膠原蛋白自組裝生物功能材料的研究進(jìn)展

王瑞瑞，王鴻儒

?

膠原蛋白自組裝生物功能材料的研究進(jìn)展

王瑞瑞1，2，王鴻儒1

（1陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，中國(guó)輕工業(yè)皮革清潔生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021；2青海師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧 810008 ）

膠原蛋白在體外自組裝形成高度有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖、擴(kuò)散和遷移，具有良好的生物相容性、優(yōu)異的力學(xué)性能、可生物降解性和弱抗原性。本文首先介紹和分析了膠原蛋白自組裝功能材料的4種組裝方法，即模板自組裝法、原位自組裝法、定向自組裝法和誘導(dǎo)自組裝法和分析的研究現(xiàn)狀；比較了4種自組裝方法的組裝原理和組裝特點(diǎn)；然后總結(jié)了膠原蛋白自組裝生物功能材料作為組織替代材料，靶向給藥材料，光、電、聲特異傳導(dǎo)功能材料在再生醫(yī)學(xué)、基因治療、藥物設(shè)計(jì)、組織工程、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；最后指出了膠原蛋白自組裝生物功能材料今后的研究方向，表明膠原蛋白自組裝生物功能材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

蛋白質(zhì)；自組裝；制備；功能材料；生物醫(yī)學(xué)工程

膠原蛋白是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)、結(jié)締組織、韌帶、肌腱、皮膚、骨和軟骨的重要組成部分，是哺乳動(dòng)物體內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)蛋白[1-2]。膠原蛋白具有由三條肽鏈組成的獨(dú)特三股螺旋結(jié)構(gòu)[3]，是一種天然一維納米材料[4]。在機(jī)體內(nèi)，膠原蛋白自發(fā)組裝成有序的膠原纖維和膠原纖維束，進(jìn)而形成宏觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，膠原蛋白是許多生物組織的結(jié)構(gòu)框架[5-7]，可賦予組織優(yōu)異的生物力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)多樣性[8]。

隨著微納米組裝技術(shù)的快速發(fā)展，膠原蛋白在體外通過(guò)疏水相互作用[9]、靜電相互作用[10-12]、化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)[13]、半胱氨酸參與的化學(xué)反應(yīng)[14-16]、金屬-配體配位反應(yīng)[17]、π-π堆積[18]和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[19]等作用自組裝形成高度有序的微觀結(jié)構(gòu)，制備的膠原蛋白自組裝材料因具有優(yōu)異的生物相容性、可生物降解性和弱抗原性，被認(rèn)為是最有用的生物材料之一[20]。近年來(lái)，設(shè)計(jì)和合成具有優(yōu)異性能的膠原蛋白自組裝生物功能材料已成為研究熱 點(diǎn)[21-24]。

1　膠原蛋白自組裝生物功能材料

自組裝生物功能材料使用的膠原蛋白來(lái)自兩個(gè)方面：一是將來(lái)源于生物體的天然膠原蛋白作為構(gòu)筑基元，構(gòu)建多種多樣超分子納米結(jié)構(gòu)；二是人工合成具有膠原蛋白次級(jí)結(jié)構(gòu)和生物活性的膠原蛋白模擬肽，作為天然膠原蛋白的模型分子。膠原蛋白模擬肽是多個(gè)氨基酸序列的循環(huán)單元，可以根據(jù)需求人工合成任意長(zhǎng)度的膠原蛋白模擬肽。用膠原蛋白模擬肽修飾構(gòu)筑基元主體，最終達(dá)到組裝目的。目前，膠原蛋白自組裝生物功能材料的組裝方法主要有模板自組裝法、原位自組裝法、定向自組裝法和誘導(dǎo)自組裝法等。

1.1模板自組裝法

模板自組裝法是將結(jié)構(gòu)限制在模板表面，對(duì)自組裝行為進(jìn)行引導(dǎo)，促使空間相在較大范圍結(jié)構(gòu)有序。模板自組裝法可以控制膜的層數(shù)制備單層膜、多層膜和復(fù)合膜，調(diào)控材料的功能特性。與其他自組裝法相比，操作最簡(jiǎn)單，通用性最強(qiáng)，適用于各種類型的基材[25-26]。最常用的模板自組裝法是層層（LBL）自組裝法。層層自組裝法將陰陽(yáng)離子層交替沉積在基板上[27]，借助分子間的靜電引力，自發(fā)構(gòu)筑超分子結(jié)構(gòu)[28]。

利用層層自組裝技術(shù)，將膠原蛋白和其他具有特定功能的物質(zhì)組裝到材料表面，對(duì)材料進(jìn)行修飾，膠原蛋白組裝形成高度有序的結(jié)構(gòu)，使材料獲得良好的生物相容性，不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生免疫毒性。同時(shí)，特定功能的物質(zhì)可賦予材料光、電、磁、力等新性能。XING等[29]在聚醚酰亞胺處理的載玻片上利用層層自組裝法制備了納米金-膠原蛋白/多肽修飾光敏劑（TPPAc-PLL）多層復(fù)合膜。如圖1所示，納米金結(jié)合膠原蛋白和多肽修飾光敏劑通過(guò)靜電引力結(jié)合形成多層膜，操作方法簡(jiǎn)單。膠原蛋白使膜保持生物活性，高度有序的結(jié)構(gòu)使膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能，為細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境。將聚賴氨酸（PLL）與完全不溶于水的光敏劑5-[4-羧基苯基]-10,15,20-三苯基卟吩（TPPAc）偶聯(lián)，改善了光敏劑TPPAc的水溶性，由于光敏劑TPPAc的存在，當(dāng)受到光波照射時(shí)，靶向細(xì)胞中的組織蛋白酶使多聚賴氨酸鏈降解，阻斷光敏分子的自淬滅反應(yīng)，產(chǎn)生單線態(tài)氧，從而控制靶向細(xì)胞的凋亡（剝離），這種方法為調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞凋亡提供了有效的平臺(tái)，可用于抗癌藥物的設(shè)計(jì)和制備。

FAN等[30]利用層層自組裝法在硅襯底上制備了均勻的膠原蛋白/磷酸八鈣復(fù)合涂層。在典型的沉積條件下，薄的磷酸鈣涂層（100nm）會(huì)在陰極硅表面形成第一層，其次是厚的、多孔復(fù)合涂層（約100μm），這種多孔復(fù)合涂層是富集了磷酸八鈣鹽晶體的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。膠原蛋白使材料具有優(yōu)異的生物相容性，在植入過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生免疫毒性。膠原蛋白/磷酸八鈣類骨復(fù)合涂層有助于金屬骨科植入物的骨生長(zhǎng)和固定，這種方法不僅為生物活性植入物的制備提供了新方法，還可用于研究生物組織中膠原蛋白的生物礦化機(jī)制。GREGUREC等[31]進(jìn)行了促進(jìn)假體鈦材料骨整合的研究，利用自組裝的方法將海藻酸鈉和膠原蛋白交替組裝到氧化鈦表面。膠原蛋白和海藻酸鈉通過(guò)交聯(lián)劑碳化二亞胺（EDC）實(shí)現(xiàn)化學(xué)交聯(lián)，在氧化鈦表面組裝了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物活性涂層，由生物活性涂層包覆的氧化鈦材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能。這種由化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和靜電引力共同作用的自組裝涂層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度更高。HUANG等[32]以靜電紡絲法制備聚己內(nèi)酯（PCL）-乙酸纖維素（CA）模板，采用層層自組裝法將帶正電荷的殼聚糖（CS）和帶負(fù)電荷的納米Ⅰ型膠原蛋白交替組裝到聚己內(nèi)酯-乙酸纖維素模板上。膠原蛋白自組裝成高度有序的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使納米纖維墊具有強(qiáng)的細(xì)胞粘附力，利于正常真皮成纖細(xì)胞的擴(kuò)散。同時(shí)，通過(guò)調(diào)控殼聚糖/膠原蛋白雙層膜的層數(shù)制備性能各異的(殼聚糖/膠原蛋白)（表示殼聚糖/膠原蛋白雙層膜的數(shù)量）層層結(jié)構(gòu)。制備的納米纖維墊能夠提高細(xì)胞的體外遷移能力，促進(jìn)體內(nèi)再上皮化和血管新生，具有快速修復(fù)受損皮膚結(jié)構(gòu)的功能特性。這種方法可用于制造功能性醫(yī)用敷料。

總之，利用模板自組裝法使膠原蛋白在自組裝過(guò)程中與其他功能物質(zhì)發(fā)生協(xié)同作用，使材料獲得高度有序的結(jié)構(gòu)特征，從而獲得理想的應(yīng)用性能。

1.2原位自組裝法

膠原蛋白原位自組裝法主要利用化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)在合成與組裝微納結(jié)構(gòu)材料中巧妙的調(diào)控作用，得到多功能組裝體。與其他自組裝法不同，原位自組裝法并不是通過(guò)次級(jí)作用力（靜電引力、疏水作用等）形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而是依靠分子鏈間的共價(jià)鍵形成高度有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種組裝結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可控性更高、反應(yīng)時(shí)間更短、成本更低。

BEAK等[33]利用原位組裝法制備了膠原蛋白-聚丙烯酰胺互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）聚合物水凝膠。如圖2所示，在原位自組裝過(guò)程中，膠原蛋白和聚丙烯酰胺兩種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)膠原蛋白分子中胺基和丙烯酰胺分子中的乙烯基之間的Michael加成反應(yīng)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了水凝膠的生物相容性、溶脹率和力學(xué)性能。結(jié)果表明，原位自組裝法制備的膠原蛋白-聚丙烯酰胺互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物水凝膠的溶脹率與彈性模量之間沒(méi)有相關(guān)性，水凝膠性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)可控、操作簡(jiǎn)單。

PUTTAWIBUL等[34]采用原位自組裝法凍融雜交制備的水凝膠作為半月板組織工程支架，先采用凍融法制備高分子量的聚乙烯醇，然后與膠原蛋白混合，再凍融制備水凝膠。聚乙烯醇分子中的羥基與膠原蛋白分子中的羰基相互作用，聚乙烯醇和膠原蛋白雜化形成具有粗糙表面的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備的水凝膠保持了聚乙烯醇和膠原蛋白的生物特性，將原位自組裝法和凍融法結(jié)合可以進(jìn)一步提高水凝膠溶脹率、力學(xué)性能和回收利用率。GIRAO 等[35]用氧化石墨烯（GO）與膠原蛋白自組裝制備多孔網(wǎng)狀支架。氧化石墨烯納米片邊緣的含氧官能團(tuán)與膠原蛋白分子肽鏈上的氨基相互作用形成多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。膠原蛋白使新支架具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生免疫毒性。這種方法為制備生物活性支架提供了新思路。IMPARATO等[36]通過(guò)一種自下而上的組裝方法制備了真皮等效組織支架，可以通過(guò)調(diào)節(jié)甘油醛和明膠（w=176654）的交聯(lián)度控制支架的力學(xué)性能和降解率。這種方法制備的材料能夠重現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞和細(xì)胞外成分之間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡，可作為專用體外疾病模型用于人體生理學(xué)的研究。

總之，膠原蛋白原位自組裝法可以根據(jù)需求對(duì)組裝體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，提高材料的力學(xué)性能、延緩降解速率，并保持膠原蛋白的生物活性，消除材料的免疫毒性，這種方法廣泛用于膠原蛋白水凝膠的制備。

1.3定向自組裝法

定向自組裝法是通過(guò)外形識(shí)別或自選性膠體等來(lái)實(shí)現(xiàn)微元件在相應(yīng)基板上的定向和定位，進(jìn)而完成微元件的組裝。與其他自組裝法相比，定向自組裝法簡(jiǎn)單快捷，能形成單分散結(jié)構(gòu)，并能組裝成管狀、螺旋狀、球狀、花朵狀和碗狀等多種結(jié)構(gòu)，對(duì)組裝結(jié)構(gòu)的可控性最強(qiáng)。

SAN等[37]用自組裝技術(shù)將膠原蛋白模擬肽（CMP結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3）通過(guò)外形識(shí)別定向結(jié)合到納米金顆粒表面。如圖3所示，兩種納米金粒子（10nm和20nm）易于吸附相反極性的膠原蛋白模擬肽，進(jìn)而組裝形成有序聚集體。人工合成的膠原蛋白模擬肽質(zhì)量可控，結(jié)構(gòu)明確。將膠原蛋白模擬肽吸附到納米金顆粒表面，可以有效防止納米金粒子的聚集和控制相鄰膠原模擬肽之間的三螺旋折疊。合成的膠原蛋白模擬肽-納米金材料對(duì)高度特異性的變性膠原蛋白具有靶向性，可以用于安全無(wú)害、選擇性的去除蛋白試劑和藥物中的明膠。這種方法可用于醫(yī)用診斷材料的設(shè)計(jì)、制備。

CHOI等[38]采用旋涂定向自組裝法將 (單寧酸/支化聚乙烯亞胺)/(二甲基二烯丙基氯化銨/木質(zhì)素)多層膜和膠原蛋白相互作用制備多功能水凝膠。膠原蛋白和單寧酸（TA）通過(guò)氫鍵和疏水相互作用形成組裝體。高度有序的結(jié)構(gòu)使水凝膠機(jī)械強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好并具有優(yōu)異的抗菌性能，可作為阿霉素等抗癌藥物的緩釋劑。這種方法被用于抗癌藥物的設(shè)計(jì)。

總之，膠原蛋白定向自組裝法通過(guò)定向識(shí)別、旋涂等手段調(diào)控組裝結(jié)構(gòu)，操作方法簡(jiǎn)單。但是，定向自組裝法在操作過(guò)程中一定要合理控制組裝速度，組裝速度過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)很多缺陷和裂縫；組裝速度過(guò)慢，會(huì)出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)。

1.4誘導(dǎo)自組裝法

誘導(dǎo)自組裝法是通過(guò)流體、電磁場(chǎng)等介質(zhì)誘導(dǎo)形成高度有序的組裝體，賦予組裝體特定的功能。與其他自組裝法相比，誘導(dǎo)組裝法具有結(jié)構(gòu)可調(diào)、過(guò)程可逆的特點(diǎn)，膠原蛋白在誘導(dǎo)自組裝過(guò)程中不會(huì)引入其他有毒材料，避免自組裝材料遭受污染，是目前最安全的組裝方法。

JEREMY等[39]研究了膠原蛋白模擬肽（hbyp3、hbyp3-11；氨基酸序列見(jiàn)圖4）分級(jí)組裝過(guò)程。如圖4所示，膠原蛋白模擬肽首先形成三股螺旋結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步組裝形成盤狀結(jié)構(gòu)，最后在金屬離子如二價(jià)鐵離子的促進(jìn)下形成聚合物籠狀結(jié)構(gòu)-膠原蛋白肽籠，可用于藥物的傳遞。高度有序的籠狀結(jié)構(gòu)在藥物遞送過(guò)程具有穩(wěn)定性，由于組裝過(guò)程可逆，到達(dá)靶向組織后通過(guò)改變環(huán)境條件達(dá)到藥物釋放的目的。這為設(shè)計(jì)合成新的刺激響應(yīng)性功能材料提供了新方法。

GUO等[40]報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的磁誘導(dǎo)技術(shù)生產(chǎn)膠原蛋白凝膠的方法。這種技術(shù)只需要膠原蛋白溶液、表面改性的磁珠、一塊小磁鐵和一個(gè)孵化器。因此，這是目前唯一不需要專門設(shè)備的膠原蛋白定向組裝技術(shù)。鏈霉親和素改性的磁珠誘導(dǎo)組裝了結(jié)構(gòu)高度有序的膠原蛋白凝膠。磁誘導(dǎo)方法允許用于細(xì)胞嵌入的凝膠構(gòu)建，膠原-細(xì)胞層狀結(jié)構(gòu)有利于組織形成。此外，嵌入細(xì)胞有序排列的膠原蛋白凝膠允許細(xì)胞在各向同性和各向異性的環(huán)境中進(jìn)行基質(zhì)遷移和重塑。這種方法在組裝過(guò)程中不添加任何化學(xué)試劑，可實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)。KIM等[4]研究了碳納米管（CNT）對(duì)膠原纖維結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度和組裝動(dòng)力學(xué)的獨(dú)特影響。結(jié)果表明，碳納米管與膠原蛋白在分子水平上相互作用。碳納米管松散了膠原纖維的螺旋線圈，使膠原纖維的螺旋線圈扁平化，膠原纖維的D周期增長(zhǎng)。同時(shí)，氧化碳納米管的表面電荷增強(qiáng)了局部膠原蛋白自組裝，形成較厚的膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，利于神經(jīng)干細(xì)胞的分化，顯著增加膠原纖維的機(jī)械強(qiáng)度，這種方法為制備生物醫(yī)用材料提供了新思路。LUO等[41]研究了金屬離子促進(jìn)膠原蛋白模擬肽形成高度有序的組裝體。膠原蛋白模擬肽[ CLP，氨基酸序列：HypGly(ProProGly)4(ProHypGly)(ProProGly)4GlyHyp(ProHypGly) ]能在Ni2+、Zn2+和Cu2+等二價(jià)金屬離子誘導(dǎo)下進(jìn)行組裝。金屬離子的鹽橋作用輔助組裝微納結(jié)構(gòu)可用于調(diào)控膠原蛋白模擬肽組裝體的三股螺旋構(gòu)象，形成高度有序的結(jié)構(gòu)。這種方法為設(shè)計(jì)新型生物材料提供了方向。BORALDI等[42]報(bào)道了酶促礦化法制備礦物沉積和成纖細(xì)胞均勻分布的膠原蛋白凝膠。MgCl2對(duì)膠原蛋白的組裝結(jié)構(gòu)起關(guān)鍵作用，結(jié)合成纖細(xì)胞可制備出不同三維結(jié)構(gòu)的礦化膠原蛋白基質(zhì)，作為軟結(jié)締組織間質(zhì)細(xì)胞原型，這種方法為研究異位鈣化開(kāi)辟了新的途徑。

總之，誘導(dǎo)自組裝法組裝過(guò)程可逆，通過(guò)調(diào)控膠原蛋白自組裝體結(jié)構(gòu)使材料獲得獨(dú)特性能，這種方法環(huán)境友好，為設(shè)計(jì)、制備安全無(wú)毒的生物材料提供了方向。

2　膠原蛋白自組裝生物功能材料的應(yīng)用

膠原蛋白自組裝功能材料具有高度有序的結(jié)構(gòu)特征，為新材料的應(yīng)用提供了無(wú)限的可能。膠原蛋白自組裝材料在靶向給藥、生長(zhǎng)因子緩釋、基因療法、醫(yī)學(xué)影像和組織工程中具有廣闊的應(yīng)用 前景。

2.1具有負(fù)載功能的組織替代材料

組織替代材料必須具有高的機(jī)械強(qiáng)度才能支撐和保護(hù)細(xì)胞的黏附、增殖、擴(kuò)散和遷移。否則，使用過(guò)程中易發(fā)生塌陷，影響使用壽命。膠原蛋白自組裝的膜、支架、凝膠等材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、生物相容性好、生物活性高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的組織替代材料。目前，具有負(fù)載功能的組織替代材料包括硬組織替代材料和軟組織替代材料。膠原蛋白自組裝材料作為硬組織替代材料主要用于人造骨骼、人造關(guān)節(jié)和人造牙齒等。假體鈦等金屬材料雖然有高的機(jī)械強(qiáng)度，但是不利于細(xì)胞的生長(zhǎng)，將膠原蛋白自組裝在假體鈦等硬組織植入物的表面，能顯著提高成骨細(xì)胞的繁殖率[31，43]。通常，將膠原蛋白自組裝在傳統(tǒng)硬組織植入物的表面，形成高度有序的組裝結(jié)構(gòu)，利于細(xì)胞生長(zhǎng)，新材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的生物相容性，而且保持了膠原蛋白優(yōu)異的生物活性，避免了細(xì)胞毒性反應(yīng)。此外，礦化的膠原蛋白凝膠可以模仿骨的構(gòu)成，已被廣泛應(yīng)用于骨組織工程[44]。SUPAPOM等[45]利用膠原蛋白自組裝法制備膠原蛋白/絲素/殼聚糖復(fù)合支架，膠原蛋白自組裝成高度有序的多孔結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、耐降解、高細(xì)胞存活率的特點(diǎn)，可作為骨缺損的支架材料。膠原蛋白自組裝材料作為軟組織替代材料主要用于人工瓣膜、人造血管、人造皮膚等。膠原蛋白自組裝成高度有序的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高的比表面積和高的孔隙度，能將多余的分泌液吸收，透氣性強(qiáng)，能有效控制血液或體液流動(dòng)，對(duì)生長(zhǎng)因子具有瞬間封存的能力，利于細(xì)胞的生長(zhǎng)[46]。研究表明與干細(xì)胞特異性抗體共價(jià)結(jié)合的膠原支架能有效促進(jìn)心肌組織的再生[47]。例如，YOON 等[48]制備的膠原海綿，保持了膠原蛋白的生物活性，具有促進(jìn)皮膚組織再生的潛力，適用于皮膚全層缺損的手術(shù)替代物。ARAVAMUDHAN等[49]將膠原蛋白自組裝在天然聚合物[乙酸纖維素和聚(乳酸-乙醇酸)]微孔結(jié)構(gòu)上。高度有序的多孔組裝結(jié)構(gòu)可以提高干細(xì)胞的誘導(dǎo)能力與親水性天然高分子材料的生物相容性，作為軟組織替代物。

總之，利用膠原蛋白自組裝技術(shù)研發(fā)患病或受損器官和組織的高性能有效替代材料仍然是組織工程的研究熱點(diǎn)。

2.2靶向給藥材料

目前，藥物的靶向遞送是微納結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的最前沿。通過(guò)微納結(jié)構(gòu)粒子遞送藥物的目的是減少對(duì)健康組織的間接損傷，延長(zhǎng)該藥在指定位置的時(shí)效性，最后希望這些顆粒在完成任務(wù)以后能自然降解，藥物被加載在這些粒子上不會(huì)帶來(lái)任何潛在的系統(tǒng)性副作用[50]。常用的靶向給藥材料有納米金、聚苯乙烯等，這類材料不具有理想的生物相容性和生物降解性。也有研究使用石墨烯、碳納米管等碳材料，這類碳材料在使用過(guò)程中是否會(huì)對(duì)機(jī)體造成潛在傷害，目前仍存在很大爭(zhēng)議。然而，膠原蛋白自組裝材料抗菌性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、生物相容性好，使用安全、無(wú)毒，是用于靶向給藥的理想材料。膠原蛋白自組裝材料用于靶向給藥的制備思路是：①采用模板自組裝法將膠原蛋白涂覆在相應(yīng)的模板上，進(jìn)而自組裝成高度有序的結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)模板塌陷形成空穴，用以藥物的靶向遞送，通過(guò)控制膜的厚度實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋。OMORPHOS等[51]采用層層自組裝法制備的膠原蛋白微粒可用于基因、藥物或生長(zhǎng)因子等的靶向性遞送和癌癥的治療，這種微粒利于正常細(xì)胞的生長(zhǎng)。②采用原位自組裝法和誘導(dǎo)自組裝法制備環(huán)境響應(yīng)性膠原蛋白水凝膠[33]，在溶液狀態(tài)下包載藥物，注射到機(jī)體后再形成高度有序的結(jié)構(gòu)，到達(dá)目標(biāo)組織后實(shí)現(xiàn)藥物的控釋。③采用人工設(shè)計(jì)合成膠原蛋白肽，用誘導(dǎo)自組裝法制備膠原蛋白肽籠[39]，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送，到達(dá)目標(biāo)組織后，再利用可逆組裝，對(duì)藥物進(jìn)行可控緩釋。

總之，膠原蛋白自組裝體具有利于細(xì)胞、組織生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，又有優(yōu)異的生物活性和低細(xì)胞毒性，是理想的靶向給藥材料。

2.3光、電、聲特異傳導(dǎo)功能材料

利用膠原蛋白自組裝技術(shù)使生物材料具有高度有序、圖案化的微納結(jié)構(gòu)，能夠優(yōu)化微小型傳感器、生物載體和微型光學(xué)元件等的性能、響應(yīng)速度、成本和能耗。目前，膠原蛋白自組裝材料用于制作生物傳感器、心臟起博器、人工晶狀體等。在膠原蛋白自組裝過(guò)程中引入鑭系離子、釓離子、鐵離子等多種金屬離子，通過(guò)對(duì)基材的修飾，形成高度有序的構(gòu)造單元，使材料獲得光、電、磁、力等獨(dú)特性能，同時(shí)使材料保持生物活性，將成為膠原蛋白自組裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如，可以在膠原蛋白自組裝過(guò)程中將鑭系離子（Ln3+）引入輔助組裝，形成功能材料。這種材料不僅具有天然膠原蛋白周期性帶狀特征，而且由鑭系離子介導(dǎo)的自組裝是完全可逆的，從而使材料具有優(yōu)異的發(fā)光特性。這種方法制備的發(fā)光納米材料在細(xì)胞成像、醫(yī)學(xué)診斷和熒光支架細(xì)胞培養(yǎng)等方面具有較大的應(yīng)用潛力[52]。

總之，利用膠原蛋白自組裝技術(shù)使新材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有序化、圖案化，制作方法簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)多樣、重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)可行。新材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。今后，利用膠原蛋白自組裝技術(shù)設(shè)計(jì)制造特異傳導(dǎo)功能材料的研究將成為發(fā)展 趨勢(shì)。

3　結(jié)語(yǔ)及展望

膠原蛋白自組裝生物功能材料具有優(yōu)良的生物相容性、可生物降解性和弱抗原性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)有關(guān)于膠原蛋白自組裝機(jī)制的研究報(bào)道[53]。但是，由于膠原蛋白分子本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，因此對(duì)于膠原蛋白自組裝體的組裝機(jī)制尚未明確。而且，不同來(lái)源、不同大小的膠原蛋白分子對(duì)生物功能材料組裝過(guò)程和性能影響的比較研究還尚未見(jiàn)報(bào)道。今后的研究將集中于下列幾個(gè)方面。

（1）繼續(xù)開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特性能的新型膠原蛋白自組裝功能材料，進(jìn)一步拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）探究不同來(lái)源、不同分子量的膠原蛋白對(duì)材料組裝過(guò)程和性能的影響，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)膠原蛋白的可控組裝提供參考。

（3）設(shè)計(jì)有效的測(cè)試手段，進(jìn)一步明確膠原蛋白自組裝體的組裝機(jī)制，用以控制組裝體的形貌和尺寸。

（4）繼續(xù)從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的角度研究膠原蛋白自組裝體系的組裝行為，為設(shè)計(jì)新的膠原蛋白自組裝材料提供理論指導(dǎo)。

[1]劉潔，趙世玉，徐洲，等. 膠原在兩種離子液體[BMIM]Cl和[BMIM]Ac中的溶解及再生結(jié)構(gòu)比較[J]. 化工學(xué)報(bào)，2015，66（6）：2196-2204．

LIU J，ZHAO S Ｙ，XU Z，et al．Comparison of dissolution and regeneration structure of collagen with two ionic liquids：[BMIM]Cl and [BMIM]Ac[J]．CIESC Journal，2015，66（6）：2196-2204．

[2]李鳳娟，林煒，程慶甦，等. 新型膠原基pH敏感水凝膠的制備及性能[J]. 化工進(jìn)展，2009，28（3）：441-444．

LI F J，LIN W，CHENG Q S，et al．Synthesis and characterization of pH-sensitive collagen-based hydrogels[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2009，28（3）：441-444．

[3]張琦弦，石碧. 基于膠原纖維的吸附分離材料研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2014，33（9）：2235-2243．

ZHANG Q X，SHI B．Progress of preparation of adsorption and separation materials based on collagen fiber[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2014，33（9）：2235-2243．

[4]KIM T Y，SRIDHARAN I，ZHU B，et al．Effect of CNT on collagen fiber structure，stiffness assembly kinetics and stem cell differentiation[J]．Materials Science and Engineering C，2015，49（1）：281-289．

[5]FANG M，ELIZABETH L G，ERYN K M，et al．Type Ⅰ collagen self-assembly：the roles of substrate and Concentration[J]. Langmuir，2013（7）：2330-2338.

[6]王堃，正學(xué)晶，孟卓君，等．影響膠原結(jié)構(gòu)與性能的因素研究進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，2010，29（1）：88-93．

WANG K，ZHENG X J，MENG Z J，et al．Factors that influence the structure and properties of collagen materials[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2010，29（1）：88-93．

[7]OTTANI V，RASPANTI M，RUGGERI A．Collagen structure and functional implications[J]．Micron，2001，32（3）：251-260．

[8]WINKLE M，SIMON M G，VU T，et al． A microfabricated，optically accessible device to study the effects of mechanical cus on collagen fiber organization[J]．Biomedical Microdevices，2014，16（2）：255-267．

[9]CEJAS M A，KIMMEY W A，CHEN C，et al．Thrombogenic collagen-mimetic peptides：self-assembly of triple helix-based fibrils driven by hydrophobic interactions[J]．Proc．Natl．Acad．Sci．，2008，105（25）：8513-8518．

[10] O’LEARY L E R，F(xiàn)ALLAS J A，BAKOTA E L，et al．Multi-hierarchical self-assembly of a collagen mimetic peptide from triple helix to nanofibre and hydrogel[J]．Nat．Chem．，2011，3（10）：821-828．

[11] RELE S，SONG Y，APKARIAN R P，et al. D-periodic collagen-mimetic microfibers[J]．J．Am．Chem． Soc．，2007，129（47）：14780-14787．

[12]JIANG T，XU C，LIU Y，etal．Structurally defined nanoscale sheets from self-assembly of collagen-mimetic peptides[J]. J. Am. Chem. Soc.，2014，136（11）：4300-4308．

[13]PARAMOMOY S E，GAUBA V，HARTGERINK J D．Synthesis of collagen-like peptide polymers by native chemical ligation[J]．Macromolecules，2005，38（18）：7555-7561．

[14] KOIDE T，HOMMA D L，ASADA S，et al．Self-complementary peptides for the formation of collagen-like triple helical supramolecules[J]．Bioorg． Med．Chem．Lett．，2005，15（23）：5230-5233．

[15] KRISHNA O D，KIICK K L．Supramolecular assembly of electrostatically stabilized，hydroxyproline-lacking collagen-mimetic peptides[J]．Biomacromolecules，2009，10（9）：2626-2631．

[16]KOTCH F W，RAINES R T．Self-assembly of synthetic collagen triple helices[J]．Proc．Natl．Acad．Sci．，2006，103（9）：3028-3033．

[17]PRZYBYLA D E，CHMIELEWASKI J．Metal-triggered radial self-assembly of collagen peptide fibers[J]．J．Am．Chem．Soc．，2008，130（38）：12610-12611．

[18]CEJAS M A，KINNEY W A，CHEN C，et al．Collagen-related peptides：self-assembly of short，single strands into a functional biomaterial of micrometer scale[J]．J．Am．Chem．Soc．，2007．129（8）：2202-2203．

[19]GOO H C，HWANG Y S，CHOI Y R，et al．Development of collagenase-resistant collagen and its interaction with adult human dermal fibroblasts[J]．Biomaterials，2003，24（28）：5099-5113．

[20]XU F，KHAN I J，MCGUINNESS K，et al．Self-assembly of left- and right-handed molecular screws[J]．J．Am．Chem．Soc．，2013，135（50）：18762-18765．

[21]TOMASINI C，CASTELLUCI N．Peptides and peptidomimetics that behave as low molecular weight gelators[J]．Chem．Soc．Rev．，2013，42（1）：156-172．

[22]ZHAO F，MA M L，XU B．Molecular hydrogels of therapeutic agents[J]．Chem．Soc．Rev．，2009，38（25）：883-891．

[23]Adams D J，TOPHAM P D．Peptide conjugate hydrogelators[J]．Soft Matter，2010，6（16）：3707-3721．

[24] MOHAMMAD M，CHRISTOPHER J B，F(xiàn)RANCOIS B. Self-assembly of microscopic tablets within polymeric thin films：a possible pathway towards new hybrid materials[J]．RSC Advances，2015，5（7），4780-4787．

[25]DEVILLIERS M M，OTTO D P，STRYDOM S J，et al．Introduction to nanocoatings produced by layer-by-layer (LbL) self-assembly[J]. Adv. Drug Delivery Rev．，2011，63（9）：701-715．

[26]Goethals E C，Shukla R，Mistry V，et al．Role of the templating approach in in?uencing the suitability of polymeric nanocapsules for drug delivery：LbLSC/MS[J]．Langmuir，2013，29（39）：12212–12219．

[27]HYDER M N，LEE S W，CEBECI F C，et al．Layer-by-layer assembled polyaniline nanofiber/multiwall carbon nanotube thin film electrodes for high-power and high-energy storage applications[J]. ACS Nano，2011（5）：8552–8561．

[28]孫園園，吳雪梅，甄棟興，等．靜電層層自組裝改性SPPESK/PWA質(zhì)子交換膜[J]．化工進(jìn)展，2015，32（12）：4285-4289．

SUN Y Y，WU X M，ZHEN D X，et al．Modification of SPPESK/PWA proton exchange membrane by layer-by-layer self-assembly[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2015，32（12）：4285-4289．

[29]XING R R，JIAO T F，MA K ，et al．Regulating cell apoptosis on layer-by-layer assembled multilayers of photosensitizer-coupled polypeptides and gold nanoparticles[J]．Scientific Reports，2016，6（5）：1-9．

[30]FAN Y W，DUAN K， WANG R Z．Collagen-calcium phosphate composite coatings by electrolysis-induced self-assembly and mineralization[J]. Biomaterials，2005， 26（14）：1623-1632 ．

[31]GREGUREC D，WANG G C， PIRES R H，et al．Bioinspired titanium coatings：self-assembly of collagen-alginate films for enhanced osseointegration[J]．Journal of Materials Chemistry B，2016，4（11）：1978-1986．

[32]HUANG R，LI W Z，LV X X，et al．Biomimetic LBL structured nanofibrous matrices assembled by chitosan/collagen for promoting wound healing[J]．Biomaterials，2015，53（3）：58-75．

[33]BAEK K，NICHOLAS E C，ELLEN C Q，et al．a(chǎn)ssembly of the collagen–polyacrylamide interpenetrating network hydrogel：enabling decoupled control of stiffness and degree of swelling[J]．European Polymer Journal，2015，72（7）：413-422．

[34]PUTTAWIBUL P，BENJAKUL S，MEESANE J．Freeze-thawed hybridized preparation with biomimetic self-assembly for a polyvinyl alcohol/collagen hydrogel created for meniscus tissue engineering[J]. Journal of Biomimetics，Biomaterials and Biomedical Engineering，2014，21(1)：17-33．

[35]GIRAO A F，GONCALVES G，BHANGRA K S，et al．Electrostatic self-assembled graphene oxide-collagen scaffolds towards a three-dimensional microenvironment for biomimetic applications[J]. RSC Advances，2016，6（54）：49039-49051．

[36]IMPARATO G，URCIUOLO F，CASALE C，et al．The role of microscaffold properties in controlling the collagen assembly in 3D dermis equivalent using modular tissue engineering[J]．Biomaterials，2013，34（32）：7851-7861．

[37]SAN B H，LI Y，TARBET E B，et al．Nanoparticle assembly and gelatin binding mediated by triple helical collagen mimetic peptide[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces，2016，8（31）：19907-19915．

[38]CHOI D，HEO J，PARK J H，et al．Nano-film coatings onto collagen hydrogels with desired drug release[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2016，36（2）：326–333．

[39]JEREMY G，JEAN C．Thermally controlled collagen peptide cages for biopolymer delivery[J]. ACS Biomaterials Science & Engineering，2015，1（10）：1002-1008．

[40] GUO C，KAUFMAN L J．Flow and magnetic ?eld induced collagen alignment [J]．Biomaterials，2007，28（6）：1105-1114．

[41]LUO T Z，KRISTI L K．Collagen-like peptides and peptide-polymer conjugates in the design of assembled materials[J]．Eur．Polym．J．，2013，49（10）：2998-3009．

[42]BORALDI F，BARTOLOMEO A，ANNOVI G，et al．Magnesium modi?es the structural features of enzymatically mineralized collagen gels affecting the retraction capabilities of human dermal fibroblasts embedded within this 3D system[J]．Materials，2016，477（9）：2-15．

[43]KIM H W，LI L H，LEE E J，et al．Fibrillar assembly and stability of collagen coating on titanium for improved osteoblast responses[J]. Journal of Biomedical Materials Research，2005，75（3）：629-638．

[44]ZHOU Y Y，YAO H C，WANG J S，et al．Greener synthesis of electrospun collagen/hydroxyapatite composite ?bers with an excellent microstructure for bone tissue engineering[J]. Int. J. Nanomed．，2015，10（4）：3203-3215．

[45]SUPAPOM S，SUTTATIP K，WEN L C，et al．Modified silk and chitosan scaffolds with collagen assembly for osteoporosis[J]. Bioinspired，Biomimetic and Nanobiomaterials，2016，5（1）：1-11．

[46]HORTENSIUS R A，HARLEY B A C．The use of bioinspired alterations in the glycosaminoglycan content of collagene-GAG scaffolds to regulate cell activity[J]．Biomaterials，2013，34（1）：7645-7652．

[47]SHI C Y，LI Q G，ZHAO Y N，et al．Stem-cell-capturing collagen scaffold promotes cardiac tissue regeneration[J]．Biomaterials，2011，32（10）：2508-2515．

[48]YOON H，YANG H T，YIM H，et al．Effectiveness of wound healing using the novel collagen dermal substitute INSUREGRAF[J]．RSC Advances， 2016，6（64）：59692-59701．

[49]ARAVAMUDHAN A， RAMO D M，JENKINS N A，et al．Collagen nanofibril self-assembly on a natural polymeric material for the osteoinduction of stem cells：In vitro and biocompatibility[J]．RSC Advances，2016，6（84）：80851-80866．

[50]CHEN Y，CHEN H R，ZENG D P，et al．Core/shell structured hollow mesoporous nanocapsules: a potential platform for simultaneous cell imaging and anticancer drug delivery[J]．ACS Nano，2010，4（10）：6001-6013．

[51] OMORPHOS N P，KAHN L，KALASKAR D M．Design of extracellular protein based particles for intra and extra-cellular targeting[J]．Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2015，136（9）：440-448．

[52]HE M，WANG L，WU J，et al．Ln3+-mediated self-assembly of a collagen peptide into luminescent banded helicalnanoropes[J]. Chemistry：A European Journal，2016，22（6）：1914-1917．

[53]PARMAR A S，JAMES J K，GRISHAM D R，et al．Dissecting electrostatic contributions to folding and self-assembly using designed multicomponent peptide systems[J]．J．Am．Chem．Soc．，2016，138（13）：4362-4367．

Progress of research on collagen self-assembly biological functional materials

WANG Ruirui1，2，WANG Hongru1

（1Key Laboratory of Leather Cleaner Production，China National Light Industry，College of Bioresources Chemical and Materials Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi’an 710021，Shaanxi，China；2College of Chemistry and Chemical Engineering，Qinghai Normal University，Xining 810008，Qinghai，China）

Collagen self-assembled into highly orderednetwork structure，which helps to cell adhesion，proliferation，spreading，and migration. Collagen self-assembly biological functional materials have highly ordered structure characteristics，excellent mechanical properties，good biocompatibility，biodegradability，and low immunogenic idiosyncrasy. The assembly process of the four self-assembly technologies，which are template self-assembly technology，self-assembly technology，directed self-assembly technology and induced self-assembly technology，is described. The status of research on those four self-assembly technologies is presented. The theory and characteristic of four self-assembly technologies is discussed. Then，the application of collagen self-assembly biological function materials as tissue replacement material，targeted drug delivery material，functional material of specific conduction of light，electricity，sound，is summarized. The development trend of collagen self-assembly biological function materials in regenerative medicine，gene therapy，drug design，tissue engineering，medical imaging，etc，is identified. Finally，the direction of future development of collagen self-assembly biological function material is proposed. Results show that the collagen self-assembly biological functional materials have broad application prospects in biomedical field.

protein；self-assembly；preparation；functional materials；biomedical engineering

TQ93

A

1000–6613（2017）06–2215–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.034

2016-11-04；

2016-11-21。

王瑞瑞（1980—），女，博士研究生，副教授。E-mail：wangruirui206@163.com。聯(lián)系人：王鴻儒，博士，教授。E-mail：wanghru@tom.com。