琚海燕，但衛(wèi)華，劉秀英

（1. 武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430200；2. 四川大學 制革清潔技術國家工程實驗室，四川 成都 610065）

天然I型膠原生物膜材料的最新研究進展

琚海燕1，但衛(wèi)華2，劉秀英1

（1. 武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430200；2. 四川大學 制革清潔技術國家工程實驗室，四川 成都 610065）

天然I型膠原具有極低的免疫原性、優(yōu)良的生物學性能及可再生特性，可與眾多天然或合成高分子進行物理化學改性，開發(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。本文重點闡述天然I型膠原的結構模型、生物學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；結構模型；生物膜；組織工程

自然界動物體中約有 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、止血性和誘導細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、應用最廣的動物生物質資源，在生物醫(yī)用、整形美容、食品保健及組織工程領域中具有巨大的開發(fā)前景[3]。

實際應用中，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，國內外專家學者對I型膠原的研究已做了大量的工作，已開發(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、止血劑等生物醫(yī)用產品[4-6]。其中，天然I型膠原膜的研發(fā)已占據了I型膠原生物醫(yī)用產品的半邊天，主要應用于創(chuàng)傷修復[7,8]、口腔修復[9]、美容矯形[10]、組織工程支架[11]及功能止血[12]等生物醫(yī)用領域，市場開發(fā)潛力巨大，其高效轉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用出發(fā)，介紹天然I型膠原的結構模型、生物學特性及其膜材料的最新研究現(xiàn)狀，并對其未來的發(fā)展提出新的展望。

1　天然I型膠原的結構

圖1　I型膠原機體內生物合成示意圖

天然I型膠原作為一類重要的結構蛋白，約占機體總蛋白質含量的30%以上，賦予了結締組織一定的力學性能，具有支撐、保護器官的功能[13-14]。目前，研究者將I型膠原的化學結構確定為四級。I型膠原的一級結構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，決定了其在營養(yǎng)上為不完全蛋白[15]。其二級結構為其左手α螺旋結構，側鏈上的氨基酸殘基均指向外部，螺旋鏈內形成的氫鍵使得膠原多肽鏈的螺旋結構保持穩(wěn)定。I型膠原的三級結構為肽鏈之間依靠次級鍵的作用，卷曲、折疊構成具有特定三股螺旋結構的膠原分子，螺旋的穩(wěn)定性源于多肽鏈間氫鍵、氨基酸殘基側鏈的極性基團產生的離子鍵、氫鍵、范德華力等次級鍵、膠原分子內與分子間交聯(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型膠原的四級結構為膠原分子側向聚集、軸向延伸，并以一定間距、呈縱向對稱交錯排列，通過分子間或分子內的交聯(lián)形成膠原纖維聚集態(tài)結構，進一步聚集成束以形成機體組織（如圖1）。目前，I型膠原纖維在機體內超分子聚集態(tài)結構都是膠原科研工作者的研究熱點和難點。

2　天然I型膠原生物學特性

2.1 誘導細胞生長、增殖與分化

天然I型膠原由機體成纖維細胞通過體內生物合成的方式產生，為細胞外基質的主要成分，與其他成分以特定的形式排列融合、形成網狀結構，為細胞的增殖生長提供良好的微環(huán)境。文獻表明[17]，I型膠原能很好的粘附成纖維細胞，成纖維細胞在膠原表面可以三維鋪展，并能較好地生長、增殖，膠原同時也能誘導上皮細胞、內皮細胞等的增殖、分化和移動。在生理和病理機制的調控下，I型膠原有機地參與細胞的遷移和代謝，從而使細胞更準確地發(fā)揮功能。

2.2 止血作用

天然I型膠原發(fā)達的四級結構是其凝血功能的基礎。膠原在凝血過程中扮演著重要角色。首先，膠原與血液接觸時，局部刺激血小板的黏附與聚集，而后激活凝血系統(tǒng)以產生凝血因子和凝血酶，最終促使原纖維蛋白轉化形成穩(wěn)定的纖維蛋白[18]。當血管壁受損破壞時，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，形成血栓進而阻止血液流動。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），生理學的止血難以達到控制出血的目的，而此時適當補充外源性膠原，對局部止血有著明顯的促進作用，從而達到滿意的止血效果[13]。

2.3 可生物降解性

天然I型膠原的三股螺旋結構賦予其一定的結構穩(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型膠原片段進而被其他蛋白酶水解為多肽和氨基酸，代謝產物一部分可直接進入血液系統(tǒng)被機體吸收或代謝，一部分多肽鏈則可被細胞吞噬，在細胞內被蛋白酶進一步水解為氨基酸，為膠原的生物合成提供原料和營養(yǎng)[19]。但是，膠原的可生物降解性具有不明顯的調控性。材料植入后，若降解速度過快，則新生器官或組織尚未長成，難以達到預期目的；若降解速度過慢，則影響新生組織的生長。因此，科學的降解調控機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展

天然I型膠原具有天然活性和優(yōu)異的生物學性能，國內外已成功地將其應用于食品領域、美容整型領域、生物醫(yī)用領域，I型膠原膜的研究、開發(fā)與應用已占據膠原產品的半壁江山[20]。

3.1 食品領域

天然I型膠原作為細胞外主要的結構蛋白質，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，且獨有的羥基賴氨酸也決定了其營養(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品在食品領域的應用。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、高級包裝袋等。然而，膠原膜的吸收溶脹、過分的透水汽使其作為食品膜表現(xiàn)一定的應用缺陷，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條件。因此，I型膠原膜用于食品加工領域，應對親水性能、力學性能進行相應的改善研究。

3.2 整型美容領域

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，機體內I型膠原的作用方式由可逆性轉為不可逆性，膠原聚集態(tài)結構纏繞更加緊密，超分子間的間距縮小，最終導致了膠原與彈性蛋白間的作用力降低，且分泌的成纖維細胞的活性及能力大大降低[21]，肉眼體現(xiàn)在皮膚的彈力網斷裂、力學性能下降，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體成纖維細胞的存活和生長，具有優(yōu)良的吸濕、保濕功能，常用于皺紋及瘢痕修復、面部輪廓矯正、護膚化妝品等[22]。膠原膜在整型美容領域的應用還體現(xiàn)于高級面膜，I型膠原面膜可鎖住大量的水分，讓皮膚保持濕潤、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占有率巨大。

圖2　生物質體表創(chuàng)傷修復膜的相關檢測圖

3.3 生物醫(yī)學領域

3.3.1 高級生物敷料

天然I型膠原膜可吸收大量的組織滲出液，平穩(wěn)地附著在濕潤創(chuàng)面，并維持一定濕度，可防止機械傷害和二次細菌感染，對治療重度燒傷特別有效，可作為各種類型創(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，對自組裝的膠原膜進行改性處理，并考察了改性膠原膜的結構與力學強度變化、細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膠原膜進行處理，并將巨噬細胞引入了培養(yǎng)體系，獲得改性后膠原膜的力學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，并對復合膜的理化性能及生物學性能進行了評價，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有機復合，得到體表創(chuàng)傷修復膜，有防止術后粘連、止血、促進傷口愈合和誘導皮膚再生的作用。天然I型膠原作為理想生物敷料的基材，符合最為權威的“濕潤傷口愈合”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、力學性能差、降解過快且熱穩(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程中，受到人體電解質和酶等的作用，降解速度過快，難以與組織生長相匹配。如何解決上述問題是目前膠原膜作為組織工程支架材料的研究熱點及難點。近年來，研究者不遺余力地將化學修飾或物理復合的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、人工神經導管、硬腦膜等方面得到了廣泛應用。膠原膜最早就被應用于人工皮膚的構建，研究者將組織細胞種植在膠原膜支架上，復合材料經培育后直接移植使用。Elaine等[28]將異體纖維蛋白、膠原和糖胺多糖復合流延成膜，再將上皮細胞接種在復合膜表面，應用于裸鼠創(chuàng)面修復且獲得了良好的成果研究報道[29]，Ι型膠原海綿的止血時間、止血效果及傷口粘附的效果最優(yōu)，且在體內降解吸收，被認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用熱點在于應用靜電紡絲技術，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皮細胞，促進內皮細胞的生長，植入動物體內1月后材料的基本結構無變形。Joel等[31]將 I型膠原、頸部韌帶彈性蛋白及PDLGA共混后進行靜電紡絲，制備得到血管移植支架，具有良好的生物相容性，植入體內無局部或全身毒性和免疫反應。James 等[32]制備了PCL微納膠原膜，如圖4所示，復合膜能促進神經節(jié)細胞的增殖、粘附和分化，與自身組織契合良好，創(chuàng)傷組織可在20周后恢復功能。應用靜電紡絲技術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，強質子溶劑如三氟乙酸、六氟異丙醇，溶解性能極佳、揮發(fā)性好，但對其結構有極大的破壞作用，50%以上的膠原可能降解為明膠[33]，導致膠原天然生物學性能降低，甚至不能抵擋水、血液、體液等對其結構的破壞，在一定程度上限制了材料的應用。因此，解決天然I型膠原的良溶劑問題至關重要。

圖4　PCL-膠原微納復合纖維神經導管圖

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展。Thomas等[34]制備了一種膠原-葡胺聚糖復合膜人工心臟瓣膜支架，如圖5所示，在復合膜上種植間質細胞和內皮細胞，培育四周后直接植入動物體內，評價二尖瓣組織結構的新陳代謝和組織恢復情況，結果發(fā)現(xiàn)膠原基底膜表面形成了收縮的、類似心臟組織的二尖瓣結構的體外結構，免疫組織化學分析呈現(xiàn)增強的細胞外基質，且有彈性蛋白和層粘連蛋白的表達，證實了天然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的上市產品仍不多見，其原因在于膠原膜的力學性能、降解性能及可加工性等達不到天然心臟瓣膜的各項功能指標。

4　結論

圖5　膠原及膠原-葡胺聚糖復合膜在心臟瓣膜支架中的應用

中國科學院《高技術發(fā)展報告》指出，2015 年和2020年生物醫(yī)用材料年銷售額可分別達到370億美元和1355億美元，10年內我國有望成長為世界第二大生物醫(yī)用材料市場。毋庸置疑，天然I型膠原具有優(yōu)異的生物學性能與可再生資源優(yōu)勢，且在如此巨大的市場驅動下，天然I型膠原膜必將迎來巨大的經濟效益和廣闊的發(fā)展前景。然而，天然I型膠原膜還存在諸多性能缺陷，如力學強度低、降解過快、熱穩(wěn)定性差等嚴重的應用難題。因此，科研工作者應根據修復醫(yī)學、組織工程學、仿生學、分子設計學等原理和方法，深入探索適當?shù)幕瘜W修飾與物理復合改性方法，針對性地改善天然I型膠原的聚集態(tài)結構與性能，開發(fā)出各種新型功能性天然I型膠原生物復合膜材料，切實拓寬其作為生物材料的應用領域及實現(xiàn)其生物膜的工業(yè)化生產，不久的將來必將迎來天然I型膠原膜材料高效、高值轉化的嶄新曙光。

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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：生物質材料研究及應用.

國家自然科學基金（51103110）；武漢紡織大學教研項目（151033003）.