邵正中:蠶絲蛋白或將廣泛用於生物醫學領域

2021-01-15 生物谷

蠶絲不僅是紡織絲綢的纖維原料，同時也是一種極好的生物材料。近年來，蠶絲纖維性能的改造及絲蛋白在生物醫學領域的應用研究受到了越來越多的關注。

6月29日下午，復旦大學江灣校區的先進材料實驗室裡，生物谷通訊員就蠶絲以及絲蛋白在生物材料學領域的研究概況和生物醫學上的應用前景對邵正中教授進行了訪談。

邵正中是我國著名的高分子科學家，他及其帶領的團隊對包括蠶絲和蜘蛛絲在內的動物絲及絲蛋白的結構、力學性能以及紡絲進行了深入而廣泛的研究，其研究成果發表在Nature、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等一流國際期刊上，並獲得教育部提名國家科學技術獎自然科學獎一等獎（2004）、教育部*獎勵計劃特聘教授（2006）、上海市自然科學牡丹獎（2006）和上海市科學技術獎（自然科學）一等獎（2011）等榮譽，並獲得國家傑出青年科學基金的資助(2005)。

與蠶絲結緣

1991年，邵正中在復旦大學高分子化學與物理專業獲得博士學位，主要從事高分子科學的研究。對於為什麼會選擇蠶絲作為研究對象，邵正中表示：「選擇蠶絲作為研究對象實際上在博士生期間就已經開始了。因為蠶絲是一種蛋白纖維，由於蛋白質是胺基酸與胺基酸通過肽鍵連接起來形成的分子量巨大的生物大分子，符合化學科學中高分子的標準，屬天然高分子。高分子科學與生命科學的交叉研究是一種趨勢，蠶絲材料的獲得非常容易，並且蠶絲業在中國又是一個重要的產業，在導師於同隱教授的鼓勵和指導下，我選擇了將蠶絲及絲蛋白作為一種高分子材料來研究。」

蠶絲的纖維性能與家蠶吐絲的行為有關

2002年，邵正中發現蠶絲的力學性能受到家蠶吐絲行為的影響，當蠶絲連續不斷地以4mm/S的速度被抽出來，其延展性略高於蜘蛛絲，當將蠶絲以13mm/S的速度抽出時，其斷裂能接近與於蜘蛛絲。該研究成果發表在Nature雜誌上。針對蠶絲的力學性能與家蠶吐絲行為有關的問題，邵正中對此解釋道：「從纖維的特點方面看，蠶絲和蜘蛛絲並沒有本質的區別，都是一種蛋白纖維。蠶絲和蜘蛛絲纖維特性的差異主要是由纖維蛋白的二級結構或二級以上的結構差異造成的，而這種結構差異主要是由於家蠶和蜘蛛宏觀吐絲行為的不同造成的。」

邵正中繼續說道，「首先要弄明白的一點是無論蠶絲還是蜘蛛絲，其實是抽出來的，而不是吐出來的，了解了這一點對於理解蠶絲和蜘蛛絲的纖維差異與吐絲行為有關就變得非常容易。蜘蛛主腺體絲是在蜘蛛牽引的作用下連續不斷的從絲腺中抽出來的，而蠶絲表面具有一層絲膠，絲膠具有黏性，家蠶通過頭部八字形運動將蠶絲先固定在一點，然後把蠶絲從絲腺中抽出來粘在另外一點，如此反覆運動從而結成圓形的繭。由於家蠶頭部運動方向和速度的變化，造成蠶絲纖維在粘結點位置的分子聚集態的不均一性。這一粘結點位置有可能成為蠶絲纖維中最脆弱的點，並且一根長纖維的蠶絲上具有無數個這樣的點，這是影響天然蠶絲纖維性能最重要的原因。」然後，邵正中補充道：「蠶絲被抽出來的速度差異影響到蠶絲蛋白的分子取向排列，從而造成不同的吐絲速度形成的蠶絲纖維性能不同。」

針對這一有趣的現象，生物谷通訊員向邵正中提出：「依據這一原理，能否設計一種方法用於改進生產中蠶絲的質量？」邵正中回答道：「理論上可行，但是實際中卻有很多困難。家蠶幼蟲的身體很軟，頭部的活動性很強，家蠶頭部在擺動的過程中，稍不注意就會把蠶絲弄斷。我們曾經試驗了很多方法，抽出來最長的蠶絲沒有超過兩米。因此，要想連續不斷地以特定的速度將蠶絲從家蠶的吐絲器中抽出來幾乎行不通。」生物谷通訊員繼續提問道：「全世界有上千種家蠶品系，是否可以從行為學的角度篩選或繁育出能夠生產高質量蠶絲的品系呢？」邵正中點點頭，「或許可以，不同的家蠶品系之間由於體格或者行為的差異很可能影響到蠶絲最終的質量。」

對於提高蠶絲質量的研究，邵正中提出：「由於蠶絲是一種蛋白纖維，相對於其它纖維，具有容易降解的特性。利用分子生物學和遺傳學的方法將蠶絲纖維蛋白的一級結構進行修飾，或許能促進蠶絲纖維的穩定性，從而使蠶絲製品能夠達到耐光、耐水的目的。」

蠶絲蛋白越來越多的運用於生物醫學中

近幾年來，以蠶絲蛋白作為生物材料應用到生物醫學中的研究不斷在高水平的國際期刊報導出來。邵正中對此說道：「由於蠶絲蛋白的來源簡單、純度高並具有良好的生物相容性，越來越多的研究人員嘗試使用蠶絲蛋白代替常規的生物醫學材料如膠原蛋白等。蠶絲蛋白能夠作為組織工程中提供幹細胞生長的支架材料，也能夠應用於骨再生的支撐材料。蠶絲蛋白也能夠做成微球和生物黏合劑，分別用於藥物分散的載體和手術創傷的縫合。」最後，邵正中說：「目前，蠶絲蛋白作為生物醫學材料在臨床上使用還面臨許多的困難，但是經過科研人員的不斷努力，蠶絲蛋白必將成為生物醫學中廣泛使用的生物材料。」

關於邵正中教授

個人簡介

1985年畢業於復旦大學化學系，獲理學學士學位
1988年畢業於復旦大學材料科學系，獲理學碩士學位
1991年畢業於復旦大學材料科學系，獲理學博士學位
1991至1993年於復旦大學材料科學系任講師
1993至1996年於復旦大學高分子科學系任講師、副教授（95）
1996至1998年於丹麥Aarhus大學生物研究所任副教授
1999年至今於復旦大學高分子科學系 任教授、博士生導師

上海市化學化工學會高分子專業委員會主任
《化學世界》編委
歐盟Asia-Link項目（ASI/B7-301/98/679-032）總協調人
教育部提名國家科學技術獎自然科學獎一等獎（第一完成人）（2004）
教育部新世紀優秀人才 (2004)
國家傑出青年基金獲得者 (2005)
第六屆上海市自然科學牡丹獎 (2006)
*獎勵計劃特聘教授Chang Jiang Scholar (2006)
政府特殊津貼專家 (2006)
上海市化學化工學會莊長恭獎 (2006)
新世紀百千萬人才工程國家級人選 (2007)
課題組研究項目"動物絲仿生製備中的關鍵問題"榮獲得2011年度上海市科學技術獎自然科學獎一等獎
入選2012年度上海市優秀學術帶頭人計劃

代表性文章及著作

Zhang, J. M., Hao, R. W., Huang, L., Yao, J. R., Chen, X., and Shao, Z. Z*. Self-assembly of a peptide amphiphile based on hydrolysed Bombyx mori silk fibroin, Chem Commun 2011, 47, 10296-10298.
Fu, C. J., Porter, D., Chen, X., Vollrath, F., and Shao, Z. Z*. Understanding the Mechanical Properties of Antheraea Pernyi Silk-From Primary Structure to Condensed Structure of the Protein, Adv Funct Mater 2011, 21, 729-737.
Yin, J. W., Chen, E. Q., Porter, D., and Shao, Z. Z*. Enhancing the Toughness of Regenerated Silk Fibroin Film through Uniaxial Extension, Biomacromolecules 2010, 11, 2890-2895.
Gong, ZG; Huang, L; Yang, YH, et al. Two distinct beta-sheet fibrils from silk protein. CHEMICAL COMMUNICATIONS, 2009, 48: 7506-7508
Fu, CJ; Shao, ZZ*; Fritz, V. Animal silks: their structures, properties and artificial production. CHEMICAL COMMUNICATIONS, 2009, 43: 6515-6529
Cheng Cheng, Zhengzhong Shao*, Fritz Vollrath. Silk Fibroin-Regulated Crystallization of Calcium Carbonate. Advanced Functional Materials. 2008:2172-2179
Chuncai Zhou,Boxun Leng,Jinrong Yao,Jie Qian,Xin Chen,Ping Zhou,David P. Knight, and Zhengzhong Shao*,"Synthesis and Characterization of Multiblock Copolymers Based on Spider Dragline silk Proteins",Biomacromolecules,2006, 7, 2415-2419.
Y. Liu, Z. Shao*, F. Vollrath, "Relationships between supercontraction and mechanical properties of spider silk", Nature Materials, 2005, 4(12), 901-905.
Y. Yang, X. Chen, Z. Shao*, P. Zhou, D. Porter, D. P. Knight and F. Vollrath, "Toughness of spider silk at high and low temperatures", Advanced Materials, 2005, 17(1), 84-88.
Y. Liu, Z. Shao*, F. Vollrath, "Extended wet-spinning can modify spider silk properties", Chem. Commun., 2005, 19, 2489-2491
Z. Shao*, F. Vollrath.Surprising strength of silkworm silk. Nature,2002,418(6899):741-741.

版權所有，轉載請註明來源。為了最大限度地保護本文涉及到的人物（採訪對象或原始作者）的隱私權，其聯繫方式暫不公開，讀者如果有任何專業上、商業上的交流願望或諮詢需求，請聯繫生物谷|BIOONNEWS(editor@bioon.com)代為轉達。

相關焦點

  • 首個蠶絲蛋白存儲器誕生 可植入生物體永久保存
    記者從中國科學院上海微系統與信息技術研究所獲悉，該所陶虎課題組聯合美國紐約州立大學石溪分校劉夢昆課題組和德州大學奧斯汀分校Wei Li課題組，日前首次實現了基於蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術。據悉，得益於蠶絲蛋白所具備的自身特性，結合高精度近場快速讀寫手段，蠶絲蛋白存儲器具有存儲容量大、原位可多次重複擦寫的優勢，能在高溼度（90 RH%）、高磁場（7 T）或強輻射（25 kGy）等惡劣環境下長期穩定工作，可以同時存儲二進位數字信息以及與生命活動直接相關的生物信息，可以植入生物體永久保存，也可以在預設的時間內可控降解。
  • 蠶絲蛋白(絲素蛋白)的科技延展
    科學界高分子化學專業將生物大分子界定為一個活躍且充滿挑戰的研究領域，生物大分子是由一類或少數幾類前提分子以重複結構相互連接在一起所形成的多聚體，常見的生物大分子包括蛋白質、核酸、脂類、多糖等，這些元素是組成人體的基本元素，也是人類生存和繁衍的自然基礎。
  • 蠶絲蛋白存儲器開啟信息存儲新時代
    生命科學與半導體技術的融合，為信息存儲帶來了新思路，各種基於生物介質的存儲技術應運而生。然而，這些存儲技術大多通過不同分子結構對外部信息數位化編碼，信息一旦寫入便無法修改。近日，中國科學院上海微系統所陶虎課題組聯合國際專家課題組，首次實現了基於蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術。
  • 蠶絲蛋白存儲器橫空出世！每平方英寸可存64GB數據
    8月11日，國際知名期刊《自然·納米科技》發表了中國科學院上海微系統所陶虎課題組聯合美國紐約州立大學石溪分校和德州大學奧斯汀分校相關課題組的研究，其首次實現了基於蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術。《科創板日報》記者聯繫到前述科研成果負責人陶虎研究員，他告訴記者，蠶絲蛋白存儲器的外形和晶片無異，每平方英寸上可儲存64GB的信息，如果折算成傳統的半導體存儲器，一顆蠶絲蛋白存儲器的容量相當於0.5TB的硬碟。目前，陶虎團隊已用這種技術實現了「家蠶食葉圖」、「空谷鳥鳴曲」等圖像和音頻文件準確記錄、存儲和「閱讀」的原理驗證。相關技術已申請發明專利。
  • 生物傳感器的工作原理及在醫學領域的應用
    在醫學中有多種檢驗方法，一般的方法是在實驗室檢驗，但是這種檢驗方法過程繁瑣，花費時間較長，逐漸無法滿足現代臨床醫學的需求，生物傳感器的出現大大改觀了這種現象。
  • 有限元分析在醫學領域可以做什麼？
    近些年來，數值模擬技術在機械，汽車，航空，航天，醫療，電子產品，土木及材料力學等領域得到了廣泛的應用。CAE技術已經發展到我們生活的各個角落，沒有你不敢想，只有你想不到。今天分享的是CAE仿真技術在生物醫學領域的應用。
  • 傳感器在醫學領域的分類及應用
    可以看到，在醫學科技領域中出現了越來越多的高科技電子產品，例如自動生化分析儀、全身伽馬刀治療系統以及多層螺旋 CT 和MRI 等，傳感器在醫學領域中的應用同樣非常廣泛，傳感器能夠發揮感受生命體徵信息的重要作用，對推動現代醫學發展有重要意義「，八五」重點科技攻關項目之一就是傳感器，因此研究傳感器是發展當代醫學的必由之路。
  • 口腔醫學領域3D列印材料的研究進展
    在口腔醫學領域，3D列印技術受到越來越廣泛的應用以及研究，其中口腔修復學、口腔種植學、口腔正畸學、口腔內科學都有涉及，還包括生產用於牙科種植導板、顱頜面和整形外科植入物的製造，以及用於植入物和牙齒修復體的內冠和骨架的製造等等。
  • 生物醫學工程最有前景的11大發展領域(四)
    AI是一種用於模擬和延展人類智能的理論、方法與應用的技術科學，智能醫療即利用AI方法，輔助或替代人類進行醫療行為的科學，如開展醫學數據驅動下的健康篩查與預警、疾病診斷與治療、康復訓練與評估、醫療服務與管理、藥物篩選與評估、基因測序與表型等典型生物醫藥領域的精準、智能、安全應用，其中醫用機器人是智能醫療的一個重要分支。
  • 醫學領域常用傳感器的應用盤點
    計算機技術、數位訊號處理技術以及電子技術近年來發展迅速，相關的領域也因此得到了推進，醫學領域的發展更加顯著。可以看到，在醫學科技領域中出現了越來越多的高科技電子產品，例如自動生化分析儀、全身伽馬刀治療系統以及多層螺旋 CT 和MRI 等，傳感器在醫學領域中的應用同樣非常廣泛，傳感器能夠發揮感受生命體徵信息的重要作用，對推動現代醫學發展有重要意義「，八五」重點科技攻關項目之一就是傳感器，因此研究傳感器是發展當代醫學的必由之路。
  • 前沿應用|高科技纖維材料在醫療領域的應用
    高科技纖維中的功能纖維、智能纖維和某些高性能纖維，已廣泛應用於醫學的各個領域，包括醫藥級的碳纖維及其複合材料、中空纖維分離膜、納米纖維及其非織造材料、碳納米管、各種功能性纖維，以及新近出現的一系列傳感探測用智能纖維。
  • BMC期刊突破生物醫學領域
    BMC正不斷將其出版領域從生物醫學擴展到自然科學和應用科學，我們很高興地宣布，最新推出的兩本工程類新刊BMC Biomedical Engineering
  • 常用傳感器在醫學領域的具體應用
    在醫學領域中的應用同樣非常廣泛，傳感器其中敏感元件就是能夠直接響應或者感受被測量的部分，而轉換元件就是將測量到的信號轉化為電信號的那部分。按照現在普遍使用的分類方法，可以將傳感器分為兩類，其中諸如生物傳感器、物理傳感器和化學傳感器等屬於一類，這幾種都是將輸入信號轉換為電信號 ;而力矩傳感器、速度傳感器、流量傳感器、氣敏傳感器和粘度傳感器等，這幾種是按照輸出量分類的。上述都是都是較為普及並應用廣泛的傳感器，在未來有廣闊的發展前景。
  • 高精度封裝式壓電促動器:廣泛應用於生物科技及生命科學等領域
    生物醫學中，細胞的尺寸一般只有幾個微米大小，甚至更小，在研究細胞結構或病理實驗中，需要將探針準確的送入細胞內部，這就需要高精度的致動傳送裝置作為技術支持。芯明天高精度封裝式壓電促動器利用壓電陶瓷作為驅動源，可帶動探針做納米級運動，將探針準確的送入細胞內部，又不損傷細胞結構，已被廣泛應用於生物科技及生命科學等領域中。
  • 關於MEMS傳感器的廣泛應用領域
    AR/VR、可穿戴等消費電子，智能駕駛、智能工廠、智慧物流、 智能家居、環境監測、智慧醫療等物聯網領域廣泛應用。在智能汽車時代，主動安全技術成為備受關注的新興領域，需要改進現有的主動安全系統，比如側翻（rollover）與穩定性控制（ESC），這就需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測車身姿態。 語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風將迎來發展新機遇。
  • 陳根：生物技術加持下，「蠶絲硬碟」開啟新型存儲方式
    在生物技術和半導體的深入融合下，生物存儲的新興技術應用也日益廣泛。8月11日，《自然納米技術》上發表的一篇論文，報告了來自中國科學院上海微系統與信息技術研究所和美國紐約州立大學石溪分校和德州大學奧斯汀分校的研究團隊首次實現了蠶絲蛋白的高容量生物存儲的技術。
  • ACS Nano:混合型納米系統在生物醫學領域中的應用
    生物材料學術QQ群：1067866501Terasaki生物醫學創新研究所Ali Khademhosseini和俄克拉荷馬大學健康科學中心Priyabrata Mukherjee對混合型納米系統在生物醫學領域中的應用研究進行了綜述。
  • 我國生物醫學成像領域大科學工程項目在京啟動
    新華社北京6月29日電（記者魏夢佳）由北京大學作為法人單位建設的「十三五」國家重大科技基礎設施——多模態跨尺度生物醫學成像設施（以下簡稱成像設施）項目29日在北京市懷柔區正式啟動。據悉，這一生物醫學成像領域的大科學工程項目，未來將對生命體結構與功能進行跨尺度可視化描繪與精確測量，以期破解生命與疾病的奧秘。該成像設施是《國家重大科技基礎設施建設「十三五」規劃》確定的10個優先建設項目之一，也是北大歷史上最大的單體建設項目。
  • BMC F4 | 生物醫學領域高影響力開放獲取期刊
  • 呈諾醫學iPS細胞技術受到國際醫學機構廣泛關注
    隨著幹細胞技術的飛速發展和臨床普及，開發更加安全有效、功能全面的幹細胞製備和應用技術成為了全世界醫學研究院和醫院廣泛關注的話題。2012年，日本科學家山中伸彌和英國科學家約翰·戈登因其在體細胞重編程領域的傑出貢獻被授予諾貝爾醫學或生理學獎。這兩位科學家所獲獎項的研究，正式開啟了iPS誘導多能幹細胞在人類醫學史上大放異彩的序幕。