几十年来，David Kaplan 一直致力于丝绸的研究，将其塑造成支架、海绵和薄膜。他的实验室 Kaplan Lab 里到处都是丝绸，堆满了来自世界各地的蚕茧和丝绸团，它们都等待着被塑造成新的形态。Kaplan 是一名塔夫茨大学的生物医学工程师，自 20 世纪 90 年代以来一直在研究丝绸，不断发掘如何利用其纤维构建人体组织。然而，早在 Kaplan 出生前几百年，医者们就已经开始利用丝绸来解决医学上最紧迫的问题。
丝绸的强度堪比钢铁，且与人体具有独特的相容性，是伤口闭合到药物输送等一切领域的理想材料。如今，科学家们仍在利用丝绸的各项能力，将这种古老的纤维定位为现代医学中多功能生物材料的重要组成部分。
丝绸的故事始于中国，据称约在公元前 2700 年，丝绸就被编织进了中国社会的肌理之中。根据中国古代传说，黄帝的妻子在桑树下喝热茶时，一只蚕蛾的蚕茧（一种家蚕幼虫）掉进了她的杯子里。滚烫的液体溶解了蚕茧的粘性涂层，导致蚕茧解开，形成了一根丝线。不久之后，这位女子开始饲养蚕，并将它们的丝线编织在一起，制作出了据说当时世界上第一批丝绸织物。
如今，一些科学家在这则传奇故事中看到了一丝真实。生物学家 Aarathi Prasad，《丝绸：一部世界史》的作者表示，遗传痕迹和考古发现结合起来表明，家蚕的驯化可能始于 4000 到 5000 年前，尽管在此之前，工匠们可能已经编织了来自野生蚕的野生丝绸。事实上，2016 年，中国考古学家宣布，他们在位于中国中部贾湖墓葬的埋葬者下方土壤中发现了约 8500 年前的丝绸痕迹。虽然这些丝线可能来自野生蚕，但由于现场还发现了编织工具，它们可能已经被编织成了丝绸织物。
许多生物，包括世界各地的多种蛾类和蜘蛛，都会吐丝作茧，以保护自己免受捕食者和疾病的侵害。但丝绸历史上一直来源于家蚕 Bombyx mori，这种蚕相对容易驯化。“并非因为它的丝绸更好，而是因为它的丝绸更易于使用，”Prasad 说。虽然蜘蛛吐出的纤维比蚕吐出的更坚韧，但蜘蛛有互相吞食的习性，这给驯化带来了巨大的障碍。
家蚕（B. mori）的卵孵化成微小的幼虫后，会大量食用桑叶，直到它们胖得几乎动弹不得。这时，蚕宝宝会开始吐丝结茧，在变蛾的过程中保护自己免受伤害。家蚕通过产生两种蛋白质——丝素蛋白（fibroin）和丝胶蛋白（sericin）来制造丝绸。丝素蛋白是丝绸的结构核心，而丝胶蛋白则作为丝绸的粘性涂层，使丝绸粘连在一起，从而使蚕茧能够保持在一起。虽然这些蛋白质以凝胶状液体形式储存在家蚕的丝腺中，但正是通过挤压并通过蠕虫颚部附近的喷嘴挤出的过程，才将蛋白质转化为固体、有结构的纤维。
家蚕吐出的丝线比人类头发丝更细、更强韧，一个蚕茧可以包含多达 5000 英尺（约 1500 米）的连续复合丝线。丝绸高度重复的分子结构赋予了这种材料拉伸强度，而分子本身则赋予了其生物相容性和生物降解性。事实上，通过在碱性溶液中煮沸蚕茧并去除粘性的丝胶蛋白，养蚕者（或丝绸生产者）可以获得与人体兼容且能缓慢分解的丝线。
正如丝绸保护蚕一样，它也帮助人类愈合，并且已经这样做了数千年。例如，在古希腊和罗马，医者们就已经认识到蜘蛛丝和蚕丝在覆盖和闭合伤口方面的作用。古希腊人和罗马人不仅用一捆捆的蜘蛛丝作为绷带；他们还利用蚕丝作为缝合材料，这得益于其强度和在体内缓慢分解的特性。
经过几百年的选择性繁殖，家蚕蛾变得失明且呈亮白色，这样它们就看不到周围的环境，也无法融入其中。它们的翅膀非常短小，无法飞行。雌性则怀有数百个等待受精的卵。“它们走不了多远，”Prasad 在讨论家蚕作为丝绸来源的适宜性时说。“它们必须由人类喂养和繁育。”
特别是盖伦，他用丝绸缝合角斗士受伤的肌腱。这位希腊医生兼哲学家在他约公元 150 年的医学治疗文集《论治疗方法》（De Methodo Medendi，或称“治疗方法”）中写道：“缝合线应使用不易腐烂的材料。”几个世纪后，在 16 世纪，法国外科医生 Ambroise Paré 使用丝绸血管缝合线，避免用沸油灼伤伤口。甚至更晚，在 19 世纪 60 年代，英国外科医生 Joseph Lister 推出了第一种无菌丝绸缝合线，使用石炭酸溶液清洁了污染物。
如今，丝绸的强度使其无菌缝合线仍然很受欢迎。它们以其打结牢固和在组织中顺畅通过而闻名，在眼科、神经科和心血管手术中尤其有用，因为这些手术需要精细的质量和精确度。然而，缝合线并非丝绸在现代医学中应用的全部。
就像蚕茧可以解开一样，丝绸在去除丝胶蛋白并转化为纯丝素蛋白纤维的水溶液后，也能解开。这个过程由 Kaplan 在 20 世纪 90 年代完善，即“解开”丝绸，释放了其作为多功能构建模块的潜力，使其能够制成凝胶、海绵、薄片和墨水——各种各样的东西——一切都为了人类健康。
在 Kaplan 实验室中，研究人员将丝绸塑造成模仿人体结构的植入物，支持细胞生长和组织再生。据 Kaplan 说，丝绸与细胞的相容性和可定制的特性使其成为帮助细胞再生的 3D 支架的理想选择。
研究人员可以通过改变含水量来控制支架的密度、强度和结构。“尺寸和规模没有限制，几乎可以使用任何加工方法——挤出、3D 打印、浇铸等等，”Kaplan 说。一旦植入，丝绸会保持相同的尺寸和形状，直到身体组织再生并取代它。“从研究的角度来看，人体没有一个部分没有被丝绸重塑过，”谢菲尔德大学的生物材料科学家 Chris Holland 说，“从眼睛的覆盖物到牙齿，再到所有一切。”
在他的同事、塔夫茨大学生物医学工程师兼学校丝绸实验室主任 Fiorenzo Omenetto 的帮助下，Kaplan 甚至设计了一种用于修复人角膜的丝绸支架。这种透明薄膜比家蚕丝（B. mori silk）的单根复合丝线更薄，为角膜细胞提供了足够的生长空间，而支架上微小的孔洞则确保了生长中的细胞获得足够的氧气。Kaplan 的其他研究方向还包括利用丝绸进行骨骼和血管修复、皮肤再生以及软骨、结缔组织和韧带的再生。类似的治疗方法已经应用于患者。SilkVoice 是一种由丝绸制成的可注射植入物，用于增强受损和畸形的声带，提高发声能力。该产品与 Kaplan Lab 相关联，并于 2018 年获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。
自古以来，医者们就认识到丝绸的保护潜力。除了绷带和缝合线，丝绸还被用于军事制服，包括中世纪蒙古和中国士兵的防弹衣，不仅因为它的强度，还因为它能够保护伤口，使其免受进一步伤害。Prasad 说，如果受到箭的攻击，织物会粘附在伤口上，保护伤口，同时包裹住箭头，使其更容易取出。
通过这种方式，丝绸在转化为生物材料时，能够履行其原始目的，在不刺激免疫系统的情况下保护身体。“丝绸相当‘沉闷’，我是说好的那种，”Kaplan 说。“这就是它如此特别的原因。”一旦进入体内，丝素蛋白就无害。它不会引起免疫反应，并且在降解过程中保持无害。“这是它在体内非常‘安静’的内在化学性质和结构，”Kaplan 补充道。
丝绸作为生物医学材料的另一个优势是，科学家们还可以操纵丝绸溶液，改变其形状和结构，并在其中添加物质来加速或减缓丝绸的降解。“我们可以控制它，”Kaplan 谈到丝绸的分解时说，他举例说，丝绸制成的螺钉和板块，在植入后可以根据添加到丝绸-丝素蛋白溶液中的水量或酶量，在几天到一年内溶解。其中一些丝绸植入物甚至注入了抗生素，使其在降解过程中能够抵抗感染。
丝绸还是一种天然的防腐剂，可以使血液样本和疫苗在几个月内保持完整。Kaplan 工作的另一个衍生项目是 MIMIX 缓释疫苗贴片，该贴片采用丝绸微针。这些微针由注入了疫苗的丝绸丝素蛋白溶液制成，刺入皮肤并缓慢溶解，在几天到几个月内释放疫苗，从而减少副作用并增强免疫反应。
丝绸独特的结构还可以帮助其他药物保持稳定，通过附着在药物分子上，使其不易分解，保护它们免受水分侵害，并在输送前防止其降解。
当 Kaplan 对丝绸的医学特性产生兴趣时，相关研究还相对稀少，仅限于丝绸缝合线。“关于丝绸的其他医学用途的研究几乎没有，这很令人费解，”他说。
现在已有数千项关于丝绸医学潜力的研究，但它们仅仅触及了这种材料在现代应用前景的表面。即使在今天，Kaplan 仍在 Kaplan Lab 中发现丝绸的新用途，测试微小的丝绸颗粒作为药物输送系统的成功率，以及可携带的丝绸喷雾作为烧伤治疗方法。
从古代土地到现代手术室，丝绸的应用随着医学技术的发展而改变。但丝绸的来源，蚕茧和蚕本身，却基本保持不变——这是数千年来家蚕（B. mori）精心培育的结果。“这是一个久经考验的生物制造系统，”Holland 说，“通过驯化，经过 4000 到 5000 年的优化。”
家蚕丝绸（B. mori silk）在古代智慧和现代科学之间架起了桥梁，被缝进了医学历史的织锦。它融合了稳定、相容性和多功能性，提醒我们，即使是最现代的解决方案，也可能编织在过去的丝线之中。
本文发表于我们 2025 年 5-6 月印刷版杂志。
