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心知接了颠倒看，横也丝来竖也丝。

有情人情真意切，浪漫如「丝」，科(dān)研(shēn)人(gǒu)不舍昼夜，实验如斯。在科研大神眼中，浪漫如「丝」不算什么，载药如「丝」才是大事。毕竟，浪漫要命，载药救命。

本期#材料轻Talk，我们谈谈与「丝」有关的，恋爱以外的事情。

丝素蛋白（silk fibroin, SF）是一种由蚕茧提取出来的双亲性蛋白，含有18种不同的氨基酸，如甘氨酸、色氨酸、丙氨酸和酪氨酸等。它是天然可降解高分子聚合物，具有性质稳定、无毒性、价格便宜及不会引起炎症反应等特点，并表现出良好的可降解性和生物相容性。

丝素蛋白因其良好的特性，可通过各种制备技术加工成纤维、长丝、膜、支架、凝胶等材料。在生物医药领域，SF通常作为生物医学工程与药物递送载体的材料。除生物医用外，也有对丝素蛋白进行功能化探究，增加其本身不具有的功能，拓展其在智能纺织品、光电学器件等领域的应用。

▲ 丝素蛋白再生材料[1]

SF是一种基于蛋白质的生物大分子，具有大量重复的模块化疏水区域，这些区域被小的亲水基团打断。

SF的初级结构主要由甘氨酸(Gly)(43%)、丙氨酸(Ala)(30%)和丝氨酸(Ser)(12%)组成。SF是一种异二聚体蛋白，其重(H)链(~325 kDa)和轻(L)链(~25 kDa)由L链上的cys-172和H链上的cys C -20 (C端第20个残基)通过一个二硫键连接。此外，25 kDa的丝质糖蛋白P25通过非共价相互作用与二硫化物连接的重链和轻链相关。SF的链也含有大量极性侧链的氨基酸，特别是酪氨酸、缬氨酸和酸性氨基酸。

与两亲嵌段共聚物类似，SF的H链包含疏水和亲水交替嵌段。它是疏水的，并为丝线提供晶体样特征。H链的疏水结构域包含Gly-X重复序列，其中X为丙氨酸(Ala)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)和缬氨酸(Val)，可以形成反平行的β-片，从而提高纤维的稳定性和力学性能。这些疏水结构域之间的亲水性链接是非重复的，与疏水重复的大小相比非常短。它由大量重复的极性侧链组成，形成二级结构的非晶态部分。在非晶态块中的链构象是随机线圈，这赋予了丝线弹性。L链的性质是亲水的，具有相对的弹性。P25蛋白在维持复合物完整性方面起着重要作用。H链:L链:P25的摩尔比为6:6:1。[2]

此外，SF由天然氨基酸组成, 其在体外、动物及人体内都具有良好的生物相容性。体外研究表明, SF可依附成纤维细胞L-929 并促进其生长, 对免疫系统的黏附和激活有限; 体内实验则发现SF在大鼠中只引起可忽略不计的炎症反应。

SF能在体内生物降解且降解产物没有细胞毒性， 可被多种酶如蛋白酶XIV、胶原酶IA 等降解，生物降解速率受降解酶的类型影响。对SF生物相容性和生物降解性的研究表明，SF是安全无毒的天然高分子材料，解决了药物载体安全性的问题，使其在纳米药物递送系统的应用中具有一定优势。

丝素蛋白作为一种天然蛋白质聚合物，已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准为生物材料。

与任何其它材料一样，丝素蛋白可以通过与其他物质相互作用从而获得各种不同的性能，包括细胞粘性、生物稳定性、免疫调节、抗菌活性和超顺磁性等。[3]

现有的丝素蛋白纳米颗粒制备方法如下表所示：

去溶剂法

去溶剂法是目前是最便捷的方法之一。由于条件相对温和，也是制备丝素蛋白纳米颗粒最常用的方法之一。

去溶剂过程降低了蛋白质的溶解度，导致相分离。脱溶剂的加入导致蛋白质的构象改变，蛋白质从而凝聚或沉淀。简而言之，蛋白质最初溶解在溶剂中，然后逐渐被提取到非溶剂阶段。通过相分离，形成具有胶体组分/凝聚物的相和具有溶剂/非溶剂混合物的第二相。

在这个过程中，溶剂必须与非溶剂混溶。在初始工艺阶段后达到稳定的颗粒大小，因此进一步的脱溶(非溶剂的加入)单独导致颗粒产量的增加。在零净电荷(蛋白质的等电点)的条件下，凝聚过程更快、更有效，因此蛋白质溶液的pH值是非常重要的，可以根据所需的条件调整颗粒大小和工艺收率。

盐析法

盐析法是将蛋白质溶液盐化以形成蛋白质凝聚物。蛋白质有亲水和疏水两个部分。疏水部分可以与水分子相互作用，使蛋白质与周围的水分子形成氢键。随着盐浓度的增加，盐离子会吸引部分水分子，导致蛋白质分子之间的水屏障被清除，蛋白质-蛋白质相互作用增加。因此，蛋白质分子通过相互形成疏水作用聚集在一起，并从溶液中析出。

超临界流体技术

超临界流体技术作为常规颗粒制备方法的有用替代品，避免了传统技术的缺点。

超临界流体(SCFs)是在高于各自临界值(Pc;Tc)。SCF具有独特的热物理性质，可以穿透像气体一样的物质，溶解像液体一样的物质。超临界CO2(scCO2)由于具有良好的临界条件(Tc = 31.1°C, Pc = 7.38 MPa)、无毒、不燃烧和低成本等优点，在药物、食品和营养方面的应用较为广泛，在材料的纳米化领域具有巨大的潜力。

以上简要介绍了三种丝素蛋白纳米颗粒的制备方法，每种方法都有优点和缺点，因此选择合适的方法对形成丝素蛋白纳米颗粒的药物递送系统很重要。

纳米颗粒的制备仍然是一个具有挑战性的领域，需要进一步的探索。SF的高分子量和蛋白质性质使得纳米颗粒的制备难以控制。此外，SF在遇热、遇盐、pH变化时，容易自组装成纤维或凝胶。

药物递送系统由药物载体组成，其中活性药物被溶解、分散或封装，或活性成分被吸附或附在其中。药物载体材料在药物输送中起着重要作用。

这些载体可以加工成不同的药物控制释放系统，如纳米颗粒、微球、微胶囊、药丸、乳液等。其中，纳米颗粒因其被用作促进药物疗效的有效载体的能力而备受关注。

纳米颗粒作为药物载体最早是在20世纪70年代左右由Birrenbach和Speiser开发的。它们最初是尺寸从1~1000纳米不等的胶体颗粒系统，由于其“尺寸效应”而表现出独特的特征。纳米粒子可以保护药物免受降解，增强生物稳定性，靶向需要用药部位，生物利用度高，滞留时间长并降低患者的医疗费用和毒性风险。这些纳米颗粒通常可以使用各种材料制备，如脂质体、陶瓷、碳、金属、聚合物、胶束等。

另外，由于具有优异的生物相容性、更好的封装性和受控的药物释放性能，可生物降解聚合物纳米颗粒通常被用作药物输送系统。各种聚合物材料被用作药物输送基质，包括合成可生物降解聚合物，如聚乳酸（PLA）和聚乙二醇酸（PGA），以及多糖等天然聚合物，包括纤维素、壳聚糖、透明质酸、海藻酸盐、右旋糖和淀粉，以及含有胶原蛋白、明胶、弹性蛋白和SF。

SF具有与各种类型化合物结合的能力, 如小分子、蛋白及多肽类和核酸类药物等。以SF 为载体包封这些药物形成的纳米粒, 借助增强渗透与滞留 (EPR)效应有一定的被动靶向性, 且若SF经结构修饰, 还具有主动靶向性, 从而能降低全身毒性。而SF的降解速率决定着药物的释放速率, 可控制药物释放, 提高药物生物利用度, 在多种疾病的治疗中有着广泛研究。此外, SF可与其他高分子材料共同制备复合载药纳米粒, 改善对药物的包封, 维持药物稳定性, 促进吸收。

目前，已有广泛研究证明SF可用于递送小分子、蛋白及多肽类和核酸类药物，可提高药物包封率、减少药物降解、控制药物释放、降低不良反应。例如Song等使用盐析法制备SFPEI 纳米粒 (SPPs) 和磁性SFPEI 纳米粒(MSPPs), 再将纳米粒与c-myc 反义寡脱氧核苷酸 (ODN) 结合, 二者可能的结合机制是ODN 包裹纳米粒形成球形复合物。细胞毒性结果发现SPPs 和MSPPs作用时, 对人真皮成纤维细胞HDF 的细胞毒性都远低于乳腺癌细胞MDA-MB-231。

另外, 体外细胞摄取研究发现, SPP-ODN 和MSPP-ODN 均能将ODN 递送进入乳腺癌细胞MDA-MB-231 并显著抑制细胞生长, MSPP-ODN 还可通过磁转染实现药物快速有效的吸收。[4]

▲ Song等设计的SF纳米颗粒治疗机理图

此外, 利用SF纳米粒对pH/溶酶体酶/GSH/ROS内在刺激的选择性响应, 可设计靶向病灶部位按需释放药物的智能纳米粒药物递送系统。总之, 基于SF的纳米粒药物递送系统有着广阔的应用前景。

由于丝素蛋白具有良好的生物相容性、可降解性和无毒性，丝素蛋白纳米颗粒已被研究为输送各种药物的有前途的载体，包括小分子药物、蛋白质药物和基因药物等。可以提高SF纳米颗粒药物的吸收和生物利用度。SF允许在温和的条件下形成纳米颗粒。SF的生物降解率可以通过改变其结晶度、分子量或交联程度来调节。除了这些有用的特性外，SF还具有几种活性氨基和酪氨酸残基，可以很容易地修改以添加新功能。

尽管SF纳米颗粒具有优异的性能，使其成为有前途的药物载体，但仍然有必要应对一些关键挑战。每一种纳米颗粒制备方法都有利弊，重要的是要继续开发新的纳米颗粒制造技术，以满足不同的需求。

由于同一物种的物种和个体之间的SF差异，很难预测基于SF药物输送系统的降解能力和药代动力学。

此外，由于缺乏特异性和功能性，药物输送系统可能会表现出较低的治疗效率和毒性问题。可以开发包括基因工程或表面化学改性在内的表面工程策略，以提高治疗效率。随着技术的发展，丝素蛋白纳米颗粒具有更广泛的应用潜力。

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参考文献：

[1] 明津法,黄晓卫,宁新,潘福奎,左保齐.丝素蛋白材料制备及应用进展[J].丝绸,2021,58(02):20-26.

[2] Zhao, Z.; Li, Y.; Xie, M.-B. Silk Fibroin-Based Nanoparticles for Drug Delivery. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 4880-4903.

[3] Augusto Zuluaga-Vélez, Adrián Quintero-Martinez, Lina M. Orozco, Juan C. Sepúlveda-Arias,Silk fibroin nanocomposites as tissue engineering scaffolds – A systematic review,Biomedicine & Pharmacotherapy,Volume 141,2021,111924.

[4] Song W, Gregory DA, Al-Janabi H, Muthana M, Cai Z, Zhao X. Magnetic-silk/polyethyleneimine core-shell nanoparticles for targeted gene delivery into human breast cancer cells. Int J Pharm. 2019 Jan 30;555:322-336. doi: 10.1016/j.ijpharm.2018.11.030. Epub 2018 Nov 15. PMID: 30448314.