膠原蛋白材料特征及改性

膠原蛋白材料特征及改性

　　1、膠原蛋白制備生物醫學材料的特征

　　1.1膠原蛋白的生物學性質與功能

　　膠原蛋白的生物學性質與功能主要表現在:

　　(1)低抗原性，與其它具有免疫原性的蛋白質相比，膠原蛋白的免疫原性非常低。過去人們曾認為膠原不具有抗原性，近十年來的研究表明:膠原具有低免疫原性，不含端肽時免疫原性尤其低;

　　(2)可生物降解性(易被人體吸收);由于天然膠原緊密的螺旋結構，大多數蛋白酶只能打斷膠原側鏈，只有特定的蛋白酶才能使膠原蛋白肽鍵斷裂。在膠原酶的存在下，膠原的肽鍵將逐漸打斷而水解，膠原肽鏈的斷裂隨即造成螺旋結構的破壞，從而膠原將被蛋白酶徹底水解，這就是膠原的可生物降解性，可生物降解性是膠原蛋白能作器官移植材料被利用的基礎。

　　(3)生物相溶性，是指膠原蛋白與宿主細胞及組織之間良好的相互作用。因膠原蛋白本身就是構成細胞外基質的骨架，膠原分子特有的三股螺旋結構及其交聯形成的纖維或網絡構成細胞重要組成成分，故膠原材料無論是在被吸收前作為新組織的骨架，還是被吸收同化進入宿主，成為宿主組織的一部分，都與細胞周圍的基質有著良好的相互作用，表現出相互影響的協調性，并成為細胞與組織正常生理功能整體的一部分。

　　(4)細胞適應性和細胞增殖作用，可與細胞相互作用并能影響細胞形態，各種細胞可在體內及體外直接或間接與不同類型的膠原作用，并通過這種作用控制細胞的形態、運動、骨架組裝及細胞增殖與分化;膠原有利于細胞的存活和生長，不僅能促進細胞的增值分化，而且對細胞的分裂機能也有效果;

　　(5)促進血小板凝聚;膠原纖維一旦與血液接觸，流動血液中的血小板立刻與膠原纖維吸附在一起，發生凝聚反應，生成纖維蛋白，并形成血栓，進而血漿結塊阻止流血，達到促凝血作用。

　　(6)力學性能;天然膠原緊密的螺旋結構對高強度的力學性能起重要作用，在生物體中，膠原是為結締組織提供強度的主要蛋白組分，因而可在廣范圍內滿足肌體對機械強度的要求。

　　1.2膠原蛋白制備生物醫學材料的特點

　　前述生物學特性與功能，使得膠原蛋白成為最有用的生物材料之一，在生物醫學領域具有廣泛用途。因膠原易加工成型，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，但以膜形式應用的報道最多。膠原制備膜用于生物醫學，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結構，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，可進行適度交聯改性，從而可控制其生物降解速度;可調節溶解(溶脹)性;與其它生物活性組分一起使用，具有協同效應;可與藥物相互作用;交聯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，如有血凝作用等優點。同時也存在以下缺點:膠原的分離純化及加工處理復雜，分離的膠原交聯密度、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，在體內易降解，潮濕環境中易受細菌侵蝕而變質，此外還可能導致一些副反應，如組織鈣化等。故實際應用中，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，改善膠原的力學性能與抗水性。

　　2、改性方法

　　迄今為止，已見有許多對膠原蛋白改性的報道，其改性的手段主要有:(1)交聯改性法，(2)通過與其它高分子材料共混改性，該法也是膠原基材料制作中常用的方法，以下分別闡述膠原蛋白的這些改性方法的研究現狀。

　　2.1交聯改性法

　　指使膠原分子內部和分子間通過共價健結合提高膠原纖維的張力和穩定性的方法。該法又分為物理方法、化學方法和低溫等離子體法，生物學方法;其中物理方法、化學方法是最常用的交聯改性方法，生物學方法改性膠原蛋白主要在研究有關動物老化的生命現象中涉及，在研制膠原基生物醫學材料中少見報道。

　　2.1.1物理方法

　　通過物理手段對膠原蛋白改性有紫外線照射、重度脫水、λ射線照射和熱交聯等方法。膠原溶液如被紫外線等照射，將在分子間產生交聯，粘度增加，生成凝膠。目前常用的紫外線交聯膠原膜的方法是將膠原膜放在鋁箔上，距離254nm紫外燈20cm高度，照射1～5h。前幾年Weadock[3]對紫外線照射的膠原膜進行力學性能和膠原酶試驗表明:交聯膠原膜的萎縮溫度Ts和抗膠原酶解的能力均顯著高于未交聯膠原膜。重度脫水也是膠原蛋白物理改性中常使用的方法，該法是通過脫水導致膠原分子間交聯，從而增加變性溫度，改善膠原的性能。近年有研究者用該法改性了膠原膜，結果表明:改性后膠原膜生物相容性提高，降低了水溶性，影響了膜與成骨細胞的生物相容性[4]。物理方法改性原蛋白的優點是可避免外源性有毒化學物質進入膠原內，缺點是膠原膜交聯度低，且難以獲得均勻一致的交聯。

　　2.1.2化學方法

　　化學方法比物理方法改性交聯度高，且能獲得均勻一致的交聯，對調節、控制膠原的各性質均有效。現已廣泛應用于各種化學試劑交聯膠原，以提高其交聯度、力學性能及生物相容性。化學改性法具體又可分為使用化學試劑交聯、側鏈的修飾、生理活性物的固定化三種方法。化學試劑交聯法中常用的化學交聯劑有戊二醛、己異二氰酸酯、碳化二亞胺、疊氮二苯基磷等，其中戊二醛是目前應用最廣泛的試劑，大量實驗證明:戊二醛能提供有效交聯，但有細胞毒性，且其用量難以控制。故人們一直希望有一種交聯劑，既能用于膠原材料的交聯，形成穩定、生物相容性好的交聯產品，又毒性低，為了達到這一目的，人們不斷開發著新的交聯劑，近年人們使用的酰基疊氮化物、聚環氧化物或京尼平交聯等，不會引入明顯的毒性，且可獲得理想的交聯效果[5]。所見報道中，多是使用一種交聯劑對膠原蛋白交聯改性，但基于目的不同，也有幾種交聯劑結合使用對膠原蛋白交聯改性的報道，如有研究者為了解決人工心臟瓣膜晚期鈣化問題，篩選出環氧丙烷化學改性戊二醛處理生物瓣的方法，可明顯減低瓣膜組織膠原蛋白末端游離羧基含量。動物實驗表明，經改性后的瓣膜組織能保持較好的組織穩定性和機械抗張強度、免疫原性測試為陰性，符合臨床應用[6]。側鏈修飾就是對膠原分子側鏈的氨基和羧基進行化學修飾，改善電荷分布，使膠原獲得新的特性的方法，例如將膠原氨基丁二酰化，可變成負電荷豐富的膠原。與未修飾膠原蛋白相比血小板粘附能，血纖維蛋白形成能都弱，有抗栓性;然而如將膠原羧基甲基化獲得的正電荷豐富的膠原，生理條件下血小板粘附能、活化能都高，生成大量血纖維蛋白，比未修飾的膠原蛋白顯示了更強的血栓性，顯然，側鏈修飾可賦予膠原新的特性。與交聯改性相比，在生物材料領域，利用側鏈修飾對膠原改性所做的工作還較少，今后，除對膠原進行適當的交聯處理改性外，還應考慮通過膠原的化學修飾來進行改性，通過將性質不同的支鏈接枝到膠原大分子上賦予膠原以新的特性，研制新一代改性材料和開發新的改性方法。生理活性物的固定化是以膠原為支撐體，將各種生物活性物質固定化后再使用，例如將表皮生長因子和骨形成因子等生物活性蛋白包容于膠原中，它能促進皮膚組織和骨組織的再生。化學方法雖然可獲得均勻一致的交聯，但存在著引入外源有毒試劑，殘留試劑難清除等缺點，近幾年人們又研究了低溫等離子體技術、輻射引發等交聯改性膠原材料的新方法，一些報道[7～9]表明，低溫等離子體技術改性膠原或膠原復合膜可使材料表面引入不同基團，改變材料表面化學組分和結構，從而改變材料的特性，如使之更具有細胞識別位，提高表面能，改善表面極性等。

　　2.2其它高分子共混

　　膠原因其具有優良的生物學性質和功能，在生物材料領域倍受關注，但單獨使用，性能單一，且因有親水性強，在體內易被膠原酶降解等不可避免的弱點限制了它的應用。但如將膠原與其它物理、化學性質不同的合成或天然高分子共混，組成一種多相固體材料，在性能上膠原與其它高分子取長補短，互相補充，既可改善膠原材料的性能，又可制備出單一膠原材料所不具有的許多特性的新材料，從而擴大膠原材料的應用范圍，并向實現發展“理想”生物材料的目標邁進。膠原基“復合材料”的概念由此產生，以下介紹膠原與其它高分子共混形成復合材料的研究現狀。

　　2.3.1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許多，其中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80～90年代初最有代表性的研究是聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)和聚乙烯醇與膠原共混，其報道集中于復合方法、復合機理、理化及生物學性能、材料表面和整體結構、表面修飾的方法和機理以及水凝膠的溶脹擴散等的研究，相關研究中聚甲基丙烯酸羥乙酯和聚乙烯醇主要用于與膠原復合制備水凝膠[10～11]，作軟組織替代、藥物緩釋等。近幾年隨著人們對膠原蛋白以增殖細胞為首的許多生物功能的認識，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(如組織引導再生材料)的相關研究相對增多[12～13]。合成高分子與膠原蛋白共混復合制備膠原基材料存在以下問題(以膜形式的人工皮膚為例):(1)聚氨酯、尼龍等不降解高分子材料，因不能進行生理代謝，與膠原蛋白復合后只能用做外層敷料不能永久代替皮膚;(2)聚酯、聚谷氨酸等可生物降解材料，生物性能好，可降解、可代謝，是目前研究組織工程支架材料之一，但如果相對分子質量小則強度不夠，相對分子質量大難溶于水，溶解時出現降解，影響材料的機械強度，并且其降解之后的產物將使其周圍組織的酸度提高，出現無菌性炎癥。

　　2.3.2與天然高分子共混

　　由于天然高分子材料的多功能性質和與有機體的相容性、生物可降解性，特別是近幾年來出現的將不同天然高分子進行共混雜化的研究，使天然高分子共混物更顯示出其它材料無法替代的優點和性能，成為目前研究生物材料的熱點。天然高分子材料中最具代表性的是天然蛋白質和天然多糖，最近付麗紅等[14]對天然多糖類/蛋白質復合材料的研究進展作了評述，文章從天然多糖與蛋白質的結構特點出發，在介紹幾種主要多糖(淀粉、纖維素、殼聚糖)與蛋白質(膠原、明膠、絲蛋白)特性的基礎上，分別列舉了這些多糖與明膠、膠原和絲蛋白共混的實例，并對共混形式及共混產物性能的研究進行了闡述，但文中涉及醫學應用研究的內容較少。隨著對天然多糖的生物活性及功能的逐步認識，近年在生物醫學材料領域，利用天然多糖與膠原蛋白共混復合對膠原蛋白改性的研究明顯增多，這些研究中所用的多糖主要有軟骨素、HA(透明質酸)、殼聚糖、肝素等。目前膠原與這些多糖復合材料比較集中的研究是用于可吸收性外科縫線、藥物釋放的載體、皮膚替代物、透析膜、止血劑、醫用引導組織再生材料、骨替代材料、組織培養系統的支架。從所見報道來看，膠原-多糖復合材料近年報道最多的是殼聚糖與膠原蛋白共混制備不同形式(膜、海綿、微膠囊、片、帶等)材料的研究[15-19]。

　　總之，對膠原改性方法眾多，各種方法各有其優缺點，具體采用何種方法交聯或與何種高分子共混改善膠原蛋白作生物醫學材料的缺點，保持膠原生物活性的同時，并賦予以新的功能，應從以下幾點考慮:(1)改善膠原的力學性能(如提高抗拉強度，降低膨脹率);(2)提高抗水能力;(3)提高Ts和Td;(4)提高抗膠原酶降解能力;(5)具有生物相容性，且無細胞毒性。單一用一種方法對膠原蛋白改性有時并不能滿足材料的要求，因此在膠原基生物醫學材料研制中也常采用幾種方法結合改性膠原蛋白[18，19]。進一步開發具有生物活性的天然高分子材料與膠原共混雜化，改善膠原材料力學性能的同時增加材料的生物活性是研制膠原基新型生物材料的一個重要方向。

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