蚕丝骨钉：骨修复新材料

美国塔夫茨大学的生物材料研究团队，正在实验室里用蚕丝蛋白造“骨钉”。这种新型“骨钉”比传统上固定断骨的金属“钢钉”要更少副作用，能在体内降解。不单是骨修复材料，蚕丝还可以用来制造人造韧带、血管、甚至是外周神经，辅助损伤修复。目前，蚕丝蛋白材料被科学家们视为最有希望的生物材料之一，具备相当的研究热度。

蚕丝骨钉可被人体吸收

在骨外科手术后固定骨头的金属螺钉，会增加感染和骨压式骨折的风险。近日，据《每日电讯报》报道，美国塔夫茨大学的研究者已经开发出这种金属螺钉的替代品。有趣的是，这种螺钉其实是用蚕丝做的。它经过一段时间后可以被人体吸收。塔夫茨大学的研究者发现金属制品会增加感染的风险并减缓伤口的愈合。这些金属制品也很坚硬，对骨骼结构造成压力。用蚕丝蛋白为基质材料的敷料、韧带等，已经开始进入临床实验。研究者在尝试用蚕丝中提取的丝蛋白来制造用于骨骼修复的夹板和螺钉。实验室研究人员将制造出来的28枚螺钉装入了6只小白鼠体内，经过八周的观察，骨修复效果良好，没有发生排斥等并发症问题，可以在体内逐渐溶解。在X光下，丝蛋白螺钉也不会被看到。不会像钢钉一样，影响医生们判断骨折后康复的情况。

科学家表示，本来最初的研究目标是用这些丝蛋白来治疗和修复面部伤口，但是结果却发现，材料具备治疗各种不同类型骨折的潜能。来自哈佛大学医学院的项目合伙人萨缪尔·林博士表示，“不同于金属，丝蛋白合成物同骨骼构成更相似。丝蛋白材料特别稳定，它们在非常高的温度下仍能保持结构的稳定性并能抵挡其余极端状况，并且它们很容易被杀菌消毒。”塔夫茨大学的生物材料实验室的戴维·卡普伦教授补充说：“蚕丝的另一个巨大的优势在于它可以稳定并释放生物活性成分，因此丝蛋白制备的板材和螺丝帽可以释放生物活性成分以防感染，增强骨骼再生能力以及提供其他治疗法来促进愈合。”

匹配骨自然硬度

记者采访到曾经在塔夫茨大学该实验室工作多年的李实（化名）博士。李实告诉记者：“目前，丝蛋白材料造螺钉等骨修复材料，还处在实验室阶段，离实际应用还有距离。不过，比较来看，丝蛋白材料具有较好前景和希望。因为传统固定断骨的金属材料通常都不会降解，而且同骨骼相比，金属螺钉力学强度较大，时间长了会造成骨骼受力上的差异，造成其他地方骨骼的骨质疏松。有些也会引起异物反应。后来，也出现了PLA、PLGA等合成生物高分子材料，这类材料不像金属骨钉，可以被人体逐渐吸收，骨头长好了也就消失了。

但是研究者发现，PLA、PLGA材料降解会形成些酸性产物，给人体组织带来负面影响。理论上，蚕丝蛋白材料可以跟自然的骨硬度匹配到最好，不会太硬，降解之后，基本上是氨基酸和多肽，对人体也无害。所以，它的未来应用前景更有希望。”李实指出，造一个蚕丝骨钉需要用的材料很少，一枚骨钉的重量也很轻，可能不到1克。

不要被炒作蚕丝蛋白的虚假广告忽悠

目前，蚕丝蛋白材料的研究范围非常广，例如用于整容方向的临床研究，比如做人造皮肤和敷料以及一些补片、垫片。李实指出，还有：“丝造的韧带，已经有展开临床研究。其他用蚕丝造的骨骼、血管、外周神经导管，还都在实验室里进行。蚕丝的普适性很好，有可能在未来具有比胶原、生物合成高分子材料等更好的适用性前景。”

 但大家别被市面上的一些借蚕丝蛋白概念炒作的虚假广告给忽悠了，目前这一材料很多还停留在实验室阶段，离临床研究都还有距离，更不要谈广泛的应用和生产了。“生产和实验研究是两个方向的东西。生产、变成好卖的商品不需要太高技术，工艺越简单越好。但基础的科学研究则讲究相对复杂精密的控制。

改变蚕丝的晶体结构，可以硬过钢筋

“蚕丝看起来很软，其实可以很硬。通过控制它的晶体结构，我们可以控制和改变他的硬度。蚕丝蛋白材料可以柔软度很高，也可以比钢筋还硬。”李实说，“有些研究者用改变基因的方式，从牛奶、植物中形成丝蛋白分子，但是难以形成蚕丝的完美结构和优异力学性能。天然蚕丝的分级组装结构非常精细，是人工难以复制的。”相比之下，在自然界唯一能与蚕丝媲美的，是蜘蛛丝。李实说：“蜘蛛丝比蚕丝的硬度更高，韧性也更高，所以，有实验室曾用蜘蛛丝蛋白材料来制造防弹衣。但是蜘蛛有一个缺点，它的领土意识很强，在一个领地里不会容下两只蜘蛛。因此，蜘蛛很难大规模养殖。但是，蚕丝却可以养殖，可以大量生产，也可以再生。”

不过，李实也指出，丝蛋白骨钉的保存可能还是一个问题。“同天然蚕丝不同，目前制备的丝蛋白生物材料干态下韧性还需要提高。”李实说，“所以，如果让骨钉同时保持强度和韧性，可能其中还需要加入其他的东西。理论上是可以做到的。”

蚕丝骨钉技术在中国的发展

在我国，上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室陶虎研究员团队也对此项技术进行研发，并在2017年得到突破。该团队通过传统纺织业的蚕丝最新研发了一种可降解，且降解速度可控的生物医疗器械。相关成果以“基于功能化的可溶光学衍射传感技术”为题发表于最新一期《先进材料》（影响因子18.96），DOI: 10.1002/adma.201605471。

基于传统的起固定作用的医疗器械“骨钉”目前大多采用钛合金或不锈钢制成，康复后需要二次手术取出的困扰，陶虎团队在实验室完成了从蚕茧到蚕丝、再到蚕丝蛋白溶液、提取成固体，最后用车床精密加工成骨钉的生物材料制作过程。该生物材料除了具备精确可控的降解功能外，还具备包裹药物、微整形、信息隐藏、食品保鲜、药物储藏等多方面发挥功效。

日前，该项技术已经完成动物实验阶段，并进一步与生物医药企业合作，开展临床研究，预计三到四年内可产品化并上市。进而形成产、学、研一体化创新发展。