家蚕丝蛋白生物材料新功能的开发及应用
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蚕丝蛋白在组织工程中的应用蚕丝蛋白作为一种天然材料,因其优异的生物可降解性、生物相容性和生物活性而备受关注。
随着生物技术的不断发展和进步,蚕丝蛋白在组织工程中的应用逐渐成为了一个热门研究领域。
本文将从蚕丝蛋白的基本特性、制备方法以及其在组织工程中的应用等多个方面进行探讨,旨在为读者提供全面深入的了解。
一、蚕丝蛋白的基本特性蚕丝蛋白是蚕丝蛾幼虫精细的腺体分泌物,主要由丝素和丝胶蛋白组成。
其化学结构与人体结缔组织中的胶原蛋白非常相似,且具有良好的生物相容性和低免疫原性,因此被广泛应用于组织工程领域。
蚕丝蛋白的生物可降解性比较好,可以被人体内的酶类降解成小分子物质,被清除出体内。
同时,蚕丝蛋白的生物活性也非常突出,可以促进血管生成、细胞增殖和再生等过程。
二、蚕丝蛋白的制备方法目前,蚕丝蛋白的制备方法主要有两种,一种是经过提取处理的天然蚕丝蛋白,另一种则是基因工程生产的重组蚕丝蛋白。
天然蚕丝蛋白制备方法繁多,具体操作流程根据不同的方法而有所不同。
最常用的操作方式包括蚕籽的饲养、蚕茧的取出、蚕茧皮的除去、蚕丝的提取和净化等过程。
而重组蚕丝蛋白则是通过基因工程技术,将蚕丝蛋白基因导入到表达载体中,然后通过细胞培养、纯化等过程获得重组蚕丝蛋白。
三、蚕丝蛋白在组织工程中的应用随着对蚕丝蛋白性质的进一步了解和制备技术的不断提高,蚕丝蛋白在组织工程中的应用也逐渐增多。
下面我们通过具体案例来了解一下蚕丝蛋白在组织工程中的应用情况。
1. 蚕丝蛋白支架的制备蚕丝蛋白支架是一种生物可降解的支架材料,可用于组织工程的修复和再生等工作。
其制备方法主要是将蚕丝蛋白加工成丝状或膜状,然后制成不同形状的支架样式。
此过程中需调节蚕丝蛋白溶液的浓度、PH值、温度等因素,以获得较高的力学性能和组织相容性。
2. 蚕丝蛋白的应用于皮肤修复蚕丝蛋白是一种能够促进细胞增殖和血管生成的物质,因此在皮肤细胞增殖和血管再生等方面具有潜在的应用价值。
研究人员通过将蚕丝蛋白与修复皮肤所需的细胞和生长因子结合,制成一种复合修复材料,可以应用于皮肤组织再生和修复。
蚕丝蛋白的合成及其仿生学应用的研究蚕丝蛋白是一种独特的天然蛋白质,在世界范围内有着广泛的应用价值。
其优异的物理化学性质和天然的生物相容性,赋予了其分别在医药、纺织、生物材料、电子等领域中的广泛应用。
本文将探讨蚕丝蛋白的合成及其仿生学应用的研究。
一、蚕丝蛋白的合成1.1 蚕丝蛋白的基础结构蚕丝蛋白是昆虫丝绸蛋白家族中唯一成纤维蛋白质,是由6种不同的丝素蛋白单体组成。
其中,丝素Ⅰ和Ⅱ是构成丝蛋白的重要组成部分。
在丝绸蛋白基因中,6种丝素蛋白基因分别编码了对应的丝素蛋白单体。
1.2 蚕丝蛋白的合成途径蚕丝蛋白的合成来源于蚕的蚕茧,主要以嫩茧为原料。
其产生的主要过程是经过松脱、热处理、碱性脱皮和酸性漂白等工艺步骤后,将蚕茧纤维的丝蛋白分离出来,再通过化学或生物合成方法将其转化为蚕丝蛋白。
二、蚕丝蛋白的仿生学应用2.1 蚕丝蛋白在医学领域的应用①仿生医学:由于蚕丝蛋白具有良好的生物相容性和水解性等特点,被广泛应用于仿生医学领域,如修复组织、修复器官等。
②药物增效:蚕丝蛋白是一种优异的药物载体,可以被用来增加药物的生物分布、延长药物的持续时间。
③伤口敷料:蚕丝蛋白具有良好的抗氧化性和抗菌性,适合用于伤口敷料等医用纺织品中。
2.2 蚕丝蛋白在纺织领域的应用①高档纺织品:蚕丝蛋白具有天然的闪光、柔软、透气、吸湿等特性,被广泛用于高档纺织品领域。
②功能性纺织品:蚕丝蛋白的优异物理化学性质使其可以被用于生产各类功能性纺织品,如保温、保湿等。
③医用纺织品:蚕丝蛋白的抗菌性、生物相容性和机械性能等特点使其适合用于医用纺织品中。
2.3 蚕丝蛋白在材料领域的应用①生物材料:蚕丝蛋白具有良好的生物相容性、弹性、耐久性等特点,可以被用于生产生物材料,如心脏修复材料、骨修复材料等。
②电子材料:蚕丝蛋白的特殊物化性质使其可以被用于电子材料领域中,如液晶显示器、太阳能电池等方面。
③环境友好材料:蚕丝蛋白是一种天然的、环保的材料,在制造过程中没有产生任何有害废气和废弃物,可以被广泛应用于环保方面。
蚕丝蛋白基因工程及其应用蚕丝是一种优异的天然纤维素材料,因其独特的结构和性能,在纺织、医疗、化妆品等领域具有广泛的应用前景。
而蚕丝蛋白作为主要成分,是蚕丝的关键组成部分。
近年来,随着基因工程技术的不断发展,人们开始利用蚕丝蛋白的基因工程来探索其广泛的应用价值。
蚕丝蛋白基因的克隆蚕丝蛋白基因是研究蚕丝的关键基因之一,其序列具有高度保守性,具有不同的蚕种及品系之间变异较小的特点。
因此,分离和克隆蚕丝蛋白基因是研究蚕丝的重要前提。
早在20世纪80年代,就有人开始尝试对蚕丝蛋白基因进行克隆。
随着PCR技术的发展和基因破译技术的不断完善,目前已经成功克隆出多种蚕丝蛋白基因。
这些蚕丝蛋白基因在结构和序列上有所差异,但都能够编码生物合成蛋白质所需的氨基酸序列。
蚕丝蛋白基因的功能研究在蚕丝蛋白基因的克隆过程中,同时对其功能进行了深入研究。
研究发现,蚕丝蛋白基因编码的蛋白质是一种非常复杂的大分子,由多种不同的基序组成,包括典型的重复序列、结构域和功能域等。
通过对这些基序的功能研究,人们逐渐揭示了蚕丝蛋白在蚕丝生长和形成过程中的作用机制,包括蚕丝的结构和力学性能等。
蚕丝蛋白基因工程的应用蚕丝蛋白基因工程作为一种新兴的技术,具有广泛的应用价值。
其中,蚕丝蛋白的纺织应用是最主要的领域之一。
在这个领域中,蚕丝蛋白基因工程技术主要用于改良蚕丝的性质和品质。
例如,通过改变蚕丝蛋白基因的重复序列,可以得到更加均匀和柔软的纤维。
此外,还可以通过改变蚕丝蛋白基因的组成和结构,来创造出新的纤维性能,如梦想蚕丝、金蚕丝等。
蚕丝蛋白基因工程也在医疗领域有广泛的应用。
蚕丝蛋白不仅具有良好的生物相容性和可降解性,还具有优异的生物结构和性能。
因此,蚕丝蛋白基因工程技术在制备可溶性蚕丝蛋白、蚕丝蛋白基质、蚕丝蛋白支架等方面有着广泛的应用前景。
这些产品广泛用于修复组织和器官、制备生物传感器、制造人工血管等领域。
此外,蚕丝蛋白基因工程技术还可以应用于化妆品、环境保护、食品添加剂等领域。
蚕丝丝胶蛋白的应用研究进展王雪云朱良均闵思佳杨明英邓连霞张海萍(浙江大学应用生物资源研究所,浙江杭州,310058)摘要:丝胶蛋白是一种球状蛋白,具有优良的生物相容性。
其回收方法正由传统的方法向非催化高温水解法,离心分离,低温结晶和超滤等方法转变。
丝胶蛋白具有易溶、吸水、凝胶化、抗氧化等特性,在生物材料、医药、化妆品、食品等方面具有良好的开发潜能。
丝胶蛋白的后续开发研究具有广阔的应用前景。
关键词:丝胶蛋白;结构;回收利用;进展the Exploratory Development Progress on Silk SericinWANG Xueyun,ZHU Liangjun,MIN Sijiang,YANG Mingying,DENG Lianxia,ZHANG Haiping (Institute of Applied Bioresource Research,Zhejiang University,Hangzhou 310058,Zhejiang,China)Abstract: Sericin is a kind of spherical protein, with excellent biocompatibility as a natural macromolecular. The way of extraction on sericin has been gradually shifted from traditional approaches to non-catalytic high-temperature hydrolysis method, centrifugation (CFG), low temperature crystallization (LTC) and ultrafiltration (UF). Sericin is characterized by soluble, hydroscopic properties, gelation action, antioxidantal, it has great potential for utilization in the field of biomaterial, medicine, cosmetic, foodstuff. The further development of sericin has broad prospects.Key words: silk sericin; structure; reclaim; developments蚕丝主要由丝胶和丝素两种蛋白组成。
蚕丝蛋白基因工程的研究与应用随着人类对基因的研究逐渐深入,基因工程也逐步成为生物领域的一个重要分支。
其中,蚕丝蛋白基因工程是近年来备受关注的一个研究方向。
蚕丝蛋白作为一种天然的优质纤维素材,具有优异的机械性能和生物相容性,被广泛应用于医药、纺织、纸张等领域。
而通过基因工程技术对蚕丝蛋白进行改良,不仅可以提高其性能,也可以拓展其应用领域。
一、蚕丝蛋白基因工程的研究现状蚕丝蛋白基因工程研究主要涉及到两个方面,一是通过基因编辑技术进行蚕丝蛋白基因的改良与优化,二是通过表达载体向大肠杆菌等微生物中导入蚕丝蛋白基因进行表达。
首先,蚕丝蛋白基因的改良主要涉及到基因编辑技术的应用。
在过去的研究中,研究人员主要通过CRISPR/Cas9等技术对蚕丝蛋白基因进行精准编辑,以达到优化蚕丝蛋白性能和拓展应用领域的目的。
例如,通过改变蚕丝蛋白中的氨基酸序列,可以调节其力学性能和生物相容性;同时,还可以插入其他功能性基团,以实现蚕丝蛋白的多功能化。
其次,蚕丝蛋白基因的表达也是蚕丝蛋白基因工程研究的重点之一。
目前,大肠杆菌是蚕丝蛋白基因表达的主要宿主,利用重组DNA技术将蚕丝蛋白基因克隆进大肠杆菌中,在其表达的同时,通过特定的工艺对蚕丝蛋白进行提纯和加工,最终获得高品质的蚕丝蛋白纤维。
二、蚕丝蛋白基因工程的应用前景蚕丝蛋白基因工程可以通过优化蚕丝蛋白的性能和拓展其应用领域,为产业的发展带来新的机遇和挑战。
以下是蚕丝蛋白基因工程应用的几个方面:1. 医药领域近年来,蚕丝蛋白基因工程在医药领域的应用备受关注。
由于其天然的生物相容性和良好的组织相容性,蚕丝蛋白纤维已经成为一种优质的医用修复材料。
通过基因编辑和表达技术对蚕丝蛋白进行改良和表达,可以获得具有更好性能的蚕丝蛋白纤维,这为医用修复领域提供了新的解决方案。
例如,将蚕丝蛋白改良成可生物降解的材料,可以成功应用于一次性医用敷料和血管支架等医疗器械中。
2. 纺织领域蚕丝蛋白素被称为“天然的纺织品”,以其高强度、高韧性和优良的手感而被广泛应用于纺织品行业。
蚕丝蛋白的生物学特性与应用蚕丝蛋白是一种由蚕的唾液腺分泌的特殊蛋白质,具有很高的生物学价值和经济价值。
蚕丝蛋白的生物学特性主要包括其成分、结构和性质,以及其在生物医学、材料科学、纺织工业、食品工业等领域的应用。
下面就这些内容进行详细的介绍。
一、蚕丝蛋白的成分、结构和性质蚕丝蛋白是由多种蛋白质组成的复合物,其中主要成分是丝素和谷蛋白。
丝素含有丝素I和丝素II两种蛋白质,分别占总量的50%和40%左右。
丝素I是一种高分子量的蛋白质,分子量约为350 kDa,主要由反复序列组成;丝素II分子量较小,约为25 kDa,含有大量含硫氨基酸。
谷蛋白是蚕丝蛋白中的次要成分,含有大量含硫氨基酸,它的存在对蚕丝蛋白的结构和性质具有重要的影响。
蚕丝蛋白的结构十分特殊,主要由β-折叠片和α-螺旋组成。
丝素I具有类似于胶原蛋白的基本序列,包括Gly-Ala-Gly-Xaa和Gly-Ser-Gly-Xaa的重复序列,Xaa为多种氨基酸;而丝素II则富含含半胱氨酸和谷氨酸的序列,因此其构象非常紧密。
这种特殊的结构赋予了蚕丝蛋白很高的拉伸强度和韧性,可以承受很高的压力和抗拉性能。
蚕丝蛋白的性质也非常独特,具有良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性等优点。
蚕丝蛋白可以与多种材料和生物组织相容,不会引起排异反应。
同时,由于蚕丝蛋白具有良好的生物可降解性,可以被生物体自然分解,并生成对生物体无害的水和二氧化碳,因此被广泛应用于生物医学和可持续发展领域。
二、蚕丝蛋白的生物医学应用由于蚕丝蛋白具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物活性等特点,被广泛应用于生物医学领域。
以下是几个典型的应用案例。
1. 修复组织缺损蚕丝蛋白可以作为组织工程中的生物材料,用于修复组织缺损。
蚕丝蛋白可以被制成人工皮肤、血管、骨组织等物质,可以促进组织细胞的生长与繁殖,加速细胞修复和新生。
2. 包裹药物蚕丝蛋白还可以作为药物的包裹材料,将药物由蚕丝蛋白固化成不同的形态直接送达到病灶,减少毒副作用,同时也能够提高药物的稳定性和释放效率。
蚕丝丝胶蛋白之纯化与应用研究
蚕丝丝胶蛋白是植物种子来源的高价值蛋白质。
它以其极高的营养价值和生物活性而家喻户晓。
经过研究,蚕丝丝胶蛋白具有良好的低血压抗炎降糖等多种生理活性,还具有出色的稳定性、饱和性、水性、抗菌性和抗氧化性。
因此,蚕丝丝胶蛋白的纯化及其应用已成为生物领域的重大研究。
针对蚕丝丝胶蛋白的纯化和应用,学者们提出了多样化的方法。
例如,研究发现利用击气法对蚕丝丝胶蛋白进行纯化效果更好;同时,可采用静电精分、离子交换法及离子析出等方法处理和纯化蚕丝丝胶蛋白。
此外,研究还提出可利用多种生物技术制备蚕丝丝胶蛋白多肽类和多肽类抗原、衍生物产品,用于小分子抗体等研究。
近年来,随着科学领域的发展,蚕丝丝胶蛋白的应用也日益增多。
例如,蚕丝丝胶蛋白可用於特定应用,如医药、食品加工和护理等;此外,蚕丝丝胶蛋白还可用於植物涂料以增加表面粗糙度、改善保水性和减少容量泄漏等方面的性能;它还能用于无机材料的组装,多孔结构的设计等方面的应用研究。
在现有技术体系中,蚕丝丝胶蛋白的纯化与应用受到了很大的发展,它的多模态的生理活性使它在生物医学、食品工业和微电子领域有着广泛的应用。
但是,因蚕丝丝胶蛋白的复杂结构和不确定性,目前,仍需要进一步研究其功能及应用方面的突破。
蚕丝蛋白生物高分子材料的应用研究新进展邓连霞,张海萍,杨明英,朱良均(浙江大学应用生物资源研究所,浙江杭州310058)摘要:本文综述了浙江大学应用生物资源研究所生物资源高分子材料实验室近5年来在蚕丝蛋白(丝素和丝胶)高分子材料在高吸水材料、支架材料、医用生物材料等领域的应用研究成果。
关键词:蚕丝蛋白;丝素;丝胶;高分子材料中图分类号:S886.9文献标识码:A文章编号:0258-4069[2014]03-005-04New Progress in Applied Research of Silk protein biopolymer materialsDENG Lian-xia,ZHANG Hai-ping,YANG Ming-ying,ZHU Liang-jun (Institute of Applied Bioresources,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China )Abstract:This paper summarized the application research achivement of silk protein biopolymer materials in superabsor⁃bent polymer,scaffold,biomaterials and other fields of the laboratory of Bio-resources and Macromolecuar Material Insti⁃tute of Applied Bioresources,Zhejiang University in recent 5years.Key words:silk protein;fibroin;sericin;biopolymer materials基金项目:现代农业产业技术体系专项(CARS-22)作者简介:邓连霞(1986-),女,湖北荆州人,博士后,从事蚕丝蛋白生物资源高分子材料研究。
蚕丝蛋白生物医学材料的研究进展摘要主要介绍蚕丝蛋白的结构,制备已经在生物医学材料上的应用优势。
针对蚕丝蛋白的结构和特点,综述了蚕丝蛋白作为人工神经、皮肤、骨骼、血管、肌腱、韧带和角膜等生物医学材料的功能开发和研究现状。
关键词:蚕丝蛋白丝素丝胶生物相容性生物医学材料AbstractMainly introduces the structure of silk protein, the preparation has application in biomedical materials. Silk protein is a natural polymer material with good mechanical properties,chemical properties,biodegradability and good compatibility with human body.It is a good biomedical material.In view of the structure and characteristics of silk protein,this paper reviewed the status quo and development of silk protein as artificial nerve,skin,bones,blood vessels,tendons,ligaments,cornea and other features of biomedical materials,as while discussed the prospects for their development.Key word:silk protein;fibroin ;sericin ;Biocompatibility;biomedical material引言蚕丝是一种天然纤维,是人类最早利用的动物纤维之一,在我国具有悠久的历史,享有“纤维皇后”的美誉。
蚕丝纤维的生物合成与应用蚕丝纤维是一种由蚕的唾液中分泌的蛋白质组成的纤维,它具有优越的物理性能和广泛的应用价值。
本文将重点探讨蚕丝纤维的生物合成机制以及其在不同领域的应用。
一、蚕丝纤维的生物合成机制1. 蚕丝蛋白基因蚕丝蛋白基因是指编码蚕丝蛋白蛋白质的基因。
这些基因存在于蚕的基因组中,并在特定时期被激活以进行蛋白质合成。
蚕丝蛋白基因的序列和结构决定了蚕丝纤维的组成和性质。
2. 蚕丝蛋白的合成蚕丝蛋白合成主要发生在蚕的丝腺细胞中。
当蚕开始吐丝时,丝腺细胞会分泌出活性物质,将其转化为丝素蛋白。
丝素蛋白之后被拉伸和交联,形成蚕丝纤维。
这个过程中涉及到多个酶的作用,如丝素酶、肽酶和丝酶等。
3. 蛋白质后修饰蚕丝蛋白在合成过程中经历多种后修饰,提高了蚕丝纤维的机械性能。
例如,蛋白质的磷酸化能够增加蚕丝纤维的拉伸强度和韧性。
此外,蚕丝在形成纤维过程中还会发生交联反应,进一步增加了纤维的稳定性和强度。
二、蚕丝纤维的应用1. 纺织行业蚕丝纤维是一种高度柔软、光泽度高且具有良好透气性的纤维材料。
因此,在纺织行业中广泛应用于高档服装、蚕丝被及家居用品等制作。
其独特的物理特性使其成为一种理想的纺织原料。
2. 医疗领域蚕丝纤维具有优良的生物相容性和生物降解性,因此在医疗领域具有广泛的应用前景。
蚕丝纤维可以制备成生物可降解支架,用于组织工程和修复。
此外,蚕丝纤维还被用于制作医用缝线和人工人体器官。
3. 电子领域由于蚕丝纤维具有良好的导电性和柔韧性,近年来在电子领域的应用得到了广泛关注。
蚕丝纤维可以用于制备高性能柔性传感器、柔性显示器和柔性电子器件等。
其独特的特性为柔性电子技术的发展提供了新的可能性。
4. 生物材料领域蚕丝纤维由于其良好的机械性能、生物相容性和可降解性,在生物材料领域中也有广泛的应用。
蚕丝纤维可以用于制备生物医用材料、组织工程支架和药物传递系统等。
其在这些应用中的优势主要体现在其天然来源和良好的生物相容性。
关于生物科技论文范文2000字怎么写生物技术的主要作用是通过农业和医药的进步,提高我国人民的健康保障,生物技术在我国的健康保障中作出了极大的贡献。
下面是店铺整理了关于生物科技论文2000字范文,欢迎阅读!生物科技论文2000字范文篇一:《谈谈生物高科技的发展》摘要:生物技术的主要作用是通过农业和医药的进步,提高我国人民的健康保障。
生物技术有着诱人的前景,是我国经济发展的希望所寄,它不仅能成为重要的生财之道,而且可能成为二十一世纪的经济支柱,对人类做出重大贡献。
关键词:生物高科技发展中国是一个发展中国家,农业是我国发展国民经济的基础,它为人民提供生活的基本需要。
生物技术的主要作用是通过农业和医药的进步,提高我国人民的健康保障。
从这一意义上来说,我国发展生物技术的目标应不同于发达国家,应有自己的特色。
1、政策与策略(1)生物技术应置于我国高科技发展计划之首,因为,生物技术的进步可以改造农业,包括谷物,肥料和家畜。
(2)优先发展农业包括农林牧渔,其次是医药卫生、轻工与食品领域内的生物技术新产品。
研究的重点要向农业倾斜。
生物技术的发展应尽快形成高技术生产体系。
研究项目应是有限目标,优先发展一批国内急需、技术成熟、经济效益和社会效益显著、国内有一定基础和条件的生物技术新产品。
(3)采用现代生物技术,加速传统产业的技术改造,以提高技术水平和产量,改进产品质量,增加品种,减少环境污染。
为此,在农业方面,我们应采用新技术与传统技术相结合的方法,加强优良品种的选育;在医药、轻工业方面,积极采用遗传工程、酶工程和发酵工程新技术,改革传统的生产工艺,以提高产量,增加效益。
(4)大力加强生物技术的开发工作。
例如,大力研制新型发酵设备,它既可用于细菌培养,也可用于哺乳动物细胞培养;生产蛋白和核酸的纯化仪器和监测分析仪器等,以促进科研成果迅速转化为生产力。
(5)重视生物技术以及有关领域的基础研究。
开展基础研究,可以为改进现有技术和发展新技术提供理论基础,也是消化吸收国外先进技术和培养人才的重要条件。
纤·纤纺广角Cover .Articles蚕丝生产的发明技术最早源于我国,至今已有5000余年的历史。
从古至今我国都是世界上蚕丝生产和出口大国。
古代丝绸也是我国长期对外贸易的主要商品,经历几个世纪而经久不衰,从而孕育了举世闻名的“丝绸之路”而享誉世界,“丝绸之路”是一条连接中国腹地与欧洲诸国的陆上商业贸易通道,也是一条东方与西方之间经济、政治、文化进行交流的主要道路。
蚕丝是一种主要由蛋白质组成的天然纤维,有着其他纤维无法比拟的优良特性,它有良好的吸湿、保暖性,用它纺织的丝绸面料柔顺且有质感,表面光滑,对人体的摩擦刺激系数在各类纤维中是最低的,与人体有很好的生物相容性,所以蚕丝素有“人体第二皮肤”的美誉,被业界称为“纤维皇后”,服用性能极佳。
近年来,随着多种新型纤维的问世以及传统养蚕种桑区域的减少,大大降低了蚕丝在传统纺织材料中的占比。
另外由于桑蚕丝缫丝加工工艺一直比较落后,对环境对人体都有不小的危害,造成桑蚕丝产量一直不高,满足不了人们的消费需求,从而催生了人造蚕丝蛋白纤维的研究。
1 人造蚕丝蛋白纤维及其研究现状人造蚕丝蛋白纤维是指利用蚕丝下脚料和废旧回收蚕丝丝绵以及其他动植物蛋白为原料,经溶解为丝素蛋白溶液,一般用湿法纺丝而成的纤维。
有关人造蚕丝蛋白纤维的研究开发最早来源于日本仿生学的研究[1]。
上世纪初,日本就有人研究叫作“再生蚕丝”,苏联也有相关报道《丝朊纤维原液的制备及纺丝》[2],但技术上都不成熟,没有实现产业化。
到1979年,日本有人发表了关于人工绢丝专利,1983年又有报道制得丝蛋白水溶液,用湿法纺丝。
2017年瑞典和德国的科学家计划开始生产一种低成本的人造丝绸,目前,他们已经使用乳清蛋白成功生产出少量人工丝绸。
国内早期开展此项研究的主要有四川乐山的封纪述[2-3],上世纪80年代封纪述曾经与成都科技大学合作,利用蚕丝下脚料研制改性蚕丝[3]。
另外复旦大学高分子科学系的邵正中团队在再生蚕丝的制备及其结构和性能方面也做了初步研究[4,5],纺制出了力学性能优于天然蚕丝的再生蚕丝纤维。
442006.6家蚕丝蛋白生物材料新功能的开发及应用王玉军a,柳学广a,徐世清a,b
(苏州大学 a.生命科学学院;b.蚕桑研究所,江苏 苏州 215123)
摘要:家蚕丝蛋白质是一种具有良好透气与透湿性、无毒、无刺激、与人体相容性强的生物材料。文章总结了家蚕丝蛋白作为人造皮肤、血管、肌腱、韧带、骨骼和牙齿等人造组织材料,以及作为手术缝合线、隐形眼镜、角膜、抗血凝剂、药物控释材料、功能性细胞培养基质、固定化酶载体和生物传感器等生物医学材料的功能开发和应用进展,还总结了家蚕丝蛋白质在环保新材料、化妆品、保健营养食品等日化和环保领域的功能开发和应用方法。分析认为,由于家蚕基因组研究工作的重大成果,以及基因工程和生物技术的快速进步,家蚕丝蛋白质的生物功能有望在军事、航天、医学、环保等领域得到更深、更广地开发和应用。关键词:桑蚕丝;蛋白;生物材料;功能;开发应用中图分类号:TS149;S88 文献标识码:A 文章编号:1001-7003(2006)06-0044-05
收稿日期:2005-11-18;修回日期:2006-05-13基金项目:国家自然科学基金项目(30371086),国家茧丝绸风险基金项目(2003-29);江苏省国际合作项目(BZ2005003)作者简介:王玉军(1978—),男,硕士研究生,主要从事蚕学研究。
家蚕丝蛋白质含量高达98%,由70%~80%的丝素蛋白和20%~30%覆盖在外面的丝胶蛋白组成,丝素蛋白由一条H链和一条L链通过S—S键结合而成。丝胶蛋白质在缫丝和精练加工过程中,大部分随废水排放掉。以2004年蚕丝生产量计算,全国每年约有11000t丝胶作为废弃物被丢弃,不仅是原料的巨大浪费,也给水环境造成了很大的压力。丝蛋白富含18种氨基酸,其中Val、Leu、Ile、Phe、Met、Trp、Thr和Lys是人体必需的氨基酸。除碳、
氢和氮元素外,丝蛋白还含不超过0.7%的钾、钙、硅、锶、磷、铁和铜等多种无机元素[1]。随着科技发展,特别是材料科学、生物化学和分子生物学在蚕丝学领域广泛应用,素有“纤维皇后”美誉的蚕丝已不仅仅是一种纺织原料,其生物新功能在医学、材料科学、日化、食品和环保等众多领域都得到了广泛的应用,特别是丝胶蛋白质的新用途开发和应用对提高蚕业生产效益,减少环境污染有更加显著的意义。
1在生物医学领域的功能开发和应用1.1家蚕丝人造组织1.1.1家蚕丝人造皮肤利用家蚕丝蛋白质制造人工器官的研究工作主要集中
综述与译介Exploit and Application of New Biologic Material Function of Bombyx Mori Silk ProteinAbstruct:As biologic material, the Bombyx silk protein has the characteristics of comfortable,nonpoisonous, harmless and suitable for human bodies. This article summarized its functionalexploitation and application both in artificial tissue and biomedical materials. The former ismainly about artificial skin, blood vessel, tendon, ligament, skeleton, the latter includingoperation seaming string, contact lenses, cornea, and biologic sensor, etc.. It also introduces thefunctional development and application methods in daily cosmetic and the environmental protection,such as new materials of environmental protection, the cosmetics, health care and nutritious food.For the great achievement of silkworm抯 genome research work, especially the fast development of thegenetic engineering and biotechnology, the biologic function of silk will get wider development andapplication in military, spaceflight, medical science, environmental protection.Key Words:Mulberry silk;Silk protein;Biologic material;Function;Exploitation and appli-cation
WANG Yu-juna,LIU Xue-guanga,XU Shi-qinga,b
(a.College of Life Science; b.Institute of Sericulture, Soochow University, Suzhou 215123, China)45
2006.6在人造皮肤[2]。人类皮肤特别是真皮层被破坏后,皮肤将无法再生,只能进行皮肤移植,但移植后皮肤一般极难生长愈合。作为一种生物材料,家蚕丝素蛋白膜无毒、无刺激、无过敏,不产生占位现象且与人类皮肤组织有很好的相容性,能使创伤面无隙结合,有优异的愈合功能[3]。家蚕丝素蛋白膜的透水、透气性介于新鲜断层猪皮与储存断层猪皮之间,透水、透气性及与创面的黏合等方面性能优越,具备制造人工皮肤的材料要求;丝素膜分子的构象及结晶度与膜的物理机械性能有关,制膜时施以适宜的交联及接枝共聚处理或高分子膜复合可制得具有接近正常皮肤的柔软性、伸缩性及润湿强度的丝素蛋白膜,加之它完全透明,覆盖于创面能看到膜下创面的变化情况与愈合过程,给临床治疗及创面愈合的研究提供了方便[4,5]。苏州大学李明忠等人在国家863等重点项目支持下,研制出多孔家蚕丝素蛋白膜,膜的结构和性能可控,动物试验表明毛细血管和成纤维细胞能长入膜中,多孔丝素膜能够血管化,全部或部分成活;研制的抗菌性药物丝素创面保护膜是具有抗感染、加速创面愈合作用的新型烧伤创面覆盖材料。所含的药物抗菌谱广,对烧伤局部感染常见的G+球菌和G-感菌具有杀灭作用,可用于感染创面和深Ⅱ度烧伤创面的治疗[6,7]。丝素创面保护膜已经工业化生产,并在苏州开始用于临床。而家蚕丝素蛋白膜真正作为人造皮肤在临床应用还需要进一步利用细胞工程技术,将家蚕丝素蛋白膜与真皮干细胞有机结合,形成有人类皮肤细胞活性,具有皮肤生长和体毛再生作用的真正意义上的(人造)皮肤组织。1.1.2家蚕丝人造血管人造血管的研制开始于20世纪初,各国学者首先采用金属、玻璃、聚乙烯、硅橡胶等材料制成的管状物进行大量动物实验,但因其易在短期内并发腔内血栓而未能在临床上得到广泛应用。随着纤维材料和医学生物材料的不断发展,多种材料、多种加工方法生产的有孔隙的人造血管不断出现,并用于动物实验和临床。现在已经商品化的高分子材料人造血管有涤纶人造血管、家蚕丝人造血管和膨体聚四氟乙烯人造血管。家蚕丝素与人体的角蛋白、胶原蛋白的结构十分相似,具有极好的人体生物相容性。我国始于1957年研制蚕丝人造血管,目前上海丝绸研究所已制成多种类型和不同直径的真丝人造血管[8]。制造人工血管时,需要添加血液凝固阻止物质,硫酸化丝素由于具有阻止血凝的作用,作为需要量很大的人造血管高新材料已开始在日本应用[9]。1.1.3家蚕丝人工肌腱和韧带肌腱是连接骨骼肌和骨的致密结缔组织,通过肌肉的收缩带动关节的活动,由于杠杆作用和应力集中,以及各种创伤极易造成肌腱断裂或缺损,而其治疗和修复一直是骨科的一大难题。对于家蚕丝的力学特性研究发现,其强度和刚度数值与人体肌腱非常接近[10]。蛋白纤维作为天然的细胞外基质成分,有较好的介导细胞间信号传导及相互作用的性能。玉田靖等[11]在家蚕丝素蛋白中导入带电化合物,加速其与钙、磷酸团的凝集,进一步将带有负电荷的羟磷灰石结晶中的基团紧密凝聚,其钙的凝集量比无处理的丝素蛋白有大幅度的增加,特别是导入磷酸基的丝素蛋白中,钙的凝聚量比未处理的丝素蛋白高过10倍以上[12]。利用这种方法在丝素表面形成结晶物,经X线透射验证含有人骨的主要成分,证明家蚕丝具有骨结合性和附着性,完全可能作为人造肌腱和人造韧带的材料。组织工程化肌腱要真正应用于临床进行产业化的生产,关键是模拟体内环境在体外成功构建肌腱组织,因而在体外利用生物反应器模拟体内环境进行组织工程化肌腱的构建将是未来的研究方向。1.1.4人造骨骼、人造牙齿高分子量的丝素粉末经加热和加压后很容易按照模型成形,可以制成一定形状的固体,当添加黏着剂MMA或GMA后工艺性增强,其产品强度显著提高,能成为稳定的固体。尤其是添加GMA更为突出,若添加40%时得到的成形品可与聚丙烯的强度相仿,以此为材料作印章、纽扣、人造骨骼和人造牙齿等都较理想[13]。在丝上引进磷酸基团时,蛋白纤维就能够吸收钙离子,形成很强的结晶。而且,这些经过修饰的丝纤维有良好的拉伸性能。Furuzono 等[14]使用交替浸泡法使得磷灰石沉淀到丝纤维上,得到了这种很有潜力的生物材料,制作人造骨骼和人造牙齿更加理想。1.2家蚕丝生物医学材料1.2.1家蚕丝手术缝合线长期以来外科手术主要使用羊肠线作为可吸收缝线。羊肠线柔韧性欠佳,组织反应大,在消化液和感染环境下抗张强度耗损快,而且羊肠线吸水后会因膨胀而造成结扎不牢。针对其缺点,一系列可降解的纤维缝合线不断出现,主要有聚二氧杂环己酮纤维(PDS)、聚乙烯醇纤维(PVA)、聚乙交酯纤维(PGA)和聚丙乙交酯纤维(PGLA)聚乳酸(PLA)[15]。近年来,天然降解高分子材料得到生物医学界的追捧,美国和日本相继开发出甲壳素与壳聚糖纤维手术缝线。由于丝素蛋白的优良特性,日本蚕丝昆虫研究所则在蚕