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胶原蛋白(生物高分子,动物结缔组织中的主要成分)

胶原蛋白是生物高分子,动物结缔组织中的主要成分,也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白,占蛋白质总量的25-~30-,某些生物体甚至高达80-以上。

畜禽源动物组织是人们获取天然胶原蛋白及其胶原肽的主要途径,但由于相关畜类疾病和某些宗教信仰限制了人们对陆生哺乳动物胶原蛋白及其制品的使用,现今正在逐步转向海洋生物中开发。欧洲食品安全局(EFSA)已证实了即使是动物骨骼来源的胶原蛋白也不存在感染疯牛病和其它相关疾病的可能。

由于氨基酸组成和交联度等方面的差异,使得水产动物尤其是其加工废弃物皮、骨、鳞中所含有的丰富的胶原蛋白具有很多牲畜胶原蛋白所没有的优点,另外来源于海洋动物的胶原蛋白在一些方面明显优于陆生动物的胶原蛋白,比如具有低抗原性、低过敏性等特性。因此水产胶原蛋白可能逐步替代陆生动物胶原蛋白。

胶原蛋白种类较多,常见类型为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型。

胶原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性,因此在食品、医药、组织工程、化妆品等领域获得广泛的应用。比如中国传统的胶原保健品“阿胶”,主要是以驴皮为原料(其实就是驴皮中所含胶原蛋白),具有较高的滋补保健作用,有中药三宝之一的美誉。

胶原蛋白是一类蛋白质家族,已至少发现了30余种胶原蛋白链的编码基因,可以形成16种以上的胶原蛋白 分子,根据其结构,可以分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚定胶原、六边网状胶原、非纤维胶原、跨膜胶原等。根据它们在体内的分布和功能特点,可以将胶原分成间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子,Ⅰ型胶原蛋白主要分布于皮肤、肌腱等组织,也是水产品加工废弃物(皮、骨和鳞)含量最多的蛋白质,占全部胶原蛋白含量的80-90-左右,在医学上的应用最为广泛。Ⅰ型胶原在鱼类胶原中一个最显著的的特点是热稳定性比较低,并呈现有鱼种的特异性。Ⅱ型胶原蛋白由软骨细胞产生;基底膜胶原蛋白通常是指Ⅳ型胶原蛋白,其主要分布于基底膜;细胞外周胶原蛋白通常中指Ⅴ型胶原蛋白,在结缔组织中大量存在。按功能,可将胶原分为两组,第一组是成纤维胶原,包括第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅺ、ⅩⅩⅣ和ⅩⅩⅦ型胶原;其余是第二组,非成纤维胶原。非成纤维胶原的α- 链既含有三螺旋域(胶原域,COL),还含有非三螺旋域(非胶原域,NC),其中成纤维胶原约占胶原总数的90-。

胶原蛋白的种类及其在组织中的分布图册参考资料。

在水产动物体内胶原蛋白含量高于陆生动物,如鲢鱼、鳙鱼和草鱼鱼皮的蛋白质含量分别为25.9-、23.6-和29.8-,均高于各自相应鱼肉的蛋白质含量:17.8-、15.3-和16.6-。而鱼皮中的胶原含量最高可超过其蛋白质总量的80-,较鱼体的其它部位要高许多,有研究报道真鲷鱼皮中胶原蛋白占粗蛋白的80.5-,鳗鲡则高达87.3-。如此高的含量意味着得率也高,如小鲔鲣42.5-;日本海鲈40.7-;香鱼53.6-;黄海鲷40.1-;竹荚鱼43.5-(均以干重计)。但胶原蛋白的种类要少得多,已从鱼类中分离鉴定出的胶原类型有:广泛分布在真皮、骨、鳞、鳔、肌肉等处的I型、软骨和脊索的Ⅱ型和Ⅺ型以及肌肉的V型。而鱼皮和鱼骨所含的Ⅰ型胶原蛋白是其主要胶原蛋白。此外,还发现ⅩⅧ型胶原,然而哺乳动物中含量比较丰富的Ⅲ型胶原,在水产动物中尚未发现。其中只有Ⅰ型胶原蛋白的价格人们才可以接受;其它类型的胶原如Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等仅在研究中制备,由于价格昂贵都不宜于大量生产。

由于无脊椎动物与脊椎动物在进化上相距遥远,它们的胶原性质存在明显的差异。水产无脊椎动物的胶原主要可分为两类,类Ⅰ型及类Ⅴ型胶原,均相当于脊椎动物的Ⅰ型胶原。其中类Ⅰ型胶原比较富含有丙氨酸和糖结合型的羟赖氨酸,广泛的存在于软体动物的各种器官中,包括:乌贼类的皮和头盖软骨、章鱼的皮鲍的肌肉和外套膜等。类Ⅴ型胶原是丙氨酸含量比较少、富含糖结合型羟赖氨酸,已从矶海葵的中胶层、节足动物虾类和蟹类的肌肉及皮下膜以及原索动物罗氏石勃卒的肌膜体中分离出来。与脊椎动物相比,水产无脊椎动物的胶原显著难溶,富含于羟赖氨酸,尤其是糖结合型含量多,而且纤维的直径小于50nm。有人对海参胶原研究发现,刺参体壁含蛋白 3.3-,其中70-为胶原蛋白。氨基酸分析,胶原富含丙氨酸和羟脯氨酸,但羟赖氨酸含量较少,SDS电泳及SP凝胶柱分析发现其胶原组成为(α1)2α2。还有人从仿刺参(S.japonicus)提取胶原蛋白,利用 EDTA 和 Tris-HCl 浸泡溶涨,用氢氧化钠除去杂质和非胶原蛋白,采用胃蛋白酶促溶提取粗制胶原,通过盐析和透析获取精致胶原蛋白,并进一步利用 Sephacryl S-300 HR 凝胶过滤和 DEAE-52 阴离子交换除去多糖,获取胶原蛋白纯品。SDS-PAGE 电泳表明胶原分子的组成为 (α1)3,且α链类似于脊椎动物Ⅰ型胶原的α1链,热收缩温度为57℃,低于牛皮胶原5℃。还有人对采自日本Senzaki 海湾的Stomolopus meleagri水母的外伞组织进行了分析。整个中胶层被分成三部分,利用醋酸首先将冻干的水母中胶层分为酸溶性蛋白和酸不溶性物质,利用NaCl溶液将酸溶性蛋白分为酸溶性胶原蛋白和酸溶性非胶原蛋白,而不溶入醋酸的中胶层经胃蛋白酶处理后大多变为可溶性的胶原质。然后利用氨基酸分析仪对分离得到的三部分的组成分别进行分析。发现该水母外伞中胶原蛋白含量很高,大约占干重的 46.4-。经 SDS 聚丙烯酰胺凝胶电泳分析其胶原蛋白是由三个独特α 链组成,按照它们的移动位置分别分别确定为 α1、α3、α2链。氨基酸分析表明S.meleagri 水母外伞胶原质中甘氨酸含量最高,每1000个氨基酸残基含有309个甘氨酸,其次为谷氨酸、脯氨酸和丙氨酸,分别为98、82和82个残基,羟基脯氨和羟基赖氨酸数也较高,分别为40和27。外伞中高的胶原蛋白含量表明水母资源是一个潜在的胶原蛋白源。

Ⅰ型胶原分子长度约300nm,直径约1.5nm,呈棒状,由三条肽链组成,其中有两条α(Ⅰ)链,一条

α(Ⅱ)链。对机体功能作用最强。α(Ⅰ)链和α(Ⅱ)链之间的氨基酸序列只有微小的差异。有人利用Ⅰ型胶原蛋白的电脑模型来模拟结缔组织的外基质结构,结果表明,用其它一些基团取代Ⅰ型胶原蛋白两条链上氨基乙酸就会导致骨合成异常。第3条α链多存在于绝大多数真骨鱼类,尤其是鱼皮,其他陆生脊椎动物没有。由3条异种α链形成的单一型杂分子α1(Ⅰ)α2(Ⅰ)α3(Ⅰ)组成,而非[α1(Ⅰ)]2α2(Ⅰ)。有人研究了黑石首鱼和羊头海鲷的骨和鳞的酸性胶原蛋白(ASC)的电泳类型,发现在电泳谱带上可以清楚地看到β、γ、α1和α2组分,且α1的分子量为130 kD,α2的分子量为110 kD。因此,在某些鱼类中,与其他组织,如肌肉和膀胱相比较,鱼皮胶原蛋白中的α3(Ⅰ)链更适宜传递。

IV型胶原蛋白非常细小而且呈线性分布在组织内部,是连接表皮和真皮的主要要素。Ⅴ型胶原的肽链由2 条α1链和 1 条α2链或由3条α1链组成,存在 3 种组装形式:[α1(Ⅴ)]3、[α1(Ⅴ)]2α2(Ⅴ)和α1(Ⅴ)、α2(Ⅴ)、α3(Ⅴ),其中以[α1(Ⅴ)]2α2(Ⅴ)为主。Ⅴ型胶原分布在细胞周围以及Ⅰ型胶原的周围,可能在基膜和结缔组织之间起着桥梁作用,已经从数种鱼类肌肉中分离出来。XV型胶原蛋白分布较广而且多分布在血管、神经组织的外围地带,而且其与角化细胞肿瘤黑素细胞肿瘤发生有关。

Ⅺ型胶原是异三聚体,其组成为α1 (Ⅺ)α2 (Ⅺ)α3 (Ⅺ),Ⅺ型胶原是软骨的微量成分,在软骨胶原纤维的形成和软骨基质的组成中起着重要作用,且常与Ⅱ型胶原共存。陆生生物的软骨组织较水生生物含量高的多,所以Ⅱ型胶原的研究的对象大多是陆生生物,虽然在1984 年已经从鲨鱼的软骨中分离出来Ⅱ型胶原,但是从水产动物提取Ⅱ型胶原的研究并不多。

ⅩⅧ型胶原发现的相对较晚,同源性较高,还有不同的亚类,主要存在于肺、肝脏和肾脏等组织中。属于被称之为multi-plexin的特殊胶原亚族,含有其他胶原所没有的C末端非三螺旋区(non-triple-heli-cal regions,NC1),这一特殊结构使其与其他仅由三螺旋结构组成的胶原相比拥有更好的灵活性。ⅩⅧ型胶原的研究主要集中在医学和分子生物学领域,如胚胎中的转录表达。

一般是白色、透明的粉状物,分子呈细长的棒状,相对分子质量从约2kD至300kD不等。胶原蛋白具有很 强的延伸力,不溶于冷水、稀酸、稀碱溶液,具有良好的保水性和乳化性。胶原蛋白不易被一般的蛋白酶水解,但能被动物胶原酶断裂,断裂的碎片自动变性,可被普通蛋白酶水解。当环境pH低于中性时,胶原的变性温度为40~41℃,当环境pH为酸性时,胶原的变性温度为38~39℃。

胶原蛋白红外光谱图册参考资料。

胶原蛋白是一种两性电解质,这取决于两个因素,其一,胶原每个肽链具有许多酸性或碱性的侧基;其二,每个肽链的两端有α-羧基和α-氨基,都具有接受或给予质子的能力,它们可在特定的pH值范围内,解离产生正电荷或负电荷,换句话说,随着介质的pH值,不同胶原即成为带有许多正电荷或负电荷的离子。胶原肽链侧基的pKa值与其组成氨基酸侧基的pKa值略有不同,这是由于在蛋白质分子中受到邻近电荷的影响所造成的。等电点是7.5~7.8,呈现出偏碱性,因为胶原的肽链中碱性氨基酸比酸性氨基酸多一点。由于是高分子,在水溶液中具有胶体性质和一定粘度,粘度在等电点时最低,而且温度越低,粘度越大。

不同分子量分布胶原蛋白溶液的黏度与溶质浓度、溶剂、pH、温度和外加电解质有关。在等电点时胶原蛋白溶液的黏度最低,pH值低于或高于等电点时,胶原蛋白及多肽均将带一定电荷,溶液的黏度相应增大,离等电点越远,溶液的黏度越大;不同分子量分布胶原蛋白及多肽溶液的黏度均随温度升高而下降。胶原蛋白分子量越大,浓度越大,溶液的黏度越高,高分子量胶原蛋白溶液的黏度随浓度增加呈指数上升,而低分子量胶原蛋白溶液的黏度则随浓度增加近似直线上升;在胶原蛋白及多肽溶液中加入电解质会导致其黏度明显上升。

胶原蛋白的水解产物含有多种氨基酸,其中以甘氨酸最为丰富。其次为丙氨酸、谷氨酸和精氨酸,半胱氨酸、色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低,因此,胶原蛋白属不完全蛋白质。水解猪皮胶原所得的肽类产物中含有19种氨基酸,其中包括7种成人必需氨基酸和2种幼儿必需的半必需氨基酸;而且氨基酸总量高达90-以上。在八种人体必需氨基酸中含有六种:异亮氨酸(Ile)为1.21-,亮氨酸(Leu)和苯丙氨酸(Phe)为4.89-,缬氨酸(Val)2.95-,苏氨酸(Thr)为1.95-,赖氨酸(Lys)为1.94-。

胶原的相对分子质量大,电泳图有3条泳带,在100kD附近出现的2条泳带分别是胶原分子的α1链和α2链,在200 kD附近出现的1条泳带是胶原分子的β链。即胶原的每条多肽链相对分子质量可达100kD,1个胶原分子相对分子质量为300kD。多肽分子量的测定方法常用SDS-PAGE,凝胶色谱法以及质谱法。有人采用凝胶过滤色谱法测定脱铬革屑中胶原水解产物分子量分布在16.1KD左右。飞行时间质谱法测定比目鱼皮胶原寡肽分子量的分布主要集中在0.6~1.8kD。动物蛋白酶水解后的胶原多肽的分子量在2~7kD,比植物蛋白酶水解的胶原多肽分子量范围更广。

胶原的热稳定性是指测定其在水系中纤维的热收缩温度(Ts),或溶液中分子的热变性温度(Td)。Ts和Td之差一般在20~25℃,而 Ts值较Td值容易测定。Td还可以表示胶原螺旋被破坏的温度,另外还与其亚氨基酸(脯氨酸和羟脯氨酸)的含量有关,尤其是羟脯氨酸含量,它们之间存在正相关,冷水性鱼类的羟脯氨酸含量最低,所以冷水性鱼类胶原蛋白Td值明显低于暖水性鱼类,而又都低于陆生动物。但鱼皮胶原蛋白与鱼肉胶原蛋白相比,其真皮的Td要比肌肉的低1℃左右,这与肌肉胶原中脯氨酸的羟基化率较真皮胶原高有关。有人测定了多种鱼皮可溶性胶原蛋白的氨基酸组成,并与牛皮的氨基酸组成进行了比较,发现鱼皮胶原蛋白的羟脯氨酸和脯氨酸等亚氨酸含量比牛皮的低。此外,鱼皮明胶与牛皮明胶相比,其固有的粘度、热变性温度均比较低。

胶原蛋白的热变性温度可以通过测定胶原蛋白溶液增比黏度的变化来确定。其方法是将胶原蛋白样品溶于一定量的缓冲溶液中,并配制成一定浓度的溶液,然后用乌式黏度计测量溶液在一定温度区间内保持一定时间后的增比黏度,以增比黏度对温度作图,当增比黏度变化50-时所对应的温度即为热变性温度。热变性温度还可通过拉曼光谱和差示扫描量热法等进行测定。有人测得鲈鱼、鲫鱼和鳙鱼鱼皮胶原蛋白的热变性温度分别为 25、27和30℃,它们的栖息水温分别为 26~27、29 和32℃,亚氨基酸含量分别为17.2-、18.1-和 18.6-,与 3 种鱼皮胶原的热变性温度相吻合Ⅱ型胶原和Ⅺ型胶原Ⅱ型胶原由三条α1肽链组成,即[α1(Ⅱ) ]3,富含羟赖氨酸,并且糖化率高,含糖量可达 4-,是软骨中的主要胶原。另外,即使同一生物,皮和骨胶原蛋白的热变形温度也可能不一,像来自日本海鲈、鲐鱼、大头鲨和眼斑的皮胶原蛋白的变性温度为25.0~26.5℃,而骨胶原蛋白的变性温度则为29.5~30.0℃。附带结论是骨胶原蛋白的变性温度范围整体上比皮胶原蛋白的变性温度范围要高。而且骨胶原蛋白和皮胶原蛋白在不同pH时的溶解度不同。这表明皮和骨胶原蛋白的分子特性和构型存在差异。

作为生物高分子,胶原的强度不大,有研究表明胶原蛋白的凝胶强度与其浓度的平方几乎成正比关系,强度测定可用凝胶强度计。

特别提示:明胶、胶原蛋白和水解胶原蛋白并不相同。明胶是胶原在高温作用下的变性产物,其组成复杂,相对分子质量分布宽,由于高温造成胶原蛋白变性,胶原分子的3股螺旋结构被破坏,但可能有部分α链的螺旋链还存在,因此一定浓度的明胶溶液能成凝胶状。在食品工业、摄影和制药业中被广泛应用。据报道,全世界每年生产的明胶产品中,有65-用于食品工业,20-用于照相工业,10-用于制药工业。水解胶原蛋白是在较高温度下用蛋白酶水解胶原或明胶得到的,受温度和酶的双重作用,使水解胶原蛋白的相对分子质量比明胶更小,由于在较高温度条件下,蛋白酶对胶原肽键的水解是随机的,使水解得到的蛋白液组成也很复杂,是相对分子质量从几千到几万的蛋白多肽的混合物。由于分子量小,水解胶原蛋白容易降解,所以在营养保健品和日用化学品开发方面拥有一定的市场。水解胶原蛋白可用于生物发酵培养基,也可以作为一种高蛋白饲料营养添加剂替代进口鱼粉用于混、配合饲料生产。胶原、明胶和水解胶原蛋白这3种物质虽具有同源性,但在结构和性能上却有很大的区别。胶原保留特有的天然螺旋结构,在某些方面表现出明显优于明胶和水解胶原蛋白的性能,如胶原止血海绵止血性能优于明胶海绵,作为澄清剂用的鱼胶原如果变性则沉降能力明显降低。然而,人们对这3种物质的认识常常产生混淆,认为它们具有相同性质,甚至认为它们是同一种物质。

水解胶原蛋白和胶原多肽也并不相同,可以近似认为是宏观和微观的关系。胶原蛋白分子经水解后主要形成相对分子量较小的胶原多肽,由于胶原蛋白独特的三股超螺旋结构,性质十分稳定,一般的加工温度及短时间加热都不能使其分解,从而造成其消化吸收较困难,不易被人体充分利用。水解后其吸收利用率可以提高很多,且可以促进食品中的其它蛋白质的吸收。胶原多肽除了肽链的两端含有未缩合的末端羧基和氨基外,在侧链上还含有Lys的ε-NH2以及Asp和Glu的-COOH。胶原多肽可完全溶解于水(冷水亦可溶解),水溶液低粘度,在60-的高浓度下也有流动性,耐酸碱性能好,在酸、碱存在的情况下均无沉淀;耐高温性能好,200℃加热亦无沉淀,同时它还具有良好的吸油性、起泡性和吸水性等。

一级结构是蛋白质分子中氨基酸以肽键连接的顺序,每一种蛋白质分子,都有其特定的氨基酸组成和排列方式,由此就决定了不同的空间结构和功能。蛋白质分子中一级结构关键部位氨基酸的改变,会直接影响其功能,这个关键部位就是蛋白质分子的活性中心。已发现并确认了不下30种类型的胶原蛋白。

一般的蛋白质是双螺旋结构,而作为细胞外基质(ECM)的一种结构蛋白,胶原蛋白由三条多肽链构成三股螺旋结构,或称胶原域,即3条多肽链的每条都左旋形成左手螺旋结构,再以氢键相互咬合形成牢固的右手超螺旋结构。胶原特有的左旋a链相互缠绕构成胶原的右手复合螺旋结构,这一区段称为螺旋区段,螺旋区段最大特征是氨基酸呈现(Gly-X-Y)n 周期性排列,其中 x、Y 位置为脯氨酸(PrO)和羟脯氨酸(Hyp),是胶原蛋白的特有氨基酸,约占25-,是各种蛋白质中含量最高的;胶原蛋白中存在的羟基赖氨酸(Hyl)在其它蛋白质中不存在,它不是以现成的形式参与胶原的生物合成,而是从已经合成的胶原的肽链中的脯氨酸(Pro)经羟化酶作用转化来的。而一般陆生哺乳动物蛋白质中羟脯氨酸和焦谷氨酸的含量极微少。与陆生动物相比,水生动物中的胶原蛋白,其脯氨酸和羟脯氨酸的总量少,而含硫元素的蛋氨酸(Met)含量要远大于陆生动物中的胶原蛋白。

一级结构是组成胶原蛋白多肽链的氨基酸序列;胶原蛋白分子是由3条左手螺旋(二级结构)的多肽链组成,它们相互缠绕形成一个在中心分子轴周围的右手螺旋(三级结构);完整的胶原蛋白分子的长度约280 nm,直径约1.5 nm;在Ⅰ型胶原原纤维的二维结构(小角X线衍射图谱和透射电子显微照片)中,胶原分子通过一个或多个4 D距离与另一个胶原分子交错,D表示在小角X线衍射图谱中所见的基本重复距离,或电子显微照片中所见的重复距离。因为胶原分子的长度约是4.4 D,胶原分子的交错引起约有0.4 D的折叠区和约0.6 D的缺损区。

胶原蛋白中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)和谷氨酸(Glu)含量较高,特别是甘氨酸,约占总氨基酸的27-,也有报道说占1/3,即每隔两个其它氨基酸残基(X,Y)即有一个甘氨酸,故其肽链可用(Gly-X-Y)n 来表示。每个原胶原分子由三条α-肽链组成,α-肽链自身为α螺旋结构,肽链中每三个氨基酸残基中就有一个要经过此三股螺旋中央区,而此处空间十分狭窄,只有甘氨酸适合于此位置,由此可解释其氨基酸组成中每隔两个氨基酸残基出现一个甘氨酸的特点。特别注意,X、Y均表示任意的氨基酸,只不过X通常是脯氨酸,Y通常指羟脯氨酸。同时还含有少量3-羟脯氨酸(3-hydroxyproline)和5-羟赖氨酸(5-hydroxylysine,Hyl)。羟脯氨酸残基可通过形成分子内氢键稳定胶原蛋白分子。三条α-肽链借范德化力、氢键及共价交联则以平行、右手螺旋形式缠绕成“草绳状”三股螺旋结构,使胶原具有很高的拉伸强度。

由于胶原是细胞外间质成分,在体内以不溶性大分子结构存在,并与蛋白多糖、糖蛋白等结合在一起,因此胶原的制备包括材料的选择、预处理、酸碱酶盐水法提取、不同类型胶原的分离和纯化。

除胶原蛋白外,动物骨中还含有油脂、多种矿物质和其他杂质,因此在被用于提取胶原蛋白之前必须进行预处理。先剔除动物骨上残留的肉质和肌腱等杂物,粉碎后用正丁醇或正己烷萃取出骨油。最后除去骨中无机物以提高胶原蛋白的得率。除去骨中的矿物质可用稀酸或EDTA溶液。有人用原料用5倍质量的1.0moL/LHCL脱钙处理2d,用正乙烷脱脂后再用胃蛋白酶酶解,在加酶量150U/g,pH值1.7,37℃条件下处理120min,然后在固液比1∶6的情况下抽提5h,在此条件下,提取率可达18-;还有人用EDTA溶液(pH7.4)浸泡骨料5d,可有效脱去骨料中的羟基磷灰石。

胶原蛋白的提取一般有三种方法:一是高压辅助的物理方法;二是用溶剂预处理结合低温或热水抽提的化学方法,根据溶剂的不同,可分为热水浸提法、酸法、碱法、盐法;三是用酶的生物化学法。一般来说,高压辅助和热水抽提针对明胶的提取,而低温抽提和酶法针对胶原的提取,但其基本原理都是根据胶原蛋白的特性改变蛋白质所在的外界环境,把胶原蛋白从其他蛋白质中分离出来。

在实际提取过程中,不同提取方法之间往往相互结合,可以得到较好的提取效果。采用超高压处理系统对原料给予高压处理一段时间,使其组织结构和胶原蛋白的三股螺旋结构发生松弛、变性,便于分离提取。

热水提取法是将原料经过除杂蛋白等前处理之后,在一定条件下直接用热水浸提已经变性了的胶原蛋白或胶原蛋白水解物,使用的温度有100℃沸水浴、60-70℃、40-45℃。

酸法提取是利用一定浓度的酸溶液在一定的条件下提取胶原蛋白,主要采用低离子浓度酸性条件破坏分子间盐键和希夫碱,而引起纤维膨胀、溶解,采用酸法提取的胶原蛋白通常成为酸溶性胶原蛋白。酸溶解法可将没有交联的胶原分子溶解出来,也可溶解含有醛胺类交联键的胶原纤维,然后释放到溶剂中。酸法是提取胶原蛋白比较常用和有效的方法,用低温酸法提取的胶原最大程度的保持了其三螺旋结构,适用于医用生物材料及原料的制备。通常的做法是将适当浓度的酸液按一定料液比加入到经过预处理的骨粉中,于0~25℃搅拌提取一定时间。在采用酸法进行胶原蛋白的提取时,注意提取温度不宜过高,以免胶原蛋白的生物活性发生破坏。取样经前处理后,匀浆在低温下用酸浸提,离心即可得酸溶性胶原蛋白(acid-soluble collagen,ASC)。作为溶剂使用的酸,主要有盐酸、磷酸、甲酸、乙酸、苹果酸、柠檬酸等,但大多数研究集中于乙酸抽提,像Maria Sadowska等用0.5mol/L柠檬酸在室温下提取骨胶原蛋白,其提取率略低于乙酸提取。柠檬酸因不产生颜色和异味得以广泛使用于食品工业的胶原蛋白的提取。

酸法处理时,反应强烈,水解彻底,多生成氨基酸混合物,而且使用酸提取时,根据酸浓度、水解温度、水解时间等条件的不同,可以得到分子量不均的胶原水解物。但是在即使中等浓度酸彻底水解过程中色氨酸也会全部被破坏,丝氨酸和酪氨酸也会部分被破坏,且设备腐蚀严重。因此,酸法溶出生物医用胶原要准确控制酸度、温度、时间等影响因素。由于各种不足,酸法很少单独使用,一般和酶法配合。比如以猪皮为原料,在柠檬酸(pH8.6)和胃蛋白酶协同下提取胶原蛋白。在处理后的猪皮中加0.05moL/L含有胃蛋白酶的柠檬酸溶液(pH2.5-3)处理一段时间,然后再用NaCL盐析,最后提取率为12.35-,提取物保持了完整三股螺旋结构的I型胶原蛋白。还有人以雏鸡胸软骨为原材料,在0.5moL/L醋酸条件下经胃蛋白酶多次消化,在4℃,20000r条件下离心20min,最后应用DEAE-Sephadex A-50进行离子交换层析,之后透析,再用NaCL盐析,最后得到纯化的胶原蛋白Ⅱ型。

碱法提取即利用一定浓度的碱在一定的外界条件下提取胶原蛋白,碱处理法中常用的处理剂为石灰、氢氧化钠、碳酸钠等,用氢氧化钠浸提时效果较好。一般的是把样品匀浆后,用碱溶液多次溶胀后,再离心提取。但由于易引起蛋白质变性,如胶原肽键水解,含羟基、疏基的氨基酸全部被破坏;所得产物等电点pH值较低,天冬酞胺和谷氨酞胺分别转变为天冬氨酸和谷氨酸,得到的水解产物分子量较在酸性溶液中比低等问题,若比较严重的话,还会产生 D、L-型氨基酸消旋混合物,若D型氨基酸含量高过L 型氨基酸,则会抑制L-型氨基酸的吸收,有些D型氨基酸有毒,甚至有致癌、致畸和致突变的作用。而且碱法提取的含量较低,用氢氧化钠从鱿鱼皮中提取碱溶性胶原蛋白,其得率只有3-(以湿基计)。所以,若想提取结构完整、使用安全的胶原蛋白,很少采用此方法。有关单独采用碱法提取胶原蛋白的报道不多,一般是碱法提取和酸法提法结合使用。比如在4℃条件下,鱼骨用0.1moL/L的NaOH浸泡6h,再用2.5-NaCl浸泡6h去除杂蛋白,用10-的异丙醇溶液去除脂肪,0.1moL/L的柠檬酸浸泡3d,最后得到无色无味的胶原蛋白,提取率为11.87-。

注意,无论酸法或碱法,均可有效地提取胶原蛋白,有人分别采用醋酸- 盐酸的混合酸液(pH3.0)和NaOH溶液(pH12.0)提取骨胶原蛋白,提取率基本相当。但是,这两种方法提取胶原蛋白不仅容易影响胶原蛋白的生物活性,而且提取后产生的酸性或碱性废液必须进行适当处理,以避免对环境造成污染。

盐法提取是利用各种不同的盐在不同的浓度条件下提取盐溶性胶原蛋白的方法。常用来提取胶原的盐有盐酸-三羟甲基胺基甲烷(Tris-HCl)、氯化钠、柠檬酸盐等。在中性条件下,当盐的浓度达到一定量时,胶原就会溶解在其中,但是胶原的溶解和分级受中性盐效应影响,有的盐可提高胶原的稳定性,而有的则可降低其构象稳定性,从而对提取天然胶原蛋白很不利。此外,可采用不同浓度的氯化钠对提取的胶原蛋白进行盐析处理,可以沉淀出不同类型的胶原蛋白。

酶法提取是指可溶性胶原和酸溶性胶原被提取后,需用一些蛋白酶,如胶原酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等水解,得到不同的酶促溶性胶原蛋白。所使用的蛋白酶主要分3种:动物蛋白酶(如胰蛋白酶,胃蛋白酶),植物蛋白酶(如木瓜蛋白酶,菠萝蛋白酶),微生物蛋白酶(如碱性蛋白酶,中性蛋白酶)。在对酶法水解胶原蛋白的研究中,以碱性蛋白酶应用最多。

将胶原进行限制性降解,即将末端肽切割下来,由于胶原肽链间的共价键都是通过分子末端肽里的赖氨酸或羟赖氨酸的相互作用形成的,末端肽被切下后,含三螺旋结构的主体部分可溶于稀有机酸而被提取出来。用酶处理,可以水解掉胶原纤维蛋白的末端肽,提高胶原蛋白的产率;而且还不会破坏胶原蛋白的三股螺旋结构,保持其特性。影响酶提取的因素有很多,如酶浓度、酶与底物的比例、酶解时间、酶解温度、pH值以及料液比等。在实际操作中,大多数采用酶复合法提取胶原蛋白,较多的是使用胃蛋白酶提取,有机酸多为乙酸。

酶解胶原蛋白的工艺主要分为单酶水解法和多酶水解法。多酶水解法又分为混合酶水解法(比如牛胰蛋白酶,链霉菌蛋白酶,芽孢杆菌蛋白酶混合)和分步酶水解法,酶法提取皮胶原具体实验工艺及条件的选取通常应考虑要开发的产品对分子量的要求,要得到分子量较小的胶原多肽一般采用多酶水解法。影响酶解效果的因素主要有:酶的种类、加酶量、酶解温度、酶解时间、pH值及料水比。采用酶法提取骨料中的胶原蛋白,既能有效缩短提取时间,又能获得具有良好生物活性的胶原蛋白,而且对环境的污染也较小。胶原蛋白不易被普通蛋白酶水解,但能被动物胶原酶断裂,断裂的碎片自动变性后可被普通蛋白酶水解。胃蛋白酶水解胶原蛋白的适宜条件为pH 1.65~1.70、温度37℃。

有人以猪骨为原料,用蛋白酶的酶解反应代替传统制胶工艺,对骨胶原的酶解反应与酶法制胶工艺进行了试验研究。结果表明:以胃蛋白酶对骨胶原的提取率最高(46.14-),其次是胰蛋白酶(43.42-),接下来是中性蛋白酶(30.14-),最后是碱性蛋白酶(21.15-)。并且通过单因素和正交试验对胃蛋白酶酶解反应中各主要影响因素进行了优化。试验结果表明,胃蛋白酶提取的最优条件是,胃蛋白酶的浓度是1-,在pH2.0的条件下酶解48h,然后在浓度为10-(w/v)的NaCL溶液中盐析24h,最后骨胶原的回收率为64.77-,骨胶原的提取率为49.75-。还有人用胃蛋白酶提取猪皮胶原蛋白,分别在水解0、2、6、10、14、18、22、26h时对四种不同胃蛋白酶用量(分别为1-、2-、2.5-、3-)的试样取样检测,采用一阶HILL方程模拟胃蛋白酶提取猪皮胶原蛋白的进程以及胃蛋白酶水解速率的衰减过程,最后得出2-的胃蛋白酶用量和6-7h的水解时间提取率最大。还有人用以新鲜猪皮为原料,在50-52℃的条件下用胰酶进行水解,在酶用量为 5000:1~10000:1,pH值为9,反应2-3h,原料:水为1:2的条件下酶解。结果表明:总蛋白质的提取率≥80-。

采用酶法提取胶原蛋白时,必须严格控制提取条件。首先,酶作用时间必须适当。如果时间过短,胶原蛋白就不能充分释放到提取液中,影响提取率;如果酶作用时间过长,胶原蛋白会水解过度,产生过多的苦味小分子低聚肽,不仅会增加分离纯化的难度,也会影响胶原蛋白的功能特性和生物活性。其次,酶解温度要适宜。温度过低,酶的作用效果不明显;温度过高会引起酶的失活和胶原蛋白的变性。据报道,当介质pH略低于中性时,胶原蛋白的变性温度为40~41℃,当介质pH为酸性时,胶原蛋白的变性温度为38~39℃,而且鱼皮胶原蛋白的变性温度要比猪皮胶原蛋白的变性温度低7~12℃。所以,如果要使提取的胶原蛋白具有良好的生物活性,在提取过程中应使提取温度低于变性温度。第三,需选用适当的酶。一般从陆生哺乳动物组织中提取胶原蛋白时,采用胃蛋白酶在其最适作用温度下进行提取是合理的,但对于鱼类等水生动物,由于其胶原蛋白的变性温度比陆生哺乳动物低,因此许多蛋白酶便不适用,如果在这些酶的最适作用温度下提取可能会破坏胶原蛋白的某些功能特性和生物活性。采用酶法提取胶原蛋白及其多肽的研究主要是从动物皮及其加工副产物中,应用酶法从动物骨中提取胶原蛋白及其多肽报道较少。

可用于胶原蛋白的纯化方法包括盐析法、透析法、离心法、电泳法和色谱法,其中盐析法、离心法和电泳法最为常用。由于单一方法难以完全分离纯化胶原蛋白,实际操作都是通过复合法来达到分离纯化胶原蛋白的目的。盐析法一般采用高浓度NaCl;离心法常选用制备型低温超速离心机;电泳法多采用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳法(SDS-PAGE),该法既可用于胶原蛋白的分离纯化,还可用来测定胶原蛋白分子的相对分子质量。像有人用破碎、酶解、盐析三步法提纯苏尼特羊骨骼I型胶原蛋白。先去除骨头里的非胶原物质,然后往沉淀中10-的胃蛋白酶,在4℃的条件下消化24h,以14000r/min离心40min。弃沉淀往上清液中加NaCL,使它终浓度达到0.9moL/L,静止过夜,再离心,最后的沉淀就是I型胶原蛋白。

指使胶原分子内部和分子间通过共价健结合提高胶原纤维的张力和稳定性的方法。该法又分为物理方法、化学方法和低温等离子体法,生物学方法;其中物理方法、化学方法是最常用的交联改性方法,生物学方法改性胶原蛋白主要在研究有关动物老化的生命现象中涉及,在研制胶原基生物医学材料中少见报道。

物理方法

通过物理手段对胶原蛋白改性有紫外线照射、重度脱水、λ射线照射和热交联等方法。胶原溶液如被紫外线等照射,将在分子间产生交联,粘度增加,生成凝胶。常用的紫外线交联胶原膜的方法是将胶原膜放在铝箔上,距离254 nm紫外灯20 cm高度,照射1~5 h。对紫外线照射的胶原膜进行力学性能和胶原酶试验表明:交联胶原膜的萎缩温度Ts和抗胶原酶解的能力均显著高于未交联胶原膜。

重度脱水也是胶原蛋白物理改性中常使用的方法,该法是通过脱水导致胶原分子间交联,从而增加变性温度,改善胶原的性能。改性后胶原膜生物相容性提高,降低了水溶性,影响了膜与成骨细胞的生物相容性。物理方法改性原蛋白的优点是可避免外源性有毒化学物质进入胶原内,缺点是胶原膜交联度低,且难以获得均匀一致的交联。

化学方法

化学方法比物理方法改性交联度高,且能获得均匀一致的交联,对调节、控制胶原的各性质均有效。已广泛应用于各种化学试剂交联胶原,以提高其交联度、力学性能及生物相容性。化学改性法具体又可分为使用化学试剂交联、侧链的修饰、生理活性物的固定化三种方法。

化学试剂交联法中常用的化学交联剂有戊二醛、己异二氰酸酯、碳化二亚胺、叠氮二苯基磷等,其中戊二醛是应用最广泛的试剂,大量实验证明:戊二醛能提供有效交联,但有细胞毒性,且其用量难以控制。另外,随着交联度的增加,吸水能力和膨胀度却会降低。酰基叠氮化物、聚环氧化物或京尼平交联等,不会引入明显的毒性,且可获得理想的交联效果。所见报道中,多使用单一交联剂对胶原蛋白交联改性,但也有使用混合交联剂的,如为了解决人工心脏瓣膜晚期钙化问题,筛选出环氧丙烷化学改性戊二醛处理生物瓣的方法,可明显减低瓣膜组织胶原蛋白末端游离羧基含量。动物实验表明,经改性后的瓣膜组织能保持较好的组织稳定性和机械抗张强度、免疫原性测试为阴性,符合临床应用。

侧链修饰就是对胶原分子侧链的氨基和羧基进行化学修饰,改善电荷分布,使胶原获得新的特性,例如将胶原氨基丁二酰化,可变成负电荷丰富的胶原。与未修饰胶原蛋白相比血小板粘附能,血纤维蛋白形成能都弱,有抗栓性;然而如将胶原羧基甲基化获得的正电荷丰富的胶原,生理条件下血小板粘附能、活化能都高。与交联改性相比,在生物材料领域,利用侧链修饰对胶原改性所做的工作还较少。

化学方法虽然可获得均匀一致的交联,但存在着引入外源有毒试剂,残留试剂难清除等缺点。一些报道表明,低温等离子体技术改性胶原或胶原复合膜可使材料表面引入不同基团,改变材料表面化学组分和结构,从而改变材料的特性,如使之更具有细胞识别位,提高表面能,改善表面极性等。

胶原单独使用,物理机械性能差(这几乎是天然材料共有的弱点),性能单一,且因有亲水性强,在体内易被胶原酶降解等不可避免的弱点限制了它的应用。但如将胶原与其它物理、化学性质不同的合成或天然高分子共混,组成一种多相固体材料,在性能上胶原与其它高分子互相补充,胶原基“复合材料”的概念由此产生。

已见报道的与胶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世纪80~90年代初最有代表性的是聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)和聚乙烯醇与胶原共混,其报道集中于复合方法、复合机理、理化及生物学性能、材料表面和整体结构、表面修饰的方法和机理以及水凝胶的溶胀扩散等,尤其是水凝胶制备、作软组织替代、药物缓释等。后来利用可生物降解的聚乳酸、聚乙醇酸、聚酸酐、聚谷氨酸、聚亚乙基四乙酸等与胶原共混改性制备可吸收外科缝线、组织工程支架材料(如组织引导再生材料)的相关研究相对增多。不过合成高分子与胶原蛋白共混复合一些问题,如尼龙等不降解高分子材料不能进行生理代谢,与胶原蛋白复合后只能用做皮肤的外层敷料不能永久代替皮肤,而聚谷氨酸等可生物降解材料,如果相对分子质量小则强度不够,相对分子质量大难溶于水,溶解时还出现降解,影响材料的机械强度。

天然高分子材料中最具代表性的是天然蛋白质和天然多糖,多糖主要有软骨素、HA(透明质酸)、壳聚糖、肝素等,多糖复合材料比较集中于可吸收性外科缝线、药物释放的载体、皮肤替代物、透析膜、止血剂、医用引导组织再生材料、骨替代材料、组织培养系统的支架。

胶原作为医用生物材料,最重要的特点在于其低免疫原性,与其它具有免疫原性的蛋白质相比,胶原蛋白的免疫原性非常低。人们甚至曾认为胶原不具有抗原性,研究表明:胶原具有低免疫原性,不含端肽时免疫原性尤其低。胶原有三种类型的抗原分子,第一类是胶原肽链非螺旋的端肽,在天然和变性胶原中均存在。由于2个不同种类的哺乳动物中间的胶原蛋白,其整个氨基酸序列变化不是很大,而且胶原蛋白的三螺旋区域有高度的进化稳定性,但在非螺旋的末端区域中有很大的变化性,在这区域中几乎50-以上的氨基酸残基表现出种属性变化,大量的研究和生产都集中在如何完全去除端肽,只要去除端肽就认为是安全的。第二类是胶原的三股螺旋的构象,仅存在于天然胶原分子中,即位于天然胶原蛋白的三螺旋结构中的抗原决定簇,会在分离和纯化过程中暴露出来,尤其是含α1和α2单链暴露出的中央端情况下更为明显。第三类是α-链螺旋区的氨基酸顺序,只出现在变性胶原中。

免疫学分析和研究结果表明,使用胶原加完全弗氏佐剂,能对胶原产生多克隆和单克隆抗体。由T细胞启动的对胶原蛋白免疫反应的证据是,位于重要组织相容性(H-2)部位上ⅠA或ⅠB亚区的免疫反应基因已被鉴定。胶原蛋白免疫原性的临床评价通常是皮肤过敏性测试(细胞免疫指数,迟发性Ⅳ型反应)和由反应型抗体的存在(体液免疫指数)来确定的。实践证明,在患者身上进行这两种评价是合理的。在治疗前,用过敏剂量的植入性胶原对患者进行皮试,大约3-有潜在的反应,反复多次处理的患者,大约1-~2-会产生迟发性过敏性的临床病状,典型的症状包括局部水肿和红斑反应,有的还伴有硬化和瘙痒,持续时间4~6个月,个别甚至可达1年以上。

生物相容性是指胶原与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。胶原本身是构成细胞外基质的骨架,其三股螺旋结构及交联所形成的纤维或网络对细胞起到锚定和支持作用,并为细胞的增值生长提供适当的微环境。无论是在被吸收前作为新组织的骨架,还是被吸收同化进入宿主成为宿主的一部分,都与细胞周围的基质有着良好的相互作用,表现出相互影响的协调性,并成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分。比如海绵状I型胶原蛋白与兔脂肪干细胞具有良好的体外生物相容性,能为组织工程种子细胞的生长提供适宜的三维空间,可作为脂肪组织工程种子细胞的载体材料。

胶原能被特定的蛋白酶降解,即生物降解性。因胶原具有紧密牢固的螺旋结构,所以绝大多数蛋白酶只能切断其侧链,只有胶原酶、弹性蛋白酶等特定的蛋白酶在特定的条件下才能降解胶原蛋白,断裂胶原肽键。胶原的肽键一旦断裂,其螺旋结构随即被破坏而彻底水解为小分子多肽或氨基酸,小分子物质可以进入血液循环系统,被机体重新利用或代谢排出。可生物降解性是胶原蛋白能作器官移植材料被利用的基础。

胶原具有止血性能,该性能的发挥通过两方面实现,即促进血小板凝聚和血浆结块。胶原可以与血小板通过粘合、聚集形成血栓起到止血作用。当血管壁的内皮细胞被剥离时,血管中的胶原纤维暴露于血液中,血液中的血小板立刻与胶原纤维吸附在一起,发生凝聚反应,生成纤维蛋白并形成血栓,进而血浆结块阻止血流。胶原的天然结构胶原具有凝聚能力的基础。胶原是参与创伤愈合的主要结构蛋白。止血活性依赖于胶原聚集体的大小和分子的天然结构,变性的胶原(明胶)诱导止血无效。研究表明,胶原蛋白能有效诱导血小板聚集,与二磷酸腺苷比较,胶原蛋白诱导不受初始剂量、浓度等因素的影响,表现迅速而彻底。

胶原蛋白是肌体自然蛋白,对皮肤表面的蛋白质分子具有较大的亲和力、较弱的抗原性、良好的生物相容性和生物降解安全性,可降解吸收,粘着力好。由胶原制成的手术缝合线既有与天然丝一样的高强度,又有可吸收性,在使用时既有优良的血小板凝聚性能,止血效果好,又有较好的平滑性和弹性,缝合结头不易松散,操作过程中不易损伤机体组织,对创面有很好的黏附性,一般情况下只需较短时间的压迫就可达到满意的止血效果。所以胶原蛋白可以制成粉状、扁状及海绵状的止血剂。同时用合成材料或胶原蛋白在血浆代用品、人造皮肤、人工血管、骨的修复和人工骨和固定化酶的载体等方面的研究和应用方面都十分的广泛。

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,胶原易加工成型,故纯化的胶原蛋白可制成许多不同形式的材料,如膜,带,薄片,海绵,珠体等,但以膜形式应用的报道最多。胶原制备膜用于生物医学,除具有生物可降解性、组织可吸收性、生物相容性、弱抗原性外,还主要有:亲水性强,抗张强度高,具有类似真皮的形态结构,透水透气性好;高抗张强度和低延展性决定的生物塑性;官能团多,可进行适度交联改性,从而可控制其生物降解速度;可调节溶解(溶胀)性;与其它生物活性组分一起使用,具有协同效应;可与药物相互作用;交联或酶处理去端肽可使抗原性降低,可隔离微生物,有生理活性,如有血凝作用等优点。同时也存在以下缺点:胶原的分离纯化及加工处理复杂,分离的胶原交联密度、纤维大小等具有多样性。酶解胶原速度多变,条件难于控制;且纯胶原干燥后质地脆,成膜能力并不强,其膜延展性低,易干裂,抗水性差,遇水易溶胀,在体内易降解,潮湿环境中易受细菌侵蚀而变质,此外还可能导致一些副反应,如组织钙化等。故实际应用中,常常通过一定方法将胶原蛋白改性,通过改性避免胶原蛋白制备材料的缺点,提高胶原的拉伸强度及抗降解能力,降低膨胀率,改善胶原的力学性能与抗水性。

临床应用形式有水溶液、凝胶、颗粒剂、海绵和薄膜等。同样这些形状都可用于药物缓释,已获准上市和正在研发的胶原蛋白药物缓释应用大都集中在眼科中抗感染和青光眼治疗,创伤中的局部治疗及伤口修复的控制感染,妇科的宫颈发育异常和外科的局部麻醉等。

由于胶原蛋白广布于人体各组织中,系各组织中的重要成分并构成组织细胞外基质(Extracelluarmatrix,ECM),其性质是一种天然的组织支架材料。从临床应用的角度,人们用胶原蛋白制成各种各样的组织工程支架,如皮肤、骨组织、气管和血管支架等。然而以胶原本身而言就有两大类,即纯胶原制备的支架和与其它成分复合而成的复合物支架。纯胶原蛋白组织工程支架具有生物相容性好、易加工、可塑性并能促进细胞黏附、增殖等优点,但也有胶原蛋白的力学性能差,在含水时难以塑形,无法支撑组织重建等不足。其次在修复处的新生组织会产生各种各样的酶,将胶原蛋白水解,导致支架崩解,而采用交联或复合的方式能改善与提高。现已成功地将胶原蛋白基生物材料用于人工皮肤、人工骨、软骨移植和神经导管等组织工程产品。有人用嵌入软骨细胞的胶原蛋白凝胶来修复软骨缺陷并尝试用上皮、内皮和角膜细胞附在胶原蛋白海绵以适应角膜组织。还有人混合自体同源的间叶细胞中的茎状细胞和胶原蛋白凝胶制作肌腱用于腱后修复。

以胶原蛋白为基质作真皮辅以上皮成分构成的组织工程人工皮肤药物缓释胶以胶原蛋白为主要成分的给药系统应用非常广泛,可以把胶原蛋白水溶液塑造成各种形式的给药系统,如眼科方面的胶原蛋白保护物、烧伤或创伤使用的胶原海绵、蛋白质传输的微粒、胶原蛋白的凝胶形式、透过皮肤给药的调控材料以及基因传输的纳米微粒等。此外,还可作为组织工程包括细胞培养系统的基质、人工血管和瓣膜的支架材料等。

自体皮肤移植一直是治疗二度和三度烧伤的全球标准方法,然而对于严重烧伤的病人,缺少合适的可移植的皮肤成了最严峻的问题,有人利用生物工程技术通过婴儿皮肤细胞培育出婴儿皮肤组织,这种胶原蛋白组织在没有自体移植的情况下,在3周到18个月不等的时间里可治愈不同程度的烧伤,而且新长出的皮肤也很少表现出肥大增生和抗性。还有人用人工合成的聚-DL-乳酸-羟基乙酸(PLGA)和天然胶原蛋白来培育三维的人皮肤纤维原细胞,结果表明:细胞在合成网状物上生长更快,而且内外几乎同步生长,增殖细胞和分泌的胞外基质更均一,把这种纤维植入无皮的大鼠背部,2周后就长出了真皮组织,4周后就长出了上皮组织。

胶原蛋白由动物皮提取,皮中除胶原蛋白外还含有透明质酸、硫酸软骨素等蛋白多糖,它们含有大量极性基团,是保湿因子,且有阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素的作用,故胶原蛋白有纯天然保湿、美白、防皱、祛斑等作用,可广泛应用于美容用品中。胶原蛋白的化学组成、结构赋予了它是美容的基础。胶原蛋白与人体皮肤胶原的结构相似,为非水溶性纤维状含糖蛋白质,分子中富含大量氨基酸和亲水基,具有一定的表面活性和很好的相容性,同时由于其分子中含有大量的羟基,因此它有着相当好的保湿作用。在相对湿度70-时,仍可保持其自身重量45-的水分。试验证明:0.01-的胶原蛋白纯溶液就能形成很好的保水层,供给皮肤所需要的全部水分。

随着年龄的增长,成纤维细胞的合成能力下降,若皮肤中缺乏胶原蛋白,胶原纤维就会发生联固化,使细胞间粘多糖减少,皮肤便会失去柔软、弹性和光泽,发生老化,同时真皮的纤维断裂、脂肪萎缩、汗腺及皮脂腺分泌减少,使皮肤出现色斑、皱纹等一系列老化现象。将其作为活性物质用于化妆品中时,后者可以扩散到皮肤的深层,其含有的酪氨酸与皮肤中的酪氨酸竞争,而与酪氨酸酶的催化中心结合,从而抑制黑色素的产生,使皮肤中的胶原蛋白活性增强,保持角质层水分以及纤维结构的完整性,促进皮肤组织的新陈代谢,对皮肤产生良好的滋润保湿、消皱美容作用。早在20世纪70年代初,美国就率先推出注射用牛胶原,用于祛斑除皱纹及修复瘢痕。

不过在化妆品中,单纯用作营养性护肤类原料通常要求分子量在2KD以下,以让水解胶原能渗透入皮肤内。而护发类化妆品除要求水解胶原具有保湿性以外,还应具有一定的成膜性,因此,水解胶原的分子量要求会更高。

胶原蛋白亦可用于食品,早在十二世纪Bingen 的 St.Hilde-gard 就描述了利用小牛的软骨汤作为药物来治疗关节疼痛,在相当长的一段时间里,含胶原的一些产品被人们认为对关节是很有益处的。因为它具有适用于食品的一些属性:食用级通常外观为白色,口感柔和,味道清淡,易消化。可以降低血甘油三酯和胆固醇,并可以增高体内某些缺乏的必需微量元素使之维持在一个相对的正常范围之内,它是一种理想的降血脂食品。此外,有研究表明,胶原蛋白可以协助排除体内的铝,减少铝在体内的聚集,降低铝质对人体的危害,并一定程度上促进指甲和头发的生长。Ⅱ型胶原是关节软骨中的主要蛋白,因而是潜在的自身抗原。口服后能诱导T细胞产生免疫耐受,从而抑制T细胞介导的自身免疫性疾病。胶原多肽是胶原或明胶经蛋白酶等降解处理后制得的具有较高消化吸收性、分子量约为2000~30000的产物,不具有明胶的凝胶性能,市场上销售的胶原多为胶原多肽。

胶原的一些品质使得它在许多食品中用作功能物质和营养成分具有其它替代材料难以比拟的优点:胶原大分子的螺旋结构和存在结晶区使其具有一定的热稳定性;胶原天然的紧密的纤维结构使胶原材料显示出很强的韧性和强度,适用于薄膜材料的制备;由于胶原分子链上含有大量的亲水基团,所以与水结合的能力很强,这一性质使胶原在食品中可以用作填充剂和凝胶;胶原在酸性和碱性介质中膨胀,这一性质也应用于制备胶原基材料的处理工艺中。

胶原蛋白粉可直接加入到肉制品,以影响肉类的嫩度和肉类蒸煮后肌肉的纹理。研究表明,胶原蛋白对原料肉和烹饪肉质地的形成非常重要,胶原蛋白含量越高,肉的质地越硬。像鱼肉的嫩化被认为与V型胶原蛋白降解有关,其肽键的破坏引起的细胞外周胶原纤维的裂解被认为是肌肉嫩化现象的主要原因。通过破坏胶原蛋白分子内的氢键,使原有的紧密超螺旋结构破坏,形成分子较小、结构较为松散的明胶,既可改善肉质的嫩度又可提高其使用价值,使其具有良好的品质,增加蛋白质含量,既口感好又有营养。日本还开发出了动物胶原蛋白为原料经胶原蛋白水解酶水解、调制开发出新型调味品和清酒,不但有特殊的风味,还能补充部分氨基酸。

随着各类香肠制品在肉制品中所占的比例越来越大,天然的肠衣制品严重缺乏。研究人员正致力于替代品的开发,以胶原蛋白质为主要的胶原肠衣本身是营养丰富的高蛋白物质,在热处理过程中随着水分和油脂的蒸发与溶化,胶原几乎与肉食品的收缩率一致,而其他的可食用包装材料还没有被发现具有这种品质。另外,胶原蛋白本身具有固定化酶的功能,具有抗氧化性,可以改善食品的风味和质量。产品应力与胶原蛋白含量的多少成正比,而应变则成反比。

胶原蛋白是人体骨骼,尤其是软骨组织中的重要组成成分。胶原蛋白就像骨骼中的一张充满小洞的网,它会牢牢地留住就要流失的钙质。没有这张充满小洞的网,即便是补充了过量的钙,也会白白地流失掉。而胶原蛋白的特征氨基酸羟基脯氨酸是血浆中运输钙到骨细胞的工具。骨细胞中的骨胶原是羟基磷灰石的黏合剂,它与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体。而骨质疏松的实质是合成骨胶原的速度跟不上需要,换言之,新的骨胶原的生成速度低于老的骨胶原发生变异或老化速度。研究表明,如果缺少胶原蛋白,补充再多的钙质也无法防止骨质疏松,因此,只有摄入足够的可与钙结合的胶原蛋白,才能使钙在体内被较快消化吸收,且能较快的达到骨骼部位而沉积。

将胶原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮溶在柠檬酸缓冲液里制得胶原蛋白-PVP聚合物(C-PVP),用于受伤骨骼的加固不仅效果好,安全性也高,即使长周期的连续用药,不管是实验还是临床试验都不表现出淋巴肿大、DNA损伤,不会引起肝和肾的代谢紊乱,也不诱发人体产生抗C- PVP的抗体。

饲料用胶原蛋白粉是以制革的残次皮料、皮边角余料等副产物为原料,运用物理、化学或生物技术方法处理得到的蛋白质产品。制革厂鞣革后匀削和剪裁产生的固体废弃物统称为鞣革废渣,其干物质的主要成分就是胶原蛋白。处理后可作为一种动物源性蛋白营养添加剂,替代或部分替代进口鱼粉,用于混、配合饲料的生产,具有较好的饲喂效果和经济效益。其蛋白质含量高,富含18种以上氨基酸,含有钙、磷、铁、锰、硒等矿物质元素,并带有芳香味。研究表明,水解胶原蛋白粉可部分或全部替代生长肥育猪日粮中的鱼粉或豆粕,但添加比例不能超过 6-,当含量达 8-时则显著降低生产性能及日粮消化率,增加饲养成本。

还有人进行了生长试验和消化试验以评价水产饲料中胶原蛋白替代鱼粉的效果。生长试验是在基础饲料(对照组,含鱼粉 12-)中分别以 2-、4-胶原蛋白等重量替代鱼粉饲养平均体重6.5g的异育银鲫(共 315 尾)35 d,各组鱼体增重率分别为 71.3-、70.9-、71.9-,各组间没有显著差异(P>0.05);消化试验是采用平均体重 110g 的异育银鲫,按套算法测定了异育银鲫对胶原蛋白的蛋白质消化率为 97.3-。研究结果表明,胶原蛋白具有很高的消化吸收率,可部分替代鱼粉而对异育银鲫的增重无影响。

有人研究了膳食铜缺乏与老鼠心脏胶原蛋白含量之间的关系。通过SDS- PAGE分析,再用考马斯亮蓝染色,结果表明检测改变了的胶原蛋白的额外代谢特征可预测铜缺乏;由于肝脏纤维化可减少蛋白质含量,因此还可通过测定肝脏中胶原蛋白的含量来预测肝脏纤维化。Anoectochilusformosanus的水提取物(AFE)则可降低CCl4诱发的肝脏纤维化,降低肝脏胶原蛋白的含量。胶原蛋白还是巩膜的主要成分,对眼睛的作用也非常重要,如果巩膜中胶原蛋白的合成减少而降解增加就会导致近视。

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