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| [转贴]¤胶原蛋白的应用前景分析（2） |
胶原作为生物材料的特点
低免疫原性:胶原的抗原性相当低,在1954年以前,甚至认为胶原不具有抗原性。最近的研究表明,胶原有3种类型的抗原因子:第1类是由胶原肽链非螺旋的端肽引起的;第2类是由胶原三股螺旋的构象引起的;第3类是由α链螺旋区的氨基酸顺序引起的。
第2类抗原因子仅存在于天然胶原分子中,第3类只出现在变性胶原中,而第1类抗原因子在天然和变性胶原蛋白中均存在。20世纪90年代以来,人们发现Ⅰ型胶原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型Ⅵ型胶原低得多,其组织胶原的端肽的免疫原性比螺旋微区以及其它微区都要强。
因而,在制备可溶性胶原医用产品时,应除去胶原的端肽;但应用于组织基的胶原材料,则应保留端肽,目的是保存交联位点,赋予组织材料所需要的完整结构。研究发现用戊二醛交联,可部分降低胶原材料的免疫原性[6]。
细胞-基质间的相互作用:胶原基材料与宿主细胞及组织之间良好的相互作用,并成为细胞与组织正常生理功能的一部分。胶原基材料除了可增加细胞的粘结外,还能改善细胞的生长、分化和移动。胶原蛋白作为细胞外间质的主要成分,与其他成分以特定的形式排列结合,形成细胞外间质的网状结构。这种结构对细胞起到锚定和支持作用,并为细胞的增殖生长提供适当的微环境。在生理或病理机制的调控下,胶原蛋白有机地参与细胞迁移和代谢,从而使细胞更准确地发挥其功能。
与血小板的相互作用:胶原使血小板凝聚的能力似乎来源于游离的氨基,尤其是赖氨酸侧链氨基,因此,封闭胶原侧链羧基,不会造成凝聚能力的明显下降,不过会减弱胶原促使血浆结块的作用。胶原的天然结构,尤其是足够发达的四级结构,是胶原具有凝聚能力的基础。胶原对血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制备凝血材料,比如胶原/壳聚糖复合膜的止血性能比明胶等一般材料好得多。
纤维的再形成性:经纯化的可溶性胶原,可在体外再次形成与天然胶原纤维相似的有序纤维结构。在制备可溶性胶原时,虽然已通过酶的作用除去了胶原分子的端肽,但可溶性胶原在体外的再形成过程仍然存在。可溶性胶原其免疫原性被大大减弱,又能形成纤维,获得与原有结构相似的堆砌,从而有利于细胞-基质间相互作用的过程。利用其这一性质,可制成适合于移植用的膏状注射物或海绵等。
机械性能:胶原纤维具有很高的机械强度的重要原因在于胶原的交联。胶原分子间和分子内有次级键:氢键对维持胶原的构象起重要作用,而分子内和分子间的共价交联,是赋予胶原高度化学和物理稳定性的一个重要因素,这种交联方式有3种:酰胺缩合、羟醛缩合、羟醛组氨酸交联。胶原分子间的侧向交联表现出高强度的力学行为。
研究表明:在按四分之一错列排布的原胶原分子的头、尾部重叠区段,通过赖氨酸或羟赖氨酸形成共价交联,分别在氮端尾肽的第9个残基位置(N9)和碳端尾肽的第17个残基位置(C17)。以这种方式交联起来的原胶原分子,可以形成很长的具有很好的机械强度的原纤维。制备过程中尽可能保留蛋白多糖,以维持胶原固有的卷曲。胶原的这种结构有利于组织在受到外力作用时能量的耗散,避免其破裂。
生物可降解性:天然胶原紧密的螺旋结构使得大多数蛋白酶只能打断胶原侧链,削弱胶原分子的交联。而胶原肽键只有在胶原酶的水解作用下,才会被打断。
胶原肽链的断裂造成其螺旋结构的破坏,这样胶原就可以被蛋白酶彻底水解。胶原的生物降解性可以通过在胶原分子侧链之间产生交联来减小或抑制。鞣制就是起到这样的作用。生物材料最常用的鞣制剂是戊二醛,其无毒、鞣性持久。
胶原在生物、医学上的应用
胶原基生物材料的应用:
(1)心脏瓣膜
目前已发展的有2类:一类是机械瓣膜,一类是生物瓣膜。用胶原基材料制作成的生物瓣膜的缺点是植入人体后会产生钙化,一般在前10a使用期内性能良好。现在,材料科学家正竭力合成新的医用瓣膜材料,目的是大幅度延长材料的使用寿命,减少二次手术,减轻患者痛苦。
(2)血管修复
由于心血管疾病日益增加,对替换血管装置的要求越来越多。应用生物组织基心血管装置的主要优势,是直径小于5mm的心血管置换器。与合成材料相比,生物材料的多样性为改善置换器的性能提供了有利条件,并且胶原基装置还具有感染性低、宿主组织能向装置中渗入生长,而不需要高密度孔结构,以及可与天然血管在物理性质上较好的匹配等优点。
(3)可溶性胶原
可溶性胶原在适当的缓冲液中,加热至体温时,便可在组织中原位形成纤维,或在进入组织之前形成纤维。其对软组织的扩增、恢复,特别是对矫正各种皮肤断面缺陷非常有用,还可用于食管包括肌声带的修复、牙周方面的治疗。
(4)创伤、烧伤修复材料
胶原敷料有多种形式,如膜扁、海绵状及粒状等,能重新溶解,并吸收创伤渗出液,可与宿主细胞外基质相互作用,以促进细胞在新结缔组织上的粘附、移动、生长和沉积;能诱导分化及成纤维细胞的趋化性,延迟伤口收缩,加速创伤修复。
(5)胶原止血剂
胶原与血小板作用后,引起后继的与血液聚集相关联的一系列过程的进行,从而可迅速凝血。作为止血剂使用的胶原,可以是粉状、扁状及海绵状等多种物理形态。与胶原类止血材料相竞争的有纤维素、明胶和纤维衍生物,后者优势是价格较低,但是胶原的止血效果更好。
(6)明胶
胶原经温和水解而产生肽键的不可逆断裂后,所得的主要产物是明胶。
最近的研究表明:明胶特别是水解明胶,对多种皮肤病均有治疗作用,其用于手足皲裂、皮肤搔痒、鱼鳞病等皮肤病,效果非常显著。在治疗中水解明胶无刺激性和副作用,它能滋润皮肤、修补和促进伤口愈合。此外,它在内科病学中也有用武之地,对慢性胃炎、十二指肠溃疡、胃溃疡有更佳的治疗效果。
(7)人工皮肤
众所周知,第一个面市的组织工程材料的商品是人工皮肤,也是到目前为止在临床应用方面最为成功的组织工程材料。国内在这方面有较多的研究,其一般方法是:先从某种含有胶原的原料中提取胶原,经过酶消化、纯化,制成胶原的分散液,再向其中加入其它物质(一般是壳聚糖或高分子物质等),均匀混合制成胶原膜。必要时,还可以用甲醛进行交联[10]。Yan2nas[11]等人报道了在气相醛介质中,胶原与糖胺聚糖交联,制备分子量Mc为800～60000的胶原糖胺聚糖材料的方法。由这种材料制造的人造皮肤,比其它方法制备的同类材料的长期贮存更稳定。
(8)固定化酶载体和胶囊
胶原蛋白分子肽链上具有多种反应基团,如羟基、羧基和氨基等,易于吸收和结合多种酶和细胞,实现固定化,它具有与酶和细胞亲合性好、适应性强的特点。另外胶原是一种成膜性好的物质,并具有生物相容性,在体内可被逐步吸收,因此,胶原蛋白固定化酶特别适合于人工应用材料[12]。
胶原在医药工业中的另一重要用途是基于胶原微囊包封的药物输送系统。微囊包封就是把细小颗粒独立包裹上保护性的涂层。涂层起到分离、贮存和运输的作用,以便被包裹物在预定的条件下释放出来,从而起到控制或缓释的效果。释放的条件取决于湿度、pH、化学结合作用,释放的机理与保护层的构造有关,如膜的过滤性、腐蚀、破裂等。微胶囊的直径一般在3～800μm之间,核的重量占10%～90%。被包裹的核材料种类很多,包括粘合剂、农药、活细胞、香水、药剂和墨水等。胶囊外壳材料多数为有机聚合物,也有的采用脂类和蜡[7]。现在,以明胶改性聚合物制造控制药物释放的微球和微胶囊正越来越常见。
(9)胶原膜
胶原不仅可以保护和促进角膜上皮细胞的生长,而且还可作为“药膜”,使在结膜囊内的药物逐渐释放入眼内,从而在短时间内在眼内达到较高浓度,并维持较长时间,还可减少药物的毒性,具有广阔的发展前景。
尽管胶原以其优良的性质得到重视,但其不可避免的弱点也限制了它的应用。如胶原具有天然材料共有的弱点:物理机械性能差,其生物降解性在某些应用上也是一个弱点。而合成材料尽管其力学性能良好并且性能稳定,但生物相容性普遍较差。因此产生了“复合材料”的概念,即制备胶原-高分子复合材料,使其同时具有2种材料的共同优点,取长补短,从而向实现发展“理想”的生物材料的目标迈进了一步,并将为医用生物材料的变革性发展提供广阔的前景。 |
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