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
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。2017-2019年，我国生物医用材料市场规模从1380.3亿元增至1982.7亿元，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2022年，我国生物医用材料市场规模将进一步扩大，达到3059.4亿元。
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
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。 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1993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。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5236个氨基酸残基组成，分子量为391kDa；轻链（L链）由266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Silk I和Silk II。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Silk III结构。Silk I包括螺旋及其他非β-折叠的构象，而Silk II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：A Review ofStructure Construction of Silk Fibroin Biomaterials from Single Structures toMulti-Level Structures
Silk I结构是水溶性的，不稳定，可以通过一定条件向Silk II转变，Silk II 是更为稳定的β-折叠结构，在水中是不溶解的，因此向Silk I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4 Silk I和Silk II 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》
天然蚕丝纤维的初始模量为5-12Gpa，断裂强度为500Mpa，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。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。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850-1000μm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。丝素蛋白具有从无卷到Silk I、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。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1960-2013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2010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5 1960-2013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。2003年，Kaplan教授提出动物丝蛋白成丝机理中的胶束理论，引起了广泛关注。目前,他们一方面关注丝蛋白作为基础材料研发新的生物医用材料，用于组织工程用支架、生物活性分子传输体系以及骨骼肌肉再生体系等等，以期早日做出用于临床的产品；另一方面通过不同的控制性制备，发掘丝素蛋白独有的光学和电学性能并用于实践。国内对于丝蛋白进行研究的主要有苏州大学、东华大学、复旦大学、浙江理工大学等高校和科研机构，其中苏州大学在丝素蛋白材料在生物医用领域中的作用进行了大量的研究工作。丝素蛋白从来源上分为天然丝素和再生丝素。直接从家蚕的后部丝腺得到的是天然的丝素，不含丝胶蛋白，呈白色半透明状。利用化学的方法将丝胶和丝素分离，并去除其他物质后得到的就是再生丝素。除了某些特殊编织途径，动物丝通常需要溶解后才能制备成其他形貌的材料，因此，将动物丝溶解以获取大量丝蛋白溶液成为了主要途径。在这过程中，溶剂的选择和溶解温度至关重要，既要有很强的氢键破坏力可以摧毁物理交联点，又要尽量减少影响肽键以避免分子链过度降解。由于蚕茧外面包着丝胶蛋白，将茧丝充分脱胶也是必要步骤，可通过酶促方法或化学处理除去丝胶。后一种方法被广泛使用，通常包括将丝绸在碳酸氢钠中煮沸。用脱胶的蚕丝纤维制备蛋白溶液的溶剂体系有两种，无机盐溶剂体系（如LiBr水溶液、NaSCN水溶液等）和有机溶剂体系（如HFIP、水合六氟丙酮）。无机盐体系是最直接的方法，且价格较为低廉，因此目前应用较为广泛。丝蛋白的无机盐水溶液通过半透膜透析或者凝胶过柱的方式得到不含盐的再生丝蛋白水溶液，在通过“反透析”的方式得到浓度高且稳定的水溶液，获得的水溶液在室温下可稳定数周或在4°C下可稳定几个月。制备的丝素蛋白水溶液通常用于产生新型的丝素蛋白材料形式，例如膜、纤维、支架和水凝胶以及（纳米）颗粒和（纳米）涂层等。
图表6 再生丝素蛋白水溶液制备的不同性质的材料
数据来源：《蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白》
再生丝素蛋白水溶液可以制备成多种不同的材料，科学家们做了大量的试验来对不同材料其在各个领域的应用做了广泛的探究，目前主要的进展如下：
图表7 丝素蛋白不同性状材料制备方式与应用
数据来源：公开资料
虽然科研机构对丝素蛋白制备成不用的基材料做了广泛的探究，但是大部分都还处于实验室研究阶段，目前实际用于临床治疗并且成功商业化的产品并不多，SERI外科支架、Silk Voice®注射剂、蚕丝缝合线和用于治疗皮肤病的丝绸服装是当今常规临床使用的产品。SERI外科支架技术来自于美国Tufts大学D.Kaplan团队的研究成果，在此基础上成立了Serica Technologies Inc。相关临床试验证明了SERI外科支架与现有的外科手术网“基本等效”， 因此获得了FDA 510（k）许可销售该设备。Serica Technologies Inc.随后被艾尔健公司并购，SERI手术支架于2013年开始在市场上销售，用于软组织支持和修复。艾尔健随后进行了多项临床试验，目前SERI外科手术支架适应症适用于腹壁重建和整形外科研究应用，包括全身轮廓，肱成形术，腹部成形术，乳房固定术和乳房重建术等。
图表8 SERI外科手术支架部分临床试验
数据来源：ClinicTrials
Silk Voice®天然丝蛋白注射剂由美国Sofregen公司开发，该公司同样源自于美国Tufts大学，是目前唯一一款获批的天然丝蛋白注射剂，2018年获批用于治疗声带介质化和声带功能不全。丝代异丝蛋白创面敷料由苏州苏豪生物材料科技有限公司开发，技术来源于苏州大学，于2012年批准上市。丝代异的适应症为II度烧伤创面愈合。该敷料由下层和上层组成，下层是丝蛋白创面敷料的主体，是以蚕丝蛋白为主要原来制成的丝素微孔材料，它是将蚕丝脱胶、溶解、提纯后，采用冷冻干燥的工艺加工而成，微孔材料外观为白色，上层是医用硅橡胶膜。敷料厚度是2mm左右。
图表9 丝代异丝蛋白创面敷料结构图
数据来源：公开资料
根据在SPF级SD大鼠上的试验，将大鼠浅II度烫伤并分别覆盖丝代异蛋白敷料（实验组）和市售普通敷料（对照组），发现术后第8天，对照组创面形成黄色焦痂，质较硬，实验组创面清洁湿润，大部分坏死组织开始脱落，部分创面开始上皮化，经过masson’s染色分析，对照组炎症反应任然比明显，实验组大量细胞在表皮层生长聚集；术后第14天，对照组大部分创面痂下愈合，部分创面焦痂状态，创面仍然较深，masson’s染色可以看到表皮层仍在形成中，而实验组创面已经基本愈合，皮肤清洁光滑，表皮层已经形成且具备角质层结构。在随后进行的临床实验中，共入组了144例病人，包括深II度创面与浅II度创面，试验结果表明，与对照组（市售敷料）相比，实验组（代异蛋白敷料）可以明显缩短创面愈合时间，浅II度组从11.58天缩短到7.42天，深II度组从19天缩短到14.25天。除了目前已上市产品，亦有部分产品进行了临床试验，下表为ClinicTrials查询到的近几年关于丝蛋白产品临床试验情况，从应用来看，多数集中于创口修复敷料、骨科修复材料等领域，从形态上来说，丝素蛋白膜、丝素蛋白支架是应用比较多的材料。
图表10 丝蛋白材料部分临床试验
数据来源：CliniclTrials
前文提到，对丝素蛋白的研究开始于近50年，近几年才有较快的发展，因此以丝素蛋白为基础材料进行商业化产品开发的公司并不多，且大部分技术均来自于大学科研团队的成果，其中又以Tufts大学为主要代表。国内外部分企业及其产品情况如下：
图表11 部分进行丝素蛋白材料开发的公司
数据来源：公开资料
苏州丝美特生物技术有限公司成立于2013年，位于苏州工业园区生物纳米产业园内，是国内专注于丝素蛋白新型生物材料及其衍生产品研发、生产和销售的高科技企业，目前已经申报10余项丝素蛋白材料领域的国内外各种专利。丝美特首席科学家王晓沁教授曾担任美国Tufts大学David Kaplan团队助理教授，对天然丝素蛋白生物材料的工业化制备及其在组织工程修复、药物递送、生物3D打印、生物传感器和日用品工业中的应用进行了多年深入研究，创建了苏州大学-Tufts大学生物医用材料联合实验室。制备水溶液是丝素蛋白进行开发利用的必备步骤，传统方式制备数量有限且制备出的水溶液不稳定，保存时间短，不利于运输。公司经过过年摸索，掌握了高纯度丝素蛋白吨级量产技术，并开发了可溶性冻干丝素蛋白，解决了保持与运输的问题，大大拓展了丝素蛋白的下游应用。目前公司已经具有丝素蛋白冻干粉、丝素蛋白乳液、冻干精华球等多种形态、规格的原材料，可用于生物医药、医疗器械、日化护肤、绿色纺织品等多个领域，同时具备水凝胶、丝素微球、丝素蛋白敷料等多种基材料的能力，正在积极探索用于临床的产品开发。苏州苏豪生物材料科技有限公司于2006年，由江苏苏豪国际集团股份有限公司与苏州大学、上海交通大学医学院附属瑞金医院共同出资注册成立，致力于拥有自主知识产权的高新技术产品苏豪人工皮肤和丝蛋白创面敷料的研制、开发和生产。苏豪人工皮肤的技术来源于苏州大学承担的国家高技术研究发展计划（国家863计划）课题“丝素蛋白软组织修复材料的研究”、“丝素蛋白作为生物医学材料的应用研究及产品开发”等项目的科研成果转化。2012年，其用于II度烧伤创面愈合的丝代异丝蛋白创面敷料获批上市。公司于2019年3月份被巴山泓（北京）医药科技有限公司收购，成为奥泰康集团CDMO中心。浙江星月生物科技股份有限公司成立于2010年4月，坐落于杭州未来科技城，累计投资2亿元，建设有5000平米GMP生产车间及实验室。公司立足于运动医学与再生医学领域，丝素蛋白材料的应用是其重要的研发方向之一，已经开发了丝素蛋白溶液、丝素蛋白微球、丝素凝胶、丝素蛋白海绵、丝素蛋白膜等多种形态的丝素蛋白材料。2019年，公司技术团队联合浙江大学医学院附属第一医院邹晓晖课题组合作开发出一种丝素蛋白皮肤再生修复膜，开展了系列研究包括材料制备方法、材料分析与表征、生物学性能和生物相容性评价、小动物和大动物的体内实验。完成临床前研究的安全性与有效性评价后，与中南大学附属湘雅二医院钱利副主任医师及湘雅三院周建大主任医师合作开展了随机对照临床试验，系统性评估了该丝素蛋白膜的临床应用安全性和有效性。新西兰兔全层皮肤缺损实验显示该丝素膜能够显著减少伤口愈合时间并提高伤口愈合质量，优于已上市的对照产品。在一项由71位患者参与的随机对照临床试验中（NCT01993030），与已上市对照品相比，该丝素蛋白护创膜能够显著加速伤口愈合，并且降低不良反应发生率。Sofregen Inc.成立于2014年，来自于Tufts大学生物医学工程系的研究实验室，致力于利用丝素蛋白的生物材料特性，使缺损的软组织再生。Sofregen希望利用工程支架治疗战斗创伤、去除疤痕、消除皱纹。Sofregen收购了同样是来自于Tufts大学的医疗技术公司Serica Technologies已上市产品Seri 外科手术支架。同时开发了Silk Voice®天然丝蛋白注射剂，这是世界上唯一一个获批的天然丝蛋白注射剂，被2018年FDA批准用于治疗声带介质化和声带功能不全。Sofregen Inc.成立后获得了160万美元的种子轮投资，2016年9月和2019年9月，该公司分别获得620万美元和800万美元的投资。Evolved by nature成立于2013年，创始人Gregory Altman和Rebecca Lacouture均来自于Tufts大学，两人曾经共同创立了Serica Technologies（研发了第一个被FDA批准的丝素蛋白器械Seri 外科手术支架并被艾尔健收购）。公司拥有涵盖各种蚕丝分子成分的专利，公司旗下的Silk Therapeutics研发了基于丝素蛋白材料护肤品系列并成功推向市场。目前公司正致力于丝素蛋白材料在纺织品及医药领域的应用开发。2019年6月，公司获得香奈儿(Chanel)的战略投资。Cocoon Biotech Inc.成立于2013年，创始人Ailis Tweed-Kent博士拥有哈佛大学医学博士学位的圣母大学化学工程学博士学位。公司开发蚕丝作为可持续材料科学平台，探究其在消费、医疗、工业中的应用。在医疗领域，公司基于其丝绸蛋白技术协助开发骨关节炎和其他药物递送疗法。Cocoon开发了一种基于丝绸的蛋白质凝胶，可以将其注射到患者的关节中以治疗骨关节炎和其他退行性关节疾病，从而使医疗专业人员能够快速，轻松且无痛地治疗骨关节炎。人类对蚕丝的应用已经有数千年的历史了，丝素蛋白作为一种天然的生物聚合物，由于其良好的生物相容性、可调节的降解、独特的生物医学和机械性能、易于加工和充足的供应，已被证明是一种了不起的生物材料，在药物递送、组织修复、美容护肤、日化纺织领域逐渐展现了其惊人的潜力。当前，对于丝素蛋白的探究还处于相对早期阶段，在原料量产、质量控制、治疗机理、结构改性等方面依然需要继续改进，材料的临床应用研究大部分依然处于实验室或者动物实验阶段，实际使用还存在不足。随着研究的深入与技术的进步，其良好的应用潜力将会被逐渐挖掘，极有可能成为下一代应用广泛的变革性新型天然生物医用材料。
来源：颐通社
参考资料：
1.《生物医用材料导论》，李世普著，武汉工业大学出版社，2000.08；
2.《中国生物医用材料产业演进及投资机会白皮书》，赛迪顾问，2020.4；
3.《生物医用材料深度研究报告（2014年）》，新材料在线，2014；
4.《天然生物医用高分子材料的研究进展》，杨立群、张黎明，中国医疗器械信息，2009年第15卷第5期；
5.《丝素蛋白材料的生物学性能》，卢神州，丝绸,2007年12期；
6.《蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白》，邵正中著，化学工业出版社，2015.5；
7. 《丝素蛋白及其复合材料的研究进展》，李莹莹、王昉、刘其春等，材料工程，2018年第46卷第8期；
8.《蚕丝及再生丝素蛋白材料及其应用》，吴惠英、周燕、左保齐等著，中国纺织出版社，2017.6；
9.Yu Qi, Hui Wang, Kai Wei, Ya Yang, Ru-Yue Zheng, Ick Soo Kim, Ke-QinZhang; A Review of Structure Construction of Silk Fibroin Biomaterials fromSingle Structures to Multi-Level Structures.Int. J.Mol.Sci.2017,18,237.
10.Chris Holland, Keiji Numata, JelenaRnjak-Kovacina, and F. Philipp Seib; The Biomedical Use of Silk: Past, Present, Future.Adv. Healthcare Mater.2019,8.
苏公网安备 32050602011157号
