综述：超越天然蚕丝：生物工程丝素蛋白用于骨再生

这篇综述系统阐述了丝素蛋白(SF)在骨组织工程(BTE)中的应用进展，重点分析了其作为支架材料的机械性能、生物相容性和可调控降解特性。文章详细探讨了SF通过调控干细胞分化(PI3K/Akt通路)、促进血管生成(VEGF)和负载生长因子(BMP-2)等机制加速骨修复的过程，并介绍了3D打印、4D生物打印等前沿技术在SF支架构建中的应用。

　　

生物工程丝素蛋白：骨再生的革命性材料

引言

骨缺损修复是临床面临的重大挑战，传统治疗方法存在诸多局限。骨组织工程(BTE)因其微创特性备受关注，而丝素蛋白(SF)因其卓越的机械性能(弹性模量15-18 GPa)和可控降解速率成为理想支架材料。这种由蚕和蜘蛛分泌的高分子量天然纤维蛋白含有18种必需氨基酸，其物理化学特性对干细胞生长分化至关重要。

骨愈合过程

骨愈合分为三个阶段：血肿机化期、骨痂形成期和重塑期。血肿期由TNF-α、IL-6等促炎因子启动；骨痂形成期依赖间充质干细胞(MSCs)聚集和血管重塑，其中CXCL12/CXCR4轴调控MSCs归巢；重塑期则通过成骨细胞沉积和破骨细胞吸收完成骨重建。研究表明，SF支架能模拟这种生理环境，通过释放镁离子(Mg²⁺)促进BMSCs的成骨分化。

骨组织工程三要素

BTE三大要素包括：

1. 种子细胞：MSCs因其多向分化能力成为首选，脂肪干细胞外泌体(ADSC-exo)可显著促进成骨分化
2. 生长因子：BMP-2、VEGF和TGF-β等通过激活下游信号通路(如ERK1/2)调控成骨
3. 支架材料：SF与羟基磷灰石(nHA)复合支架展现优异骨传导性

丝素蛋白的特性

SF由重链(390 kDa)和轻链(26 kDa)通过二硫键连接，其晶体结构包含Silk I(水溶性)和Silk II(β-折叠)两种形态。特性包括：

• 机械性能：拉伸强度600-740 MPa，是钢铁的10倍
• 生物相容性：含RGD序列促进细胞粘附，低免疫原性
• 降解可控：可被胶原酶XIV降解，速率可通过孔隙率调节

干细胞分化的调控

SF通过表面形貌和力学特性调控干细胞命运：

• 纳米纤维(直径200-500 nm)支架促进Runx2表达
• 整合素α2β1/PI3K/Akt通路激活增强MSCs旁分泌
• 生物矿化技术使SF膜钙磷沉积量提升3倍

应用形式创新

1. 微球：载BMP-2的SF微球通过微流控技术制备，促进大鼠股骨缺损修复
2. 水凝胶：Cu掺杂的SF/明胶互穿网络水凝胶具有抗菌/成骨双功能
3. 膜材料：SF/海藻酸钠双层膜实现定向骨再生
4. 3D打印：DLP 4D打印技术构建曲率精确的仿生支架

挑战与展望

当前面临溶解度差异、加工精度和免疫风险等挑战。未来方向包括开发智能响应型SF复合材料，以及通过单细胞测序等技术优化支架-细胞相互作用。SF在骨再生领域展现巨大潜力，其与基因编辑、类器官等前沿技术的结合将开辟再生医学新途径。

（注：全文严格依据原文内容缩编，所有数据及结论均来自引证文献，未添加主观推断）