膠原蛋白生物材料的改性方法(膠原蛋白怎么與合成高分子共混)

1.膠原蛋白怎么與合成高分子共混

已見報道的與膠原共混的合成高分子有不可生物降解的聚甲基烯酸酯及丁烯酸酯、聚氨酯、聚酰胺和可生物降解的聚乙烯醇、聚乳酸、聚谷氨酸、聚乙醇酸等，20世紀(jì)80~90年代初最有代表性的是聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA）和聚乙烯醇與膠原共混，其報道集中于復(fù)合方法、復(fù)合機理、理化及生物學(xué)性能、材料表面和整體結(jié)構(gòu)、表面修飾的方法和機理以及水凝膠的溶脹擴散等，尤其是水凝膠制備、作軟組織替代、藥物緩釋等。

后來利用可生物降解的聚乳酸、聚乙醇酸、聚酸酐、聚谷氨酸、聚亞乙基四乙酸等與膠原共混改性制備可吸收外科縫線、組織工程支架材料（如組織引導(dǎo)再生材料）的相關(guān)研究相對增多。 不過合成高分子與膠原蛋白共混復(fù)合一些問題，如尼龍等不降解高分子材料不能進(jìn)行生理代謝，與膠原蛋白復(fù)合后只能用做皮膚的外層敷料不能永久代替皮膚，而聚谷氨酸等可生物降解材料，如果相對分子質(zhì)量小則強度不夠，相對分子質(zhì)量大難溶于水，溶解時還出現(xiàn)降解，影響材料的機械強度。

2.膠原蛋白的生物學(xué)性狀

膠原作為醫(yī)用生物材料，最重要的特點在于其低免疫原性，與其它具有免疫原性的蛋白質(zhì)相比，膠原蛋白的免疫原性非常低。

人們甚至曾認(rèn)為膠原不具有抗原性，研究表明：膠原具有低免疫原性，不含端肽時免疫原性尤其低。膠原有三種類型的抗原分子，第一類是膠原肽鏈非螺旋的端肽，在天然和變性膠原中均存在。

由于2個不同種類的哺乳動物中間的膠原蛋白，其整個氨基酸序列變化不是很大，而且膠原蛋白的三螺旋區(qū)域有高度的進(jìn)化穩(wěn)定性，但在非螺旋的末端區(qū)域中有很大的變化性，在這區(qū)域中幾乎50%以上的氨基酸殘基表現(xiàn)出種屬性變化，大量的研究和生產(chǎn)都集中在如何完全去除端肽，只要去除端肽就認(rèn)為是安全的。第二類是膠原的三股螺旋的構(gòu)象，僅存在于天然膠原分子中，即位于天然膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)中的抗原決定簇，會在分離和純化過程中暴露出來，尤其是含α1和α2單鏈暴露出的中央端情況下更為明顯。

第三類是α-鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序，只出現(xiàn)在變性膠原中。 免疫學(xué)分析和研究結(jié)果表明，使用膠原加完全弗氏佐劑，能對膠原產(chǎn)生多克隆和單克隆抗體。

由T細(xì)胞啟動的對膠原蛋白免疫反應(yīng)的證據(jù)是，位于重要組織相容性（H-2）部位上ⅠA或ⅠB亞區(qū)的免疫反應(yīng)基因已被鑒定。膠原蛋白免疫原性的臨床評價通常是皮膚過敏性測試（細(xì)胞免疫指數(shù)，遲發(fā)性Ⅳ型反應(yīng)）和由反應(yīng)型抗體的存在（體液免疫指數(shù)）來確定的。

實踐證明，在患者身上進(jìn)行這兩種評價是合理的。在治療前，用過敏劑量的植入性膠原對患者進(jìn)行皮試，大約3%有潛在的反應(yīng)，反復(fù)多次處理的患者，大約1%~2%會產(chǎn)生遲發(fā)性過敏性的臨床病狀，典型的癥狀包括局部水腫和紅斑反應(yīng)，有的還伴有硬化和瘙癢，持續(xù)時間4~6個月，個別甚至可達(dá)1年以上。

膠原蛋白是肌體自然蛋白，對皮膚表面的蛋白質(zhì)分子具有較大的親和力、較弱的抗原性、良好的生物相容性和生物降解安全性，可降解吸收，粘著力好。由膠原制成的手術(shù)縫合線既有與天然絲一樣的高強度，又有可吸收性，在使用時既有優(yōu)良的血小板凝聚性能，止血效果好，又有較好的平滑性和彈性，縫合結(jié)頭不易松散，操作過程中不易損傷機體組織，對創(chuàng)面有很好的黏附性，一般情況下只需較短時間的壓迫就可達(dá)到滿意的止血效果。

所以膠原蛋白可以制成粉狀、扁狀及海綿狀的止血劑。同時用合成材料或膠原蛋白在血漿代用品、人造皮膚、人工血管、骨的修復(fù)和人工骨和固定化酶的載體等方面的研究和應(yīng)用方面都十分的廣泛。

膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應(yīng)基團，如羥基、羧基和氨基等，易于吸收和結(jié)合多種酶和細(xì)胞，實現(xiàn)固定化，它具有與酶和細(xì)胞親合性好、適應(yīng)性強的特點。另外，膠原易加工成型，故純化的膠原蛋白可制成許多不同形式的材料，如膜，帶，薄片，海綿，珠體等，但以膜形式應(yīng)用的報道最多。

膠原制備膜用于生物醫(yī)學(xué)，除具有生物可降解性、組織可吸收性、生物相容性、弱抗原性外，還主要有：親水性強，抗張強度高，具有類似真皮的形態(tài)結(jié)構(gòu)，透水透氣性好；高抗張強度和低延展性決定的生物塑性；官能團多，可進(jìn)行適度交聯(lián)改性，從而可控制其生物降解速度；可調(diào)節(jié)溶解（溶脹）性；與其它生物活性組分一起使用，具有協(xié)同效應(yīng)；可與藥物相互作用；交聯(lián)或酶處理去端肽可使抗原性降低，可隔離微生物，有生理活性，如有血凝作用等優(yōu)點。同時也存在以下缺點：膠原的分離純化及加工處理復(fù)雜，分離的膠原交聯(lián)密度、纖維大小等具有多樣性。

酶解膠原速度多變，條件難于控制；且純膠原干燥后質(zhì)地脆，成膜能力并不強，其膜延展性低，易干裂，抗水性差，遇水易溶脹，在體內(nèi)易降解，潮濕環(huán)境中易受細(xì)菌侵蝕而變質(zhì)，此外還可能導(dǎo)致一些副反應(yīng)，如組織鈣化等。故實際應(yīng)用中，常常通過一定方法將膠原蛋白改性，通過改性避免膠原蛋白制備材料的缺點，提高膠原的拉伸強度及抗降解能力，降低膨脹率，改善膠原的力學(xué)性能與抗水性。

臨床應(yīng)用形式有水溶液、凝膠、顆粒劑、海綿和薄膜等。同樣這些形狀都可用于藥物緩釋，已獲準(zhǔn)上市和正在研發(fā)的膠原蛋白藥物緩釋應(yīng)用大都集中在眼科中抗感染和青光眼治療，創(chuàng)傷中的局部治療及傷口修復(fù)的控制感染，婦科的宮頸發(fā)育異常和外科的局部麻醉等。

由于膠原蛋白廣布于人體各組織中，系各組織中的重要成分并構(gòu)成組織細(xì)胞外基質(zhì)（Extracelluarmatrix,ECM），其性質(zhì)是一種天然的組織支架材料。從臨床應(yīng)用的角度，人們用膠原蛋白制成各種各樣的組織工程支架，如皮膚、骨組織、氣管和血管支架等。

然而以膠原本身而言就有兩大類，即純膠原制備的支架和與其它成分復(fù)合而成的復(fù)合物支架。純膠原蛋白組織工程支架具有生物相容性好、易加工、可塑性并能促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖等優(yōu)點，但也有膠原蛋白的力學(xué)性能差，在含水時難以塑形，無法支撐組織重建等不足。

其次在修復(fù)處的新生組織會產(chǎn)生各種各樣的酶，將膠原蛋白水解，導(dǎo)致支架崩解，而采用交聯(lián)或復(fù)合的方式能改善與提高?，F(xiàn)已成功地將膠原蛋白基生物材料用于人工皮膚、人工骨、軟骨移植和神經(jīng)導(dǎo)管等組織工程產(chǎn)品。

有人用嵌入軟骨細(xì)胞的膠原蛋白凝膠來修復(fù)軟骨缺陷并嘗試用上皮、內(nèi)皮和角。

3.膠原蛋白的生物學(xué)性狀

膠原作為醫(yī)用生物材料，最重要的特點在于其低免疫原性，與其它具有免疫原性的蛋白質(zhì)相比，膠原蛋白的免疫原性非常低。

人們甚至曾認(rèn)為膠原不具有抗原性，研究表明：膠原具有低免疫原性，不含端肽時免疫原性尤其低。膠原有三種類型的抗原分子，第一類是膠原肽鏈非螺旋的端肽，在天然和變性膠原中均存在。

由于2個不同種類的哺乳動物中間的膠原蛋白，其整個氨基酸序列變化不是很大，而且膠原蛋白的三螺旋區(qū)域有高度的進(jìn)化穩(wěn)定性，但在非螺旋的末端區(qū)域中有很大的變化性，在這區(qū)域中幾乎50%以上的氨基酸殘基表現(xiàn)出種屬性變化，大量的研究和生產(chǎn)都集中在如何完全去除端肽，只要去除端肽就認(rèn)為是安全的。第二類是膠原的三股螺旋的構(gòu)象，僅存在于天然膠原分子中，即位于天然膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)中的抗原決定簇，會在分離和純化過程中暴露出來，尤其是含α1和α2單鏈暴露出的中央端情況下更為明顯。

第三類是α-鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序，只出現(xiàn)在變性膠原中。 免疫學(xué)分析和研究結(jié)果表明，使用膠原加完全弗氏佐劑，能對膠原產(chǎn)生多克隆和單克隆抗體。

由T細(xì)胞啟動的對膠原蛋白免疫反應(yīng)的證據(jù)是，位于重要組織相容性（H-2）部位上ⅠA或ⅠB亞區(qū)的免疫反應(yīng)基因已被鑒定。膠原蛋白免疫原性的臨床評價通常是皮膚過敏性測試（細(xì)胞免疫指數(shù)，遲發(fā)性Ⅳ型反應(yīng)）和由反應(yīng)型抗體的存在（體液免疫指數(shù)）來確定的。

實踐證明，在患者身上進(jìn)行這兩種評價是合理的。在治療前，用過敏劑量的植入性膠原對患者進(jìn)行皮試，大約3%有潛在的反應(yīng)，反復(fù)多次處理的患者，大約1%~2%會產(chǎn)生遲發(fā)性過敏性的臨床病狀，典型的癥狀包括局部水腫和紅斑反應(yīng)，有的還伴有硬化和瘙癢，持續(xù)時間4~6個月，個別甚至可達(dá)1年以上。

膠原蛋白是肌體自然蛋白，對皮膚表面的蛋白質(zhì)分子具有較大的親和力、較弱的抗原性、良好的生物相容性和生物降解安全性，可降解吸收，粘著力好。由膠原制成的手術(shù)縫合線既有與天然絲一樣的高強度，又有可吸收性，在使用時既有優(yōu)良的血小板凝聚性能，止血效果好，又有較好的平滑性和彈性，縫合結(jié)頭不易松散，操作過程中不易損傷機體組織，對創(chuàng)面有很好的黏附性，一般情況下只需較短時間的壓迫就可達(dá)到滿意的止血效果。

所以膠原蛋白可以制成粉狀、扁狀及海綿狀的止血劑。同時用合成材料或膠原蛋白在血漿代用品、人造皮膚、人工血管、骨的修復(fù)和人工骨和固定化酶的載體等方面的研究和應(yīng)用方面都十分的廣泛。

膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應(yīng)基團，如羥基、羧基和氨基等，易于吸收和結(jié)合多種酶和細(xì)胞，實現(xiàn)固定化，它具有與酶和細(xì)胞親合性好、適應(yīng)性強的特點。另外，膠原易加工成型，故純化的膠原蛋白可制成許多不同形式的材料，如膜，帶，薄片，海綿，珠體等，但以膜形式應(yīng)用的報道最多。

膠原制備膜用于生物醫(yī)學(xué)，除具有生物可降解性、組織可吸收性、生物相容性、弱抗原性外，還主要有：親水性強，抗張強度高，具有類似真皮的形態(tài)結(jié)構(gòu)，透水透氣性好；高抗張強度和低延展性決定的生物塑性；官能團多，可進(jìn)行適度交聯(lián)改性，從而可控制其生物降解速度；可調(diào)節(jié)溶解（溶脹）性；與其它生物活性組分一起使用，具有協(xié)同效應(yīng)；可與藥物相互作用；交聯(lián)或酶處理去端肽可使抗原性降低，可隔離微生物，有生理活性，如有血凝作用等優(yōu)點。同時也存在以下缺點：膠原的分離純化及加工處理復(fù)雜，分離的膠原交聯(lián)密度、纖維大小等具有多樣性。

酶解膠原速度多變，條件難于控制；且純膠原干燥后質(zhì)地脆，成膜能力并不強，其膜延展性低，易干裂，抗水性差，遇水易溶脹，在體內(nèi)易降解，潮濕環(huán)境中易受細(xì)菌侵蝕而變質(zhì)，此外還可能導(dǎo)致一些副反應(yīng)，如組織鈣化等。故實際應(yīng)用中，常常通過一定方法將膠原蛋白改性，通過改性避免膠原蛋白制備材料的缺點，提高膠原的拉伸強度及抗降解能力，降低膨脹率，改善膠原的力學(xué)性能與抗水性。

臨床應(yīng)用形式有水溶液、凝膠、顆粒劑、海綿和薄膜等。同樣這些形狀都可用于藥物緩釋，已獲準(zhǔn)上市和正在研發(fā)的膠原蛋白藥物緩釋應(yīng)用大都集中在眼科中抗感染和青光眼治療，創(chuàng)傷中的局部治療及傷口修復(fù)的控制感染，婦科的宮頸發(fā)育異常和外科的局部麻醉等。

由于膠原蛋白廣布于人體各組織中，系各組織中的重要成分并構(gòu)成組織細(xì)胞外基質(zhì)（Extracelluarmatrix,ECM），其性質(zhì)是一種天然的組織支架材料。從臨床應(yīng)用的角度，人們用膠原蛋白制成各種各樣的組織工程支架，如皮膚、骨組織、氣管和血管支架等。

然而以膠原本身而言就有兩大類，即純膠原制備的支架和與其它成分復(fù)合而成的復(fù)合物支架。純膠原蛋白組織工程支架具有生物相容性好、易加工、可塑性并能促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖等優(yōu)點，但也有膠原蛋白的力學(xué)性能差，在含水時難以塑形，無法支撐組織重建等不足。

其次在修復(fù)處的新生組織會產(chǎn)生各種各樣的酶，將膠原蛋白水解，導(dǎo)致支架崩解，而采用交聯(lián)或復(fù)合的方式能改善與提高?，F(xiàn)已成功地將膠原蛋白基生物材料用于人工皮膚、人工骨、軟骨移植和神經(jīng)導(dǎo)管等組織工程產(chǎn)品。

有人用嵌入軟骨細(xì)胞的膠原蛋白凝膠來修復(fù)軟骨缺陷并嘗試用上皮、內(nèi)皮和角。

4.膠原蛋白有什么特殊性質(zhì)和生物功能嗎

膠原蛋白具有很多特殊性質(zhì)，所以能發(fā)揮多種生物功能。我主要說說整形美容方面的應(yīng)用。 美容醫(yī)學(xué)：臉部皮膚組織的修補，如：皺紋的消除及凹洞的填補。

整容造型：鼻形改造、豐頰、下巴重建、眼袋消除、唇形美化、耳垂加大。

膠原蛋白由動物組織中抽出并純化之后，可制成各種不同形式產(chǎn)品用在生物醫(yī)學(xué)方面。

注射用溶液：適用于填補缺損的柔軟組織，如小針美容、修補皮膚凹洞以及皺紋等。

目前許多醫(yī)學(xué)研究單位，正嘗試將膠原蛋白做成各種不同用途的臨床實驗，如用處理過含用豐富膠原蛋白的生豬皮，覆蓋在燒、燙傷病患的傷口上；利用提煉出來的膠原蛋白，促進(jìn)移入表皮細(xì)胞與生長能力，大幅縮短傷口愈合的時間，提高燒燙傷病患的存活能力。由于膠原蛋白具有保護、支持人體組織與骨骼張力強度以及具有粘性、彈性等特性，所以可作為生醫(yī)材料，用在骨科、整形外科、皮膚科、心臟血管外科、神經(jīng)外科、牙科及眼科等，在臨床應(yīng)用的前景看好。