1.丝素蛋白的结构
蚕丝主要由丝胶和丝素蛋白组成，两者在氨基酸组成和结构性能上存在差异。丝素蛋白约占蚕丝总质量的70～75%，是蚕丝的主要组成成分。丝素蛋白由18种氨基酸组成，其中丝氨酸、丙氨酸和甘氨酸3种氨基酸约占其氨基酸总量的87%。丝素蛋白中存在两种区域：以甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸残基为主构成的整齐且有序的结晶区；以苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等其他氨基酸残基构成的松散且无序的非结晶区。目前一致认为丝素蛋白由H链、L链及糖蛋白P25组成，分子比为6∶6∶1。丝素蛋白主要含有SilkI型和SilkII型两种分子构象，其中SilkI型是介于α-螺旋和β-折叠之间的一种中间形态的分子构象，而SilkII型是一种反平行β-折叠层状结构，正是这种特殊的分子结构决定了丝素蛋白材料的理化特性和机械性能。
图1-1A.丝素蛋白重链和轻链结构B.丝素蛋白结晶区氨基酸序列
C.洁净区形成的β-折叠结构
2.丝素蛋白材料的特性
2.1丝素蛋白的力学性能
丝素蛋白中结晶区紧密的β-折叠结构，使其拥有较好的抗拉伸性和良好的韧性，而非结晶区的杂乱无序和较多的极性基团，又能使其获得较好的弹性和延展性。天然蚕丝纤维的初始模量为5-12GPa，断裂强度为MPa，断裂伸长率为19%；脱胶蚕丝纤维的初始模量为15-17GPa，断裂强度为-MPa，断裂伸长率为4%-16%。与天然丝素纤维相比，再生丝素材料力学性能有所下降，所以改善再生丝素材料力学性能已成为丝素蛋白生物材料领域的重要研究课题。如将一些高分子物质，如聚乙二醇、聚己内酯、聚乙烯醇等，与丝素蛋白进行共混，从而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材料。2.2丝素蛋白的生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种反应，包括生物反应、物理反应、化学反应等。丝线缝合的成功使蚕丝蛋白成为一种具有良好生物相容性的材料。在丝素蛋白的18种氨基酸中，有11种氨基酸为人体必需的氨基酸，且蚕丝无毒无污染，具有良好的抑菌效果和一定的抗紫外线效果。其吸湿能力和保湿能力优良，致敏性极低。
2.3丝素蛋白的可降解性
生物降解性是材料选择的一项重要指标。生物降解性是指生物材料在生理环境下发生分解、溶解或生分子量下降，降解产物可以被机体吸收或释放出体外的性质。丝素蛋白材料无论是何种形态，在合适的酶作用下都可以被最终降解。通过生物体内的可降解性实验表明，水凝胶丝素3D支架植入大鼠后，在几周内就出现裂解，并在一年后完全消失。宿主免疫系统对三维丝素蛋白多孔支架的降解并无明显排斥，这表明丝素不仅可降解，而且可以被机体有效吸收。
3.丝素蛋白在生物材料领域的应用
3.1骨组织
骨组织工程当前研究的重要方向是制备具有骨再生功能且可生物降解的支架材料。丝素蛋白已成为骨组织工程的重点开发对象，可形成各种形式的丝素蛋白生物材料，如丝素膜、丝素水凝胶、丝素多孔支架等。在骨组织修复应用中，丝素蛋白可以作为引导骨组织再生膜的重要材料来源，并通过先进的技术来改良其性能，对骨缺损修复起到重要作用。在骨组织工程所需的支架材料中，丝素蛋白可以提供细胞生长、附着和分化的空间。
近年来，研究人员致力于研究具有良好骨传导性和骨诱导性，同时保有材料良好的生物相容性及降解性的丝素蛋白复合材料。羟基磷灰石是目前在复合材料中应用较为广泛的一种主要无机成分，此种复合材料的生物力学性能优越，作为工程支架时大大提高了力学性能和骨传导性。图2-1丝素蛋白和羟基磷灰石复合
3.2血管组织
丝素蛋白特殊的氨基酸排列结构使它具有一定的抗凝血功能，同时还具有抗血栓形成的表面，对高剪切应力和血流压力具有良好的抵抗力。将蚕丝蛋白用于人造血管的材料中，不但具有良好的生物相容性，还有利于人造血管的内皮细胞定植生长。此外，加入甘油可增加材料的难溶性，亦可提高止血性能。在丝素蛋白表面构建再生丝素蛋白和壳聚糖多层膜，可以显著提高人工血管材料的生物相容性，促进组织生长。
3.3神经组织
每年有数以百万计的人遭受周围神经损伤，神经系统能够自我修复轻度伤害，而大的损伤需要通过在身体其他部位收获的神经移植物进行手术治疗。自体神经移植由于术后并发症和自体神经量有限的问题，并不能很好地满足医疗需求。寻找合适的生物材料来提高人工神经的修复能力是目前研究的关键点。国内外团队通过研究发现在丝素蛋白中混入丝胶蛋白可以大大提高材料的机械强度，制备出机械强度优良的高仿生丝胶蛋白/丝素蛋白共混材料人工神经导管。此外3D打印技术与静电纺丝法相结合所制备出的聚吡咯/丝素蛋白纤维基导电型复合支架，支架稳定性强，生物相容性好，有助于背根神经节的粘附生长和轴突的延伸生长。
3.4皮肤组织
丝素蛋白能很好地支持人类角质形成细胞和成纤维细胞。用丝素蛋白制成的皮肤敷料可以帮助皮肤得到更快的修复。以丝素蛋白作为主要材料来制备皮肤敷料时，主要是以丝素水凝胶形式进行。单颖慧老师团队通过静电纺丝法将黄芪装载于丝素/明胶纳米纤维膜中，得到一种载药纳米纤维敷料，生物相容性好，促进皮肤创口愈合且能抑制疤痕形成。
3.5药物缓释载体
药物缓释是指使药物缓慢进入血液以降低血液中的药物浓度，所以制备能使被承载的药物缓慢释放的载体材料是非常必要的。现今常见的材料包括壳聚糖、水凝胶、聚羟基丁酸酯等。丝素蛋白也因其优良特性在药物缓释中得到应用。张海云团队以丝素蛋白与Fe3O4纳米颗粒为主要材料，制备成一种具有磁靶向的复合微球药物载体，其具有药物靶向释放能力，可以有效提高药物利用率和控制药物缓释，并证明了具备良好流动性后的丝素蛋白水凝胶的药物传递效率较高。
3.6水凝胶
丝素蛋白通过氢键、亲疏水性、静电及剪切力等相互作用，使得分子链之间相互作用形成β-折叠结构，导致大分子链之间相互缠绕、集聚，形成蛋白微球胶束，并进一步物理交联形成水凝胶。聚氨酯基丝素蛋白水凝胶是丝素蛋白复合水凝胶中的一种，因为同时具有水凝胶的优异生物相容性和聚氨酯材料在性能方面的可调性，一直受到研究人员的青睐。现有的工艺技术已将聚氨酯与丝素蛋白的优异性能结合起来，优化合成工艺，制备出力学性能较好的聚氨酯-丝素蛋白水凝胶材料，在生物工程材料领域有着广泛的应用前景。
图3-1丝素蛋白水凝胶的应用领域4.丝素蛋白未来的发展前景
丝素蛋白目前最广泛的应用于在骨修复领域。主要包括丝素蛋白骨修复材料的制备工艺研究、体内外生物相容性研究、丝素蛋白生物材料对干细胞的成骨和成软骨诱导能力研究以及丝素组织工程骨在体内骨缺失修复效果研究几个方面。可以根据临床的实际需要，将丝素蛋白制备成不同形式的骨修复材料，如丝素膜、丝素纳米纤维、丝素水凝胶以及丝素多孔支架。此外，丝素蛋白生物材料能够通过化学修饰、负载生物活性因子以及复合无机物的等方式来增强骨修复的效果。虽然研究者对丝素蛋白在骨修复的应用进行了体内体外等一系列研究，但是离临床应用要求还一定差距，仍有一些问题需要解决，如:丝素蛋白骨修复材料如何更好地调控种子细胞的成骨分化;如何构建出更高机械强度的丝素蛋白骨修复材料;如何确保丝素蛋白骨修复材料的降解速度与骨组织的生长相匹配等等。如果仅期望于通过优化丝素蛋白材料的加工工艺解决上述所有问题，其难度很大。因此，利用转基因技术得到适合于骨修复的具有优良性能的重组丝素蛋白，再通过化学修饰、组分复合等手段得到性能优良，具有临床应用价值的骨修复材料，将成为今后该领域研究的热点。此外，利用3D打印技术制备出完全模拟骨组织内部结构的丝素骨修复材料，以及对丝素生物材料体内外诱导成骨机理的研究，也是今后值得