膠原蛋白改性方法與應(yīng)用

張亞飛，逄欣雨，葉張靖，趙志康，牛 寧，郝志娜，胡建恩

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

膠原蛋白廣泛存在于生物體骨骼、皮膚、肌腱、血管等部位，約占人體體重的6%，蛋白總量的25%～30%，膠原纖維固體物的85%[1]，在生物體中起到保護(hù)、支撐、結(jié)合及形成界面隔斷等作用。膠原蛋白來源豐富，種類繁多，目前已發(fā)現(xiàn)并被命名的不同類型膠原蛋白有27種，而且低溫條件下提取得到的膠原蛋白具有獨特的三螺旋結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的生物相容性，是重要的生物材料之一[2]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用材料、日用化工、造紙工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域。但從生物體內(nèi)提取的膠原蛋白直接作為材料使用存在分離純化及加工處理困難，干燥后其存在質(zhì)地較脆、成膜能力較弱、遇水溶脹、在體內(nèi)降解過快、易被細(xì)菌分解變質(zhì)等缺點。因此，常通過改性處理來改善膠原蛋白的抗拉伸能力、抗降解能力、耐熱性等，從而獲得新型材料，并將其應(yīng)用于燒燙傷的治療、美容、組織修復(fù)、創(chuàng)面止血、組織工程等領(lǐng)域[3]。

1 膠原蛋白改性方法

膠原蛋白改性方法可分為化學(xué)法、物理法和高分子材料共混三種主要方法。

1.1 化學(xué)改性法

膠原蛋白的化學(xué)改性法主要有化學(xué)交聯(lián)改性[4]、側(cè)鏈基團(tuán)修飾改性[5]和接枝共聚物改性[6]等方法。

1.1.1 化學(xué)交聯(lián)改性

化學(xué)交聯(lián)指在膠原肽鏈內(nèi)或肽鏈間通過化學(xué)交聯(lián)劑形成共價鍵進(jìn)行交聯(lián)，在保留膠原結(jié)構(gòu)的同時改善膠原力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)的改性方法。根據(jù)不同的交聯(lián)劑性質(zhì)在膠原肽鏈內(nèi)或膠原肽鏈間形成穩(wěn)定的連接，如酯鍵、二硫鍵、酰胺鍵等，從而改善膠原蛋白的力學(xué)或熱穩(wěn)定性，是目前最常用的改性方法。

膠原蛋白的化學(xué)改性效果明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景。但化學(xué)法改性會引入化學(xué)試劑，難以控制試劑殘留，產(chǎn)生生物學(xué)毒性。化學(xué)交聯(lián)劑根據(jù)功能大致可分為以下兩類。

一類是具有多官能團(tuán)的交聯(lián)劑，這類交聯(lián)劑在相鄰的兩條肽鏈間形成胺基橋鍵與膠原蛋白交聯(lián)，例如京尼平、原花青素、多酚類和酶等對膠原蛋白的交聯(lián)。王剛等[7]和王曉亞等[8]分別使用京尼平與原花青素交聯(lián)膠原蛋白制備出具有理想柔順度和生物學(xué)性能的組織工程支架，新型支架具有快速再細(xì)胞化的潛能、優(yōu)良的血液相容性和抗鈣化性能，有希望用作組織工程支架。多酚類物質(zhì)含有帶負(fù)電荷的活性酚羥基，且該羥基可被氧化成醌或半醌，因此多酚與蛋白質(zhì)之間可以通過非共價作用或共價作用形成蛋白質(zhì)-多酚復(fù)合物[9]。鄧依等[10]用單寧酸對膠原蛋白膜進(jìn)行改性，在保持膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)完整的基礎(chǔ)上，單寧酸的酚羥基與膠原蛋白發(fā)生了多點氫鍵結(jié)合，使膜的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐酶解性都有所提高，可在臨床和包裝材料中被使用。Chen等[11]用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶將膠原蛋白的側(cè)鏈基團(tuán)進(jìn)行脫除、轉(zhuǎn)移和鍵和，從而發(fā)生共價交聯(lián)，制得的膠原蛋白膜抗拉強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性得到了提高，且無細(xì)胞毒性，有希望用于醫(yī)學(xué)材料。除谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶外，也有漆酶和酪氨酸酶用于膠原蛋白改性而提高了膠原蛋白的抗拉伸強(qiáng)度和抗微生物降解的研究報道[12]。在常見報道中多使用單一交聯(lián)劑對膠原蛋白進(jìn)行改性，但也有報道使用復(fù)合交聯(lián)劑對膠原蛋白進(jìn)行交聯(lián)的研究，例如杜田明[13]使用殼聚糖和雙醛海藻酸鈉對膠原蛋白進(jìn)行改性研究制備膠原蛋白海綿，三種材料的復(fù)合在保持膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了膠原蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、成纖維能力、熱變性溫度等性能，同時還不會影響殼聚糖的抑菌性，可以作為醫(yī)用敷料繼續(xù)深入研究。

戊二醛作為目前使用最廣泛的多官能團(tuán)交聯(lián)劑，具有兩個活性醛基，能與膠原蛋白的伯氨基形成希夫堿，將膠原蛋白以五元環(huán)的形式連接起來以提供有效的交聯(lián)，結(jié)構(gòu)[14]如圖1所示。戊二醛雖能提供有效交聯(lián)，但有一定細(xì)胞毒性，不同濃度戊二醛改性的膠原蛋白植入大鼠皮下會對大鼠的皮膚造成不同程度的侵蝕，使大鼠皮膚產(chǎn)生炎癥和細(xì)胞毒性反應(yīng)，并使周圍組織產(chǎn)生一定程度的鈣化[15]。為避免交聯(lián)劑帶來損傷，研究者正努力尋找無毒無害的交聯(lián)劑。

另一類是能活化谷氨酸或天冬氨酸殘基上的羧酸，與另一條肽鏈上的氨基形成酰胺鍵，實現(xiàn)膠原蛋白的交聯(lián)改性，如?；B氮化合物。Marinucci等[16]采用聚二烯丙基二甲基氯化銨對膠原膜進(jìn)行交聯(lián)，并將未交聯(lián)的膜與交聯(lián)后的膜進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用二苯基磷酸鹽交聯(lián)的膠原蛋白使細(xì)胞的擴(kuò)增速度明顯高于未交聯(lián)膠原膜，說明通過交聯(lián)后的膠原膜細(xì)胞相容性得到了提升。

1.1.2 基團(tuán)的修飾改性

基團(tuán)的修飾改性是通過低分子試劑與膠原蛋白側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而實現(xiàn)的。膠原纖維具有大量氨基與亞氨基，特別是ε-氨基，反應(yīng)活性極強(qiáng)，膠原蛋白氨基主要有脫氨基反應(yīng)、酰胺化反應(yīng)、甲基化反應(yīng)、巰基化反應(yīng)、胍基化反應(yīng)等。王學(xué)川等[17]使用乙醛酸對膠原蛋白進(jìn)行側(cè)鏈修飾改性，發(fā)現(xiàn)膠原蛋白側(cè)鏈的胍基和氨基與乙醛酸的醛基發(fā)生羧基化反應(yīng)，將羧基和氨基結(jié)構(gòu)引入膠原蛋白，膠原蛋白的比表面積由2.126 1 m2/g提高到4.694 2 m2/g，孔徑由21.630 nm降低到9.886 nm，使膠原纖維對鉻離子(Cr3+)的吸附率上升，同時提高了膠原纖維的熱性能，改性后的膠原吸附劑可用于廢水中(Cr3+)回收利用，有利于節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。劉瓊等[18]使用乙二胺四乙酸酐對明膠進(jìn)行酰胺化改性，制得了溶脹快速、溶脹率高的pH敏感型水明膠，可在藥物緩釋領(lǐng)域發(fā)揮作用。

除氨基外，膠原蛋白中的谷氨酸等二元酸，可以發(fā)生酯化、酰胺化等反應(yīng)。目前應(yīng)用最普遍的方法是用水溶性的碳化二亞胺類特定修飾蛋白質(zhì)的羧基基團(tuán)，生成酯類或酰胺類。王麗霞等[19]使用碳化二亞胺修飾膠原蛋白制備膠原支架并進(jìn)行測定，結(jié)果證明碳化二亞胺增加了膠原支架的孔徑和孔隙率，提高了其變性溫度和抗酶解能力，且人牙周膜成纖維細(xì)胞(PDLFs)在支架材料上生長狀態(tài)穩(wěn)定，說明碳化二亞胺改性膠原支架有希望用于牙周組織的修復(fù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。另外Liu等[20]用丙三醇與膠原蛋白的羧基進(jìn)行酯化，改變了膠原蛋白的側(cè)鏈基團(tuán)，形成了立體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使粘結(jié)劑的粘結(jié)能力得以提高，制成了新的膠原粘結(jié)劑，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1.3 接枝共聚物改性

接枝共聚物是在高分子聚合物主干或主鏈下，將單體進(jìn)行自由基聚合、離子加成聚合或開環(huán)聚合所得到的新的聚合物。對膠原蛋白的聚合物改性目前主要集中在烯類單體的接枝共聚改性，烯類接枝共聚改性的單體包括丙烯酸甲酯、甲基丙酸甲酯、丙烯酸丁酯以及丙烯腈等，所用的引發(fā)劑有過硫酸鉀、過硫酸銨、偶氮二異丁腈-異丙醇-水體系、鈰離子等引發(fā)體系。郝曉麗等[21]以膠原蛋白為基材，丙烯酸甲酯和乙酸乙烯酯為接枝單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，采用乳液聚合法對膠原蛋白進(jìn)行改性制備施膠劑。采用紅外光譜儀和激光粒度儀對產(chǎn)物進(jìn)行表征，結(jié)果表明：膠原蛋白與乙烯基單體之間發(fā)生了接枝反應(yīng)，得到的施膠劑乳液平均粒徑為0.117 μm，分布均勻；將該產(chǎn)物應(yīng)用于紙張表面施膠后，與未施膠紙張相比，抗拉伸強(qiáng)度是原紙的3.0倍，抗撕裂強(qiáng)度是原紙的1.9倍，且耐水性能得到改善。陳永芳等[22]在膠原蛋白基團(tuán)上接枝丙烯酸單體制得的膠原類皮革涂飾劑具有優(yōu)良的耐熨燙性、耐擦洗和耐折裂性，可以滿足皮革涂飾的要求。膠原蛋白的接枝改性可以在保持膠原蛋白原有特性的基礎(chǔ)上使膠原蛋白具有接枝組分的新性質(zhì)。

1.2 物理改性法

物理改性法在不添加化學(xué)試劑的條件下，通過物理手段改善膠原蛋白性能，改性后的膠原蛋白可被廣泛應(yīng)用于生物體，在生物醫(yī)學(xué)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。目前常見的物理改性方法主要有紫外線照射、重度脫水、γ射線處理等方法。

Chan[23]和Koide T等[24]對膠原蛋白進(jìn)行紫外照射，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紫外照射后的膠原蛋白-水結(jié)合能力、拉伸強(qiáng)度、黏度和熱穩(wěn)定性等理化性能明顯提高。此外，重度脫水也是膠原蛋白物理改性中常使用的方法，該法通過脫水使膠原蛋白交聯(lián)，以提高變性溫度，改善膠原的物理性能。重度脫水縮短了膠原蛋白活性基團(tuán)之間的距離，使膠原蛋白分子之間發(fā)生交聯(lián)，提高膠原蛋白的變性溫度，降低游離氨基酸含量，從而提高膠原蛋白的機(jī)械強(qiáng)度。Scotchford等[25]使用重度脫水法交聯(lián)的膠原膜做底物培養(yǎng)成骨細(xì)胞，結(jié)果表明交聯(lián)后的膠原膜水溶性低，對成骨細(xì)胞無細(xì)胞毒性，與成骨細(xì)胞的生物相容性得到改善。常用于醫(yī)療物品和輻射滅菌和食品處理的γ射線也可用于膠原蛋白的改性，適當(dāng)劑量γ射線處理可以增強(qiáng)膠原材料的力學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性[26]。但是γ射線處理會有輻照劑量不均一和不穩(wěn)定的缺點，導(dǎo)致最終材料的交聯(lián)不穩(wěn)定和不均一[27]。

物理方法改性膠原蛋白的優(yōu)點是可避免外源物質(zhì)進(jìn)入膠原蛋白內(nèi)，缺點是膠原交聯(lián)度低，且難以獲得均勻一致的交聯(lián)，因此目前物理改性方法一般作為改性的輔助方法使用。

1.3 高分子材料共混改性法

除物理和化學(xué)改性外，膠原蛋白還能通過與其他高分子材料共混進(jìn)行改性。共混改性基本可分為兩大類：一類是物理共混改性，包括溶液共混、機(jī)械共混、乳液共混；另一類是化學(xué)共混，高分子材料與蛋白質(zhì)分子形成靜電相互作用和/或氫鍵的聚合物與膠原蛋白共混，改善其可紡性。常見與膠原蛋白共混的高分子材料主要分為合成高分子材料和天然高分子材料兩大類。

1.3.1 合成高分子材料

與膠原蛋白共混常用的合成高分子材料有聚氨酯類、聚酰胺類等，隨著對膠原蛋白研究的深入和對膠原材料的健康和環(huán)保要求，選用可生物降解的聚乳酸、聚乙烯醇等與膠原蛋白進(jìn)行共混，作為制備可吸收的縫合線、組織工程支架等的材料。

Jose等[28]通過靜電紡絲技術(shù)將聚乙丙交酯與膠原共混，形成均勻的納米纖維共混物并應(yīng)用于骨組織工程材料，形態(tài)特征表明，加入膠原后的聚乙丙交酯的直徑變小并且分布變窄；DSC-Tg結(jié)果顯示：在靜電紡絲過程中，膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)并未遭到破壞，且膠原的加入增加了支架的親水性，可用于制作骨組織支架。唐屹等[29]使用可溶性聚乙烯醇和膠原蛋白制備共混復(fù)合纖維，其表面具有與天然纖維相似的褶皺與凹槽，而且最大斷裂度和纖維彈性模量有著明顯提高，顏色上染率可達(dá)95%以上。

合成高分子材料與膠原蛋白共混制備復(fù)合材料應(yīng)用廣泛，但在使用中存在一些問題：與不可降解的聚氨酯等材料制得的新材料因為不能被機(jī)體吸收，只能用于體外；可降解的聚酯、聚谷氨酸等材料生物性能優(yōu)良，但如果分子量較小，則聚合物強(qiáng)度不足，而分子量較大則不溶于水，而且如果溶解時易降解，也會影響材料的機(jī)械性能，并影響附近組織pH值，易造成組織內(nèi)的無菌炎癥。

1.3.2 天然高分子材料

天然高分子材料具有優(yōu)良的生物相容性與可降解性等性質(zhì)，天然高分子材料中具有代表性的是天然蛋白質(zhì)和天然多糖，研究中常用的天然多糖主要有淀粉、殼聚糖、海藻酸和羧甲基纖維素等，以及天然蛋白質(zhì)有蠶絲蛋白、大豆分離蛋白等。

王碧等[30]利用海藻酸和羧甲基纖維素共混改性膠原蛋白制備新型生物材料，實驗后證明共混膜中膠原蛋白、海藻酸鈉和羧甲基纖維素之間具有較強(qiáng)的相互作用和優(yōu)良的相容性，Ca2+交聯(lián)、氫鍵以及靜電引力等強(qiáng)烈相互作用使材料具有均勻致密的截面形貌、較高的透光率、更優(yōu)良的力學(xué)性能和柔韌性，同時具有較高熱穩(wěn)定性，有望作為一種新型材料在食品醫(yī)藥等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。裴瑩等[31]依據(jù)天然資源各自的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從改性方法和機(jī)理出發(fā)，闡述了膠原及明膠與其他天然高分子(殼聚糖、淀粉、絲素蛋白、海藻酸鈉)進(jìn)行共混和復(fù)合以制備新的生物復(fù)合材料方面的研究。

天然高分子材料與機(jī)體之間具有優(yōu)良的相容性，膠原蛋白通過與不同高分子材料進(jìn)行共混，可以相互補(bǔ)充，是目前生物材料的主要研究熱點。

2 改性膠原蛋白的應(yīng)用

2.1 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

膠原蛋白作為天然的組織支架，是一種重要的生物醫(yī)學(xué)材料。具有優(yōu)良的生物活性、低抗原性和生物相容性，能以不同形態(tài)參與人體組織的增殖、分化、遷移，同時膠原蛋白在生物體內(nèi)易吸收、強(qiáng)度高、親水性強(qiáng)、無毒，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛。

2.1.1 醫(yī)用敷料

膠原蛋白作為天然生物材料，具有高親水性、優(yōu)良的生物相容性和可降解性，因此利用改性膠原蛋白開發(fā)制作的醫(yī)用敷料常用于治療燒傷、燙傷、止血等。改性膠原蛋白敷料能在使用過程中防止創(chuàng)面水分和熱量損失，暫時作為機(jī)體的生物屏障，與外界隔離避免刺激，從而加速創(chuàng)面愈合。目前比較常見的改性膠原敷料主要包括膠原海綿、水凝膠、膠原貼劑等。

膠原海綿在醫(yī)用輔料中的研究和應(yīng)用與其理化特性密不可分：膠原海綿的多孔性結(jié)構(gòu)保證了優(yōu)良的透氣性；膠原蛋白能刺激凝血因子，促進(jìn)凝血，可用于體內(nèi)止血；膠原蛋白是成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等細(xì)胞促生長因子的生長基質(zhì)，有利于損傷組織細(xì)胞增殖。張自強(qiáng)等[32]對兩種膠原蛋白海綿進(jìn)行鼠靜脈止血與生物相容性實驗，證明膠原海綿對靜脈出血的止血效果明顯，能夠促進(jìn)靜脈創(chuàng)口的愈合，在大鼠體內(nèi)28 d可完全降解，組織相容性優(yōu)良。靳少鋒等[33]使用膠原、透明質(zhì)酸和氯化鈣為原料，以碳化二酰亞胺為交聯(lián)劑，制備復(fù)合膠原海綿止血材料，并測試了止血效果和生物相容性，結(jié)果證明復(fù)合材料呈多孔的海綿狀，有利于血液的吸收與凝結(jié)，細(xì)胞毒性反應(yīng)為Ⅰ級，具有良好的生物相容性，是一種優(yōu)良的止血材料。

與干燥狀態(tài)的膠原海綿不同，膠原水凝膠富含大量水分，具有三維立體結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)良的敷料形式和藥物載體。明膠和膠原蛋白制備的水凝膠目前已被應(yīng)用于多個方面。魏志君等[34]將魚膠原蛋白和透明質(zhì)酸進(jìn)行交聯(lián)制備水凝膠，用于培育人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞生長狀況穩(wěn)定，是優(yōu)良的組織和器官的培育基礎(chǔ)材料，可用于組織修復(fù)。

此外還有膠原蛋白貼劑類敷料，多為膜狀，主要用作體外的真皮替代和燒傷、燙傷的敷料。Wang等[35]對膠原蛋白進(jìn)行甲基化修飾和交聯(lián)后，改善了膠原貼片的理化性質(zhì)，并通過大鼠進(jìn)行了生物相容性的研究，證明改性后的膠原貼片在無生長因子的作用下，可以與組織進(jìn)行融合，表明改性后的膠原貼片可應(yīng)用于醫(yī)用輔料。

膠原敷料還可以搭載不同類型藥物，制備成具有不同特性如抗菌、抗炎、抗敏等的敷料。目前常見的形式有載藥海綿、載藥水凝膠、載藥微球等。覃鳳均等[36]用膠原蛋白海綿搭載磺胺嘧啶制成抗菌海綿并與純膠原海綿同時進(jìn)行臨床實驗，證明純膠原海綿本身具有抗菌作用，同時能吸收大量滲出液，保持傷口濕潤環(huán)境，從而促進(jìn)愈合。此外，載藥膠原載體除海綿狀外，還可以制成膜狀。Jana等[37]利用瓜爾膠和魚鱗膠原蛋白膜搭載頭孢他啶藥物，經(jīng)體外細(xì)胞實驗證明載藥膠原膜具有生物相容性以及抗金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的作用。隨著對藥物釋放的要求，具有緩釋作用的微球正成為當(dāng)前研究的熱點。尚學(xué)峰等[38]采用乳化交聯(lián)法制備膠原蛋白-殼聚糖-納米SiO2的復(fù)合微球，并測定不同條件下對于鹽酸小檗堿(黃連素)和維生素D載藥率的影響，結(jié)果證明該微球呈均勻的圓球狀，粒徑在600～1 200 nm之間，載藥率最高可達(dá)35%，并且具有一定的緩釋效果。

2.1.2 組織工程材料

膠原蛋白的束狀四級結(jié)構(gòu)，使膠原蛋白不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，還在使用時為細(xì)胞繁殖和組織修復(fù)提供空間，所以改性膠原蛋白在組織工程中的應(yīng)用是膠原蛋白的又一研究重點。用于組織工程的材料不僅需要優(yōu)良的生物相容性、生物可降解性和機(jī)械穩(wěn)定性，還要能提供用于誘導(dǎo)組織細(xì)胞形成和聚集的適當(dāng)信號，膠原蛋白作為理想的組織工程材料，可以支持多種類型的結(jié)締組織，如皮膚、血管、韌帶、骨和軟骨等。膠原蛋白是人體組織的重要成分，在人體組織器官修復(fù)上有著重要的地位，是一種理想的高分子生物醫(yī)學(xué)材料。膠原蛋白在經(jīng)過適當(dāng)改性后植入細(xì)胞或生長因子，可作為人工組織器官或支架等組織工程類產(chǎn)品。

現(xiàn)在已有報道的改性膠原類組織工程材料有膠原蛋白線[39]、組織填充物[40]、人工組織器官[41]等。膠原蛋白制備的組織工程材料無毒無害、免疫原性低，能夠避免發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。外科手術(shù)中常使用的普通絲線會使皮膚表面產(chǎn)生癩痕，拆線時會給患者帶來痛苦。但是膠原蛋白線具有一定強(qiáng)度，在體內(nèi)可被人體降解吸收，體外可處理脫落，不會產(chǎn)生癩痕。崔碩等[42]和徐海洋等[43]對人體皮膚傷口和口腔種植切口進(jìn)行縫合，最終觀察證明膠原蛋白線可在7～15 d時脫落，傷口愈合情況良好，減少疤痕和并發(fā)癥的產(chǎn)生。膠原材料除制成膠原線用于組織的傷口縫合外，還可以植入人體內(nèi)部，用作機(jī)體組織缺損時的填充材料。姚暉等[44]和馮慶玲等[45]用羥基磷灰石與膠原蛋白制備仿生骨材料并通過植入兔的顱骨與股骨缺損處進(jìn)行動物實驗，證明新型仿生骨具有優(yōu)良的生物相容性，能夠在逐漸降解的同時加快新骨的沉積，促進(jìn)骨組織創(chuàng)傷的愈合，是一種新型的骨缺損修復(fù)材料。膠原類組織工程材料不僅可以暫時用作組織修復(fù)材料，而且可以搭載生長因子、培植組織細(xì)胞，用作人工組織器官的培植基體。孫秀娟等[46]使用膠原蛋白和透明質(zhì)酸通過京尼平進(jìn)行交聯(lián)，制備了血管支架，并通過細(xì)胞毒性實驗、細(xì)胞種植和植入實驗對血管支架的性能進(jìn)行測定，實驗證明該血管支架材料細(xì)胞毒性為Ⅰ級，具有優(yōu)良的細(xì)胞黏附和增殖能力，植入皮下后可在5個禮拜后降解，在組織工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。趙東鍔等[47]使用膠原蛋白-殼聚糖膜為支架體外構(gòu)建心臟瓣膜，經(jīng)多次接種犬主動脈壁間質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞后，材料表面完全被細(xì)胞覆蓋，內(nèi)皮細(xì)胞在支架表面不僅可以黏附生長，還能分泌血管活性物質(zhì)，是一種具有生理功能的心臟瓣膜雛形。隨著醫(yī)學(xué)與材料學(xué)的不斷發(fā)展，膠原蛋白在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。

2.2 在食品中的應(yīng)用

膠原蛋白在食品中多用于制成包裝材料。膠原蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的韌度與強(qiáng)度，而且氨基酸組成使其具有優(yōu)良的成膜能力，因此改性膠原蛋白常用于制備可食用膜，用作腸衣、魚或肉等食品的保鮮與包裝材料。

改性膠原蛋白制備的可食膜與純膠原膜相比具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高、阻濕性高、耐水性強(qiáng)等特點。秦溪[48]利用膠原蛋白共混聚乙烯醇再經(jīng)戊二醛噴霧制備的膠原蛋白腸衣的抗張強(qiáng)度達(dá)到36.48 MPa，斷裂伸長率為3.07%，透光率為69.83%，與商業(yè)腸衣相比無顯著差異；改性處理后，膠原纖維相互連接，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，耐熱抗水能力都有很大提高。改性膠原蛋白除用于腸衣等的包裝材料外，還可以用于制備具有保鮮功能的復(fù)合膜。于林等[49]使用茶多酚和殼聚糖改性膠原蛋白制備復(fù)合膜，探究復(fù)合膜對于冷藏石斑魚保鮮效果的影響，實驗證明：茶多酚和殼聚糖改性的膠原復(fù)合膜可在冷藏條件下減緩魚肉肌動球蛋白變性和巰基含量降低，阻礙Ca2+-ATPase活性下降，TVB-N值等理化指標(biāo)變化，抑制細(xì)菌生長，說明該復(fù)合膜可在冷藏條件下有效阻止石斑魚腐敗變質(zhì)，具有明顯保鮮效果，其可作為替代塑料的新型包裝材料。

2.3 在其他工業(yè)中的應(yīng)用

改性膠原蛋白在紙張施膠、粘結(jié)劑、皮革鞣制等工業(yè)中亦有廣泛應(yīng)用。施膠作為紙張和紙板制作過程中必不可少的工序，可有效提高紙張的抗水性、抗張強(qiáng)度等性能。目前使用中的施膠劑多為烷基烯酮二聚體(AKD)、烯基琥珀酸酐(ASA)、苯乙烯丙烯酸丁酯共聚物等石油化工類產(chǎn)品，但其資源緊缺，價格昂貴，且對身體有害；而改性膠原蛋白作為紙張施膠劑，資源豐富，價格低廉，且對環(huán)境與人體無害。王學(xué)川等[50]以過硫酸銨為引發(fā)劑，使用馬來酸酐-膠原蛋白與苯乙烯、丙烯酸乙酯單體進(jìn)行接枝共聚合反應(yīng)，合成一種新型造紙表面施膠劑，實驗證明用新型施膠劑制作而成的紙張的抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)與抗水性能較原紙張皆有一定程度的提升，施膠后紙張性能優(yōu)于工廠用化學(xué)施膠劑的施膠效果，其是紙張施膠劑的優(yōu)良替代品。

動物膠原蛋白粘結(jié)劑是天然高分子粘結(jié)劑，無毒無害可降解，是傳統(tǒng)化學(xué)粘結(jié)劑的優(yōu)良替代品。王培霖等[51]用戊二醛對骨膠進(jìn)行改性條件探究，結(jié)果表明醛膠比為0.2∶100、時間60 min、溫度30℃為反應(yīng)最佳條件，改性后的粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度、黏度、熱穩(wěn)定性最佳，這是因為改性后分子間凝膠趨勢降低，交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使膠粘性能得以提高。蘇秀霞等[52]將戊二醛和鹽酸檸檬酸的混合酸用于膠原蛋白粘結(jié)劑的改性，制備的膠原粘結(jié)劑表面光滑無裂紋，耐水性能得到顯著提高，是優(yōu)良的膠原蛋白粘結(jié)劑。

改性膠原蛋白在皮革工業(yè)中也有極其廣泛的應(yīng)用。改性膠原蛋白可用作皮革填充劑，使皮革手感更加舒適自然，用于皮革鞣制可保持皮革真皮感，發(fā)揮皮革可以透水汽的衛(wèi)生性能。盧加洪等[53]用環(huán)氧樹脂與水解膠原蛋白交聯(lián)制備皮革復(fù)鞣劑，用于皮革的復(fù)鞣填充吸收率可達(dá)90%以上，對皮革的填充作用能明顯有效減少皮革的部位差，保證皮革質(zhì)量。賈鵬翔等[54]用馬來酸酐和丙烯酸通過過硫酸銨為引發(fā)劑，與膠原蛋白接枝改性制備復(fù)鞣劑，用于皮革的鞣制，并與商業(yè)化復(fù)鞣劑進(jìn)行對比，結(jié)果證明經(jīng)改性后的鞣革劑處理的皮革的粒面性能、豐滿度、彈性及填充性更佳，皮革收縮溫度提高6℃，透氣性能提高20%，在作為鞣革劑方面具有應(yīng)用潛力。

改性膠原蛋白制備的施膠劑、粘結(jié)劑、鞣革劑與傳統(tǒng)施膠劑、粘結(jié)劑、鞣革劑相比，可以減少生產(chǎn)中化學(xué)試劑的使用以及使用時對機(jī)體帶來的危害和對環(huán)境的污染。隨著對改性膠原蛋白研究的深入和材料學(xué)的發(fā)展，改性膠原蛋白的應(yīng)用也將逐步進(jìn)入生產(chǎn)生活的各個方面。

3 結(jié)語

膠原蛋白因優(yōu)良的生物學(xué)特性而受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注。膠原蛋白的改性擴(kuò)大了膠原的應(yīng)用范圍。不同的改性方法有不同的優(yōu)缺點，根據(jù)需求選擇不同的改性方式，是擴(kuò)大膠原利用范圍的重要方法。安全、環(huán)保、可控的改性方法正在逐步取代傳統(tǒng)方法成為膠原蛋白改性的新熱點。隨著膠原蛋白改性方法研究的深入，其在食品、醫(yī)學(xué)、化工和環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用將更加廣泛。