丝素蛋白（从蚕丝中提取的高分子纤维蛋白）

特性

丝线用做手术缝合线已有很久历史，其良好的生物相容性和优良的力学性能已众所周知。虽然曾有人对丝素蛋白用于生物医学材料可能产生的致敏性和可降解性提出过质疑，但setzen等曾在一项综合性研究中指出，丝素蛋白引起的异体反应并不比其他一些医学常用材料严重；丝素蛋白生物降解虽然缓慢，但并不是不可降解，是可以被缓慢吸收的。

altman等认为丝素具有如下优点：

丝素蛋白产品

(3)可以通过不同处理方法获得膜或其他形态，而且工艺相对简单；

(4)可以通过某些氨基酸的氨基和侧链的化学修饰较容易地改变表面性能；

(5)在体内外可以缓慢降解；

(6)对生物体无危险性。

介绍

丝素蛋白介绍

基本功效

蚕丝是天然的蛋白质纤维，其中含有70%左右的丝素，而丝素中蛋白质丰富，含有18种氨基酸．其中亮氨酸可加速细胞的新陈代谢，丝氨酸、苏氨酸可延缓皮肤老化，色氨酸、酪氨酸能吸收紫外线，因此将丝素蛋白的各种优异功能转移到与人类朝夕相处的服用纤维中，对人类皮肤进行呵护，使人类拥有健康的皮肤．符合新世纪人类的绿色消费观念。

同时，在各种服用纤维中加入丝蛋白．可以改善纤维的各种性能，如可一定程度的提高吸湿性．增进染色性和抗静电性，有利于穿着舒适性。

丝素蛋白洗发露

● 丝素蛋白在毛织物中的应用

把丝素涂层在羊毛纤维表面可形成双组分纤维，产生一种既具有丝织物的手感又具有羊毛纤维天然特性的织物．被溶的蛋白质被涂层在用多官能团的树脂预处理过的羊毛织物表面，再通过使用实验室的轧染机在纤维表面形成丝蛋白的均匀涂层。所有处理后的织物样品同未被处理的织物样品相比，都有柔软感和毛茸感．特别是毛/丝织物。

用浓度为0．5%的丝素丝胶水溶液对有一定染色牢度的实验羊毛白布以1：20的加工浴比，在不同温度下进行一个小时的处理．然后在40cC的流水中洗15分钟，而后自然风干。染色性良好，在纤维鉴别染色上显示出接近丝绸的色相，使用SEM观察，羊毛鳞片表面和羊毛鳞片间有被丝胶和丝素附着的现象，摩擦系数变小，触感有滑爽感、身骨感和厚实感。

将羊毛的机织织物先进行阴离子化预处理，然后浸渍在溶有阳离子树脂的丝素水溶液中，该树脂通过与羊毛的离子键结合使丝素微粒固定在羊毛纤维上。

经过修饰的羊毛纤维表面均匀而牢固的附着上了丝素微粒，使羊毛织物具有丝绸的质感和光泽，并且改善了耐用性：由于丝素附着均匀，织物无染色瑕疵；丝素牢固的吸附在纤维上，重复洗涤不会脱落．耐洗性良好。

蚕丝的美容功效，早在唐代孙思邈《千金要方》、宋代王怀隐《太平圣惠方》、明代李时珍《本草纲目》等医籍中均有记载。由于蚕丝的天然亲肤力十分明显，所以在古代美容术中，早已被广泛应用。受当时技术条件限制，古代是将蚕丝研成细末，调涂于面，令肌肤润泽而白净。

现代研究证实，蚕丝的养颜美肤功能，主要与蚕丝中所含的丝素蛋白有关。丝素蛋白含有18种氨基酸和多种微量元素，与人体皮肤有较强的亲和力，很容易被人体肌肤吸收。现代生化技术和纳米技术的诞生，进一步提高了肌肤对丝素蛋白及其他微量元素的吸收。

据资料显示，韩国女明星容貌之所以如此白皙粉嫩，光滑透亮，缘于丝素蛋白显著的美容功

能增加皮肤角质层的含水量，促进胶原蛋白合成，增强皮肤的张力和弹性，促进色素分解，均匀肤色。经常使用丝素蛋白美容护肤品，可以使皮肤白净、滋润、光泽、富有弹性，对灰黄、黯哑、干纹、松弛的问题皮肤能明显改善。

蚕丝作为一种天然护肤品，由于其功效明显，安全无副作用，因此在美容护肤领域中，拥有巨大的优势与发展空间。

丝素是一种源于蚕丝的天然高分子蛋白质，其含量占蚕丝的70%～80%，含有18种氨基酸，其中的11种为人体必需氨基酸；另一方面，丝素蛋白对人体无毒害作用，安全可靠，具有良好的生物相容性，适于开发成功能性材料 [1]。因此，随着对其独特氨基酸组成及结晶结构等理化特性研究的深入，国内外对丝素的应用正从传统的纺织领域积极向多领域探索，丝素蛋白在生物医学材料领域的应用也日趋广泛和深入。

1 丝素蛋白在固定化酶和抗体方面的研究与应用

丝素作为固定化载体材料的研究早在上个世纪八十年代就有报道。从最早采用丝素蛋白材料固定葡萄糖氧化酶开始，丝素蛋白材料已被研究用于固定多种酶和抗体。

黄晨等 曾研究过丝素膜固定青霉素酰化酶。他们以丝素蛋白膜和Sephsrose CL4B（交联琼脂糖）为载体固定青霉素酰化酶（PA），详细研究了固定化前后酶性质的变化。结果表明与自由酶相比，固定化酶的热稳定性及pH值稳定性有很大的提高，此外研究发现用丝素蛋白膜为载体比用sepharose为载体制备的固定化酶具有更高的热稳定性，显示了丝素蛋白作固定化酶载体的优越性。丝素膜也可以与其它物质一起形成共混膜来固定各种酶。纪平雄等曾用丝素-壳聚糖合金膜固定超氧化物歧化酶。他们采用富含自由氨基的丝素-壳聚糖合金膜为载体，吸附固定从柞蚕蛹提取分离的超氧化物歧化酶（SOD），研究并确定了固定化的最佳条件，分别为酶浓度38U/ml、pH6.3、温度4℃～8℃、时间15h。制得的固定化酶活力为89.1U/g载体，酶的活力回收达到35.9%。

丝素蛋白固定酶一般采用简单包埋法和共价交联法。朱祥瑞 用丝素蛋白为基质利用这些方法先后研制了丝素固定化糖化酶、丝素固定化过氧化氢酶、丝素固定化果胶酶、丝素固定化α-淀粉酶等，得出固定后的酶对不良环境的抵抗能力较强，有较长的操作半衰期、最适反应pH和最适反应温度范围较广，酶的活力也有所提高。

应用研究

长期以来，蚕丝主要作为衣服原料使用，自七十年代末期，国内外研究人员才开始重视蚕丝新用途的研究及产品开发。经八、九十年代各国科研人员的共同努力，已在日用化工、医药及生物材料、保健功能性食品等领域取得了令人瞩目的成就。如日本利用蚕丝蛋白水溶液添加丙烯酸，经接枝聚合反应，获得高吸水性的聚合体作为药力缓和剂来提高药效；又用丝素蛋白来固化丙氨酸酶，防止直接口服与肠内消化酶发生作用而失去活性，从而提高丙氨酸酶对消化酶的稳定性等等。

我国应用蛋白质作为护肤原料有着悠久的历史，在唐、宋、明、清历代宫庭太医院医案中就有应用鸡蛋清、人乳、蜂蜜、动物蛋白等等作为护肤原料的记载。二十世纪30年代，德国的一家化学公司在进行羊毛染色时得到进一步的证明，即通过添加一种蛋白质使另一种蛋白质得到保护；70年代后期在“一切回到大自然中去”的召感下，越来越多的天然动植物蛋白原料被相继开发和利用。如珍珠蛋白、猪皮水解蛋白、动物胶(骨胶、明胶等)蚕丝蛋白等等，并在日用化工、医药工业上被广泛应用，而且日益受到人们的信赖。

笔者等从八十年代开始，开展蚕丝蛋白(丝素肽)的提取及在日用化工中的应用研究，至今己开发出系列产品10多只，深受消费者的好评，课题先后被列入省重点攻关、省“星火计划”推广项目等，产生了较好的社会与经济效益。

蚕丝蛋白主要含有丝素和丝胶二种不同的蛋白质，经脱胶后得到不溶性丝素蛋白，丝蛋白在一定的条件下水解即可制得可溶性丝蛋白(丝素肽)，生产中采用的水解法主要有酸水解法(硫酸、盐酸)、碱(氢氧化钠)水解法和酶水解法等，笔者等经反复探索，认为用于化妆品添加剂采用盐酸水解法最理想，而用于食品添加剂采用酶法水解较合适。

经研究分析蚕丝蛋白质与人体皮肤角质朊结构极为相似，但它为纤维状蛋白质，分子量在3～30万左右，不溶于水，用于保护头发、皮肤的蛋白质类制品，国际上公认的水解蛋白的分子量在1000～5000左右，分子量太大或太小，头发、皮肤都不易吸收利用。经过多年反复试验，我们找到了一条用料省、得率高、产品质量稳定，没有三废排放的工艺技术路线，即采用水解法，并严格控制反应条件，使蛋白质不完全水解。在技术处理上掌握水解成多肽的形成：得到分子量在一定范围内的蚕丝蛋白丝素肽，它既保持蚕丝蛋白与皮肤良好的亲和性、吸湿性与放湿性，赋于皮肤毛发自然光泽，起保湿作用，又易于渗入皮肤与毛发内部，很快被吸收，为皮肤和毛发正常代谢提供必需的养分，对防止皮肤与毛发受化学和机械损伤起到保护作用。其提取工艺流程是：

蚕种场削口茧及下脚丝一丝素蛋白一水解一过滤提纯一滤液pH测试调整一浓缩一灭菌一成品。

①削口茧、下脚丝去杂脱胶：即把蚕种场制种的削口茧壳内的脱皮或缫丝厂的下脚丝中的杂质剔除，然后在一定浓度的弱碱溶液中煮沸半小时，取出茧丝用水漂洗几次拧干(脱胶)。②水解：严格控制反应的温度、浴比、时间、溶剂浓度等条件，掌握至多肽的形式终止水解。③过滤提纯：滤去没有完全水解的固体物质及杂质。④pH调整：用pH调节剂调整pH在6．5~7．0左右。⑤浓缩：把pH调整后的水解液上柱在薄膜浓缩器上进行浓缩。⑥灭菌：(浓缩后的水解蛋白液如在食品上应用用酶制剂继续酶解，控制分子量在300~800左右中止，然后灭菌。)加入微量防腐剂，以防霉菌的滋生。

丝素肽又名丝多缩氨酸(SILK Polypeplide)，其多肽键的基本结构为

其中Rl、R2……R。为氨基酸侧基。

丝素肽含有十七种氨基酸，其中人体所需的氨基酸几乎具备，特别是人体皮肤、毛发十分需要的营养氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、酪氨酸)其含量占到氨基酸总量的80%以上，这是其他水解蛋白所不可及的。

2．1技术指标：①外观形状：淡黄色透明液体，无特异气味，易溶于水。②双缩脲反应为阳性，紫外吸收光谱在波长200~240nm处有强吸收峰。③pH值6～7。④比重(d 2。o)1．000~1．050。⑨蛋白质含量：>/14%。⑥氨基酸：共17种，每ml中含87mg以上。⑦灰分：1%以下。⑧重金属汞、砷、铅分别在1ppm以下。⑨细菌总数(个/m1)≤10。⑩粪大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌均不得检出。

2．2质量指标：丝素肽是由天然蚕丝经特殊工艺提取而成，因此，氨基酸组成与含量是衡量产品质量的重要指标之一；而丝素肽分子量的大小与护肤功效的发挥又有着密切的联系.

研究进展

丝素蛋白是一种从蚕丝中提取的蛋白质，具有很好的生物相容性，能制备成膜、凝胶、微胶囊等多种形态的材料，由于它独特的理化性能，丝素蛋白材料在生物医学材料领域被广泛的研究，如固定化酶材料、细胞培养基质、药物缓释剂、人工器官等等。为了提高丝素蛋白的性能，使其更好地应用于生物材料领域，国内外学者通过不同方法对丝素蛋白进行了化学修饰，取得了一些新的研究成果。本文概述了丝素蛋白材料改性在提高丝素蛋白材料的力学性能、热稳定性等理化性质；改变丝素蛋白材料对药物的释放速度；赋予丝素蛋白材料抗血凝性、对细胞生长的调控性等方面的研究报道。

力学性能

丝素膜是被研究得最早和最深入的丝素材料，它是由丝素溶液干燥而得。经不溶化处理后的丝素膜脆性，是丝素膜的最大缺点。造成不溶化处理后的丝素膜脆性的主要原因是：丝素蛋白质大分子肽链上的肽键—CO—NH—中的C—N的键长为0.132nm，比C—N单键的键长0.147nm要短一点，比C=N双键的键长0.127nm要长些，使肽链具有部分双键的性质，刚性较大，影响了丝素蛋白质大分子主链的柔顺性。在经不溶化处理过程中，丝素蛋白的结构会发生从任意卷曲到β结构的转变。在丝素蛋白发生结构转变后，侧链与侧链间、侧链与主链间以及分子与分子之间可形成大量的氢键结合，产生大量的次级交联点，使丝素蛋白质大分子更难以运动，致使丝素膜的柔软性、伸长和弹性都较差。不少研究通过共混、接枝、交联等方法，以提高和改良丝素膜的力学性能。

Freddi等曾报道过丝素蛋白/纤维素共混膜的性能。纤维素的加入可以有效地改变共混膜的力学性能。拉伸断裂强度随着纤维素的含量从20%起呈线性增加，断裂伸长率则在20%～40%间急速增加，而后趋于缓和。含40%纤维素共混膜的柔韧度大约是纯丝素膜的10倍。共混膜柔韧度的提高由多种因素促成，如纤维素的力学性能的影响；共混膜的吸湿性纯丝素膜强，含水率的提高有利于丝素膜的柔韧度提高；相邻丝素蛋白链和纤维素链在无定形区内的相互作用产生的影响等。

李明忠等曾报道过关于丝素/聚氨酯共混膜的力学性能的研究。结果表明，随着聚氨酯所占比例的提高，丝素/聚氨酯共混膜的断裂伸长率明显增大；当聚氨酯所占比例大于40%时，断裂伸长率增长速度明显加快。当共混比例为50∶50时，断裂伸长率从60.2%提高到226.2%。聚氨酯阻止了丝素蛋白质大分子链段间产生过多的氢键结合，降低了丝素的结晶度，增加了可自由伸展链段，加上聚氨酯主链本身具备很好的柔顺性，所以共混膜的柔软性、弹性明显比纯丝素膜好。

聚乙烯氧化物（PEO）是一种具有很好生物相容性的聚合体。他们在高浓缩的丝素溶液（8%）中加入不同比例的PEO溶液制成共混膜，发现加入2%的PEO可以提高膜的强度，而在其他浓度下膜的强度则降低。这种现象可以用相分离来解释。PEO和丝素蛋白两种聚合体发生相分离，阻止了丝素蛋白相内的相互作用。

当PEO含量达40%时，共混膜的断裂伸长率可从原来的1.9%增加到10.9%，因此，PEO的加入有助于丝素蛋白柔韧性的提高。另外，研究还发现PEO能方便地从共混膜上萃取，因此，很容易控制膜的多孔性和表面粗糙程度。

王朝霞等人研究了丝素/聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）共混膜的制备方法和性能。结果表明，PVP与丝素蛋白共混后，可使共混膜增加伸长率、吸湿性以及透气性，改善了丝素创面保护膜的性能和应用效果。共混膜的强度随PVP含量的增加而有所降低。这是因为PVP是完全非晶态结构，其分子呈无规卷曲状，故PVP的加入使共混膜的强度降低。共混膜的伸长率开始随PVP的比例增加而下降，PVP/SF为2∶8时，伸长率较小，只有13%左右。而后伸长率又逐渐提高。PVP/SF为3∶7左右时，伸长率最大，可达18%以上。

关于丝素共混膜的研究还有丝素蛋白/海藻酸钠共混膜[5]，丝素/明胶[6]等等，都不同程度地增强了丝素膜的强度和弹性。

20世纪80～90年代，开展了较多的对丝素蛋白的接枝改性研究。刘剑洪等曾用四价铈盐作引发剂，引发丝素蛋白纤维接枝紫外吸收剂——2-羟基-4-丙烯酰氧二苯酮（HAOBP），虽然改善了丝素蛋白纤维的紫外稳定性能，且力学性能却大幅度地下降[7]。为了解决这一问题，刘剑洪继续采用“无引发剂聚合”法在丝素蛋白纤维表面接枝HAOBP的可行性。结果发现，这种接枝聚合方法是一种更为有效的改性方法。接枝0.6%HAOBP的丝素蛋白纤维，其热稳定性及紫外稳定性均得到了显著的改善，但力学性能没有下降。

Tsukada等曾研究了甲基丙烯腈接枝丝素纤维后物理性能的改变。结果表明，随着接枝物甲基丙烯腈的加入，丝素纤维的拉伸模量有所降低，这说明了接枝反应使得丝素纤维变得更加柔软且有弹性。

除了家蚕丝的化学接枝外，还有其他蚕丝的接枝共聚。Tsukada等研究了酸酐对柞蚕丝的化学修饰。柞蚕丝经LiSCN预处理后，与酸酐发生酰胺化反应。有意思的是，无论LiSCN预处理还是酰胺化修饰，共聚物的物理性能和热行为几乎没有发生变化，但是预处理后含水率有所增加，而酰胺化修饰后含水率却线性下降。柞蚕丝的这些性能为聚合反应提供较宽的适用范围，使得柞蚕丝很可能成为一种生物材料。

卢神州等以环氧氯丙烷和聚乙二醇（PEG）为原料，在碱性催化下反应得到聚乙二醇缩水甘油醚（PEGO），作为制备丝素蛋白膜的交联剂。随PGE含量的增加，膜的拉伸断裂强度和杨氏模量减小，断裂伸长率增大、机械性能比纯丝素膜有了明显的提高。

闵思佳等发现用二缩水甘油基乙醚作为交联剂所制备的丝素蛋白质凝胶（CFG）具有良好的强度和柔韧性。根据制作条件可达压缩强度大于100g/mm2,压缩变形率大于60%。另外，材料的力学强度跟丝素水溶液的浓度有关。4%（wt）的丝素蛋白质水溶液的各种凝胶的强度和变形率均小于7%（wt）浓度的各种凝胶。这是因为丝素蛋白质浓度低时，形成的三维网目的结合点稀疏，因此，凝胶强度较低。要得到高强度CFG，除了合适的交联剂等外，还需有合适的丝素水溶液浓度。

热性能

聚丙烯酰胺（PAAm）是一种水溶性聚合物，它在生物医学和制药上被用作水凝胶，与血液有良好的相容性。因此，丝素蛋白与PAAm共混膜的性能也广受学者的关注。Freddi等曾报道了丝素/聚丙烯酰胺共混膜的结构和物理性能。通过测定混合前后热能的变化来分析，结果表明PAAm的加入，提高了丝素蛋白的热稳定性。即使PAAm含量很低（小于25%）时，膜断裂至少在300℃（比纯丝素蛋白高出100℃）。高温下，丝素蛋白的动力学损耗系数峰发生了很大的变化，这些都归因于PAAm链的导入增强了丝素链的分子运动所造成的。

释放速度

闵思佳等曾测试了酰胺化修饰丝素材料对离子型化合物的吸附释放性能的影响。结果表明：经修饰后丝素蛋白质的等电点为pH=6左右，而天然的为pH=4左右；与未修饰相比，经修饰的丝素膜对阳离子化合物的吸附量减少，对阴离子化合物的吸附量增加，而且经修饰的多孔丝素材料对阳离子化合物的释放量增加，对阴离子化合物的释放量则明显降低。因此，认为用羧基酰胺化修饰的方法，可在一定程度上改变丝素材料对离子型化合物的吸收释放性能。

另外，用甲壳素交联丝素蛋白膜可以获得半渗透聚合体网状物，对离子和pH具有很好的敏感性，被期望用作人工肌腱。有人曾用含有磁小体的交联壳聚糖丝素膜作为药物缓释材料来调控5-氟尿嘧啶药物释放情况和磁反应特性。结果表明，交联壳聚糖丝素膜的释放程度和诱捕效率比纯甲壳素微球体要好得多，5-氟的释放程度随着交联剂戊二醛浓度的增加而降低。

抗血凝性

异丁烯酰基丙烯酰基磷酸胆碱（MPC）是一种新合成的磷酸胆碱聚合物。在没有抗凝血剂的条件下，也能有效地阻止血凝的发生。把MPC聚合物接枝到丝素蛋白分子链上，可以很好地观察到接枝物的抗血凝性。Furuzono等通过异丁烯酰基丙烯酰基异氰酸酯（MOI）使丝素蛋白和MPC聚合体相互接枝。通过测定血小板在MPC-SF上的粘附能力，与原始丝素SF相比，血小板粘附量有了明显的减少。由此可以得出，经MPC修饰后的丝素材料的抗血凝性有所提高[17]。

此外，硫化丝素也具有很好的抗血凝性。它是通过丝素蛋白与硫酸或氯代硫酸在嘧啶溶液下反应所得。硫化后的丝素能延长血液凝固时间，并且随着硫酸基团的增加，抗血凝性也有了明显的提高。

调控功能

丝素材料具有良好的生物相容性，可以用来做细胞培养基质。为了增强丝素蛋白材料的功能，如更强的抗菌抑菌性，调控细胞生长速度等，一些研究尝试了化学改性的方法。

N-乙炔-壳聚寡糖（NACOS）含有6个以上的单糖单元，具有很强的抗菌性和抗肿瘤性。将其接枝到丝素蛋白上后，并在0.6%壳聚寡糖/丝素接枝物（NACOS-SF）上培养大肠杆菌24h后发现，此接枝物上大肠杆菌的细胞数目并没有明显的增加，这就是低聚寡糖（COS）发挥了作用。因此，NACOS-SF可以起到抗菌抑菌的效果。

他们利用氰尿酰氯（CY）把乳糖接枝到丝素蛋白主链上，所得溶液制成膜，在其上培养肝细胞，结果发现细胞粘附能力是纯丝素膜的8倍，与胶原相当；培养2d后，涂有接枝物的肝细胞形成的单层与胶原相比稍显圆滑和集中，更有利于肝细胞的培养。

为评估材料的亲水性，Gotoh等分别测定了聚乙二醇/丝素接枝物（PEG-SF）和丝素（SF）的水分含量和接触角。结果发现，PEG-SF含水率达380%，而SF只有32%。这也说明了亲水性PEG链接枝到丝素链上后，增加了水分含量，从而提高了丝素材料的亲水性。

亲水性的提高，可以带来其他性能的改变。Gotoh等以PEG-SF作细胞培养基质，与SF对照，比较细胞的生长率。结果显示，随着时间的推移，SF上的培养细胞个数有了明显的增加，而PEG-SF则几乎没有变化。从PEG-SF对细胞的低吸附性和低生长率上可以得出，PEG-SF可以调控细胞粘附的数量和生长速度。

经聚乳酸表面修饰过的丝素蛋白能够提高造骨细胞与修饰后的膜之间的交互作用，促进细胞粘附和增值[23]。

相类似的还有通过对精氨酸化学修饰，来影响对纤维原细胞的附着能力。

总结展望

丝素蛋白材料具有良好的生物相容性，在生物医用材料领域的应用前景甚广。但是，纯丝素蛋白材料的力学性能等尚未达到实用性的要求，而改性的研究是一种良好的途径。

我们期待着丝素蛋白材料能够通过改性以获得一种更具实用性的生物材料。