丝素蛋白药物控释系统研究进展

控释制剂是指能够控制药物释放速率使其符合药物动力学需要，使药物在体内较长时间维持恒定治疗浓度，药物以受控形式恒速释放或者受控局限在特定吸收部位释放的一类制剂。

优点是：可在局部获得持续较高药物浓度，保持较低血药浓度，提高疗效，降低毒副作用。常用载体材料分为非生物降解材料和可生物降解两类材料。

前者代表是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），后者包括天然和合成材料两类：如壳聚糖、海藻酸、琼脂、淀粉类材料、纤维蛋白和胶原蛋白，钙基载体，硼酸玻璃及上述材料的聚合体、脱钙骨基质、聚酯、聚亚胺、聚缩醛等。

但均存在一定不足。丝素蛋白（silk fibroin, SF）除了具备良好的生物相容性和机械强度、可降解、无毒、易于加工外，还兼具非凡的多态性、稳定与控制释放捕获其中的蛋白质和药物，有望成为一种新的药物控释系统生物材料，成为再生医学和治疗骨与软组织疾病的研究热点之一。本文就桑蚕丝素蛋白在药物控释系统中的研究及应用，尤其是在骨科领域内的最新进展进行综述。

1 丝素蛋白特性

家蚕（Bombyx. mori）丝素蛋白（SF）由重链、轻链及糖蛋白P25 组成。重链约325 kDa，轻链约25 kDa，富含18 种氨基酸，由结晶区和非结晶区2 部分组成。约含43%甘氨酸、29%丙氨酸、12%丝氨酸和5%酪氨酸。

有3 类分子构象：SilkⅠ、SilkⅡ和SilkⅢ型，SilkⅡ型是蚕丝素蛋白的主要晶型，是蚕丝素蛋白具有高弹性模量和强度的主要原因。在温度和溶剂影响下SilkⅠ型易向SilkⅡ型转变。等电位点pH 为3.6~5.2。

2 机械特性

结晶是丝素蛋白稳定性的基础，有多种方法可以增强丝素蛋白强度。与弹性蛋白、透明质酸、羟基磷灰石纳米颗粒共混，或丝素微粒加强。由于具有β-折叠构象，结晶态的丝素蛋白具有出色地力学性能，无需像胶原那样进行交联处理。

SF构型受多种因素影响：温度、SF 浓度、剪力、金属离子、Ca2+、pH、低介电常数溶剂、甘油、甲醇和制备方法等。随着丝素蛋白浓度的增加，孔隙减小、变得更均匀，强度也随之增加。

3 生物降解

生物材料必须同时具有生物活性和生物可控降解性，材料降解要适应功能需要。丝素蛋白主要通过蛋白水解降解，蛋白酶优先降解丝素蛋白无定形区。

丝素材料的降解程度与结构和形态特征（纤维，膜，多孔材料），以及酶的种类有关。研究表明，丝素蛋白丝的降解可以按预定的速率变化。影响材料降解的因素包括：植入部位、力学环境、植入物体积和β-折叠数量。

通过不同制备方法生产用于药物释放快慢要求的载体，降解的速度与材料的结构和构象含量有密切的关系。SilkⅡ结构含量能明显地影响材料的降解速率，SilkⅡ结构含量减少会加快降解。

丝素纤维因其高度规整和大量SilkⅡ结构的存在而不易被降解，对于规整性相对较差的膜材料，更容易酶解。此外，丝素溶液浓度、处理方法、丝素蛋白的分子量、共混都能改变和调节丝素蛋白材料的降解速度。

4 丝素蛋白药物控释系统及应用

药物控释系统要求保持药物活性和疗效，确保安全。在制备、贮存和体内、外释放时均能稳定药物。丝素蛋白通过共价结合、吸收、俘获和包封等方式发挥稳定负载的蛋白质和小分子药物的作用。

药物释放机制包括：溶剂透入、弥散和生物材料降解。药物释放呈多相性。俘获在材料内的药物因无弥散通道无法通过弥散释放与材料表面相通，与其他包封的具有与表面相通弥散通道的药物也不连通。

药物分布也并不均一，药物形成的集合区大小不一。分子量越大，被俘获的药物越多。解决方法在于通过增加初始药量、超声波降解或冻融方法减小药物集合区而增加集合区的联系。

丝素蛋白可塑性强，能根据需要制备成多种形态，作为药物和典型化合物的控释材料，如蛋白质、染料、细胞/生长因子、抗生素、化疗药物和其他小分子药物等。基于丝素蛋白的药物控释系统主要有：丝素微球/微囊控释系统；丝素膜控释系统；丝素凝胶控释系统：涂层；多孔支架（海绵）控释系统。

4.1 微球/微囊控释系统

丝素微球/微囊的缓释效果好，但是药物包封率较低。采用喷雾干燥法制备的SF 微球，药物释放基本不受包封药量和脱水剂影响。

Bessa 等采用丝素微球包封BMPs，BMPs释放呈双相，早期存在药物爆释，然后缓慢释放，长达14 d。成为组织工程领域很有前景药物控释系统。

Ye 等研究利用改良赖氨酸和谷氨酸重复片段的丝素蛋白制备pH敏感性微囊，在pH 1.5~12.0 的范围内极其稳定，伴随可逆性膨胀与收缩，膜通透性发生可逆性改变。

Shi 等报道自组装制备的丝素蛋白微粒，FITC-BSA 和RhB载药量越大，药物释放越平稳。在最大载药量组，50 d 后仅有约23%FITC-BSA 和34%RhB得以释放。而且丝素蛋白微球可增强成骨细胞的活性。

Silva等报道采用由牛、人的血浆白蛋白及丝素蛋白包含不同种类的有机溶剂的微球抑制人中性粒细胞释放的弹性蛋白酶活性，达到纠正慢性创面中弹性蛋白酶及拮抗系统失衡作用来治疗慢性创面愈合。

4.2 丝素膜控释系统

丝素膜具有较高的药物包封率，但是缓释效果一般。为改善丝素膜理化性质，采用多种方法增强丝素膜的控释性能，如冻干法、溶液法等。药物在丝素膜中释放与制备工艺、溶液的pH值等有关。

复层丝素膜比单层丝素膜的药物初始释放浓度大，总释放时间延长。SF/凝胶/甘油共混消除早期药物爆释现象，可能与甘油增加了SF/凝胶结晶度有关。

多层膜结构可抑制早期爆释现象，保持药物持续释放。丝素蛋白膜的细胞与生物相容性良好，是具有药物释放和生物活性双重作用的生物材料。

Hines 等研究表明甲醇溶液能增加丝素蛋白膜的β-折叠结构，提高结晶度，增加膜表面的疏水性。提高丝素膜载药量，改善药物暴释现象。

提高结晶度，爆释现象消除，其后蛋白酶呈线性缓慢释放。药物分子量越大，被俘获的就越多。右旋糖酐释放呈双相，早期主要是药物弥散作用，后期则与材料降解释放有关。

甲醇处理后其弥散系数和被俘获残留的药量均低于未处理组，且与分子量呈线性正相关。田保中等测定磺胺类药物在丝素膜中的释放特性，结果表明磺胺类药物丝素膜中基本上以零级释放，药物释放存在一定爆释，两步法制成的磺胺类药物丝素膜，膜正置时的药物初始释放速度比膜反置时大许多,可能与分配控制机制有关。

临床上，张幼珠等将抗菌药物与丝素膜整合制备成既能保护创面又能从膜中缓慢释放具有抑菌、杀菌作用药物的创面覆盖材料治疗烧伤创面，生物相容性良好，取得较好疗效。

4.3 水凝胶控释系统

丝素蛋白水凝胶为三位立体网状结构，广泛用于具有药物释放功能的组织工程支架以有效修复和重建受损组织。Kundu 等报道丝素蛋白和聚（乙烯醇）甲基丙烯酸酯共混制备的新型交联型水凝胶系统，孔隙大小和分布形式受丝素蛋白比例影响。丝素蛋白呈β-折叠二级构象。

FITC-右旋糖酐的释放受丝素蛋白比例及包被的药量调节。具备成为药物控释系统的巨大潜能。Mandal 等以丝素蛋白和聚丙烯酰胺制备水凝胶，抗压强度较高，生物相容性好，锤虫蓝和FITC-菊粉可持续释放。

Diab 等报道采用大鼠股骨大段骨缺损模型研究含BMP-2 的丝素蛋白水凝胶控释系统与静电泳制备的聚已酸内酯（polycaprolactone, PCL）纳米纤维网联合促进骨修复能力，结果表明新骨形成和力学强度均显著增加。提示该系统有望成为有效治疗大段骨缺损的材料。

4.4 涂层

Wang 等采用丝素蛋白逐步沉积法制备纳米级控释涂层，研究表明，释放性能与晶体含量及丝素涂层的多层结构有关，高结晶度以及表面丝素较厚的涂层能够抑制暴释现象，延长药物释放时间。Pritchard 等用丝素蛋白涂层包裹腺苷构建可局部应用的药物控释系统。

研究表明弥散屏障的增加，如增加涂层厚度和结晶度，可延缓药物爆释的发生，降低每日平均释放速度，延长释放时间。包裹8层8%（w/v）丝素蛋白涂层，腺苷呈线性释放，持续达14 d。

Zhou 等报道将丝素蛋白作为包封万古霉素的PCL微球的外被层，可减轻万古霉素早期爆释现象，延长持续释放时间。临床上，骨髓炎治疗成功的关键是病灶局部保持高浓度抗生素，局部采用生物可降解药物控释系统保持抗生素长期持续释放，成为有效消除骨与软组织感染很有希望的方法。

4.5 多孔支架（海绵）控释系统

多孔支架具有药物释放和组织再生修复双重功能。丝素蛋白具有促进骨愈合能力。SF支架及与凝胶或壳聚糖共混改良支架可促进成骨细胞贴附和成骨能力，可能成为成骨生物材料。

支架降解速度可直接影响hMSCs 成骨能力，促进MSC的ALP 活性、成骨细胞分化及其标志物表达，并与SF 剂量浓度相关。可以促进大鼠胫骨骨髓原始基质细胞表达成骨细胞标志物。作用机制在于抑制Notch 激活的基因表达，阻断Notch报告子的激活而发挥作用。

Mandal 等研究表明，包埋藻酸钙珠的丝素蛋白立体支架可消除药物早期爆释，保持药物持续释放长达35 d。释放特征取决于整合药物的分子量。外层的丝素蛋白可提供机械稳定性，形成药物释放屏障。该支架细胞和生物相容性良好。

Gupta 等报道利用小鼠肿瘤模型，采用丝素蛋白-壳聚糖支架与含有抗癌药物的纳米微粒共混治疗肿瘤组织切除后组织缺损，药物释放长达24 d。无抗癌药物支架的细胞密度和降解程度均显著高于含抗癌药物支架。支架与周围肿瘤组织整合被有效抑制，肿瘤体积也较无抗癌药物支架组的小。

Wenk 等报道包埋PLGA微粒的丝素蛋白共混支架比PLGA 微粒的IGF-I 的释放更持久，而PLGA 的降解不受影响。Wang 等利用丝素蛋白支架包埋载有rhBMP-2 和rhIGF-Ⅰ的丝素蛋白微球构建具有生长因子梯度的药物控释系统，生长因子在支架内部形成的梯度呈线性变化。

与hMSCs共同培养5 周，rhBMP-2 与梯度相反的rhBMP-2/rhIGF-Ⅰ支架具有诱导hMSCs发生骨与软骨分化。研究表明丝素蛋白支架/微球可构建生长因子按空间分布的支架。

Zhang 等报道，含有编码BMP-7 基因的腺病毒颗粒与丝素蛋白支架可显著促进新骨形成，表明其可有效转染细胞，促进骨形成。为开发用于治疗临床难治的骨与软组织感染的抗生素控释系统，Pritchard 等制备不同SF 形态药物控释系统（SF 膜、微球、水凝胶和涂层），研究了相应的抗生素释放特性。

并利用豚鼠感染模型试验负载阿莫西林SF 水凝胶的疗效。SF 海绵外被SF 纳米膜负载头孢唑啉与庆大霉素，持续释放分别可达3 d 和5 d。SF控释系统能够隔离抗生素，并保持其活性，还能持续释放具有生物活性的抗生素。

由于室温或体温下抗生素溶液不稳定，因此具有药物稳定作用的SF控释系统优于抗生素溶液的栓剂和制剂泵。研究显示SF 生物材料有望成为一种新型、可定制的局部使用抗生素载体平台。

5 展望

尽管丝素蛋白在药物控释方面的应用研究上已经取得一定成果，但临床应用仍面临许多问题，如物控释的高效化、速效化、长效化；丝素蛋白降解与功能发挥同步化；药物释放与组织再生一体化；药物控释的时空分布等。随着生物技术及控释技术的发展，丝素蛋白在药物控释领域将会展现出更广阔的应用前景。

来源：中国骨与关节外科