金属及合金是目前骨外科手术中应用最为广泛的材料，这是因为金属相比较于陶瓷和聚合物来说，其机械性能高和耐腐蚀性能强。然而，美中不足的是，金属与合金（~110 GPa）和人体骨（3~20 GPa）之间的弹性模量相差较大，从而会发生应力屏蔽效应，对骨骼结构造成压力，进而导致金属植入物的松动和最终失效。此外，金属植入物可能会引起机体免疫反应而增加感染风险并减缓伤口愈合，而且其植入体内后难以降解，通常需要进行二次手术取出。

  蚕丝作为一种天然的蛋白质高分子材料，具有优良的生物相容性、生物降解性、加工性和低廉的成本，广泛应用于外科缝合线、人造皮肤、肌肉、血管、骨骼等生物医学领域。更重要的是，蚕丝的杨氏模量（8.9~17.4 GPa）和密度（1.3~1.4 g/cm³）比金属基或陶瓷基人造骨更接近人骨（3~20 GPa, 1.8~2.0 g/cm³）。

  为此，西安工程大学樊威教授团队与清华大学张莹莹教授团队巧妙地利用了蚕丝（Silk II结构）与丝素（Silk I结构）之间结晶度的差异，将脱胶蚕丝织物与再生丝素热压制备了一种丝素自增强复合材料（SFS）。在高压和高温下，材料的自由能变化（吉布斯自由能G=U+PV-TS）可使材料中的相或分子结构发生改变。在热压过程中，具有超低β片含量的再生丝素通过氢键、范德华力和静电力与蚕丝织物发生重排、自组装并紧密结合在一起。蚕丝织物和再生丝素同为丝素蛋白，因此，两者之间形成了几乎完美的界面结合状态，具有优异的力学性能。SFS通过调整增强体结构与基体的比例，可以定制其力学性能和密度，以适应人体不同部位骨植入的要求。更重要的是，SFS具有促进成骨细胞增殖和提高成骨细胞活性的能力，并且可随着骨愈合在体内逐渐降解，无需二次手术切除，避免了患者的二次疼痛，节省了医疗费用。可以说本工作是利用最便宜的材料（蚕丝）做了最昂贵的事情（人造骨）。

图2 全蚕丝基人造骨的表征及成型机理

图3 全蚕丝基人造骨的力学性能

图4 全蚕丝基人造骨力学性能的有限元模拟

图5 全蚕丝基人造骨的体外成骨性能

图6 全蚕丝基人造骨的体外生物降解性和体内生物相容性

  如图6所示，体外降解30天后SFS的残留质量比为RS bulk > 100L > 50L > 15L > 165L SFS（图6a-c），这表明SFS的降解速率可以通过调节真丝织物的含量来调节。随着织物含量的增加，SFS内部会形成多个界面，降解溶液沿着界面通道进入SFS，导致降解加速（图6d）。经过定位、钻孔、植入和缝合后，将其植入新西兰兔的股骨远端（图6e-f）。显微CT成像显示，SFS骨钉在4周后仍完好无损地留在股骨内（图6g）。染色硬组织切片显示，SFS周围形成了新的骨结构，且没有产生炎症反应（图6h和6i）。

  SFS不但具有可控的力学性能、优异的生物相容性、成骨性和生物降解性，而且其原材料和加工过程成本很低，因此，SFS具有取代传统金属或陶瓷植入物的巨大潜力。

  文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202308748