四、丝胶蛋白的生物学特性

近年来，丝胶蛋白的生物学特性不断被发掘，丝胶蛋白因具有优越的成胶性能、细胞黏附性、高生物相容性、低免疫原性以及天然荧光特性，被逐步证明是适于组织修复的天然生物材料。

（一）溶解性

丝胶蛋白是一种复合蛋白，具有较好的水溶性。根据在水中的相对溶解性，丝胶蛋白可分为不同组分。利用加热水解法提取的丝胶蛋白溶液，经蛋白质分级沉淀，获得了易溶性（丝胶蛋白A）和难溶性（丝胶蛋白B）两种组分。根据蚕茧中丝胶蛋白在沸水中溶解速度的不同，将丝胶蛋白分为丝胶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。此外，丝胶蛋白在丝素纤维表面分布位置不同，溶解性也不同。位于丝素纤维外层的丝胶蛋白易溶于沸水，而位于内层的丝胶蛋白相对难溶。

丝胶蛋白的溶解性还与其氨基酸组成、排列方式以及分子量密切相关。具有极性基团的氨基酸残基能与水分子形成电荷作用（大部分以氢键形式存在），促进蛋白的溶解。具有非极性基团的氨基酸残基通过分子间疏水性作用而聚集，从而抑制蛋白的溶解。氨基酸组分分析表明，丝胶蛋白分子由18种氨基酸组成，包括含有丰富羟基、羧基，以及氨基等极性侧链的氨基酸。尽管不同来源的蚕茧提取的丝胶蛋白，各氨基酸含量稍有差别，但丝胶蛋白中极性氨基酸残基含量占70%以上，其中具有羟基侧链的氨基酸含量大于40%。丰富的极性氨基酸残基使丝胶蛋白具有良好的水溶性。氨基酸的排列方式也直接影响蛋白分子的空间结构。丝胶蛋白主要以无规则卷曲形式存在，并含有5%～10%的β-折叠结构。由于丝胶蛋白分子间排列较疏松的无规卷曲分子结构，分子间相互作用力较小，水分子易于渗透，进一步促进了丝胶蛋白的水溶性。丝胶蛋白的水溶性同样受分子量大小（10～400kDa）的影响，其分子量大小的不同主要取决于提取方法（酸性、碱性、酶）以及提取条件（温度、压力、pH以及时间）的不同。通常，低分子量的丝胶蛋白具有更好的水溶性，而高分子量的丝胶蛋白相对更难溶于水。

（二）凝胶特性

丝胶蛋白溶液具有自凝特性，有机溶剂（乙醇）处理，低温（10℃）以及pH 6～7的条件下往往导致丝胶蛋白自凝。丝胶蛋白的自凝过程与其蛋白分子结构有关，在其形成凝胶的过程中，分子结构由无规卷曲转变为β-折叠结构，导致蛋白分子之间作用力增强，从而形成分子间交联的网状结构。但这种分子间作用力在高温条件下较弱，当温度加热到50～60℃时，自凝胶将恢复到水溶液状态。但丝胶蛋白自凝形成的水凝胶机械性能较差，一定程度上限制了其在生物医学领域的研究和应用。

水凝胶作为一类常用的生物材料载体，是多种组织工程生物支架及其他衍生物的结构基础。纯丝胶蛋白因具有完整的多肽骨架和丰富的侧链基团，有利于化学交联、理化修饰，这种特性为制备不同类型的丝胶水凝胶及衍生物提供了良好的物质基础。

（三）细胞黏附性

细胞黏附是细胞移植及存活的首要条件。王琳教授课题组发现纯丝胶水凝胶可以支持多种细胞的黏附及生长；进而又发现丝胶蛋白及其衍生物具有优良的天然细胞黏附性，可替代复杂且昂贵的化学修饰（如RGD多肽修饰）来增强生物材料的细胞黏附性；这为丝胶蛋白及其衍生物作为细胞载体用于组织修复提供了重要的功能基础。虽然目前还不明确丝胶蛋白细胞黏附的具体机制，在目前已克隆的家蚕丝胶基因中也尚未发现黏附序列（如RGD、YIGSR），但并不排除这些黏附序列可能存在于尚未发现的丝胶基因中；另外，有研究报道丝胶蛋白的细胞黏附特性可能与丝胶基因（ser1、ser2、ser3）中丰富的重复序列有关。因此，尽管具体的生物机制还有待进一步研究，丝胶蛋白的细胞黏附功能已被应用于多种生物医学研究。

（四）高生物相容性与低免疫原性

良好的生物相容性与低免疫原性是生物材料应用于生物医学领域的必要条件和基础。在早期研究中，由于认知水平及技术瓶颈的限制，研究者们对丝胶生物材料存在误解，认为丝胶是导致蚕丝具有免疫原性的元凶，也有部分研究者认为丝胶与丝素在一起会引起免疫反应。但近年来，大量新研究结果证明丝胶作为一种天然生物材料具有良好的生物相容性与低免疫原性，从而改变了人们对丝胶的传统误解。为了纠正前人关于丝胶的错误认知，王琳教授课题组系统研究了丝胶生物材料的炎症反应、免疫原性、变异原性、血液及组织细胞相容性，实验证明丝胶不仅无细胞毒性，还能显著促进细胞的增殖；丝胶蛋白也不会诱导炎性细胞的活化以及促炎性因子的表达。此外，王琳教授课题组还通过一系列动物实验证明，与美国食品药品监督管理局（FDA）认证的生物材料海藻酸盐及壳聚糖相比，丝胶生物材料引起的炎症反应程度更轻，并且其变应原性和免疫原性也更低。研究证明丝胶蛋白其实是一种具有高生物相容性和低免疫原性的生物材料，其生物安全性能够满足多种生物医学应用的要求。此发现澄清了多年来限制丝胶研究的误解，为丝胶蛋白在生物医学中的研究与应用提供了重要的理论基础。

（五）天然荧光特性

丝胶蛋白具有广谱的荧光特性。激发光波长在280～560nm，相应的发射光谱处于两个波段范围，即280～300nm（此波段范围具有高强度峰）和340～600nm。丝胶蛋白经化学交联形成的水凝胶仍能保留荧光特征，但其发射光谱较丝胶蛋白的荧光相比发生一定的位移，变为300～600nm（低强度峰）和500～700nm（高强度峰）两个波长范围。丝胶蛋白的天然荧光特征可能与蛋白中存在芳基发色团的氨基酸有关，如色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。丝胶的这种天然多色荧光特性，为再生医学提供了一类具有实时荧光监测功能的新型生物材料，适用于生物材料的体内示踪。