《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Silk-based piezoelectric biomaterials: Next-generation smart scaffolds for tissue regeneration and biomedical applications
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丝绸蛋白作为压电生物材料的最新进展及其在组织再生中的应用，重点研究其分子起源、电纺与3D打印等制备技术，以及复合材料的生物电刺激效应。通过分析骨再生、神经生长等典型案例，揭示了丝绸基智能支架通过机械力转化为电化学信号促进细胞分化的机制，同时指出规模化生产和体内稳定性等挑战。
Joydeep Bhattacharyya | Trishna Bal
生物材料与生物医学研究实验室，药物科学与技术系，Birla理工学院，Mesra，Ranchi，Jharkhand，835215，印度
摘要
材料科学与再生医学的结合推动了先进生物材料的发展，这些材料能够主动引导细胞行为。丝蛋白因其卓越的生物相容性、精确可控的生物降解性和强大的机械韧性而成为该领域的前沿材料。本文综述了最近在利用丝蛋白的压电特性来创建用于组织再生的“智能”生物聚合物支架方面的重大进展。我们全面讨论了丝蛋白电机械特性的分子起源，并概述了包括电纺和3D打印在内的先进制造技术，这些技术被用于开发可穿戴和可植入的生物医学应用设备。重点在于合成高性能的混合材料，这些材料可以放大治疗性电刺激，从而促进骨形成、引导神经生长并改善组织整合。尽管在可扩展性和长期体内稳定性方面存在挑战，但本文认为基于丝蛋白的压电平台代表了一种变革性技术。通过将生理机械力转化为再生的电信号，这些智能支架在工程化复杂组织和恢复生物功能方面具有巨大潜力，预示着个性化、有效治疗策略的新时代。
引言
组织再生是一个复杂的多方面过程，它在损伤或细胞丢失后恢复组织结构和功能。与非哺乳动物脊椎动物不同，由于遗传、发育和免疫系统的差异以及组织的复杂性，包括人类在内的哺乳动物具有有限的自我再生能力。内源性干细胞是特定组织的成体干细胞，在这一过程中起着重要作用。这些干细胞具有自我更新和分化为目标细胞类型的能力，因此是原位和体内组织再生的核心[1]。免疫系统也在组织修复和再生中起着关键作用，影响愈合的速度和结果。根据组织类型和年龄，它会产生积极或消极的影响。先天免疫系统（包括中性粒细胞和巨噬细胞）调节组织愈合，而适应性免疫系统和T细胞功能同样重要[2]。成功的组织再生依赖于建立一个支持细胞功能和信号传导的微环境。血管化、营养扩散和细胞外基质（ECM）成分对损伤区域的细胞迁移、增殖和分化至关重要。生长因子和细胞因子也通过激活特定的信号级联来调节这一过程。然而，在人类中，由于细胞可塑性的限制以及纤维化瘢痕形成超过功能性组织修复，组织再生是部分的[3]。
生物材料支架在组织工程和再生医学中非常重要，因为它们提供了一个三维框架，支持细胞生长和分化。支架的设计旨在模仿细胞外基质，为组织再生提供支持环境。支架可以由不同类型的材料制成，如金属、陶瓷、聚合物和复合材料，这些材料具有不同的性质，使其适用于不同的组织工程应用[4,5]。这些支架是细胞附着、增殖、分化和ECM沉积的临时平台，因为它们会缓慢降解，从而促进组织与宿主组织的整合。有效支架的关键特性包括生物相容性、生物降解性、适当的机械性能、多孔性以促进血管化和营养扩散，以及可塑性强，能够制成各种形状和大小[3]。用于支架构建的生物材料可以是天然的或合成的。天然生物材料如胶原蛋白、丝胶或丝素以及透明质酸具有内在的生物活性，类似于天然的ECM分子，有助于细胞粘附和整合。然而，它们在机械上较弱且易碎，这可能限制了某些条件下的应用。合成聚合物如聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA）提供了可调的物理和机械性能，可以对支架的降解速率和结构完整性进行精确控制。然而，合成材料可能需要表面修饰以提高生物相容性和细胞粘附[6]。
由于丝蛋白独特的生物和物理化学性质，它们已成为再生医学的基石。其内在的生物相容性、机械稳定性和可调的生物降解性使它们成为构建模拟天然组织微环境的生物材料支架的最佳选择[[7],[8],[9]]。主要从蚕中提取的丝素和丝素纤维蛋白已广泛应用于骨骼和软骨组织工程中，它们的结构多样性使它们能够开发成多孔支架、水凝胶和纳米纤维，从而促进细胞粘附、增殖和分化[7]。负载有间充质干细胞（MSCs）或脂肪源性干细胞（ADSCs）的丝支架显示出增强的骨形成分化和细胞外基质矿化，这两者都是骨骼损伤修复所必需的。加入生物活性分子（如骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和羟基磷灰石（HAp）也能增强丝蛋白的再生能力，通过促进顺序细胞募集和矿化来实现。在骨骼以外的应用中，其他丝蛋白复合材料，如丝素纤维蛋白-明胶甲基丙烯酸酯（silk-GelMA）混合物，也显示出在肌腱再生方面的潜力，提高了MSC的活力和参与基质组装的基因表达[7,9]。此外，丝胶和丝素还能协同增强MSC的旁分泌信号传导，触发促进皮肤和肌肉骨骼系统组织修复的途径[10]。最近的基因工程进展使得可以对丝蛋白进行分子水平的修饰，引入功能性基序以优化其与宿主组织的相互作用[7]。这些特性，加上丝蛋白封装和持续释放治疗剂的能力，使其成为应对多种再生挑战的多功能平台。
因此，本文重点介绍了丝蛋白（特别是丝素纤维蛋白）作为压电生物材料在组织再生和其他生物医学应用中的设计和应用的最新进展。我们关注它们的结构和功能特性、潜在的电机械机制，以及它们在创新支架和生物电子设备中的整合。通过批判性地讨论当前的进展、挑战和未来前景，本文提供了关于基于丝蛋白的压电系统作为下一代再生医学平台的及时和全面概述。
方法论
系统文献检索在PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar上进行，检索时间截至2025年3月。检索结合了关键词和布尔运算符：（“silk” OR “silk fibroin” OR “sericin”）AND（“piezoelectric” OR “Electrical Stimulation” OR “smart scaffold”）AND（“tissue regeneration” OR “biomedical application”）。通过手动搜索参考文献还识别了额外的记录。初步检索得到了大量记录，然后根据某些标准进行了筛选
丝素纤维蛋白和丝素的结构和性质
天然丝是一种由昆虫（如家蚕Bombyx mori）产生的非凡生物聚合物，包含两种主要蛋白质：丝素纤维蛋白和丝胶。丝素纤维蛋白构成了丝纤维的结构核心。同时，丝胶作为一种类似胶水的涂层将丝素纤维粘合在一起，它们不同的分子结构奠定了丝独特机械和生物特性的基础。丝素纤维蛋白约占纤维重量的70-80%，是一种复杂的蛋白质，由...
生物系统中的压电现象
生物系统中的压电现象指的是某些生物材料在受到机械应力作用时产生电荷的现象，这一性质根植于它们的非中心对称分子结构[38]。这种电机械耦合在各种组织中观察到，例如骨骼、肌腱、皮肤以及细胞外基质成分中，其中极性大分子的有序排列使得机械能可以转化为...
丝蛋白与压电生物材料和生物医学平台的整合
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骨组织工程：基于丝蛋白的压电支架用于骨形成
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挑战与未来展望
尽管基于丝素纤维蛋白（SF）的组织工程支架取得了显著进展，但在可扩展性、机械稳定性和生物电子集成方面仍存在一些问题。由于β-折叠片结晶度的批次间差异以及丝提取和纯化过程的复杂性，可扩展性仍然是一个关键挑战，这可能导致支架性能的异质性和工业环境中的低规模可重复性[25,182]。例如，大规模...
结论
再生医学领域正在经历范式转变，从被动的结构生物材料转向能够主动引导细胞命运和协调组织修复的响应性系统。本文全面概述了利用丝蛋白（特别是丝素纤维蛋白）作为压电智能设备基本组件的重大进展。我们强调了丝蛋白的固有特性，包括出色的生物相容性...
CRediT作者贡献声明
Joydeep Bhattacharyya： 数据整理、形式分析、方法论、初稿撰写。Trishna Bal： 概念构思、项目管理、资源获取、监督、验证、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢中央Tasar研究与培训研究所（CTRTI）、中央丝绸委员会（印度纺织部）的财政支持，资助编号：BPC04025SNC
