丝绸为改变现代医学提供了基础

在塔夫茨梅德福/萨默维尔校区西北约一英里处，在一家翻新的羊毛厂的四楼，有一座丝绸神殿。装满蚕茧和洗净丝纤维的玻璃花瓶巧妙地放在架子上，对面是一幅彩色的驯化蚕蛾 Bombyx mori生命周期图画。在更远的地方，壁挂式箱子里更多的茧与丝绸纤维的大型特写图像接裘，显示器上摆放着数十个由丝绸制成的原型，包括智能织物、生物传感器、撞击时会变色的头盔，以及皮革、塑料和刨花板等材料的潜在替代品。

唯一缺少的是蚕本身，但Silklab主任和塔夫茨大学工程学教授Frank C. Doble表示，它们很快就会到来。该实验室正在建造一个玻璃容器，以便游客可以看到这些动物。

“我们将庆祝蚕和飞蛾，”Omenetto说。

丝绸已经种植和收获了数千年。它最出名的是可以用其纤维编织的坚固、闪闪发光的织物，但它在医学上也有着悠久的历史，用于包扎伤口和缝合伤口。在Silklab，Omenetto和他的同事们正在利用丝绸的遗产，证明这种古老的纤维可以帮助创造下一代生物医学材料。

蚕蛾毛虫，被称为蚕，从嘴里挤出一根粘稠的丝丝形成茧，茧被丝农收获制成丝线。蚕丝的核心是两种蛋白质的混合物：提供纤维结构的丝心蛋白和将其结合在一起的丝胶蛋白。通过在实验室中采取几个步骤，塔夫茨大学的研究人员就可以去除丝胶并溶解纤维，将干燥的茧变成充满丝心蛋白的液体。

“大自然构建了非常坚韧和非常强大的结构蛋白，”Omenetto说。“你的砖块是漂浮在水中的这些丝心蛋白。从那里，你可以建造任何你想要的东西。

从丝绸农场运来干茧开始，Omenetto和他的同事们已经能够制造凝胶，海绵，透明塑料状片材，可印刷油墨，看起来像琥珀的固体，可浸渍的涂层等等。

“你制造的每种材料都可以包含所有这些不同的功能，一天只有24小时，”Omenetto笑着说。“这就是我不睡觉的原因。”

生物相容性和可生物降解

大约二十年前，当Omenetto来到塔夫茨大学时，他的研究重点是激光和光学——丝绸并不在图片中。但与斯特恩家族工程学教授、生物医学工程系主任大卫·卡普兰（David Kaplan）的一次偶然交谈，让他走上了一条新的道路。

卡普兰自90年代初以来一直在研究丝绸，他正在设计一种丝绸支架，可以帮助重建一个人的角膜，让细胞在层之间生长。他需要一种方法来确保生长中的细胞有足够的氧气，并将小而透明的薄片展示给Omenetto，Omenetto立即对这种材料产生了兴趣。Omenetto能够使用他实验室的激光在卡普兰的丝角膜上打小孔。更多的合作很快接踵而至。

“从那时起，我们一直在合作，”卡普兰说。

其中一项研究是寻找使用真丝来帮助修复和再生骨骼、血管、神经和其他组织的方法。真丝具有生物相容性，这意味着它不会对身体造成伤害，并以可预测的方式分解。通过正确的准备，真丝材料可以在身体愈合时提供必要的强度和结构。

“你可以根据你需要的任何东西塑造和塑造真丝，它将保持这个体积，同时原生组织重新生长到空间中，真丝材料降解，”卡普兰说。“最终它100%消失了，你又回到了正常的组织。

其中一些工作已被美国食品和药物管理局批准使用。一家名为Sofregen的公司从Kaplan和Omenetto的研究中分离出来，正在使用一种可注射的丝基凝胶来修复受损的声带，这种组织调节气流并帮助我们说话。

就其本身而言，坚固的丝绸结构可以在退化之前保持其大小、形状和功能多年。但在某些情况下，例如那些涉及用于快速成长儿童的手术螺钉和板，这种速度太慢了。研究人员必须找到一种方法来加快致密丝生物材料分解所需的时间。他们将我们的身体自然产生的一种酶引入丝绸中，以加速分解过程。这个想法是，酶将在丝绸装置内干燥且无活性，直到结构安装在人身上，然后装置将水合并激活酶以更快地消化材料。

“我们可以滴入适量的酶，使螺丝在一周，一个月，一年内消失，”卡普兰说。“我们可以控制这个过程。

目前，卡普兰和他的实验室正在研究其他小型可降解医疗设备，这将有助于减少患者需要的手术数量。例如，耳管通常通过手术植入以帮助缓解慢性耳部感染，然后需要手术切除。卡普兰和他的同事设计了丝基耳管，可以自行降解，甚至可以携带抗生素。

“作为一个女儿在她的耳朵上经历了六次手术的人，我知道这可能有多大帮助，”卡普兰说。

稳定的存在

使真丝作为一种材料与众不同的一件事是它的良性。研究人员开始使用的液体混合物基本上只是丝素蛋白（丝绸中的核心蛋白质）和水 – 它是无毒且化学中性的。这意味着很容易添加生物活性分子，如抗生素或酶。

此外，蚕丝非常擅长稳定这些分子并防止它们降解。例如，研究人员发现，与丝素蛋白混合和干燥的血液样本在高温下保持稳定数月。他们在疫苗方面也有类似的发现——另一家衍生公司Vaxess目前正在开发大规模使用的丝基疫苗贴片。

“这就是形式和功能发挥作用的地方 – 你可以稳定微针贴片形状的疫苗，”Omenetto说。微针贴片通过太小而感觉不到的针头输送药物。“如果你需要将疫苗分发到没有冷藏设施的偏远地区，这真的很重要。

Omenetto还对利用溶解的丝蛋白的独特特性来创建高精度的化学传感器感兴趣。蚕丝可以保存和保存进行诊断测试或检测潜在有害细菌所需的分子。

“蚕丝赋予化学形状，并保持你放入其中的任何东西的生化功能，”Omenetto说。“如果你拿一个分子把它和丝混合，你可以做一个墨水，一条围巾，一个飞行物体，一幅画，任何你喜欢的东西，分子仍然是活跃的。你可以制造出形状非常不寻常、保质期很长的传感器。

在Silklab展出的物品之一是一只蓝色手套，无名指上印有“污染”一词。这个词是用丝基墨水写的，在特定细菌存在下会改变颜色。如果这些油墨印在食品上，它们可能会被用来警告消费者产品受到污染。

在另一个架子上，一个模制的丝基海绵携带一种旨在检测某些病毒的蛋白质。海绵可以贴在无人机上，然后飞来飞去，看看空气中是否有任何危险。

Omenetto说，如果研究人员能够设计新的分子来检测某些癌症或精神健康障碍的生理标志物，这些相同的技术可以将它们转化为有效且易于访问的测试。“这些是我认为我们可以提供帮助的领域，为个人提供更多的知识和代理权。

蚕丝还可能有助于对耐药细菌进行更好的测试。作为Silklab，生活设备实验室和Stuart B. Levy抗菌素耐药性综合管理中心之间合作的一部分，塔夫茨大学的研究人员正在研究使用丝绸来稳定不同组合和剂量的各种抗生素的可能性，以获得有关它们对感染的有效性的更具体信息。

“抗菌素耐药性是一个巨大的问题，我们现在没有合适的工具来获得有关特定菌株的足够信息，”塔夫茨大学医学院分子生物学和微生物学副教授Bree Aldridge说。“凭借以模式方式放置材料并稳定药物的能力，我们希望创造新的方法来测量细菌对药物治疗的复杂反应。

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显微镜在Silklab检查印在织物上的丝绸油墨。该实验室已经创建了原型织物，可以使用储存在丝绸油墨中的化合物来检测病毒，毒素和激素等。

照片：珍娜·沙德

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显微镜在Silklab检查印在织物上的丝绸油墨。该实验室已经创建了原型织物，可以使用储存在丝绸油墨中的化合物来检测病毒，毒素和激素等。

照片：珍娜·沙德

未来研究的平台

几年前，卡普兰把目光投向了大脑。对于人类来说，这是一个特别具有挑战性的领域：啮齿动物的大脑不是完美的匹配，在培养皿中生长的细胞无法捕获大脑的所有复杂性，大多数三维模型中的细胞在实验室的类脑系统中使用时通常不会持续超过几周。

卡普兰希望建立在正确类型的丝绸支架上的三维模型可以持续更长时间，从而提高我们研究疾病、创伤性脑损伤和其他慢性问题的能力。结果花了六年时间才完善，是一种多孔的甜甜圈形丝绸结构，用于容纳生长的人脑细胞，轴突连接在填充中心的透明凝胶上。使用这个模型，研究人员已经能够复制阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等缓慢发展的疾病的身体特征。它已经被其他几个实验室采用。

“我们有一个独特而有用的大脑模型，”卡普兰说。“这是一个真正的组织工程模型。我们可以控制我们放入的细胞，并且，当正确生长时，即使在实验室中连续培养多年后，它们仍然保持活性。

大脑模型的成功导致了身体其他部位的三维模型。卡普兰与生物医学工程研究助理教授陈颖合作，帮助建立了一个基于丝绸的肠道模型。他们最近发表了一篇论文，研究了摄入纳米塑料对细胞的影响。

“蚕丝非常适合这一点，因为它具有生物学相容性，但它不会告诉细胞该做什么，”卡普兰说。“它为研究这些长期影响和开发治疗方法开辟了一条道路。

卡普兰看到了丝绸在整个医学和研究中的更多潜在用途。他希望真丝能成为一种常规的医疗材料，就像塑料的更可持续的替代品一样，可以很容易地运输和模制用于不同的目的。

Omenetto对此表示同意，并指出丝绸改善我们生活的机会延伸到食品工业，绝缘以及他的实验室正在探索的许多其他领域。他认为可持续材料是全校范围内一项专注于气候变化的新倡议不可或缺的一部分，该倡议将于今年秋天启动，由Omenetto担任主任。他说，有时候，最大的挑战就是决定首先要解决什么问题。

“拥有一种可以容纳所有这些令人兴奋的功能的材料，我们必须尝试决定什么是最具影响力的，”Omenetto说。“如果你拥有世界上所有的乐高积木，你会建造什么？”