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  金屬及合金是目前骨外科手術中應用最為廣泛的材料，這是因為金屬相比較于陶瓷和聚合物來說，其機械性能高和耐腐蝕性能強。然而，美中不足的是，金屬與合金（~110 GPa）和人體骨（3~20 GPa）之間的彈性模量相差較大，從而會發生應力屏蔽效應，對骨骼結構造成壓力，進而導致金屬植入物的松動和最終失效。此外，金屬植入物可能會引起機體免疫反應而增加感染風險并減緩傷口愈合，而且其植入體內后難以降解，通常需要進行二次手術取出。

  蠶絲作為一種天然的蛋白質高分子材料，具有優良的生物相容性、生物降解性、加工性和低廉的成本，廣泛應用于外科縫合線、人造皮膚、肌肉、血管、骨骼等生物醫學領域。更重要的是，蠶絲的楊氏模量（8.9~17.4 GPa）和密度（1.3~1.4 g/cm³）比金屬基或陶瓷基人造骨更接近人骨（3~20 GPa, 1.8~2.0 g/cm³）。

  為此，西安工程大學樊威教授團隊與清華大學張瑩瑩教授團隊巧妙地利用了蠶絲（Silk II結構）與絲素（Silk I結構）之間結晶度的差異，將脫膠蠶絲織物與再生絲素熱壓制備了一種絲素自增強復合材料（SFS）。在高壓和高溫下，材料的自由能變化（吉布斯自由能G=U+PV-TS）可使材料中的相或分子結構發生改變。在熱壓過程中，具有超低β片含量的再生絲素通過氫鍵、范德華力和靜電力與蠶絲織物發生重排、自組裝并緊密結合在一起。蠶絲織物和再生絲素同為絲素蛋白，因此，兩者之間形成了幾乎完美的界面結合狀態，具有優異的力學性能。SFS通過調整增強體結構與基體的比例，可以定制其力學性能和密度，以適應人體不同部位骨植入的要求。更重要的是，SFS具有促進成骨細胞增殖和提高成骨細胞活性的能力，并且可隨著骨愈合在體內逐漸降解，無需二次手術切除，避免了患者的二次疼痛，節省了醫療費用。可以說本工作是利用最便宜的材料（蠶絲）做了最昂貴的事情（人造骨）。

圖2 全蠶絲基人造骨的表征及成型機理

圖3 全蠶絲基人造骨的力學性能

圖4 全蠶絲基人造骨力學性能的有限元模擬

圖5 全蠶絲基人造骨的體外成骨性能

圖6 全蠶絲基人造骨的體外生物降解性和體內生物相容性

  如圖6所示，體外降解30天后SFS的殘留質量比為RS bulk > 100L > 50L > 15L > 165L SFS（圖6a-c），這表明SFS的降解速率可以通過調節真絲織物的含量來調節。隨著織物含量的增加，SFS內部會形成多個界面，降解溶液沿著界面通道進入SFS，導致降解加速（圖6d）。經過定位、鉆孔、植入和縫合后，將其植入新西蘭兔的股骨遠端（圖6e-f）。顯微CT成像顯示，SFS骨釘在4周后仍完好無損地留在股骨內（圖6g）。染色硬組織切片顯示，SFS周圍形成了新的骨結構，且沒有產生炎癥反應（圖6h和6i）。

  SFS不但具有可控的力學性能、優異的生物相容性、成骨性和生物降解性，而且其原材料和加工過程成本很低，因此，SFS具有取代傳統金屬或陶瓷植入物的巨大潛力。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202308748