天然I型膠原生物膜材料的最新研究進(jìn)展

琚海燕，但衛(wèi)華，劉秀英

（1. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 四川大學(xué) 制革清潔技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

天然I型膠原生物膜材料的最新研究進(jìn)展

琚海燕1，但衛(wèi)華2，劉秀英1

（1. 武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 四川大學(xué) 制革清潔技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

天然I型膠原具有極低的免疫原性、優(yōu)良的生物學(xué)性能及可再生特性，可與眾多天然或合成高分子進(jìn)行物理化學(xué)改性，開(kāi)發(fā)出各種安全的、可生物降解的、多形態(tài)的功能性生物材料。本文重點(diǎn)闡述天然I型膠原的結(jié)構(gòu)模型、生物學(xué)特性及其膜材料的最新研究與發(fā)展方向，為I型膠原膜材料的深度研發(fā)和高值利用提供重要的理論支持。

天然I型膠原；結(jié)構(gòu)模型；生物膜；組織工程

自然界動(dòng)物體中約有 500 億噸以上的膠原[1]，而I型膠原約占總膠原量的 90%以上，含量極為豐富。I型膠原擁有極低的免疫原性、天然組織親和力[2]，及良好的生物相容性、可生物降解性、止血性和誘導(dǎo)細(xì)胞的增殖的生物活性功能，已成為自然界中重要的、可植入或移植的、應(yīng)用最廣的動(dòng)物生物質(zhì)資源，在生物醫(yī)用、整形美容、食品保健及組織工程領(lǐng)域中具有巨大的開(kāi)發(fā)前景[3]。

實(shí)際應(yīng)用中，天然I型膠原可能被加工成各種形態(tài)的生物醫(yī)用材料，如薄膜、海綿、管狀、凝膠及粉末等。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)I型膠原的研究已做了大量的工作，已開(kāi)發(fā)出一些如人工角膜、敷料、血液透析膜、人造血管、人工皮膚、組織填充物、縫合線、止血?jiǎng)┑壬镝t(yī)用產(chǎn)品[4-6]。其中，天然I型膠原膜的研發(fā)已占據(jù)了I型膠原生物醫(yī)用產(chǎn)品的半邊天，主要應(yīng)用于創(chuàng)傷修復(fù)[7,8]、口腔修復(fù)[9]、美容矯形[10]、組織工程支架[11]及功能止血[12]等生物醫(yī)用領(lǐng)域，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力巨大，其高效轉(zhuǎn)化與高值利用的前景十分誘人。本文從天然I型膠原膜材料的功能與應(yīng)用出發(fā)，介紹天然I型膠原的結(jié)構(gòu)模型、生物學(xué)特性及其膜材料的最新研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展提出新的展望。

1　天然I型膠原的結(jié)構(gòu)

圖1　I型膠原機(jī)體內(nèi)生物合成示意圖

天然I型膠原作為一類(lèi)重要的結(jié)構(gòu)蛋白，約占機(jī)體總蛋白質(zhì)含量的30%以上，賦予了結(jié)締組織一定的力學(xué)性能，具有支撐、保護(hù)器官的功能[13-14]。目前，研究者將I型膠原的化學(xué)結(jié)構(gòu)確定為四級(jí)。I型膠原的一級(jí)結(jié)構(gòu)是氨基酸組成及其序列的排布，Hyp與Hyl是特征氨基酸，不含色氨酸，決定了其在營(yíng)養(yǎng)上為不完全蛋白[15]。其二級(jí)結(jié)構(gòu)為其左手α螺旋結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈上的氨基酸殘基均指向外部，螺旋鏈內(nèi)形成的氫鍵使得膠原多肽鏈的螺旋結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。I型膠原的三級(jí)結(jié)構(gòu)為肽鏈之間依靠次級(jí)鍵的作用，卷曲、折疊構(gòu)成具有特定三股螺旋結(jié)構(gòu)的膠原分子，螺旋的穩(wěn)定性源于多肽鏈間氫鍵、氨基酸殘基側(cè)鏈的極性基團(tuán)產(chǎn)生的離子鍵、氫鍵、范德華力等次級(jí)鍵、膠原分子內(nèi)與分子間交聯(lián)作用如醇醛縮合交聯(lián)、醛胺縮合交聯(lián)和醛醇組氨酸交聯(lián)[16]共同作用所致。I型膠原的四級(jí)結(jié)構(gòu)為膠原分子側(cè)向聚集、軸向延伸，并以一定間距、呈縱向?qū)ΨQ(chēng)交錯(cuò)排列，通過(guò)分子間或分子內(nèi)的交聯(lián)形成膠原纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步聚集成束以形成機(jī)體組織（如圖1）。目前，I型膠原纖維在機(jī)體內(nèi)超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)都是膠原科研工作者的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2　天然I型膠原生物學(xué)特性

2.1 誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖與分化

天然I型膠原由機(jī)體成纖維細(xì)胞通過(guò)體內(nèi)生物合成的方式產(chǎn)生，為細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，與其他成分以特定的形式排列融合、形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞的增殖生長(zhǎng)提供良好的微環(huán)境。文獻(xiàn)表明[17]，I型膠原能很好的粘附成纖維細(xì)胞，成纖維細(xì)胞在膠原表面可以三維鋪展，并能較好地生長(zhǎng)、增殖，膠原同時(shí)也能誘導(dǎo)上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等的增殖、分化和移動(dòng)。在生理和病理機(jī)制的調(diào)控下，I型膠原有機(jī)地參與細(xì)胞的遷移和代謝，從而使細(xì)胞更準(zhǔn)確地發(fā)揮功能。

2.2 止血作用

天然I型膠原發(fā)達(dá)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是其凝血功能的基礎(chǔ)。膠原在凝血過(guò)程中扮演著重要角色。首先，膠原與血液接觸時(shí)，局部刺激血小板的黏附與聚集，而后激活凝血系統(tǒng)以產(chǎn)生凝血因子和凝血酶，最終促使原纖維蛋白轉(zhuǎn)化形成穩(wěn)定的纖維蛋白[18]。當(dāng)血管壁受損破壞時(shí)，膠原暴露于血液中，并使其中的血小板迅速接觸、粘附，發(fā)生凝聚作用，生成纖維蛋白，形成血栓進(jìn)而阻止血液流動(dòng)。在大多數(shù)情況下，特別是在一些病理情況下（如創(chuàng)面較大、創(chuàng)面較深、血小板數(shù)量或活性不足以及凝血功能障礙等），生理學(xué)的止血難以達(dá)到控制出血的目的，而此時(shí)適當(dāng)補(bǔ)充外源性膠原，對(duì)局部止血有著明顯的促進(jìn)作用，從而達(dá)到滿(mǎn)意的止血效果[13]。

2.3 可生物降解性

天然I型膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)賦予其一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而膠原酶可在I型膠原N端3/4的位置處發(fā)生作用，被膠原酶切斷的I型膠原片段進(jìn)而被其他蛋白酶水解為多肽和氨基酸，代謝產(chǎn)物一部分可直接進(jìn)入血液系統(tǒng)被機(jī)體吸收或代謝，一部分多肽鏈則可被細(xì)胞吞噬，在細(xì)胞內(nèi)被蛋白酶進(jìn)一步水解為氨基酸，為膠原的生物合成提供原料和營(yíng)養(yǎng)[19]。但是，膠原的可生物降解性具有不明顯的調(diào)控性。材料植入后，若降解速度過(guò)快，則新生器官或組織尚未長(zhǎng)成，難以達(dá)到預(yù)期目的；若降解速度過(guò)慢，則影響新生組織的生長(zhǎng)。因此，科學(xué)的降解調(diào)控機(jī)制已成為膠原研究的重要方向。

3　天然I型膠原生物膜的最新研究進(jìn)展

天然I型膠原具有天然活性和優(yōu)異的生物學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外已成功地將其應(yīng)用于食品領(lǐng)域、美容整型領(lǐng)域、生物醫(yī)用領(lǐng)域，I型膠原膜的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已占據(jù)膠原產(chǎn)品的半壁江山[20]。

3.1 食品領(lǐng)域

天然I型膠原作為細(xì)胞外主要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，富含人體多種必需氨基酸，其中脯氨酸和羥脯氨酸的含量明顯高于其他的蛋白質(zhì)，且獨(dú)有的羥基賴(lài)氨酸也決定了其營(yíng)養(yǎng)功能，而不含色氨酸、胱氨酸在一定程度上卻限制了膠原產(chǎn)品在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，膠原膜在食品行業(yè)中主要以可食用的包裝膜的形式為主，如香腸與凍肉的腸衣、藥用膠囊、食品保鮮膜、高級(jí)包裝袋等。然而，膠原膜的吸收溶脹、過(guò)分的透水汽使其作為食品膜表現(xiàn)一定的應(yīng)用缺陷，如吸水后的膠原膜透明度降低，含有一定量水分的膠原膜又為微生物提供合適的生長(zhǎng)條件。因此，I型膠原膜用于食品加工領(lǐng)域，應(yīng)對(duì)親水性能、力學(xué)性能進(jìn)行相應(yīng)的改善研究。

3.2 整型美容領(lǐng)域

I型膠原分布于皮膚的真皮層，為維持皮膚的彈性及韌性起支撐作用。隨著生理年齡的增長(zhǎng)，機(jī)體內(nèi)I型膠原的作用方式由可逆性轉(zhuǎn)為不可逆性，膠原聚集態(tài)結(jié)構(gòu)纏繞更加緊密，超分子間的間距縮小，最終導(dǎo)致了膠原與彈性蛋白間的作用力降低，且分泌的成纖維細(xì)胞的活性及能力大大降低[21]，肉眼體現(xiàn)在皮膚的彈力網(wǎng)斷裂、力學(xué)性能下降，皮膚組織塌陷、干燥、粗糙、松弛、皺紋、毛孔粗大、暗斑、色斑等衰老現(xiàn)象。I型膠原膜具有良好的親膚性、親水性，I型膠原的引入有利于機(jī)體成纖維細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)，具有優(yōu)良的吸濕、保濕功能，常用于皺紋及瘢痕修復(fù)、面部輪廓矯正、護(hù)膚化妝品等[22]。膠原膜在整型美容領(lǐng)域的應(yīng)用還體現(xiàn)于高級(jí)面膜，I型膠原面膜可鎖住大量的水分，讓皮膚保持濕潤(rùn)、水嫩，平皺緊膚、祛斑亮膚、祛黑眼圈等功能，在整形美容高端市場(chǎng)占有率巨大。

圖2　生物質(zhì)體表創(chuàng)傷修復(fù)膜的相關(guān)檢測(cè)圖

3.3 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

3.3.1 高級(jí)生物敷料

天然I型膠原膜可吸收大量的組織滲出液，平穩(wěn)地附著在濕潤(rùn)創(chuàng)面，并維持一定濕度，可防止機(jī)械傷害和二次細(xì)菌感染，對(duì)治療重度燒傷特別有效，可作為各種類(lèi)型創(chuàng)傷敷料，如褥瘡、腿部潰瘍等。Pins 等[23]人分別采取熱交聯(lián)與碳化二亞胺交聯(lián)的方式，對(duì)自組裝的膠原膜進(jìn)行改性處理，并考察了改性膠原膜的結(jié)構(gòu)與力學(xué)強(qiáng)度變化、細(xì)胞相容性與抵御酶降解能力。Yahyouche等[24]亦采用不同改性方式對(duì)膠原膜進(jìn)行處理，并將巨噬細(xì)胞引入了培養(yǎng)體系，獲得改性后膠原膜的力學(xué)性能和耐降解性大幅提升。Omer等[25]將膠原與絲膠共混制成膜，并對(duì)復(fù)合膜的理化性能及生物學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)膠原膜性能改善顯著。圖2表明[26]，將膠原、殼聚糖與PVA有機(jī)復(fù)合，得到體表創(chuàng)傷修復(fù)膜，有防止術(shù)后粘連、止血、促進(jìn)傷口愈合和誘導(dǎo)皮膚再生的作用。天然I型膠原作為理想生物敷料的基材，符合最為權(quán)威的“濕潤(rùn)傷口愈合”理論，已迅猛地發(fā)展成為被臨床廣泛接受并使用的創(chuàng)傷敷料[27]。

圖3　PCL-膠原微納纖維膜在血管支架中的應(yīng)用圖

3.3.2 組織工程支架

天然I型膠原膜被用于組織工程支架，其天然生物活性毋庸置疑，但膠原膜干燥后延伸性低、力學(xué)性能差、降解過(guò)快且熱穩(wěn)定性也較低，在外界環(huán)境作用下易發(fā)生斷裂、降解或變性。醫(yī)用膠原膜材料與人體接觸過(guò)程中，受到人體電解質(zhì)和酶等的作用，降解速度過(guò)快，難以與組織生長(zhǎng)相匹配。如何解決上述問(wèn)題是目前膠原膜作為組織工程支架材料的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。近年來(lái)，研究者不遺余力地將化學(xué)修飾或物理復(fù)合的I型膠原膜制備成組織支架，在血管組織工程、人工皮膚、人工心臟瓣膜、人工神經(jīng)導(dǎo)管、硬腦膜等方面得到了廣泛應(yīng)用。膠原膜最早就被應(yīng)用于人工皮膚的構(gòu)建，研究者將組織細(xì)胞種植在膠原膜支架上，復(fù)合材料經(jīng)培育后直接移植使用。Elaine等[28]將異體纖維蛋白、膠原和糖胺多糖復(fù)合流延成膜，再將上皮細(xì)胞接種在復(fù)合膜表面，應(yīng)用于裸鼠創(chuàng)面修復(fù)且獲得了良好的成果研究報(bào)道[29]，Ι型膠原海綿的止血時(shí)間、止血效果及傷口粘附的效果最優(yōu)，且在體內(nèi)降解吸收，被認(rèn)為是一種較理想的創(chuàng)傷止血敷料。

血管組織工程方面膠原膜的應(yīng)用熱點(diǎn)在于應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)，制備孔徑可控的微納膜。Tillman等[30]將牛皮膠原與PCL按比例溶于六氟異丙醇溶液，采用靜電紡絲制備微納膠原膜，并采用戊二醛改性，最終制得一種人工血管支架，如圖3所示，且此人工血管支架可粘附血管內(nèi)皮細(xì)胞，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，植入動(dòng)物體內(nèi)1月后材料的基本結(jié)構(gòu)無(wú)變形。Joel等[31]將 I型膠原、頸部韌帶彈性蛋白及PDLGA共混后進(jìn)行靜電紡絲，制備得到血管移植支架，具有良好的生物相容性，植入體內(nèi)無(wú)局部或全身毒性和免疫反應(yīng)。James 等[32]制備了PCL微納膠原膜，如圖4所示，復(fù)合膜能促進(jìn)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的增殖、粘附和分化，與自身組織契合良好，創(chuàng)傷組織可在20周后恢復(fù)功能。應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)制備的纖維膜性能優(yōu)異，材料性能可控，但良溶劑的選擇一直是難題，強(qiáng)質(zhì)子溶劑如三氟乙酸、六氟異丙醇，溶解性能極佳、揮發(fā)性好，但對(duì)其結(jié)構(gòu)有極大的破壞作用，50%以上的膠原可能降解為明膠[33]，導(dǎo)致膠原天然生物學(xué)性能降低，甚至不能抵擋水、血液、體液等對(duì)其結(jié)構(gòu)的破壞，在一定程度上限制了材料的應(yīng)用。因此，解決天然I型膠原的良溶劑問(wèn)題至關(guān)重要。

圖4　PCL-膠原微納復(fù)合纖維神經(jīng)導(dǎo)管圖

天然I型膠原膜用作人工心臟瓣膜支架的研究也取得顯著進(jìn)展。Thomas等[34]制備了一種膠原-葡胺聚糖復(fù)合膜人工心臟瓣膜支架，如圖5所示，在復(fù)合膜上種植間質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，培育四周后直接植入動(dòng)物體內(nèi)，評(píng)價(jià)二尖瓣組織結(jié)構(gòu)的新陳代謝和組織恢復(fù)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠原基底膜表面形成了收縮的、類(lèi)似心臟組織的二尖瓣結(jié)構(gòu)的體外結(jié)構(gòu)，免疫組織化學(xué)分析呈現(xiàn)增強(qiáng)的細(xì)胞外基質(zhì)，且有彈性蛋白和層粘連蛋白的表達(dá)，證實(shí)了天然I型膠原膜用作人工心臟瓣膜的體外安全性。然而，目前天然I型膠原膜用于人工心臟瓣膜修復(fù)的上市產(chǎn)品仍不多見(jiàn)，其原因在于膠原膜的力學(xué)性能、降解性能及可加工性等達(dá)不到天然心臟瓣膜的各項(xiàng)功能指標(biāo)。

4　結(jié)論

圖5　膠原及膠原-葡胺聚糖復(fù)合膜在心臟瓣膜支架中的應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院《高技術(shù)發(fā)展報(bào)告》指出，2015 年和2020年生物醫(yī)用材料年銷(xiāo)售額可分別達(dá)到370億美元和1355億美元，10年內(nèi)我國(guó)有望成長(zhǎng)為世界第二大生物醫(yī)用材料市場(chǎng)。毋庸置疑，天然I型膠原具有優(yōu)異的生物學(xué)性能與可再生資源優(yōu)勢(shì)，且在如此巨大的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，天然I型膠原膜必將迎來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景。然而，天然I型膠原膜還存在諸多性能缺陷，如力學(xué)強(qiáng)度低、降解過(guò)快、熱穩(wěn)定性差等嚴(yán)重的應(yīng)用難題。因此，科研工作者應(yīng)根據(jù)修復(fù)醫(yī)學(xué)、組織工程學(xué)、仿生學(xué)、分子設(shè)計(jì)學(xué)等原理和方法，深入探索適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾與物理復(fù)合改性方法，針對(duì)性地改善天然I型膠原的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能，開(kāi)發(fā)出各種新型功能性天然I型膠原生物復(fù)合膜材料，切實(shí)拓寬其作為生物材料的應(yīng)用領(lǐng)域及實(shí)現(xiàn)其生物膜的工業(yè)化生產(chǎn)，不久的將來(lái)必將迎來(lái)天然I型膠原膜材料高效、高值轉(zhuǎn)化的嶄新曙光。

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Progress in the Biological Membrane based on the Natural Type I Collagen

JU Hai-yan1，DAN Wei-hua2，LIU Xiu-ying1
(1. School of Chemical Engineering, Wuhan Textile University，Wuhan Hubei 430200，China; 2.National Engineering Laboratory for Clean Technology of Leather Manufacture，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065, China)

Natural type I collagen with extremely low immunogenicity, excellent biological properties and renewable characteristics can be modified by numerous natural and synthetic polymers, and was developed a variety of safe biodegradable functional biological membranes. In this paper, the structural model and biological characteristics of the natural type I collagen, the latest research and the development direction of its biological membranes were expounded respectively, which could provide important theoretical support for deep research and high value utilization of natural type I collagen membrane materials.

natural type I collagen; structure model; biological membrane; tissue engineering

O625.51

A

2095－414X(2016)03－0052－06

琚海燕（1982-），女，講師，博士，研究方向：生物質(zhì)材料研究及應(yīng)用.

國(guó)家自然科學(xué)基金（51103110）；武漢紡織大學(xué)教研項(xiàng)目（151033003）.