# 中文标题 丝素蛋白/聚乳酸复合支架用于骨再生：力学生物学、免疫调节与临床应用视角

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Advanced Silk Fibroin/Polylactic Acid Composite Scaffolds for Bone Regeneration: A Perspective on Mechanobiology, Immunomodulation and Clinical Application

　　

# 摘要专业翻译

骨、韧带、肌腱和骨软骨缺损的修复仍面临挑战，因为现有移植物很少能满足力学、生物学和降解方面的要求。研究人员对丝素蛋白（silk fibroin, SF）/聚乳酸（polylactic acid, PLA）复合支架作为互补性材料平台进行了批判性评估。SF提供细胞相互作用化学性质、亲水性和酶促吸收性，而PLA提供可加工性、刚度和持久结构支撑。研究人员比较了静电纺丝（electrospinning）、增材制造（additive manufacturing）、模塑（moulding）及新兴工艺路线。同时讨论了组分、纤维结构、界面键合和降解与力学转导（mechanotransduction）、成骨（osteogenesis）、血管生成（angiogenesis）和巨噬细胞反应之间的关联。证据按照体外（in vitro）、小动物、大动物和转化研究层面进行组织，涵盖承重骨、韧带/肌腱和骨软骨修复。研究成果还指出了报告缺口、缺乏人体临床验证，以及标准化制造和长期安全性测试的必要性。人工智能辅助设计、动态递送和免疫调节支架被讨论为未来方向，而非已确立的临床解决方案。

# 论文解读文章

## 1. 研究背景与问题的提出

骨、韧带、肌腱和骨软骨等组织的缺损修复一直是再生医学领域的重大挑战。尽管自体移植物和同种异体移植物目前仍是临床金标准，但它们分别受限于供区并发症、感染风险、供应有限以及整合效果不稳定等问题。因此，骨组织工程（bone tissue engineering, BTE）迫切需要一种能够同时满足结构支撑、细胞交互作用和与组织形成相匹配的降解行为的支架材料平台。

丝素蛋白（silk fibroin, SF）和聚乳酸（polylactic acid, PLA）因其互补的局限性而受到关注。SF是一种蛋白质基、亲水性且具有细胞交互作用的天然材料，降解行为可通过酶进行调节，但再生SF单独使用时光靠自身难以提供稳定的承重性能。PLA则是可加工性良好、可生物降解的合成聚酯，具有更高的刚度和成熟的制造工艺，但其疏水表面、缓慢的水解速率和酸性降解产物限制了其生物学整合能力。因此，SF/PLA复合材料的设计核心在于：既保留PLA的结构支撑功能，又充分暴露SF来源的生物学信号以引导细胞和免疫反应。

## 2. 研究内容概述

该综述系统评估了SF/PLA复合支架从材料化学、加工工艺、支架结构到生物学机制和转化证据的完整链条。研究首先分别剖析了SF和PLA的来源、结构特征及其在BTE中的关键性能，进而阐明了两种材料在多尺度上的协同机制，包括力学-生物学耦合、分级降解和生物活性互补。随后，研究系统梳理了静电纺丝、三维（three-dimensional, 3D）打印、注塑/浇铸模塑及其他新兴制造策略，并对各方法在骨、韧带/肌腱和骨软骨修复中的应用证据进行了批判性评估。

## 3. 主要关键技术与方法

研究人员对SF/PLA复合支架的制造策略进行了系统评估，涵盖四大类技术路线。**静电纺丝**（electrospinning）可制备模拟细胞外基质（extracellular matrix, ECM）纳米形态的纤维支架，通过调节共混比例和加工参数实现亲水性、力学强度和生物活性的可控调节。**3D打印**（即增材制造，additive manufacturing, AM）中的熔融沉积建模（fused deposition modelling, FDM）可实现复杂、患者特异性结构的三维构建，常采用两步策略将熔融共混的PLA基体与SF涂覆或渗透结合。**注塑/浇铸模塑**（injection/pouring moulding）是可规模化制备PLA/SF支架的方法，通过调节纤维含量、取向和界面相容性控制结构和性能。此外，**其他新兴方法**包括无溶剂固态发泡法制备微孔SF/PLA泡沫、加热诱导凝胶化制备可注射水凝胶、热压成型制备茧/PLA复合物等。在对证据的评估中，研究人员建立了固定的临床前分级标准：单纯体外/力学/概念性证据为低转化潜力，小动物体内证据或强离体/力学证据为中转化潜力，大动物或临床相关解剖/工程验证为高转化潜力（但仍未证明临床疗效）。

## 4. 主要研究结果

### 4.1 材料互补性与协同机制

SF与PLA展现出清晰的材料互补模式：SF贡献生物活性、亲水性和近中性pH的酶促降解，PLA则贡献刚度、结构持久性和熔融可加工性。两者协同作用于三个关键层面：**力学协同**——PLA提供刚度和结构完整性，SF的β-折叠晶体和无定形区域可耗散能量，优化的长纤维增强复合材料弯曲模量可达13.7 GPa、弯曲强度可达437 MPa；**降解协同**——SF的酶促降解产物为近生理pH的肽和氨基酸，可缓冲PLA水解产生的酸性微环境，同时SF较快降解可为组织长入创造空间，PLA慢速降解维持长期结构支撑；**生物活性协同**——SF可通过整合素/黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）/丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信号通路、Yes相关蛋白（yes-associated protein, YAP）/具有PDZ结合基序的转录共激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif, TAZ）机械转导通路以及巨噬细胞M1向M2极化等途径促进成骨。

### 4.2 制造策略与结构调控

研究人员对四类制造策略的评估表明：静电纺丝可制备ECM样纳米纤维支架，通过同轴、乳液和熔融静电纺丝等先进方法可实现生长因子的缓释和多层异质性构建；3D打印技术可实现多材料梯度（如骨软骨双相支架）和患者特异性结构；模塑策略可实现规模化制备和多功能整合，包括抗菌、成骨和血管化功能的协同。研究特别指出，SF的引入可改善PLA支架的亲水性、蛋白质吸附和细胞响应，但加工参数和界面相容性的控制至关重要。

### 4.3 硬组织再生性能

在承重骨修复方面，长纤维SF/PLA/羟基磷灰石复合材料达到了有意义的弯曲力学性能；计算机断层扫描（computed tomography, CT）设计的PLA/HA/SF骨夹和ECM涂覆的PLLA/SF纳米纤维分别改善了固定效果或骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell, BMSC）的成骨分化。在骨软骨修复方面，3D打印的PLA/PCL/HA双相支架负载壳聚糖/SF支持了临床前模型中的骨软骨修复；静电纺丝和光固化制备的SF/PLA/GelMA双相支架支持软骨细胞活性并实现药物控释。在牙槽骨再生方面，SF修饰的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）微球改善了牙龈间充质干细胞的成骨潜力。

### 4.4 软组织修复性能

SF/PLA复合支架在软组织修复中同样具有潜力。在前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）重建方面，多相骨-韧带-骨支架实现了人工ACL样力学性能，并在兔模型中改善了韧带化和移植物-骨整合；PLA/PCL/SF支架结合康复载荷改善了兔肌腱-骨愈合。在软骨修复方面，PLLA多孔微球增强的丝素/明胶支架改善了体内构建物稳定性；电纺PLLA/SF支架支持软骨细胞增殖和软骨样基质形成。

## 5. 讨论与结论总结

### 5.1 讨论部分总结

当前SF/PLA复合支架的转化面临三个层面的挑战。**材料层面**：SF性能因蚕种、饲养条件和提取工艺不标准化而存在变异性，PLA降解过慢且产生酸性副产物，SF和PLA的亲水/疏水界面不相容可能导致相分离。**工程层面**：静电纺丝和3D打印在实验室规模有效，但批次一致性难以保证，多材料梯度和多相系统难以放大生产。**临床层面**：现有证据以体外和小动物研究为主，缺乏大动物验证和人体临床数据，长期降解安全性需要至少12个月的研究来评估慢性炎症和全身蓄积，监管审批需要材料表征、灭菌验证、ISO 10993测试和临床试验。值得注意的是，该综述所综合的证据中未发现任何SF/PLA复合支架的人体临床试验。

### 5.2 研究结论翻译

SF/PLA复合支架为骨和界面组织工程提供了一个可调控的平台。其核心设计原理是将PLA介导的结构支撑与SF介导的细胞相互作用和酶促降解相结合。当前证据仍以体外和小动物研究为主，且本综述未发现人体临床试验。未来的工作应优先推进标准化制造、临床相关力学测试、大动物验证、长期免疫和降解结果评估，以及样本量和统计数据的透明报告。只有在满足这些要求之后，动态传感、药物递送或人工智能辅助设计才有望支撑临床转化。