蛋白制备的外科缝合线和伤口敷料已广泛应用于生物医学领域。目前丝素蛋白在软骨/骨软骨修复领域受到越来越多的关注。 关节软骨和软骨下骨 关节软骨是一个多层组织，包括透明软骨层和钙化软骨层。软骨下骨在关节软骨正下方脱位。透明软骨、钙化软骨和软骨下骨形成了具有不同成分、结构和特性的巨大复合体。在设计用于软骨/骨软骨修复的丝素蛋白基生物材料时，应考虑透明软骨、钙化软骨和软骨下骨的特征。对于软骨层，只有一种软骨细胞呈梯度分布。一方面，对丝素蛋白基生物材料进行修饰，以促进软骨细胞的增殖和分化，另一方面，丝素蛋白基生物材料应被赋予梯度结构，以保证软骨细胞的梯度分布(类似于原代软骨)。对于钙化软骨层，丝素蛋白基生物材料应设计成致密结构。致密的结构可以阻止血管生成细胞从软骨下骨层向软骨层迁移，避免软骨层纤维化。对于软骨下层，添加金属离子可增强丝素蛋白基生物材料的生物矿化和抗菌能力。 丝素蛋白基生物材料的制备方法 （1）3d生物打印 3d生物打印是一种可控的快速成型和增材制造技术，允许个性化调整尺寸参数，并通过计算机辅助逐层打印复杂结构的生物材料。 （2）静电纺丝法 静电纺丝能够生产出直径更小、表面积体积比更高的长纤维。由于静电纺丝技术的高度可控性，可以制备大孔径的丝素蛋白基支架。 （3）冻干法 冻干法是制备生物材料的一种灵活、可控的技术，可以调节生物材料的孔径，具有工艺适应性强、造孔能力强、环境友好等优点。 （4）盐分浸析法 盐分浸析法通过在丝素蛋白溶液中加入盐颗粒诱导丝素蛋白聚集。通过去除未溶解的盐颗粒，可以获得多孔的丝素蛋白生物材料。 （5）交联法 丝素蛋白具有优良的交联性能，制备丝素蛋白基水凝胶常用的交联方法包括酶交联、添加交联剂、光交联和超声法等。 丝素蛋白基生物材料的种类 （1）水凝胶 水凝胶是通过物理或化学交联形成的亲水性三维网状高分子材料，具有良好的生物相容性。据报道，水凝胶的力学性能、形状和膨胀性能会随着温度、ph值和离子浓度等外部条件的变化而发生变化。基于这一特性设计的环境响应型水凝胶可以实现软骨和骨软骨药物的智能释放。例如，xu等人以sf和cs为原料，以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺/ n -羟基琥珀酰亚胺交联剂制备了一系列刺激响应型复合水凝胶。在不同的ph和离子浓度下，水凝胶的溶胀特性表现为刺激反应。这表明水凝胶具有很强的可塑性。重要的是，水凝胶的可注射性在组织工程中是非常实用的。这一特性使得水凝胶能够紧密贴合软骨缺损的界面，从而提升整合效果。 （2）支架 支架是三维多孔基质，通过提供特定的微环境来促进软骨/骨软骨的修复和再生。支架可以设计成不同的三维形状，以适应软骨/骨软骨的缺口。例如，gao等人成功制备了多孔脱细胞软骨基质/丝素(dcm/sf)支架，体外和体内实验均证实dcm/sf支架支持骨髓间充质干细胞软骨再生。 （3）微载体 微载体通常是指适合细胞培养、生长和运输的小球形支架，具有高比表面积(促进细胞生长和维持细胞分化表型)和可注射性(通过直接注射到靶部位实现组织再生)。 综上所述，丝素蛋白基生物材料在软骨/骨软骨修复领域得到了广泛的研究。未来，研究人员应开发适合养蚕的专用机械设备，并促进设备机械化，以降低丝素蛋白基生物材料的生产成本。同时，还需要对丝素蛋白基生物材料的制备工艺进行改进，在各种制备方法和功能修饰的帮助下，丝素蛋白基生物材料将更加多样化和智能化，生物材料结合第四维“时间”从3d生物材料转变为4d生物材料也是更重要的研究方向。随着软骨/骨软骨修复过程的进展，4d 丝素蛋白基生物材料可以自适应调节，以保证软骨/骨软骨的治疗性修复。我们相信丝素蛋白基生物材料在软骨/骨软骨修复方面具有广阔的临床应用前景。 .doi: 10.7150/thno.74548 浙江星月生物科技股份有限公司 发自小木虫IOS客户端 |
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