膠原聚集體及其聚集行為研究進(jìn)展

王光宇, 肖美添, 趙 鵬*, 陳俊德

1.華僑大學(xué)化工學(xué)院, 福建 廈門 361021；2.國(guó)家海洋局第三海洋研究所, 國(guó)家海洋局海洋生物資源綜合利用工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361005

膠原聚集體及其聚集行為研究進(jìn)展

王光宇1,2, 肖美添1, 趙 鵬1*, 陳俊德2*

1.華僑大學(xué)化工學(xué)院, 福建 廈門 361021；2.國(guó)家海洋局第三海洋研究所, 國(guó)家海洋局海洋生物資源綜合利用工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361005

膠原是生物體重要的結(jié)構(gòu)蛋白，具有良好的生物相容性、可降解性、低免疫原性、止血性和促細(xì)胞生長(zhǎng)等生物特性，被廣泛地應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)材料、食品、化妝品和藥品等領(lǐng)域。膠原的聚集行為是影響膠原產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，是膠原生產(chǎn)過程中急需解決的科學(xué)技術(shù)問題?？偨Y(jié)了近年來膠原聚集行為的研究進(jìn)展，著重介紹了膠原聚集行為和膠原聚集體、膠原聚集體結(jié)構(gòu)對(duì)其生物學(xué)功能的影響、膠原聚集行為的影響因素、膠原聚集行為檢測(cè)技術(shù)以及膠原聚集體的應(yīng)用，以期為膠原產(chǎn)品的開發(fā)提供新思路。

膠原；聚集；影響因素；檢測(cè)技術(shù)

膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最多、分布最廣的結(jié)構(gòu)蛋白。膠原使得細(xì)胞外基質(zhì)具有很好的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)完整性，具有支撐器官、保護(hù)機(jī)體的功能，對(duì)維持機(jī)體的結(jié)構(gòu)及生理功能起著關(guān)鍵作用。膠原及其衍生物具有獨(dú)特的生物相容性、可降解性和低免疫原性等生物學(xué)功能[1]，在生物醫(yī)學(xué)材料、食品、化妝品和藥品等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[2]。聚集行為是膠原最重要的特性，膠原的聚集行為幾乎存在于膠原生產(chǎn)加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，如何控制好膠原的聚集過程、定向聚集成所期望的聚集體，是確保膠原產(chǎn)品質(zhì)量的核心技術(shù)問題。因此，本文對(duì)膠原聚集行為及膠原聚集體、膠原聚集體結(jié)構(gòu)對(duì)其生物學(xué)功能的影響、膠原聚集行為的影響因素、膠原聚集行為檢測(cè)技術(shù)以及膠原聚集體的應(yīng)用做一簡(jiǎn)要綜述，以期為突破制約膠原產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸和高值開發(fā)膠原產(chǎn)品提供思路。

1 膠原聚集行為及膠原聚集體

1.1 膠原聚集行為

膠原聚集行為是指膠原分子受到外界因素影響后，分子表面水化膜喪失，存在于膠原分子內(nèi)部的疏水性氨基酸暴露出來，同時(shí)，膠原分子相互碰撞的機(jī)率變大，從而引起分子之間疏水基團(tuán)的相互作用，最終形成大小形態(tài)各異的聚集體。

1.2 膠原聚集體

膠原分子發(fā)生聚集行為形成多種膠原聚集體。根據(jù)膠原聚集體的形成機(jī)制與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，膠原聚集體可分為纖維化聚集體和無定型聚集體。纖維化聚集體是通過自組裝聚集和橫縱聚集2種方式形成的纖維化聚集態(tài)[3～5]；而無定型聚集體則具有多種聚集形態(tài)，具體可分為：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)、成串珠絲聚集態(tài)、錨定型聚集態(tài)等[6～8]。

2 膠原聚集體結(jié)構(gòu)對(duì)其生物學(xué)功能的影響

膠原聚集體的結(jié)構(gòu)是影響其生物學(xué)功能的關(guān)鍵因素，其對(duì)聚集體功能的影響主要表現(xiàn)在保持良好的生物相容性、提高抗降解能力、止血性能，以及誘導(dǎo)、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)等方面。

2.1 保持良好的生物相容性

通過誘導(dǎo)聚集的膠原聚集體能夠保持原有良好的生物相容性。王秋玲等[9]研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型膠原與納米羥基磷灰石、聚乳酸-羥基乙酸、透明質(zhì)酸鈉發(fā)生聚集反應(yīng)，形成復(fù)合骨-軟骨聚集體支架，該聚集體支架孔徑為100～300 μm，孔隙率為92.3%，與骨髓基質(zhì)干細(xì)胞保持著良好的生物相容性。草魚魚皮和豬皮膠原可聚集形成膠原海綿聚集體，該聚集體呈現(xiàn)多孔、疏松狀結(jié)構(gòu)，而Ⅰ型膠原與聚羥基丁酸-羥基辛酸共混聚集，也可形成具有同類結(jié)構(gòu)的聚集體支架，該結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性[10～11]。

2.2 提高抗降解能力

天然膠原存在降解速度快的缺點(diǎn)，影響其應(yīng)用范圍，可通過聚集技術(shù)提高膠原的抗酶降解能力。汪海波等[12]發(fā)現(xiàn)草魚魚鱗酸溶性膠原和酶溶性膠原可經(jīng)自組裝聚集成纖維聚集體，與膠原相比，該聚集體的抗酶降解性得到提高，其中酸溶性膠原降解率從90.61%下降到86.66%，酶溶性膠原降解率從74.65%下降至70.60%。此外，天然膠原可與碳化二亞胺交聯(lián)聚集反應(yīng)，形成甲基化膠原。與天然膠原相比，甲基化膠原的孔徑由95.08 μm增加到適合細(xì)胞粘附及生長(zhǎng)的203.18 μm，并在大孔徑的周圍布滿了平均尺寸為5 μm的貫通孔隙結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使得聚集體的孔隙率由16.19%提高到76.67%，從而進(jìn)一步提高其機(jī)械強(qiáng)度，即提高了甲基化膠原的抗酶降解能力[13]。Ⅰ型牛膠原與1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺和N-羥基與酰胺亞胺交聯(lián)聚集，與膠原相比，該聚集體的完全降解時(shí)間由原來的2 h延長(zhǎng)為7 d，表明聚集反應(yīng)可顯著提高膠原的抗酶降解能力[14]。

2.3 提高止血性能

膠原能誘導(dǎo)血小板附著、激活凝血因子黏附在出血處，通過聚集形成的膠原聚集體能夠提高膠原的止血性能。蒙俊樺等[15]將類人膠原與微孔淀粉、戊二醛交聯(lián)聚集，形成類人膠原蛋白-微孔淀粉聚集體止血材料，與微孔淀粉止血?jiǎng)┫啾?，該聚集體吸水率提高了420%，止血時(shí)間減少了27 s。魚鱗Ⅰ型膠原可與殼聚糖交聯(lián)聚集反應(yīng)，形成復(fù)合止血海綿聚集體，該聚集體的止血時(shí)間與吸收性明膠海綿和醫(yī)用脫脂棉相比分別提高了24.4%和45.6%[16]。魷魚皮酶溶性膠原結(jié)合碳化二亞胺交聯(lián)聚集反應(yīng)，形成膠原海綿聚集體，相對(duì)于醫(yī)用紗布，膠原海綿聚集體的出血量由0.35 g降至0.16 g，止血時(shí)間由239 s降至112 s，能夠達(dá)到快速止血的效果[17]。

2.4 誘導(dǎo)及促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)

膠原與殼聚糖、羥基磷灰石等發(fā)生聚集反應(yīng)，形成的聚集體復(fù)合材料能夠誘導(dǎo)并促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移和增殖。詹興旺等[18]的研究表明，Ⅰ型膠原與殼聚糖混合聚集形成的膠原-殼聚糖聚集體支架，具有多孔、互相連接的網(wǎng)格片狀結(jié)構(gòu)，能夠誘導(dǎo)并促進(jìn)軟骨細(xì)胞的粘附、增殖和分化。Ⅰ型膠原和羥基磷灰石發(fā)生聚集反應(yīng)，形成聚集體，兔骨髓基質(zhì)細(xì)胞在此聚集體支架上生長(zhǎng)狀況良好[19]。Ⅰ型膠原和羥基磷灰石發(fā)生聚集反應(yīng)，形成膠原/羥基磷灰石聚集體支架，接種的骨髓間允質(zhì)干細(xì)胞與支架黏附，生長(zhǎng)良好，可促進(jìn)干細(xì)胞成骨、成軟骨分化[20]。

3 膠原聚集行為的影響因素

膠原聚集行為易受到外界因素的影響[21,22]，主要影響因素有溶液pH、膠原濃度、溫度、離子強(qiáng)度和小分子化合物等。

3.1 溶液pH

溶液pH是影響膠原聚集行為的主要因素，pH能改變膠原分子表面的電荷量。當(dāng)膠原分子表面相同電荷增加時(shí)，膠原分子間及內(nèi)部排斥力增強(qiáng)，膠原分子更容易發(fā)生聚集行為，形成不同結(jié)構(gòu)的聚集體。Li等[23]發(fā)現(xiàn)牛真皮膠原在pH 6.6時(shí)，膠原聚集成直徑為85 nm的小纖維聚集體；當(dāng)pH 6.9～8.0時(shí)，膠原聚集成直徑約為200 nm的纖維聚集體，聚集速率隨著pH升高而增大。小牛皮膠原在pH 2.7～3.0條件下，膠原聚集成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚集體；在pH 7.2～7.4條件下，膠原形成纖維狀聚集體，聚集體的纖維直徑和長(zhǎng)度均高于其他pH條件下的值[24]。牛皮膠原在pH 2.5和pH 3.5條件下，膠原聚集成緊密排列的類似于球狀突起、顆粒狀的結(jié)構(gòu)；在pH 4.5時(shí)，為細(xì)長(zhǎng)的小球；在pH 5.5～9.5條件下，易形成纖維結(jié)構(gòu)；當(dāng)pH>10.5時(shí)，僅有少量或沒有纖維結(jié)構(gòu)[25]。魚鱗Ⅰ型膠原在pH 2.7時(shí)，低濃度下膠原以單體和線性小聚集體的形式存在，而高濃度下則形成無規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu)聚集體；在pH 7.2條件下，形成不規(guī)則的片狀聚集體并通過橫向聚集形成多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚集體[26]。

3.2 膠原濃度

膠原的質(zhì)量濃度是影響膠原聚集行為的重要因素。膠原在低濃度下不易發(fā)生聚集行為，在高濃度下易發(fā)生聚集行為，但是濃度過高對(duì)膠原聚集行為有阻礙作用。如豬皮膠原在濃度為0.1～0.5 mg/mL時(shí)，以小聚集體為主；在濃度為0.5～1.5 mg/mL時(shí)，膠原聚集成無規(guī)則的線團(tuán)結(jié)構(gòu)；在濃度為1.5～3.0 mg/mL時(shí)，形成大聚集體[27]。而羅非魚皮膠原在濃度為0.23～2.12 mg/mL時(shí)，膠原聚集速率隨濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的特點(diǎn)，濃度在0.94 mg/mL時(shí)聚集速率最高[28]。此外，不同濃度下膠原形成的聚集體也不同。Raspanti等[29]研究發(fā)現(xiàn)，牛皮膠原在質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL時(shí)，聚集體為超微纖維結(jié)構(gòu)；濃度為0.5 mg/mL時(shí)，為不規(guī)則的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；濃度為1 mg/mL時(shí)，為連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。鼠尾肌腱膠原在濃度低于0.5 mg/mL時(shí)，沒有膠原纖維結(jié)構(gòu)；而當(dāng)濃度髙于0.5 mg/mL時(shí)，可觀察到具有D周期的纖維結(jié)構(gòu)聚集體[30]。

3.3 溫度

溫度也是影響膠原聚集行為的一個(gè)重要因素。低溫不能提供足夠的能量，使得膠原無法聚集。隨著溫度的升高，膠原分子結(jié)構(gòu)逐漸展開，內(nèi)部的疏水性氨基酸基團(tuán)暴露出來，發(fā)生聚集；而當(dāng)溫度過高時(shí)，膠原變性失活。閆鳴艷和秦松[28]發(fā)現(xiàn)羅非魚皮膠原在20℃、30℃、37℃時(shí)均可發(fā)生聚集行為，且在30℃時(shí)，膠原聚集速率最高，說明此溫度是其聚集的最適溫度。而草魚魚鱗膠原在4℃、25℃和35℃時(shí)都能發(fā)生聚集，在25℃時(shí)，膠原聚集程度最高[31]。牛皮膠原在10℃時(shí)，膠原分子處于分散狀態(tài)；在30℃時(shí)，聚集體進(jìn)一步聚集成疏水微區(qū)且聚集程度最高；當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，膠原三螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，膠原變性[32]。

3.4 離子強(qiáng)度

膠原與其他蛋白質(zhì)一樣是典型的兩性電解質(zhì)，加入大量的中性鹽后，鹽在破壞水化膜、暴露膠原疏水區(qū)域的同時(shí)，中和膠原表面電荷，進(jìn)而誘導(dǎo)膠原聚集。當(dāng)鹽濃度過高時(shí)，膠原表面電荷達(dá)到飽和度，過量的離子促使膠原分子與溶劑之間相互形成氫鍵的能力加強(qiáng)，抑制膠原聚集。Yan等[33]的研究表明，狹鱈魚皮膠原在NaCl濃度為30～60 mmol/L時(shí)，促進(jìn)膠原聚集；繼續(xù)提高NaCl濃度，膠原聚集受到抑制。大馬哈魚膠原在NaCl濃度為0～70 mmol/L時(shí)，聚集速率隨濃度升高而增大；而當(dāng)NaCl濃度為140 mmol/L時(shí)，膠原聚集受到抑制[34]。草魚皮膠原在NaCl濃度為0～200 mmol/L時(shí)，膠原聚集速率與聚集程度隨濃度增大而增加；而當(dāng)NaCl濃度為300 mmol/L時(shí)，膠原聚集完全受到抑制[35]。

3.5 小分子化合物

小分子化合物也是影響膠原聚集行為的重要因素。小分子化合物通過影響膠原分子間的氫鍵、靜電作用等非共價(jià)鍵，調(diào)控膠原的聚集行為。如鼠尾肌腱膠原中加入糖和多元醇，可通過破壞螺旋結(jié)構(gòu)間氫鍵的水橋，從而達(dá)到抑制膠原聚集行為的目的[36]。小牛皮膠原中加入丙三醇，可通過增強(qiáng)三螺旋結(jié)構(gòu)來抑制膠原聚集行為[37,38]。Ⅰ型膠原中加入交聯(lián)劑戊二醛，可促進(jìn)膠原分子間的交聯(lián)聚集，使膠原聚集成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[39]。牛皮膠原中加入交聯(lián)劑己二酸-N-羥基琥珀酰亞胺酯，在37℃時(shí)會(huì)抑制牛皮膠原的聚集行為，而39℃時(shí)則會(huì)促進(jìn)膠原的聚集行為[40]。豬皮膠原中加入透明質(zhì)酸，二者質(zhì)量比為5∶5時(shí)，透明質(zhì)酸通過靜電引力和氫鍵作用阻止膠原聚集成片狀結(jié)構(gòu)[41]。

3.6 其他因素

除了以上影響因素，光照和金屬離子也能對(duì)膠原聚集行為產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，紫外線照射能夠促進(jìn)Ⅰ型膠原分子間的交聯(lián)聚集，使膠原纖維直徑從15～50 nm變?yōu)?00 nm左右，并相互交織呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[39,42]。牛筋膠原在pH 5.0、0～2.5 mmol/L濃度范圍內(nèi)，銅離子和鋅離子可促進(jìn)膠原的聚集行為，而鉀離子抑制膠原的聚集行為[43]。

4 膠原聚集行為檢測(cè)技術(shù)

膠原的聚集行為可通過各種技術(shù)手段進(jìn)行檢測(cè)，常用的檢測(cè)技術(shù)有顯微鏡技術(shù)、光散射技術(shù)和熒光分析技術(shù)等，各檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍見表1。

除了上述檢測(cè)技術(shù)，研究人員還利用X射線晶體衍射、電子晶體學(xué)、多維核磁共振波譜與冷凍電子顯微鏡等多種技術(shù)手段檢測(cè)膠原的聚集行為。陳善飛等[46]利用X射線晶體衍射檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在魚皮膠原與殼聚糖聚集體共混膜中膠原與殼聚糖分子之間可產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用。

表1 膠原聚集行為檢測(cè)技術(shù)Table 1 The detection techniques of aggregation behavior.

5 膠原聚集體的應(yīng)用

膠原聚集形成的聚集體，在熱穩(wěn)定性、機(jī)械力學(xué)性能和抗酶降解性等方面均優(yōu)于膠原單體[47～50]，故膠原聚集體在生物醫(yī)學(xué)材料、食品、化妝品和藥品等領(lǐng)域具有廣泛的用途。

5.1 生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用

天然膠原具有良好的生物學(xué)功能，但存在著熱穩(wěn)定性和機(jī)械力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，因而，研究人員誘導(dǎo)膠原與其他活性物質(zhì)發(fā)生聚集反應(yīng)，形成穩(wěn)定性和機(jī)械力學(xué)性能良好的膠原聚集體生物醫(yī)學(xué)材料。Yan等[51]將膠原與殼聚糖共混聚集，形成了殼聚糖-膠原聚集體多孔支架材料，該聚集體與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞保持良好的生物相容性，是理想的組織工程支架材料。羅非魚皮膠原與聚乳酸發(fā)生聚集反應(yīng)，形成聚集體纖維支架，與魚皮膠原相比，該聚集體具有更好的穩(wěn)定性和低降解率，與L929成纖維細(xì)胞保持良好的生物相容性[52]。

5.2 食品領(lǐng)域的應(yīng)用

膠原聚集體廣泛地應(yīng)用于食品領(lǐng)域。Wang等[53]的研究表明，Ⅰ型膠原與瓊脂、藻酸發(fā)生聚集反應(yīng)，形成三元混合生物水凝膠聚集體薄膜，該聚集體薄膜具有抗拉強(qiáng)度好、防霧和屏障性能好的優(yōu)點(diǎn)，可作為食品包裝材料，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。Ⅰ型膠原與乙二醛、戊二醛聚集反應(yīng)，形成的聚集體熱穩(wěn)定性和拉伸強(qiáng)度顯著提高，是作為人工腸衣的理想原料[54]。

5.3 化妝品的應(yīng)用

膠原聚集體對(duì)皮膚具有良好的親水性，具有修復(fù)保濕和保護(hù)效果。劉克海等[55]將魷魚皮膠原與硬脂酸、十六醇等共混聚集，形成的膠原聚集體營(yíng)養(yǎng)保濕乳，具有無毒、保濕效果好等優(yōu)點(diǎn)。Ⅰ型膠原與殼聚糖、細(xì)胞激活素等發(fā)生聚集反應(yīng)，形成膠原聚集體晚霜，將其涂在人體皮膚表面，能夠起到保濕以及修復(fù)、保護(hù)皮膚的作用[56]。

5.4 藥品領(lǐng)域的應(yīng)用

膠原聚集體還是一種安全、有效的藥物載體材料。如Ⅰ型膠原與聚乳酸聚集形成的微球載體，可減緩阿司匹林的釋放，是良好的藥物控制釋放載體[57]。豬皮Ⅰ型膠原與纖維蛋白膠聚集合成的緩釋藥膜，具有雙重緩釋的作用，可減少藥物的突釋，使藥物的釋放更加平穩(wěn)緩慢[58]。

6 展望

膠原及其衍生物被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料、食品、保健品、化妝品和藥品等領(lǐng)域。膠原及其衍生物全球市場(chǎng)銷售額達(dá)數(shù)十億美元[59]，并呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。膠原聚集行為幾乎存在于膠原的提取、分離純化和干燥等各個(gè)生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中，是影響膠原質(zhì)量的關(guān)鍵因素[45]。目前，研究人員在膠原聚集方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍存在許多問題，具體如下：①膠原、膠原聚集體結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究不夠深入，導(dǎo)致其在生物醫(yī)學(xué)材料、食品、保健品、化妝品和藥品等方面的潛力得不到應(yīng)有的開發(fā)；②膠原產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)低下，缺乏指導(dǎo)膠原規(guī)?；a(chǎn)的膠原聚集、解離動(dòng)力學(xué)模型，無法監(jiān)測(cè)膠原生產(chǎn)加工過程中結(jié)構(gòu)的變化情況，無法精準(zhǔn)指導(dǎo)膠原的生產(chǎn)加工，產(chǎn)品質(zhì)量差、產(chǎn)品附加值低；③由于瘋牛病、口蹄疫和禽流感等流行病的發(fā)生，限制了陸地生物源膠原的應(yīng)用。海洋生物源膠原以其豐富的原料來源和區(qū)別于陸地生物源膠原的結(jié)構(gòu)、功能和理化性質(zhì)成為近年來膠原研究的熱點(diǎn)。然而，膠原聚集體的研發(fā)工作仍主要集中在陸地生物源膠原上，在海洋生物源膠原方面只有零星的研發(fā)工作[26]。

針對(duì)上述膠原聚集行為急需解決的問題，我國(guó)應(yīng)充分利用國(guó)內(nèi)海洋生物資源豐富的優(yōu)勢(shì)，以海洋生物源膠原聚集行為研究為切入點(diǎn)，以高校、研究所為依托，重點(diǎn)研究膠原產(chǎn)品的原料篩選、膠原構(gòu)效關(guān)系、膠原動(dòng)力學(xué)、膠原產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和膠原聚集行為檢測(cè)技術(shù)等。在膠原生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)膠原的生產(chǎn)工藝，通過優(yōu)選集成多種膠原聚集行為的檢測(cè)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建嚴(yán)格的全程質(zhì)量控制體系，全面控制膠原產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，加強(qiáng)膠原構(gòu)效關(guān)系和動(dòng)力學(xué)研究，并通過政府引導(dǎo)，將這些技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)膠原產(chǎn)品生產(chǎn)上，提高產(chǎn)品的附加值和利潤(rùn)，進(jìn)而吸引國(guó)內(nèi)外投資者涉足這一行業(yè)，帶動(dòng)企業(yè)從資源依賴型向技術(shù)帶動(dòng)型轉(zhuǎn)變，從數(shù)量增長(zhǎng)型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，形成以生物醫(yī)學(xué)材料、食品、保健品、化妝品和藥品等為主的膠原產(chǎn)業(yè)集群，產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益，并帶動(dòng)海洋膠原研發(fā)領(lǐng)域生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍。

[1] Mlyniec A, Tomaszewski K A, Spiesz E M,etal.. Molecular-based nonlinear viscoelastic chemomechanical model incorporating thermal denaturation kinetics of collagen fibrous biomaterials [J]. Polym. Degrad. Stabil., 2015, 119:87-95.

[2] Sinthusamran S, Benjakul S, Kishimura H. Comparative study on molecular characteristics of acid soluble collagens from skin and swim bladder of seabass (Latescalcarifer) [J]. Food Chem., 2013, 138(4):2435-2441.

[3] 李 林, 李學(xué)敏, 宿廣昊, 等. 膠原聚集體自組裝機(jī)制研究[A]. 見：天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)第三十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]. 天津：天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì), 2014.

[4] Cisneros D A, Hung C, Franz C M,etal.. Observing growth steps of collagen self-assembly by time-lapse high-resolution atomic force microscopy[J]. J. Struct. Biol., 2006, 154(3):232-245.

[5] 蔣挺大. 膠原與膠原蛋白[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[6] Stephan S, Sherratt M J, Hodson N,etal.. Expression and supramolecular assembly of recombinant α1(viii) and α2(viii) collagen homotrimers [J]. J. Biol. Chem., 2004, 279(20):21469-21477.

[7] Birk D E, Bruckner P. Collagen suprastructures[J]. Top. Curr. Chem., 2005, 247:185-205.

[8] Lunstrum G P, Kuo H J, Rosenbaum L M,etal.. Anchoring fibrils contain the carboxyl-terminal globular domain of type VII procollagen, but lack the amino-terminal globular domain [J]. J. Biol. Chem., 1987, 262(28):13706-13712.

[9] 王秋玲, 謝德明, 呂玉明. 分層復(fù)合骨-軟骨支架的制備及生物相容性初步研究[J]. 南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(11):2477-2481.

[10] 汪海嬰, 梁艷萍, 李云雁, 等. 魚源膠原蛋白海綿材料的構(gòu)建及其生物學(xué)性能[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版), 2012, 41(6):709-715.

[11] 李二峰, 王增榮, 陸興, 等. 羥基丁酸-羥基辛酸聚合物-膠原骨軟骨支架的制備及應(yīng)用[J]. 中國(guó)組織工程研究, 2012, 16(47):8751-8754.

[12] 汪海波, 梁艷萍, 汪海嬰, 等. 草魚魚鱗膠原蛋白的提取及其部分生物學(xué)性能[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2012, 36(4):553-561.

[13] 王麗霞, 趙 寰, 靳淑鳳, 等. EDC交聯(lián)離子化膠原支架材料的生物學(xué)表征[J]. 口腔醫(yī)學(xué)研究, 2015, 31(4): 343-348.

[14] 楊春蓉. 交聯(lián)對(duì)膠原生物學(xué)和物理性能的影響[J]. 中國(guó)組織工程研究, 2009, 13(3):521-524.

[15] 蒙俊樺, 王琪凱, 范代娣, 等. 類人膠原蛋白-微孔淀粉的制備及生物學(xué)評(píng)價(jià)[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 44(1):61-65.

[16] 王 茵, 黃 煜, 林彩平, 等. 魚鱗膠原復(fù)合止血海綿的制備及其效果的驗(yàn)證 [J]. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 28(4):315-319.

[17] 徐志霞, 趙 昕, 鄒崢嶸, 等. 魷魚皮膠原蛋白醫(yī)用止血材料的研究[J]. 中國(guó)海洋藥物, 2014, 33(5):64-70.

[18] 詹興旺, 韋曙東, 姜 艷, 等. 膠原-殼聚糖支架與軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)[J]. 中國(guó)組織工程研究, 2011, 15(38):7090-7094.

[19] 楊 波, 胡蘊(yùn)玉, 畢 龍, 等. 膠原/羥基磷灰石骨軟骨一體化支架的生物學(xué)特性研究[J]. 中國(guó)矯形外科雜志, 2010, 18(4):304-307.

[20] Zhou J A, Xu C X, Wu G,etal..Invitrogeneration of osteochondral differentiation of human marrow mesenchymal stem cells in novel collagen-hydroxyapatite layered scaffolds[J]. Acta Biomater., 2011, 7(11):3999-4006.

[21] Ding C C, Zhang M, Wu K,etal.. The response of collagen molecules in acid solution to temperature[J]. Polymer, 2014, 55(22):5751-5759.

[22] Yang H, Xu S C, Shen L R,etal.. Changes in aggregation behavior of collagen molecules in solution with varying concentrations of acetic acid[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2016, 92:581-586.

[23] Li Y P, Asadi A, Monroe M R,etal.. pH effects on collagen fibrillogenesisinvitro: Electrostatic interactions and phosphate binding[J]. Mat. Sci. Eng. C-Mater., 2009, 29(5):1643-1649.

[24] 何曉青, 蔡繼業(yè), 趙 濤, 等. Ⅰ型膠原蛋白在云母表面自組裝的AFM研究[J]. 生物技術(shù), 2004,14(2):35-37.

[25] Jiang F Z, H?rber H, Howard J,etal.. Assembly of collagen into microribbons: Effects of pH and electrolytes[J]. J. Struct. Biol., 2004, 148(3):268-278.

[26] 鐘朝輝, 李春美, 顧海峰, 等. 原子力顯微鏡研究魚鱗膠原蛋白的溶液聚集行為[J]. 精細(xì)化工, 2006, 23(10):983-987.

[27] 史向陽(yáng), 吳世康, 孫曹民. 熒光探針法研究膠原蛋白的水溶液聚集狀態(tài)[J]. 高分子學(xué)報(bào), 1998(4):406-411.

[28] 閆鳴艷, 秦 松. 聚集條件對(duì)羅非魚皮Ⅰ型膠原自聚集動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2016, 37(2):93-102.

[29] Raspanti M, Viola M, Sonaggere M,etal.. Collagen fibril structure is affected by collagen concentration and decorin[J]. Biomacromolecules, 2007, 8(7): 2087-2091.

[30] Fang M, Goldstein E L, Matich E K,etal.. Type I collagen self-assembly: The roles of substrate and concentration[J]. Langmuir, 2013, 29(7):2330-2338.

[31] 梁艷萍, 王 艷, 汪海波, 等. 草魚魚鱗膠原蛋白體外自組裝行為的研究[J]. 食品科學(xué), 2011, 32(23):15-20.

[32] 吳萬燁, 武 昆, 李國(guó)英. 利用二維同步熒光相關(guān)光譜研究溫度對(duì)膠原溶液中分子聚集行為的影響[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2015, 35(2):409-414.

[33] Yan M Y, Li B F, Zhao X,etal.. Effect of concentration, pH and ionic strength on the kinetic self-assembly of acid-soluble collagen from walleye pollock (Theragrachalcogramma) skin[J]. Food Hydrocolloid., 2012, 29(1):199-204.

[34] Yunoki S, Nagai N, Suzuki T,etal.. Novel biomaterial from reinforced salmon collagen gel prepared by fibril formation and cross-linking[J]. J. Biosci. Bioeng., 2004, 98(1):40-47.

[35] 趙 燕, 魯 亮, 楊 玲, 等. 草魚皮膠原的體外自組裝動(dòng)力學(xué)研究[J]. 食品科學(xué), 2014, 35(11):21-26.

[36] Kuznetsova N, Chi S L, Leikin S. Sugars and polyols inhibit fibrillogenesis of type I collagen by disrupting hydrogen-bonded water bridges between the helices[J]. Biochemistry, 1998, 37(34): 11888-11895.

[37] Li J H, Li G Y. The thermal behavior of collagen in solution: Effect of glycerol and 2-propanol [J]. Int. J. Biol. Macromol., 2011,48(2):364-368.

[38] Li J H, Liu W T, Li G Y. The effect of glycerol and 2-propanol on the molecular aggregation of collagen in solution[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2015, 72:1097-1103.

[39] 梁志紅, 周長(zhǎng)忍, 李立華. 幾種改性方法對(duì)膠原膜微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2006, 22(2):181-184.

[40] Zhang M, Wu K, Li G Y. Interactions of collagen molecules in the presence of N-hydroxysuccinimide activated adipic acid (NHS-AA) as a cross linking agent [J]. Int. J. Biol. Macromol., 2011, 49(4): 847-854.

[41] 趙 帥, 王 璐, 李國(guó)英. 膠原/透明質(zhì)酸共混海綿的性能研究[J]. 皮革科學(xué)與工程, 2008, 18(5):12-17.

[42] 梁志紅, 周長(zhǎng)忍, 蔡基業(yè), 等. 原子力顯微鏡研究UV-B對(duì)Ⅰ型膠原結(jié)構(gòu)的影響[J]. 激光生物學(xué)報(bào), 2004, 13(3):207-209.

[43] 邢建宇, 白 波, 李宇亮, 等. 不同金屬離子在膠原蛋白自聚集過程中的影響研究[J]. 應(yīng)用化工, 2015(6):1041-1044.

[44] Tenni R, Sonaggere M, Viola M,etal.. Self-aggregation of fibrillar collagens I and II involves lysine side chains[J]. Micron, 2006, 37(7):640-647.

[45] Yan M Y, Li B F, Zhao X. Determination of critical aggregation concentration and aggregation number of acid-soluble collagen from walleye pollock (Theragrachalcogramma) skin using the fluorescence probe pyrene[J]. Food Chem., 2010, 122(4):1333-1337.

[46] 陳善飛, 伍久林, 葛尚英, 等. 多糖對(duì)鰱魚皮膠原蛋白膜性能的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2013, 34(6):325-329.

[47] Nguyen T M, Aubry J F, Touboul D,etal.. Monitoring of cornea elastic properties changes during UV-A/riboflavin-induced corneal collagen cross-linking using supersonic shear wave imaging: A pilot study [J]. Invest. Ophth. Vis. Sci., 2012, 53(9):5948-5965.

[48] Lim E S, Lim M J, Min K S,etal.. Effects of epicatechin, a crosslinking agent, on human dental pulp cells cultured in collagen scaffolds[J]. J. Appl. Oral Sci., 2016, 24(1):76-84.

[49] Kwansa A L, De Vita R, Freeman J W. Tensile mechanical properties of collagen type I and its enzymatic crosslinks[J]. Biophys. Chem., 2016, 214-215: 1-10.

[50] Wu X M, Liu Y W, Liu A J,etal.. Improved thermal-stability and mechanical properties of type I collagen by crosslinking with casein, keratin and soy protein isolate using transglutaminase[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2017, 98: 292-301.

[51] Yan F, Yue W, Zhang Y L,etal.. Chitosan-collagen porous scaffold and bone marrow mesenchymal stem cell transplantation for ischemic stroke[J]. Neural Regen. Res., 2015, 10(9):1421-1426.

[52] Zhang Q, Lv S, Lu J,etal.. Characterization of polycaprolactone/collagen fibrous scaffolds by electrospinning and their bioactivity[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2015, 76:94-101.

[53] Wang L F, Rhim J W. Preparation and application of agar/alginate/collagen ternary blend functional food packaging films[J]. Int. J. Biol. Macromol., 2015, 80:460-468.

[54] 陳秀金, 曹 健, 湯克勇. 膠原蛋白和明膠在食品中的應(yīng)用[J]. 鄭州工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 23(1):66-69.

[55] 劉克海, 秦玉青, 徐海波,等. 魷魚皮膠原蛋白的提取及在化妝品中的應(yīng)用[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2008, 27(8):411-413.

[56] 南 偉, 孫麗萍, 袁秀芝. 具有活膚修復(fù)作用晚霜的研究[J]. 北京日化, 2003，24(4):6-8.

[57] Li X, Liu L L, Yang P F,etal.. Synthesis of collagen-modified polylactide and its application in drug delivery [J]. J. Appl. Polym. Sci., 2013, 129(6):3290-3296.

[58] 陳紅麗, 徐佳迪, 南文濱, 等. 膠原/纖維蛋白膠復(fù)合藥膜的性質(zhì)及其體外抑瘤效應(yīng)初步研究[J]. 國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志, 2016, 39(1): 1-5.

[59] 陳俊德, 易瑞灶, 陳 暉. 魚膠原蛋白及其活性肽的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)海洋藥物, 2009, 28(4):52-56.

ProgressonCollagenAggregatesandTheirAggregationBehavior

WANG Guangyu1,2, XIAO Meitian1, ZHAO Peng1*, CHEN Junde2*

1.CollegeofChemicalEngineering,HuaqiaoUniversity,FujianXiamen361021,China; 2.MarineBiologicalResourceComprehensiveUtilizationEngineeringResearchCenteroftheStateOceanicAdministration,theThirdInstituteofOceanographyoftheStateOceanicAdministration,FujianXiamen361005,China

Collagen is an important structural protein of the organism. Due to the unique biocompatibility, biodegradability, low immunogenicity, hemostatic, promoting cell growth and other biological characteristics, collagen has been widely used in fields including biomedical materials, foods, cosmetics and drugs. The aggregation behavior of collagen is an important factor affecting the quality of collagen products, and it is a scientific and technical problem that needs to be solved urgently in the process of collagen production. In this paper, the research progress of collagen aggregation behavior in recent years was summarized, the aggregation behavior and aggregates of collagen, the influence of aggregates structure on their biological function, the affecting factors and detection techniques of aggregation behavior as well as the applications of collagen aggregates were introduced, which were expected to provide new thought for development of collagen products.

collagen; aggregation; affecting factors; detection techniques

2017-06-15;接受日期2017-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41106149;41676129)；國(guó)家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(海三科2016007)資助。

王光宇，碩士研究生，主要從事蛋白質(zhì)工程研究。E-mail: 17859733637@163.com。*通信作者：趙 鵬，副教授，主要從事天然產(chǎn)物的提取與精制研究。E-mail:zhaopeng@hqu.edu.cn；陳俊德，副研究員，主要從事蛋白質(zhì)工程研究。E-mail:jdchen@tio.org.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0058