编者按：近年来我国生物医用材料迅速发展，天然生物医用高分子原材料源于自然界，资源丰富、容易获取，具有很好的生物相容性、可降解性和较低的毒性，因而有着广阔的应用前景。本系列选取目前应用广泛、市场潜力大且存在一定技术壁垒4种天然高分子材料（丝素蛋白、胶原蛋白、透明质酸、壳聚糖）作为分析对象，深入研究技术路线、市场格局及应用情况，以期与业内人士共同探讨其发展方向。
目录天然生物医用高分子材料概述丝素蛋白新型材料研究报告胶原蛋白研究报告透明质酸行研报告壳聚糖材料研究报告天然生物医用高分子材料概述一、生物医用材料
生物医用材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，恢复其功能的材料。
生物医用材料是材料科学领域中多种学科交叉渗透的领域，研究内容涵盖材料科学、生命科学、化学、生物学、病理学、临床医学、药物学等学科，涉及学科广泛，学科交叉较深，不仅是构成现代医学基础的生物医学工程和生物技术的重要基础，且对材料科学和生命科学等相关学科的发展有重要的促进作用。因此，生物材料的发展综合体现了材料学、生物学、医学等多个领域科学与工程技术的水平。
生物医用材料区别于其他材料的特点，一是要有医用功能性，二是要有良好的生物相容性，包括血液相容性、组织相容性。除此之外，生物医用材料还要有良好的物理机械性能、化学稳定性、无毒性与易加工成型性。
从产业链来看，生物医用材料上游包括金属、陶瓷、高分子聚合物、天然活性组织、组织工程等生产商，下游为植入性医疗器械，主要应用于临床和美容院。用途主要有三种：替代损害的器官和组织，如人造心脏瓣膜、假牙和人工血管；改善和恢复器官的功能，如隐形眼镜、心脏起搏器等；用于辅助治疗如介入性治疗血管支架、血液透析的薄膜、药物载体与控释材料等。
随着社会经济发展、生活水平提高、人口老龄化以及新技术注入，作为医疗器械的核心上游环节，我国生物医用材料研制和生产迅速发展且初具规模，已经成为一个新兴产业。-年，我国生物医用材料市场规模从.3亿元增至.7亿元，年均复合增长率为12.8%，根据赛迪顾问《中国生物医用材料产业演进及投资机会白皮书》预测，到年，我国生物医用材料市场规模将进一步扩大，达到.4亿元。
图表1中国生物医用材料市场规模与增长预测数据来源：赛迪顾问二、天然高分子材料
生物医用材料有多种分类方式，按照应用部位分类包括硬组织材料、软组织材料、心血管材料、血液代用材料、透析膜材料等；按照材料来源划分，有人体自身组织、同种器官与组织、天然生物材料、异种同类器官与组织、合成材料等；按照材料类型划分，可以分为金属与合金材料（如不锈钢、钛和钛合金等）、无机非金属材料（如生物医用陶瓷）、高分子材料、复合材料等。
生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，目前在医药领域已得到广泛应用，根据不同来源，可将其分为天然和人工合成的生物医用高分子材料两大类。天然高分子一般是指自然界动、植物以及微生物资源中的生物大分子，目前应用于生物医用领域的天然高分子主要包括多糖类和蛋白质类等。
图表2主要天然高分子材料天然生物医用高分子原材料源于自然界，资源丰富、容易获取，具有很好的生物相容性、可降解性和较低的毒性，因而有着广阔的应用前景。本系列选取目前应用广泛、市场潜力大且存在一定技术壁垒4种天然高分子材料（丝素蛋白、胶原蛋白、透明质酸、壳聚糖）作为分析对象，深入研究技术路线、市场格局及应用情况，以期与业内人士共同探讨其发展方向。丝素蛋白—极具潜力的新型天然医用材料丝素蛋白，是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白。桑蚕丝是目前已知被利用最早、产量最大的天然高分子材料。由于桑蚕丝具有特殊的光泽、透气性好、吸湿性强、手感佳并同时兼具高强度等优点，被誉为“纤维皇后”而一直广泛应用于纺织领域。其丝蛋白也是人类研究的最为深入的天然纤维蛋白，故此，本文后面提到的研究成果主要以桑蚕丝蛋白作为对象。
一、丝素蛋白概况
蚕丝由两种主要蛋白质组成：约占总重量25%的丝胶蛋白和75%的丝素蛋白。丝素蛋白是具有半结晶结构的纤维蛋白，可提供硬度和强度，构成了蚕茧丝的核心纤维，对其优异的力学性能起到了关键作用。丝胶蛋白是一种胶状的无定形蛋白，以涂层形式存在，主要起黏贴作用，可以作为粘合剂来保持纤维的结构完整性。
丝素蛋白在年被美国食品和药物管理局（FDA）确认为生物材料。与其他天然生物聚合物相比，丝素蛋白具有出色的机械性能，良好的生物相容性，生物降解性以及结构调整的多功能性，因此前景广阔。这些有利的性能归因于其独特的物理化学性质。
1.丝素蛋白的化学组成及结构
丝素蛋白相对分子量很大，分子结构和分子间作用十分复杂，一般来说，丝素蛋白分子链由三个亚单元即重链（H-chain）、轻链（L-chain）和糖蛋白P25组成。重链和轻链之间通过二硫键链接，然后再与糖蛋白P25通过疏水键等非共价作用结合。
重链（H链）由个氨基酸残基组成，分子量为kDa；轻链（L链）由个氨基酸残基组成，分子量为28kDa：P25蛋白与轻链大小相近，约为25kDa。丝素分子中重链、轻链和P25三者的比例约为6:6:1。
家蚕的丝素蛋白由18种氨基酸组成，其中甘氨酸（Gly，43％）、丙氨酸（Ala，30％）和丝氨酸（Ser，12％）约占85%。
丝素蛋白的主要晶体结构是SilkI和SilkII。在空气/水界面处的再生丝素蛋白溶液中也存在少量且不稳定的SilkIII结构。SilkI包括螺旋及其他非β-折叠的构象，而SilkII结构主要指反向平行的β-折叠构象。
图表3丝素蛋白结构数据来源：AReviewofStructureConstructionofSilkFibroinBiomaterialsfromSingleStructurestoMulti-LevelStructuresSilkI结构是水溶性的，不稳定，可以通过一定条件向SilkII转变，SilkII是更为稳定的β-折叠结构，在水中是不溶解的，因此向SilkI转变则困难重重。
丝素蛋白的优势正是在于其规整结构（结晶方式）的多样化，并且能实现水溶性的结构和不溶性的结构之间的转化和调节，从而更有利于调控再生丝素蛋白基材料的系列形貌和性能，使其具有丰富的可加工性，制备成多种用途的应用材料。
图表3SilkI和SilkII结构的基本性质及其在一定条件下相互转化数据来源：《蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白》2.丝素蛋白的性能
（1）丝素蛋白的力学性能
天然蚕丝纤维的初始模量为5-12Gpa，断裂强度为Mpa，断裂拉伸长率为19%，与天然丝素纤维相比，再生丝素材料力学性能有所下降，将一些高分子物质，如聚乙二醇、聚己内酯、聚乙烯醇等，与丝素蛋白进行共混，可以达到改善丝素材料力学性能的效果。此外，向再生丝素蛋白材料中添加微／纳米级别的物质，同样可以制备得到力学性能增强的丝素蛋白材料。
（2）丝素蛋白的生物相容性
生物相容性是指材料与人体之间相互作用而产生的各种复杂的生物、物理和化学反应。植入人体的生物材料必须无毒、无致敏性，对组织、血液和免疫等系统不能产生不良反应。丝素蛋白是蚕绢丝腺内壁上内皮细胞分泌、合成的天然高纯度蛋白质，其最终降解产物可被机体吸收，并且它的分子质量大小也可通过改造丝蛋白的成分来进行调节，从而达到适应不同生物体内环境的要求，因此具有很好的生物相容性。来自临床前体内研究和人类在各种应用中的临床经验的最新证据表明，成功去除杂质后，高纯度的蚕丝素蛋白具有良好的生物相容性。
（3）丝素蛋白的生物降解性
蚕丝作为缝合线使用中发现，一般1年内丧失大部分拉伸强力，2年后移植处无法辨认，由于法规中对可吸收生物材料的定义为植入后60天内失去大部分强度，所以蚕丝缝合线被FDA归为不可降解。但是已经有大量实验证明了丝素蛋白的可降解性，一项实验将10%的丝素蛋白水溶液制备为孔径约-μm的桑蚕丝蛋白支架植入大鼠体内，发现几周后开始降解，一年后几乎完全消失，通常认为这个过程是巨噬细胞介导的，因此说明丝素蛋白材料不仅可以生物降解，也可以生物吸收。
由于生物体内环境多变，丝素蛋白在生物体内降解的过程比较复杂，受到原料数量、形态、植入体部位、组织周围受力情况以及生物环境等的影响。但这种不确定性也给人们提供了很好的机会，可以通过调控丝蛋白的结构和性能，达到不同的使用目的。
（4）丰富的可调控性
丝素蛋白具有从无卷到SilkI、II、III等不同结构，这些结构具有不同物理性质，他们之间相互转化，控制丝素蛋白生成不同的结构及结构之间的比例可以得到各种性能的材料。
二、关于丝素蛋白的理论研究
人类利用蚕丝的历史可以追溯到几千年前，但是科学家们从丝及丝蛋白分子链结构以及现代生物学角度所开展的系统性基础研究，是在最近50年逐渐开始深入的。从下图可以看出，自-年每年发表的动物丝及丝蛋白的数量呈较为明显的指数型增加，可见丝及丝蛋白的研究日益受到重视，人们对动物丝的非纺织领域中的兴趣始于其优异的力学性能，但是从年开始，约有一半文章是关于丝及丝蛋白在生物和医药领域中的应用研究。
图表4-每年发表动物丝及丝蛋白的文章数目数据来源：《蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白》在丝素蛋白研究中，走在前列的是美国Tufts大学，D.Kaplan教授及其领导的研究小组在相关方面进行了20多年的研究，他们在动物丝及丝蛋白多方面的研究尤其是在生物医药中的应用一直处于领先地位。年，Kaplan教授提出动物丝蛋白成丝机理中的胶束理论，引起了广泛