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    點“絲”成金!蠶絲蛋白變身醫療器械、硬盤存儲,鎖住生命與記憶

    作為中國古代文明的一個重要象征,絲綢與中國古代四大發明——造紙術、指南針、火藥和印刷術一樣,都產生過世界性影響。

    蠶絲是自然界中最輕最柔最細的天然纖維之一,在高科技的“塑造”下,如今它早已超越了紡織面料的傳統用途,逐步發展成為先進的生物高分子聚合物,參與生物傳感器、電子元器件等的制備,展現出在未來人工智能、健康醫療、環境保護等領域的巨大應用前景。

    絲綢用作紡織面料已有五千多年的歷史,其原料主要是抽取自蠶繭的蠶絲。隨著科技的發展進步,尤其是材料科學、工程學、先進微機電系統加工技術等學科的交叉融合,科學家們發現,蠶絲蛋白除了作為傳統紡織材料外,還可作為先進生物高分子聚合物,參與人體集成傳感器、生物醫療器械等一系列高科技產品的制備。

    作為一種理化特性優異的天然材料,蠶絲產物具有出色的生物兼容性,可與人體組織“友好相處”,無論是貼附于體表還是植入體內,均不會引起生物排異反應。作為一種蛋白質,蠶絲蛋白產品在植入人體后,甚至可以在預設的時間內,被人體完全吸收。近十年來,很多科學家和企業基于蠶絲蛋白展開了研究,并提出了大量具有高科技含量的新型應用,為傳統材料注入了新的活力。

    點“絲”成金,蠶絲蛋白作為一種天然高分子蛋白質在物理、電子、光學、生物、工程等學科都有著極大的應用前景,將可為未來智能社會、健康醫療、環境保護等技術領域帶來革命性創新。

    最輕柔纖細的天然纖維,人體“第二肌膚”

    東晉詩人陶淵明在《歸園田居》中寫道:“但愿桑麻成,蠶月得紡績。”桑葉田田是農耕時代婀娜多姿的風景,衣錦還鄉是古往今來功成名就的象征。“絢爛如云霞,透亮如蟬翼”,人們對于絲綢的熱愛與生俱來,直到今天,絲綢仍被許多人認為是最美麗的紡織品。

    在中國史前傳說中,有黃帝的元妃嫘祖發明養蠶繅絲,史稱“嫘祖始蠶”。從殷商(約公元前17世紀)起,桑樹的種植面積和養蠶區域漸漸擴大,絲綢生產也逐步發展繁榮。自周武王(約公元前1046年)開始,華夏文明就有“親蠶”和“親繅”的禮儀,每年新年會通過皇帝親耕、皇后親桑的儀式來祭祀農桑。

    絲綢作為華夏歷史文明數千年來的重要見證,連接著歐、亞、非三大洲,將古老的中國文明、印度文明、希臘文明聯結起來,影響著整個人類的文明發展史。公元前2世紀,漢武帝派張騫出使西域,開通了著名的“絲綢之路”。這是中國古代經中亞通往南亞、西亞,以及歐洲、北非的陸上貿易交往重要通道。唐代的經濟文化發展水平居于當時世界前列,促進了絲綢之路的暢通繁榮。

    蠶絲是人類最早利用的一種動物纖維,也是最輕柔、最細的天然纖維之一。蠶絲截面直徑約為頭發絲的十分之一,其中桑蠶絲直徑大約13至18微米(1微米等于千分之一毫米),而柞蠶絲稍粗一些,直徑大約21至30微米。

    此外,蠶絲也是力學強度最好的天然纖維之一,僅次于蜘蛛絲。但由于蜘蛛具有強烈的領主意識、攻擊性強,不適合人工養殖,難以大量獲取,因此蠶絲在人工養殖上更具優勢。

    由于對傷口刺激性小,有助于創面愈合,蠶絲素有“人工皮膚”“人體第二肌膚”“纖維皇后”等美譽。在很長一段時間內,蠶絲都作為傷口縫合線在臨床醫學上使用。從單個蠶繭中抽取的蠶絲具有良好的透氣、透濕性能,在臨床上也可用于術后傷口敷料和燒傷后創面敷料。

    目前,市面上還有不少面膜,利用蠶絲蛋白作為面膜材料或營養液的載體。這是因為,相比其他材料制成的面膜,蠶絲面膜力學性能更為優異,更輕薄易貼服。在相同條件下,如果厚度減少10倍,貼服性可提高1000倍。同時,蠶絲面膜還可較好地保存水分和營養液,從而有助于受損肌膚得到修復。不過,蠶絲蛋白中含有的18種氨基酸,在被從蠶絲纖維中提取出來之前,無法被人體吸收。

    從蠶絲被到可降解骨釘,古老文明煥新春

    絲綢作為中國古代文明的重要象征,曾是古代貿易通商中最主要的商品之一,直至現代。2018年,中國、印度、土耳其等主要絲綢出口九國及歐盟的絲綢商品貿易額約為300億美元。

    當歷史的車輪進入新世紀,傳統桑蠶產業面臨著如何從勞動密集型產業轉型為高科技、高附加值產業的挑戰,我們的古老文明期待再度迸發出耀眼光芒。

    科學家已經發現,蠶絲蛋白具有優異的機械性能,生物兼容性好,可在體內無害降解并被人體吸收而無需取出。從天然蠶絲中提取出的蠶絲蛋白可作為醫用原材料,并通過現代高科技制造技術,制備成蠶絲蛋白骨釘、人工腦膜、緩釋微針、心血管支架、人工骨等高端醫療器械。

    用蠶絲蛋白制成的醫療器械具有極佳的力學強度,可配合不同植入部位,完美匹配病患自身組織的強度。由于其本身來源于天然蛋白,相較于目前普遍使用的金屬和陶瓷材料,蠶絲蛋白具有優異的生物兼容性,且能進行可控降解,時間長度可從幾周到幾年。

    此外,蠶絲蛋白還具有良好的藥物包裹和可控釋放功能,可廣泛應用于骨科、運動科、心血管科、腦外科、整形醫美等植入式醫療器械領域,潛在應用市場規模高達每年數千億美元。

    從一組價格數據可以看出蠶絲傳統產業與高科技產業的巨大價值差距:以絲綢制品為例,一條奢侈品牌的領帶大約需要30克蠶絲,售價約為兩三千元;一床普通蠶絲被需要用兩公斤左右蠶絲,售價不過千元;而蠶絲蛋白制備的一套可降解骨釘,所需原料不到1克,其對應產品的臨床售價可高達8000至10000元。換言之,一床普通蠶絲被的原料經過現代科技加工,可產出2000萬元的經濟價值——這就是科技的價值,也是絲綢這一中國古老文明煥發新春的重大機遇。

    預設時間內可控降解,開啟全新學科領域

    蠶絲蛋白不僅在醫療器械上大有用武之地,還因其機械性能佳、介電損耗小、能可控降解、可兼容大部分微納加工工藝等特點,而被用作電子器件的基底和介質材料,由此衍生出了一個全新學科領域——瞬態可溶電子學。

    瞬態可溶電子器件是指當所制備的電子單元、器件、芯片及微系統在預設時間內完成指定功能后,其物理形態和功能可部分或者完全消失的一類全新電子器件。它們可在完成設定任務后,于體內或環境中完全降解,并通過生物再吸收或生態再吸收。

    這類器件在信息安全、植入式可控降解生物芯片、電子垃圾回收等領域,具有非常廣闊的應用前景,尤其在健康醫療、環境保護等未來電子技術領域,有望產生顛覆性突破和革命性創新。

    蠶絲蛋白就是國際上首個瞬態可溶電子微系統的基底和封裝材料。這個微系統用可降解的鎂、氧化鎂、納米硅膜等半導體功能材料,集成了一系列基本電子元器件。整個微系統放置在生理鹽水中,大約十分鐘就可溶解完畢。

    基于瞬態可溶電子技術,隨后又誕生了全球首個面向特定臨床治療功能、完全生物相容、可在被降解后吸收的植入式器件。它同樣以蠶絲蛋白為襯底材料,可植入生物體皮下用于治療細菌感染。

    蠶絲蛋白還是一種性能優良的光學材料,受“瞬態可溶電子技術”啟發,科學家又提出“瞬態可溶光學技術”的概念,并制造出了單色和多彩的蠶絲蛋白光學衍射元件,并將其開創性地應用到信息技術和生物醫療領域中。

    存儲數據和DNA,鎖住數字與生命的記憶

    優良的力學性能、良好的生物兼容性、極佳的光學性質,使得蠶絲蛋白可通過先進的微納加工技術,被制備成透鏡、薄膜、光纖、光子晶體等生物光學和光電子器件。

    值得一提的是,經過工藝改良,蠶絲蛋白可作為生物光刻膠用于半導體集成電路加工工藝,并在人體可集成柔性傳感器方面表現出巨大的應用潛力。

    得益于蠶絲蛋白所具備的易于成膜、兼容大部分微納加工工藝等特性,結合高精度近場快速讀寫手段,我國科研人員實現了基于蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術,研制出了“蠶絲硬盤”——通過納米針尖將紅外光聚焦,在納米尺度下對蠶絲蛋白進行改性,從而達到信息存儲和讀取的目的。

    蠶絲硬盤作為一種高容量、高可靠性的新型存儲技術,不僅可以像普通半導體硬盤那樣存儲數字信息,還可為活性生物信息儲存提供一個功能強大的平臺。新近問世的蠶絲硬盤即可同時存儲人體DNA和血液樣本。

    此外,蠶絲硬盤還能按照預設的時序進行可控銷毀,從而用于信息保密。目前,科研人員已用這種技術實現了圖像和音頻文件準確記錄、存儲和讀取的原理驗證。未來,通過對蠶絲硬盤存儲容量和讀寫速率的不斷優化改進,該技術有望成為下一代高容量、高可靠性的信息存儲技術,F在可以想象的應用場景包括:永不丟失的生命銘牌、可控壽命的時間膠囊、外太空等極端條件下的信息保存,以及數字信息和生命信息的復制等。

     

    古絲新用

    蠶絲蛋白人工硬腦膜

    腦膜是人體顱骨和腦組織之間的一道重要屏障,它最主要功能是保護腦組織。當腦膜受損時,會引起腦脊液漏、腦膨出、顱內感染、癲癇等并發癥,必須對破損的腦膜進行修補。

    ▲腦組織示意圖 蠶絲蛋白人工硬腦膜示意圖

    蠶絲蛋白腦膜以天然蠶繭中提取的絲素蛋白為基礎,通過脫膠、透析、離心、凍干、成型等工藝過程開發蠶絲蛋白薄膜材料,生產過程綠色無毒。其機械性能與人腦膜性能相當,可防止顱內壓過大造成的人工硬腦膜破損。

    此外,在蠶絲蛋白膜中,可搭載抗生素和生長因子等藥物。當蠶絲蛋白膜植入體內后,這些藥物將緩慢釋放,起到化學抑菌,促進組織生長的作用。而且,科學家還通過半導體的軟光刻技術,對腦膜表面形貌進行微圖案特異性修飾,以預防與大腦神經組織黏連,并可促進蠶絲蛋白腦膜和自體腦膜組織修復生長的功能。

    除此之外,人工腦膜上微米級別的微圖案修飾可以抑制細菌在腦膜表面的生長,降低了細菌感染的風險。更重要的是與現有不透明人工腦膜相比,蠶絲蛋白腦膜的透明特性,可以讓醫生在手術中隨時觀察腦膜下腦組織情況,為手術提供了極大的便利。

    蠶絲蛋白骨科骨釘

    在生物醫用材料中,植入式醫療器械中的人工骨固定產品具有極大的市場和臨床需求,全球人工骨固定產品市場總銷售額估計在300億美元以上。

    ▲蠶絲蛋白骨科骨釘 植入后CT成像

    蠶絲蛋白作為骨科內固定材料主要具有幾個優勢:1、具有骨傳導性,修復骨缺損的速度較快,相對基于聚乳酸或者鈦合金的同類產品,適用于較大的骨質缺損,可以達到完全骨修復;2、相比聚乳酸,其機械強度足以作為承力部位的骨折內固定材料;3、生物降解速度可控。

    此外,研究成果表明,蠶絲蛋白材料與γ射線滅菌、核磁共振成像、X射線醫學檢測等現有醫學手段具有完美的兼容性。這種基于天然生物蛋白的骨固定系統,彌補了現有金屬類、生物陶瓷類以及化學合成聚合物類材料的缺陷,是未來人體植入醫療材料的發展方向,具有極大的市場潛力和實際臨床應用價值。

    蠶絲蛋白水凝膠

    以蠶絲蛋白為原料制備的蠶絲蛋白水凝膠,既能保留天然細胞微環境的物質結構基礎,又能很好地模擬細胞體內微環境,常用于三維細胞培養的細胞支架材料。

    ▲植入式自匹配能量采集系統,用于監測并收集心跳能量

    研究表明,將人骨髓間充質干細胞(HMSCs)接種到混有培養基的蠶絲蛋白水凝膠材料上,隨著蠶絲蛋白濃度的增加,HMSCs細胞可以在蠶絲蛋白水凝膠上較好地生長,這也使得蠶絲蛋白水凝膠支架在骨組織修復有著廣泛的應用前景。

    原位可注射蠶絲蛋白水凝膠能夠快速凝膠化,滿足了在體內注射后凝膠能夠立即成型的需要,因此原位可注射蠶絲蛋白水凝膠是一種理想的可注射性原位水凝膠材料,可應用于微創手術。

    蠶絲皮膚電子系統

    一種基于蠶絲蛋白材料的人體“友好”皮膚電子系統,可在使用過程中穩定牢固貼附于人體皮膚表面,測量人體電信號與多種生理化學分泌物,使用過后可以通過觸發完成快速可控分離,可實現與人體皮膚集成的多維度實時測量。

    ▲人體“友好”電子皮膚實物展示照片(電子皮膚貼附于人體手臂)

    此外,針對測量得到的多模態大數據,科研人員開發了一款基于人工神經網絡的機器學習算法,可準確區分人體的多種生理狀態,為人體全天候健康監測提供了一種有效的解決方案。這項研究將皮膚電子與機器學習相結合,對未來個性化智能醫療可帶來至關重要的影響。

    蠶絲蛋白鼻假體

    近20年來,我國醫療美容行業已涵蓋了醫療整形、醫療美容、注射美容等多個領域,同時涉及到包括外科、骨科、婦科、口腔等學科在內的許多專業。

    ▲蠶絲蛋白鼻假體示意圖

    選擇醫療美容材料,需要滿足對人體無毒無害、與人體組織的相容性、穩定性好,以及植入人體組織后無排斥反應、手術時操作便利、可塑性好等條件。蠶絲蛋白材料是頗具代表性的天然生物醫學材料。它生物兼容性良好,可通過多種加工方法制備成各種形狀,并可調控蠶絲蛋白材料的孔隙率、力學性能、彈性等特性,是一種理想的醫療美容材料。此外,可在蠶絲蛋白材料中預先負載抗菌消炎藥物或者細胞生長因子,以形成多功能的蠶絲蛋白醫療及美容材料。

    蠶絲蛋白微針

    微針給藥系統是一種集皮下注射與透皮貼片雙重釋藥特點的微侵襲透皮給藥系統,其作用機制是藥物通過微針穿透皮膚角質層后形成的微小孔道進入皮膚,達到促進經皮滲透和到達皮膚特定深度的目的。

    ▲蠶絲蛋白微針及異質異構蠶絲蛋白微針示意圖

    蠶絲蛋白因其優異的機械性能、生物相容性和可降解性,可以用來作為新型的生物可降解微針材料。通過預先負載藥物分子的方式,科研人員可將蠶絲蛋白溶液功能化,隨后通過微納加工的方式將蠶絲蛋白加工成微針的形式,微針通過微創的方式向人體內輸送藥物,并且通過調控蠶絲蛋白的晶體結構,在時間和空間上控制其降解,從而精準控制藥物分子的釋放。

    蠶絲蛋白干細胞支架

    由于蠶絲蛋白是一種天然聚合物,純度高、機械強度高,并具有良好的生物相容性,非常適用于組織工程。它能作為組織工程中提供干細胞生長的支架材料,同時也能夠應用于骨再生的支撐材料。

    ▲蠶絲蛋白材料可通過多種加工方法制備成凝膠材料、多孔泡沫材料等多種形式,并可調控蠶絲蛋白材料的孔隙率、力學性能、彈性等特性。

    以蠶絲蛋白為原料制備的具有三維孔隙率(孔隙分布均勻、孔隙率高、孔隙連通性好)、力學性能佳、具有良好的生物相容性及生物降解性的蠶絲蛋白多孔泡沫,可作為細胞支架,成為組織繁殖分化和新陳代謝的場所,為細胞生長輸送營養,排除廢物。

    研究表明,使用蠶絲蛋白多孔泡沫支架能夠實現有效的骨再生和血管化,并且其降解率和組織形成率非常匹配。另外,在抗菌和抗膠質瘤應用中,預先在蠶絲蛋白多孔泡沫支架中負載抗菌消炎藥物或者細胞生長因子,可實現對周圍組織和細胞的可控藥物釋放。

     

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    主辦單位:四川省絲綢協會、四川省絲綢科學研究院、四川省絲綢工程技術研究中心、四川省蠶桑絲綢生產力促進中心
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