前言：本站為你精心整理了膠原應(yīng)用及發(fā)展范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢(xún)。

1膠原的結(jié)構(gòu)

資料表明[5],皮膠原的形成可以簡(jiǎn)略地表示為:氨基酸→多肽→原膠原分子→膠原微纖維→膠原纖維。很明顯,皮膠原的單體是原膠原分子。原膠原分子呈細(xì)棒狀,長(zhǎng)20nm,直徑1.5nm,相對(duì)分子量接近300×103。每一個(gè)原膠原分子均有3條肽鍵,每條肽鏈上有1052個(gè)氨基酸。在N端尾肽和C端尾肽之間的1011個(gè)氨基酸殘基的排列很有規(guī)則,反復(fù)出現(xiàn)甘XY三肽(X、Y分別代表其它氨基酸)而形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的螺旋區(qū)。螺旋區(qū)內(nèi)的甘XY三肽共有337個(gè),其中1/3是甘脯X三肽。此外,在螺旋區(qū)內(nèi)還有1/4是酸性和堿性氨基酸殘基。由于在α肽鏈上出現(xiàn)了甘脯X三肽而形成了膠原所特有的、結(jié)構(gòu)緊密的左手螺旋。3條具有左手螺旋結(jié)構(gòu)的α肽鏈,通過(guò)互相折疊盤(pán)繞形成右手復(fù)合螺旋。皮膠原的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一方面依賴(lài)于靜電作用、氫鍵、范德華力、氨基酸的親水性和疏水性、配位鍵及二硫鍵等來(lái)維持。另一方面皮膠原分子內(nèi)和分子間所存在的醛醇縮合交聯(lián)、醛胺縮合交聯(lián)和醛醇組氨酸交聯(lián)等對(duì)提高皮膠原結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。

2皮膠原的主要性質(zhì)

2.1膠原的理化性質(zhì)

膠原是一種蛋白質(zhì),是由氨基酸組成,因此其理化性質(zhì)必然與氨基酸的理化性質(zhì)相同或相關(guān),例如兩性電離及等電點(diǎn)、紫外吸收性質(zhì)及呈色反應(yīng)等。同時(shí)膠原又是生物大分子化合物,還具有膠體性質(zhì)、沉淀、變性和凝固等特點(diǎn)。此外,酸、堿、鹽和蛋白酶等都可以與膠原發(fā)生化學(xué)作用,膠原在酸或堿的長(zhǎng)時(shí)間作用下,其交聯(lián)鍵會(huì)遭到破壞而發(fā)生膠解。不過(guò),多數(shù)蛋白酶對(duì)膠原的作用機(jī)理至今尚不清楚,其作用過(guò)程也難以控制。中性鹽與膠原的作用依其種類(lèi)不同而各不相同,有的中性鹽可使膠原脫水,有的則會(huì)引起膠原膨脹(即充水)。膠原的耐濕熱穩(wěn)定性是衡量膠原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要的物理指標(biāo)。迄今為止,在制革生產(chǎn)和科學(xué)研究中,人們普遍采用測(cè)定皮膠原的收縮溫度(shrinkagetemperature)的方法來(lái)判定膠原的濕熱穩(wěn)定性。

2.2膠原的物理———機(jī)械性能

若干具有三股超螺旋結(jié)構(gòu)的Ⅰ型膠原分子通過(guò)側(cè)向共價(jià)交聯(lián)、錯(cuò)位階梯式排列聚集成直徑為50~200nm的膠原微纖維。膠原微纖維再進(jìn)一步側(cè)向排列形成膠原纖維。正是由于膠原纖維具有如此復(fù)雜且特殊的分子結(jié)構(gòu),才使得膠原纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能[6]。顯然,膠原的物理機(jī)械性能主要取決于它的化學(xué)組成及交聯(lián)程度。此外,膠原的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)膠原的物理機(jī)械性能也有著舉足輕重的影響。應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,作為天然高分子化合物的膠原表現(xiàn)出彈性態(tài)和粘彈態(tài)兩個(gè)階段的力學(xué)行為。而變性膠原(沒(méi)有螺旋結(jié)構(gòu))僅表現(xiàn)為少許彈性態(tài)性質(zhì),其斷裂拉力僅為天然膠原的一半[7]。

2.3皮膠原的生物醫(yī)用性能

(1)皮膠原具有作為生物醫(yī)用材料最適宜的微孔徑,而且其分布量大,這些特點(diǎn)賦予材料以較好滲透性,適于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生物因子擴(kuò)散及血管長(zhǎng)入。(2)創(chuàng)面止血和緩解疼痛的功能。有文獻(xiàn)報(bào)道[7],膠原可以促進(jìn)血小板凝聚和血漿結(jié)塊,從而達(dá)到創(chuàng)面止血的目的。有人認(rèn)為[8],膠原使血小板凝聚能力似乎來(lái)自游離的氨基酸側(cè)鏈氨基。封閉膠原側(cè)鏈羧基,雖然不會(huì)造成凝聚能力的明顯下降,但是卻會(huì)減弱膠原促使血漿結(jié)塊的作用?？傊?膠原所具有的超分子結(jié)構(gòu),是其凝聚能力的基礎(chǔ)。關(guān)于膠原的緩解疼痛功能,雖有臨床現(xiàn)象證明,但目前尚未得到合理的解釋。(3)誘導(dǎo)并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。膠原的粘附性良好,對(duì)成纖維細(xì)胞有一定的生物誘導(dǎo)性,有利于細(xì)胞的長(zhǎng)入及基質(zhì)沉積、新生血管生成和傷口愈合。臨床已有報(bào)道,在膠原蛋白凝膠中培養(yǎng)肝細(xì)胞誘導(dǎo)聚集體的形成,從而使每個(gè)細(xì)胞合成白蛋白的量比非聚集體增加2倍[8]。(4)可生物降解性[9]。膠原在生物酶作用下可以部分或全部水解。利用膠原的可生物降解性,人們?cè)O(shè)想當(dāng)膠原類(lèi)材料植入人體后,新生組織或器官即可將其作為支架開(kāi)始生長(zhǎng),長(zhǎng)成后,膠原類(lèi)材料自行降解為小分子被人體吸收,從而達(dá)到徹底治療的目的。然而膠原類(lèi)材料的降解情況受局部因素的影響較大。膠原類(lèi)材料的降解速度的可控性不如合成材料。因此,在這方面必須進(jìn)行大量的研究。膠原的可生物降解性具有二重性。膠原類(lèi)材料植入人體后,如果降解速度過(guò)快,則新生組織或器官尚未長(zhǎng)成,達(dá)不到預(yù)期目的;如果降解速度過(guò)慢,則會(huì)影響新生組織或器官的生長(zhǎng)。理想的情況是尋求最佳的降解速度。

3膠原在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

膠原的結(jié)構(gòu)與性能表明它是一類(lèi)優(yōu)良的可用于引導(dǎo)組織再生的生物材料,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。

3.1天然真皮替代物

主要有2種類(lèi)型:一種是除去表皮層的異體真皮;一種是無(wú)細(xì)胞真皮。無(wú)細(xì)胞真皮可以是異體皮,也可以是人皮。關(guān)于無(wú)細(xì)胞異體真皮及無(wú)細(xì)胞真皮的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道,可用于治療深度燒傷創(chuàng)面。而無(wú)細(xì)胞人體真皮的來(lái)源十分有限,特別是存在傳播惡性疾病的危險(xiǎn)(尤其是艾滋病)。由于上述原因,在很大程度上,天然真皮替代物的應(yīng)用受到限制。

3.2人工皮膚

眾所周知,組織工程材料的第一個(gè)面市的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應(yīng)用方面最為成功的材料之一,這方面的報(bào)道很多[10~13]。已經(jīng)報(bào)道的人工皮膚的制造方法有很多種。Yannas等人首先用膠原硫酸軟骨素多孔交聯(lián)支架成功地制得人工皮膚,據(jù)臨床報(bào)道,這種人工皮膚已被美國(guó)FDA批準(zhǔn),其商品名稱(chēng)為Dermagraft,主要用于嚴(yán)重?zé)齻吞悄虿』颊咂つw潰瘍的治療,對(duì)慢性皮膚潰瘍也具有很好療效。但是已有的人工皮膚都存在結(jié)痂及易引發(fā)各種炎癥甚至導(dǎo)致癌變,而且應(yīng)用范圍極為有限。1998年5月,美國(guó)FDA又批準(zhǔn)了馬薩諸塞州坎頓器官發(fā)生有限公司的一種名為Apligraf的人工皮膚生產(chǎn)。據(jù)報(bào)道,這種人工皮膚是一種人工兩層皮膚,表皮在上,真皮在下。具體制造方法可能是從牛腱中提取膠原,經(jīng)純化后,制成膠原膜,再經(jīng)過(guò)殺菌、消毒即可使用。有的則對(duì)膠原膜進(jìn)行交聯(lián),經(jīng)殺菌、消毒后備用。也可以將膠原膜作為基質(zhì)材料在其上種植上皮細(xì)胞經(jīng)培養(yǎng)而制成人工皮膚。這一類(lèi)人工皮膚均有助于因腿部血液循環(huán)不暢引起的靜脈潰瘍患者的傷口愈合。此外,國(guó)內(nèi)外還報(bào)道了膠原GAG/PGL網(wǎng)成纖維細(xì)胞真皮替代物、膠原殼聚糖人工真皮及膠原粘多糖復(fù)合組織工程支架材料等等。由此可見(jiàn),過(guò)去國(guó)內(nèi)外基于皮膠原的組織工程材料主要是明膠、膠原凝膠及其與天然生物材料、高分子化合物的混合物。迄今為止,已有的人工皮膚或醫(yī)用膠原膜的應(yīng)用范圍極為有限,所有的人工皮膚都不能全面地滿(mǎn)足醫(yī)療手術(shù)的要求。究其原因,主要是存在以下不足:(1)作為皮膚的替代物,由于不能重建毛囊、汗腺、脂腺等皮膚附件,從而在相當(dāng)程度上降低了患者對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力;(2)血管化較慢;(3)抗感染能力差;(4)力學(xué)性能差,在含水條件下難以塑形,不利于人體內(nèi)部器官的重建;(5)體外及新生組織細(xì)胞產(chǎn)生的膠原酶極易將其降解。材料在體內(nèi)降解吸收過(guò)快,使得材料不能與體內(nèi)的組織細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖的速度相匹配等等。針對(duì)上述問(wèn)題,研究者們主要采取了三個(gè)方面的措施:第一,通過(guò)對(duì)人工皮膚或醫(yī)用膠原膜的改性來(lái)提高其力學(xué)性能;改性的方法主要是物理方法交聯(lián)(如熱交聯(lián)、UV和γ射線交聯(lián)等)、化學(xué)方法交聯(lián)(如使用甲醛、戊二醛進(jìn)行交聯(lián))、接枝改性(如使用RGD肽)及低溫等離子改性等等;第二,多種材料復(fù)合,提高其綜合性能;第三,使用生長(zhǎng)因子。研究人員通過(guò)利用促進(jìn)血管形成的生長(zhǎng)因子包裹支持組織的多聚物載體而成功地促進(jìn)了在實(shí)驗(yàn)室里生長(zhǎng)的生物人工組織的血管發(fā)生。

3.3可注射性膠原

主要用于整形美容,是糾正皮膚凹陷型缺陷的最理想材料,其主要適應(yīng)證為皺紋、尋常痤瘡疤痕、小型外傷疤痕等缺陷的填充矯正。此外,對(duì)糖尿病患者在其病變部位注射膠原有助于足部潰瘍和褥瘡的修復(fù)。應(yīng)用較為廣泛的膠原植入物是可注射性膠原溶液,主要用于矯治由于年老、創(chuàng)傷、疾病和先天性畸形所引起的外形異常等。

3.4可降解膠原縫線

由于膠原植入物在人體內(nèi)會(huì)降解為氨基酸而被人體吸收,因而利用膠原制成的膠原縫線用于特殊的醫(yī)療手術(shù)具有重要意義。臨床應(yīng)用表明,可吸收的膠原縫線用于眼科的角膜手術(shù)中,很少有不良反應(yīng)。此外,還有關(guān)于在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中利用經(jīng)過(guò)純化的膠原膜(厚度0.0013mm)作角膜移植并用液狀膠原替代晶狀體的報(bào)道。

3.5止血海綿

研究表明,膠原不僅能夠誘導(dǎo)血小板附著,產(chǎn)生釋放反應(yīng),而且能夠激活血液的凝固因子,粘接在滲血的傷口上,對(duì)已經(jīng)損傷的血管起填塞作用,從而達(dá)到止血的目的。臨床應(yīng)用表明,與藻酸鈣、藻酸海綿、凝血增強(qiáng)纖維泡沫、增凝明膠海綿及氧化纖維素等常用的止血?jiǎng)┫啾?膠原的止血率高,副作用小,因而是一種理想的止血材料。利用膠原研制膠原止血海綿,國(guó)外一直十分活躍,國(guó)內(nèi)目前尚處于起步階段,但發(fā)展還是很迅速的。據(jù)報(bào)道,國(guó)外已經(jīng)有粉狀及片劑的微晶膠原止血?jiǎng)14]、纖維織物止血?jiǎng)┖秃＞d止血?jiǎng)┑?。一種取自牛跟腱的無(wú)過(guò)敏性、無(wú)菌異種凍干膠原已廣泛應(yīng)用于臨床,并取得良好效果。國(guó)內(nèi)也有類(lèi)似產(chǎn)品問(wèn)世[15]。

3.6組織引導(dǎo)材料

據(jù)報(bào)道,目前國(guó)內(nèi)已有醫(yī)用組織引導(dǎo)再生膠原膜產(chǎn)品面市。臨床應(yīng)用表明:此種醫(yī)用膠原膜具有特有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可參與組織愈合過(guò)程并能引導(dǎo)、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng);具有顯著引導(dǎo)/誘導(dǎo)組織再生的作用,使創(chuàng)面實(shí)現(xiàn)功能性、再生性的愈合;物理機(jī)械性能優(yōu)異,手術(shù)操作簡(jiǎn)便,生物相容性好,無(wú)抗原性,不引起三致反應(yīng),可降解、吸收,不需二次手術(shù)取出;可廣泛應(yīng)用于軟、硬組織損傷的修復(fù),如口腔科、骨科、整形外科、五官科、神經(jīng)外科及肌腱斷裂和臟器穿孔等的治療。與此材料匹配的是膜引導(dǎo)組織再生技術(shù)(GTR技術(shù))。GTR通過(guò)引導(dǎo)膜機(jī)械地阻礙非目的細(xì)胞(如表皮細(xì)胞)進(jìn)入組織修復(fù)區(qū),可使目的細(xì)胞(如骨細(xì)胞)在修復(fù)區(qū)濃集,以達(dá)到組織定向修復(fù)的目的。GTR技術(shù)最早應(yīng)用于四肢長(zhǎng)骨,20世紀(jì)80年代初,逐漸應(yīng)用于口腔科。GTR引導(dǎo)膜主要有2種:一種是非生物降解膜,如聚四氯乙烯膜;一種是可生物降解膜,主要有膠原膜和凍干硬腦膜等。由于非生物降解膜較堅(jiān)硬,易造成軟組織裂隙、膜暴露、細(xì)菌感染等,且需要實(shí)施二次手術(shù)除去,故在臨床中已傾向于采用可生物降解的GTR引導(dǎo)膜。

3.7用于骨組織工程中的“Ⅰ型膠原X”植入材料

Ⅰ型膠原是骨骼中的主要結(jié)構(gòu)蛋白,約占有機(jī)基質(zhì)的90%。膠原在骨組織工程中可以有3種作用:①作為支架材料,可為骨細(xì)胞的長(zhǎng)入提供支架,促進(jìn)新骨生成;②利用膠原的止血性能;③具有覆蓋陶瓷或金屬植入物的功能。目前,國(guó)內(nèi)外一般利用膠原與羥基磷灰石結(jié)合制成復(fù)合材料,植入人體,以修復(fù)骨缺損。例如,瑞典開(kāi)發(fā)出一種Colipat植入物,它就是由從豬皮中提取的膠原與純度為90%的羥基磷灰石以5∶1的比例混合制成。據(jù)報(bào)道,該材料已用于臨床實(shí)驗(yàn),結(jié)果證明無(wú)炎癥反應(yīng),且具有良好的生物相容性。由Zimmer等公司開(kāi)發(fā)出的作為植骨替代物的生物材料被稱(chēng)為Collagraft,其中含有從牛真皮膠原中提取的純化膠原纖維絲和羥基磷灰石/三磷酸鈣陶瓷,可將Collagraft與自體骨髓相混合,自體骨髓能提供成骨前體細(xì)胞。臨床應(yīng)用表明,大多數(shù)患者對(duì)膠原未發(fā)生免疫反應(yīng)。即使有些患者產(chǎn)生牛膠原抗體,對(duì)植入物的療效和安全性也均無(wú)影響。

4展望

大量的研究結(jié)果表明,膠原的性能可以滿(mǎn)足用于作為表皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、角膜細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及骨細(xì)胞的培養(yǎng)基質(zhì)。但是,利用膠原制做組織工程支架材料,尚存在以下亟待解決的問(wèn)題:(1)力學(xué)性能差,在含水條件下難以塑形,故不宜用于內(nèi)部器官的重建;(2)體內(nèi)及新生組織細(xì)胞產(chǎn)生的膠原酶極易將其降解;在體內(nèi)降解吸收過(guò)快,不能與組織細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖的速度相匹配;(3)為提高膠原的力學(xué)性質(zhì)和降低其在體內(nèi)的降解吸收速度,使用戊二醛對(duì)膠原進(jìn)行交聯(lián),形成網(wǎng)狀交聯(lián)大分子,但戊二醛用量較難控制,過(guò)量時(shí)引起膠原制品發(fā)黃,產(chǎn)生毒性,不利于組織細(xì)胞培養(yǎng)生長(zhǎng),量少時(shí)達(dá)不到改進(jìn)膠原性能缺陷目的。筆者認(rèn)為解決上述問(wèn)題的基本途徑主要有:

(1)采用脫細(xì)胞技術(shù)制造天然的胞外基質(zhì)(ECM)作為組織工程支架材料,其優(yōu)點(diǎn)在于這種天然的ECM在體內(nèi)可以組織填充物而長(zhǎng)期存在,有較好的組織相容性和親和性,還可以誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)、繁殖和分化等。

(2)采取物理、化學(xué)交聯(lián)方法,克服膠原材料(主要是凝膠、膜等)所存在的降解吸收快、機(jī)械強(qiáng)度小的缺點(diǎn)。主要改性方法有①物理方法,如熱交聯(lián)、UV和γ射線交聯(lián)等;采用物理方法交聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入有毒化學(xué)物質(zhì),但不易獲得很好的交聯(lián)強(qiáng)度,交聯(lián)的均勻程度也不理想;②化學(xué)方法,通常采用戊二醛、甲醛進(jìn)行交聯(lián)。采用化學(xué)方法交聯(lián),可以獲得均勻一致的交聯(lián),但交聯(lián)過(guò)程可能會(huì)引入有毒的交聯(lián)劑和產(chǎn)生不良的副反應(yīng)。據(jù)報(bào)道,用?；B氮或聚環(huán)氧化物交聯(lián),既不會(huì)引入明顯的毒性,又可獲得理想的交聯(lián)效果。此外,對(duì)膠原材料的低溫等離子改性和用RGD肽(精氨酸甘氨酸天冬氨酸)接枝改性,可進(jìn)一步改善膠原材料的生物學(xué)性能,提高其促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖功能。

(3)制備膠原基復(fù)合材料,為改善膠原材料的性能,利用膠原與其他合成材料、天然生物材料復(fù)合來(lái)制備膠原基復(fù)合材料已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前主要有①膠原透明質(zhì)酸(HA)的復(fù)合物系統(tǒng),它可以作為可注射骨替代材料;②膠原殼聚糖;③膠原poly[HEMA]與乙醇混合,用過(guò)硫酸銨和偏亞硫酸鈉引發(fā)交聯(lián)反應(yīng),制成燒傷用的貼膜,在膜中加入藥物吲哚美辛。實(shí)驗(yàn)表明:膠原poly[HEMA]Ⅲ型膠原的復(fù)合物所具有的多孔海綿狀結(jié)構(gòu)是良好的藥物釋放系統(tǒng),是制備燒傷用創(chuàng)面敷料的良好材料。

總之,解決上述問(wèn)題后,膠原在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。