膠原蛋白的應用前景分析
2007-06-04 17:12
行業分析
膠原是蛋白質中的一種,英文名“collagen”,由希臘文演化而來。膠原是一種白色、不透明、無支鏈的纖維蛋白質,它主要存在于動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中,是結締組織極重要的結構蛋白質,起著支撐器官、保護機體的功能。膠原是哺乳動物體內含量最多的蛋白質,占體內蛋白質總量的25%-30%,相當于體重的6%。
膠原蛋白是細胞外基質(EMC)的主要化合物,隨著生物化學、分子生物化學和細胞生物化學的進展,人們對膠原蛋白的認識逐漸提高,現在已經肯定膠原蛋白并不是一個蛋白質的名稱,而是和免疫球蛋白一樣,富有多樣性和組織分布的特異性,是與各組織、器官機能有關的功能性蛋白。根據它們在體內的分布和功能特點,可將膠原分成間質膠原、基膜膠原和細胞外周膠原。
膠原是一個蛋白質家族,現在已發現18個或19個成員,從皮膚和骨骼中分離出了Ⅰ型膠原,從軟骨組織中分離出了Ⅱ型膠原,從胚胎皮膚中分離出了Ⅲ型膠原,從細胞基底膜中分離出了Ⅳ型膠原,這些都是通過蛋白質水平上的一級結構分析發現的,而其它是通過在核酸水平上膠原域的相似性分析發現的。
膠原蛋白的分子量為30萬道爾頓,它是由3條肽鏈結合而成的三螺旋結構,并互相盤繞成螺旋結構[1-2]。膠原的一級結構是其化學結構,揭示了蛋白質中有多少種氨基酸,每種氨基酸有多少個,這些氨基酸是怎樣構成多肽鏈的。膠原的二級結構是直接關系到它在體內執行的功能。它是指多肽鏈主鏈骨架中的若干肽段所形成的有規則的空間排布。膠原的三級結構是描述整個肽鏈(主、側鏈)空間排布,主要揭示肽鏈之間次級鍵(極性基團產生離子鍵、氫鍵和范德華力,非極性基團產生的疏水鍵、范德華力等)的作用。除次級鍵外,膠原分子內和分子間存在醇醛縮合交聯、醛胺縮合交聯、醛醇組氨酸交聯,這些交聯使得2-3條肽鏈牢固地連接起來,使得膠原具有很高的抗張強度。膠原的四級結構對它的分子大小、形狀、生物功能等起著決定性作用。
膠原蛋白質結構和功能特點的多樣性和復雜性,決定了其在許多領域的重要地位,以及良好的應用前景。
生物、醫學領域:膠原具有重要的生物學性質—力學性能高、促進細胞生長、止血、生物相容性和生物降解性,多年來一直促使許多研究者設想制備膠原基生物材料。然而直到近20a,隨著膠原化學的發展,人們對膠原的結構和性質有了更為清楚的認識,這種設想才得以變為現實?，F在,膠原在醫學材料中的應用展示出令人鼓舞的發展前景。
膠原作為生物材料的特點
低免疫原性:膠原的抗原性相當低,在1954年以前,甚至認為膠原不具有抗原性。最近的研究表明,膠原有3種類型的抗原因子:第1類是由膠原肽鏈非螺旋的端肽引起的;第2類是由膠原三股螺旋的構象引起的;第3類是由α鏈螺旋區的氨基酸順序引起的。
第2類抗原因子僅存在于天然膠原分子中,第3類只出現在變性膠原中,而第1類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中均存在。20世紀90年代以來,人們發現Ⅰ型膠原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型Ⅵ型膠原低得多,其組織膠原的端肽的免疫原性比螺旋微區以及其它微區都要強。
因而,在制備可溶性膠原醫用產品時,應除去膠原的端肽;但應用于組織基的膠原材料,則應保留端肽,目的是保存交聯位點,賦予組織材料所需要的完整結構。研究發現用戊二醛交聯,可部分降低膠原材料的免疫原性[6]。
細胞-基質間的相互作用:膠原基材料與宿主細胞及組織之間良好的相互作用,并成為細胞與組織正常生理功能的一部分。膠原基材料除了可增加細胞的粘結外,還能改善細胞的生長、分化和移動。膠原蛋白作為細胞外間質的主要成分,與其他成分以特定的形式排列結合,形成細胞外間質的網狀結構。這種結構對細胞起到錨定和支持作用,并為細胞的增殖生長提供適當的微環境。在生理或病理機制的調控下,膠原蛋白有機地參與細胞遷移和代謝,從而使細胞更準確地發揮其功能。
與血小板的相互作用:膠原使血小板凝聚的能力似乎來源于游離的氨基,尤其是賴氨酸側鏈氨基,因此,封閉膠原側鏈羧基,不會造成凝聚能力的明顯下降,不過會減弱膠原促使血漿結塊的作用。膠原的天然結構,尤其是足夠發達的四級結構,是膠原具有凝聚能力的基礎。膠原對血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制備凝血材料,比如膠原/殼聚糖復合膜的止血性能比明膠等一般材料好得多。
纖維的再形成性:經純化的可溶性膠原,可在體外再次形成與天然膠原纖維相似的有序纖維結構。在制備可溶性膠原時,雖然已通過酶的作用除去了膠原分子的端肽,但可溶性膠原在體外的再形成過程仍然存在?？扇苄阅z原其免疫原性被大大減弱,又能形成纖維,獲得與原有結構相似的堆砌,從而有利于細胞-基質間相互作用的過程。利用其這一性質,可制成適合于移植用的膏狀注射物或海綿等。
機械性能:膠原纖維具有很高的機械強度的重要原因在于膠原的交聯。膠原分子間和分子內有次級鍵:氫鍵對維持膠原的構象起重要作用,而分子內和分子間的共價交聯,是賦予膠原高度化學和物理穩定性的一個重要因素,這種交聯方式有3種:酰胺縮合、羥醛縮合、羥醛組氨酸交聯。膠原分子間的側向交聯表現出高強度的力學行為。
研究表明:在按四分之一錯列排布的原膠原分子的頭、尾部重疊區段,通過賴氨酸或羥賴氨酸形成共價交聯,分別在氮端尾肽的第9個殘基位置(N9)和碳端尾肽的第17個殘基位置(C17)。以這種方式交聯起來的原膠原分子,可以形成很長的具有很好的機械強度的原纖維。制備過程中盡可能保留蛋白多糖,以維持膠原固有的卷曲。膠原的這種結構有利于組織在受到外力作用時能量的耗散,避免其破裂。
生物可降解性:天然膠原緊密的螺旋結構使得大多數蛋白酶只能打斷膠原側鏈,削弱膠原分子的交聯。而膠原肽鍵只有在膠原酶的水解作用下,才會被打斷。
膠原肽鏈的斷裂造成其螺旋結構的破壞,這樣膠原就可以被蛋白酶徹底水解。膠原的生物降解性可以通過在膠原分子側鏈之間產生交聯來減小或抑制。鞣制就是起到這樣的作用。生物材料最常用的鞣制劑是戊二醛,其無毒、鞣性持久。
膠原在生物、醫學上的應用
膠原基生物材料的應用:
(1)心臟瓣膜
目前已發展的有2類:一類是機械瓣膜,一類是生物瓣膜。用膠原基材料制作成的生物瓣膜的缺點是植入人體后會產生鈣化,一般在前10a使用期內性能良好?，F在,材料科學家正竭力合成新的醫用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術,減輕患者痛苦。
(2)血管修復
由于心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。應用生物組織基心血管裝置的主要優勢,是直徑小于5mm的心血管置換器。與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件,并且膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長,而不需要高密度孔結構,以及可與天然血管在物理性質上較好的匹配等優點。
(3)可溶性膠原
可溶性膠原在適當的緩沖液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。其對軟組織的擴增、恢復,特別是對矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管包括肌聲帶的修復、牙周方面的治療。
(4)創傷、燒傷修復材料
膠原敷料有多種形式,如膜扁、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,并吸收創傷滲出液,可與宿主細胞外基質相互作用,以促進細胞在新結締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導分化及成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創傷修復。
(5)膠原止血劑
膠原與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關聯的一系列過程的進行,從而可迅速凝血。作為止血劑使用的膠原,可以是粉狀、扁狀及海綿狀等多種物理形態。與膠原類止血材料相競爭的有纖維素、明膠和纖維衍生物,后者優勢是價格較低,但是膠原的止血效果更好。
(6)明膠
膠原經溫和水解而產生肽鍵的不可逆斷裂后,所得的主要產物是明膠。
最近的研究表明:明膠特別是水解明膠,對多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、皮膚搔癢、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。在治療中水解明膠無刺激性和副作用,它能滋潤皮膚、修補和促進傷口愈合。此外,它在內科病學中也有用武之地,對慢性胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。
(7)人工皮膚
眾所周知,第一個面市的組織工程材料的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應用方面最為成功的組織工程材料。國內在這方面有較多的研究,其一般方法是:先從某種含有膠原的原料中提取膠原,經過酶消化、純化,制成膠原的分散液,再向其中加入其它物質(一般是殼聚糖或高分子物質等),均勻混合制成膠原膜。必要時,還可以用甲醛進行交聯[10]。Yan2nas[11]等人報道了在氣相醛介質中,膠原與糖胺聚糖交聯,制備分子量Mc為800～60000的膠原糖胺聚糖材料的方法。由這種材料制造的人造皮膚,比其它方法制備的同類材料的長期貯存更穩定。
(8)固定化酶載體和膠囊
膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應基團,如羥基、羧基和氨基等,易于吸收和結合多種酶和細胞,實現固定化,它具有與酶和細胞親合性好、適應性強的特點。另外膠原是一種成膜性好的物質,并具有生物相容性,在體內可被逐步吸收,因此,膠原蛋白固定化酶特別適合于人工應用材料[12]。
膠原在醫藥工業中的另一重要用途是基于膠原微囊包封的藥物輸送系統。微囊包封就是把細小顆粒獨立包裹上保護性的涂層。涂層起到分離、貯存和運輸的作用,以便被包裹物在預定的條件下釋放出來,從而起到控制或緩釋的效果。釋放的條件取決于濕度、pH、化學結合作用,釋放的機理與保護層的構造有關,如膜的過濾性、腐蝕、破裂等。微膠囊的直徑一般在3～800μm之間,核的重量占10%～90%。被包裹的核材料種類很多,包括粘合劑、農藥、活細胞、香水、藥劑和墨水等。膠囊外殼材料多數為有機聚合物,也有的采用脂類和蠟[7]?，F在,以明膠改性聚合物制造控制藥物釋放的微球和微膠囊正越來越常見。
(9)膠原膜
膠原不僅可以保護和促進角膜上皮細胞的生長,而且還可作為“藥膜”,使在結膜囊內的藥物逐漸釋放入眼內,從而在短時間內在眼內達到較高濃度,并維持較長時間,還可減少藥物的毒性,具有廣闊的發展前景。
盡管膠原以其優良的性質得到重視,但其不可避免的弱點也限制了它的應用。如膠原具有天然材料共有的弱點:物理機械性能差,其生物降解性在某些應用上也是一個弱點。而合成材料盡管其力學性能良好并且性能穩定,但生物相容性普遍較差。因此產生了“復合材料”的概念,即制備膠原-高分子復合材料,使其同時具有2種材料的共同優點,取長補短,從而向實現發展“理想”的生物材料的目標邁進了一步,并將為醫用生物材料的變革性發展提供廣闊的前景。
膠原蛋白在化妝品中的應用
蛋白質是生物體中最主要的組成物質,包括覆蓋人體的皮膚、毛發都是由蛋白質組成。此外,蛋白質幾乎主導著生物界全部的生命活動,如:細胞分裂、新陳代謝、傳遞信息,以及對疾病的抵抗能力,都是依賴蛋白質來完成的。
因此,在化妝品中,以蛋白質作為活性物質十分自然。美國CTFA化妝品原料手冊錄用的天然物質和《功能性化妝品原料》中,選用的天然物質中都有膠原蛋白或其水解產物(羥脯氨酸、脯氨酸、絲氨酸)[15]。膠原蛋白作為一類十分有效的化妝品原料,近幾年來發展很快。
由于膠原及其水解物與人皮膚膠原的結構相似,相容性好,存在著離子鍵、氫鍵等相互作用;由其制備的材料,可以擴散到皮膚的深層,對人的皮膚有很好的營養作用;同時由于其分子中含有大量的羥基,因此它有著相當好的保濕作用;其分子中的氨基和羧基又賦予它一定的表面活性,這使它與其它材料的相容性很好,且對皮膚無刺激性[16];隨著年齡的增長,成纖維細胞的合成能力下降,若皮膚中缺乏膠原蛋白,膠原纖維就會發生聯固化,使細胞間粘多糖減少,皮膚便會失去柔軟、彈性和光澤,發生老化,同時真皮的纖維斷裂、脂肪萎縮、汗腺及皮脂腺分泌減少,使皮膚出現色斑、皺紋等一系列老化現象[17]。膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料,可以滋潤肌膚,賦予其平滑感覺,對頭發也有很好的調理作用。在美國、德國、日本等國家,許多高檔化妝品中添加有膠原蛋白,甚至在人面部注射膠原以保持皮膚青春,減少皺紋。
在國外,對膠原蛋白在美容方面的作用已進行深入的研究。試驗證明:0.01%的膠原蛋白純溶液就有良好的抗各種輻射的作用,且能形成很好的保水層,能供給皮膚所需要的全部水分。膠原蛋白應用于化妝品中的功效總結起來有如下幾點:
(1)營養性
可以給予含有膠原蛋白的皮膚層所必需的養分,補充17種對人體有益的氨基酸,使皮膚中的膠原蛋白活性加強,保持角質層水分以及纖維結構的完整性,改善皮膚細胞生存環境和促進皮膚組織的新陳代謝,增強循環,達到滋潤皮膚、延緩衰老、美容、消皺、養發的功效。
(2)修復性
膠原蛋白和周圍組織的親和性很好,從而具有修復組織的作用。
(3)保濕性
由于膠原蛋白分子中含有大量的親水基,使之具有良好的保濕功效,能夠達到保持皮膚潤澤的目的。
(4)配伍性
膠原蛋白具有調節和穩定pH值、穩定泡沫、乳化膠體的作用。同時,作為一種功能性成分,在化妝品中可以減輕各種表面活性劑、酸、堿等刺激性物質對皮膚、毛發的損害。
(5)親和性
膠原蛋白對皮膚和頭發表面的蛋白質分子有較大的親和力,膠原蛋白主要通過物理吸附與皮膚和頭發結合,能耐漂洗處理。親和作用隨相對分子質量的增大而增強。相對分子質量小的分子可以滲入皮膚和頭發的表皮,有時還可以透過皮質層,達到營養皮膚的作用。相對分子質量較大的分子,每個分子結合位置較多,結合力增強,親和力增大。
膠原蛋白類產品性能溫和、功能多、使用安全,符合當代化妝品的潮流,是高檔化妝品的重要原料。國際市場銷售的化妝品用的蛋白質類原料近50種,我國只有N-?；z原水解蛋白縮合物、肌氨酸、粗絲氨酸和透明質酸等少數幾種產品出售。
目前,穆暢道等人已經建立了從動物皮膠原中,提取符合國家食品衛生級的膠原蛋白系列產品的方法,正開發膠原蛋白類系列化妝品。隨著生物化學和分子生物學的發展,生物原料越來越多地應用于化妝品中。膠原蛋白必將作為一種功能性的生物原料而成為化妝品原料系列中的重要一員,為人類保持青春發揮越來越大的作用。
在食品中的應用
食品是人類賴以生存的最基本的生活材料,人們飲食結構的改變最能直接反映生活水平的提高?，F在人們在飲食上不僅要求色、香、味俱佳,而且還要求食品具有保健、美容等功能。
人們食用含膠原蛋白豐富的食品,可使皮膚增加彈性、延緩衰老,同時還可強筋健骨,增強體質。由于膠原作為自然界可再生的資源,來源豐富,加上人們對綠色食品的向往,因此,膠原在食品中的應用越來越廣泛。
食用膠原一般來源于動物皮的真皮層、肌腱和骨膠原?？梢?皮膠原是主要的食用膠原。膠原具有適用于食品的一些屬性[7]:食用級膠原通常外觀為白色,口感柔和,味道清淡,易消化。
此外,膠原的一些獨特的品質,使得它在許多食品中用作功能物質和營養成分,具有其它替代材料無可比擬的優越性:
(1)膠原大分子的螺旋結構和存在結晶區,使其具有一定的熱穩定性;
(2)膠原天然的緊密的纖維結構,使膠原材料顯示出很強的韌性和強度,適用于薄膜材料的制備;
(3)大量膠原被用作制造腸衣等可食用包裝材料,其獨特之處是:在熱處理過程中,隨著水分和油脂的蒸發和熔化,膠原幾乎與肉食的收縮率一致。而其它的可食用包裝材料還沒被發現具有這些品質;
(4)由于膠原分子鏈上含有大量的親水基團,所以與水結合的能力很強,這一性質使膠原在食品中可以用作填充劑和凝膠;
(5)膠原在酸性和堿性介質中膨脹,這一性質也應用于制備膠原基材料的處理工藝中。
膠原蛋白用于食品行業的研究主要包括:
(1)食品包裝
近年來,各類香腸制品在肉制品所占的比例越來越大。由于傳統天然腸衣制品的產量受到限制,市場上出現了腸衣供不應求的情況,國內外許多食品專家開始研究天然腸衣的替代品—人造腸衣。用戊二醛對膠原蛋白進行處理,可使制品的熱穩定性大大提高。膠原蛋白制作腸衣,具有口感好、透明度好,制作工藝簡單等特點,很受用戶歡迎,在我國具有很好的開發前景。人工腸衣還有一些天然腸衣不可比的優點,如在人工腸衣中加入某些酶,使腸衣本身具有固化酶的功能,可以改善香腸風味和質量。
膠原蛋白還可作為食品粘合劑合成纖維膜,用作肉類、魚類等的包裝紙。此外膠原蛋白還可作為食品保護層,具有抗氧化性,可保持肉食品的顏色鮮亮[22]。
(2)肉制品添加劑
早在1983年就有專家建議:將膠原蛋白改性后,直接作為食品的一種組分。研究表明:將酸法制得的膠原蛋白粉,添加到肉制品中,不僅能改善產品品質(如口感、多汁),而且能提高產品的蛋白質含量,并且無不良氣味[23]。Meullenet[24]等人的研究顯示,添加膠原量2%、水20%左右時,臘腸的感觀、質地和口感最好。
(3)膠原小食品
膠原蛋白粉經調漿、成型、干燥、油炸等工序,可制得膠原小食品;調漿時,可根據口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品[23]。
(4)保健食品
膠原蛋白與體內鈣的關系,包括2個方面:①構成血漿中的膠原蛋白的羥基脯氨酸,是將血漿中的鈣運送到骨細胞的運載工具;②骨細胞中的膠原蛋白(骨膠原)則是羥基磷灰石的粘合劑,它與羥基磷灰石共同構成了骨骼的主體。由此不難看出,只要攝入足夠的可與鈣結合的膠原蛋白,才能使鈣在體內被較快消化吸收,且能較快的達到骨骼部位而沉積。因此,可以制成一種補鈣的膠原蛋白保健食品。
(5)膠原潛在的新應用
膠原的分散性使它可以代替傳統的魚膠作為啤酒和白酒的澄清劑;利用膠原的成膜性,可將其用作固化酶的膜材料和肉食品標簽,后者已經在歐洲實際應用[25]。
在膠原蛋白用于食品工業的研究方面,國外的研究比國內的研究更成熟。在國內,膠原食品的優越性還沒有得到消費者的充分認識,隨著人們生活水平的提高及對綠色食品的要求的提高,低脂高蛋白食品會越來越得到消費者的青睞。
膠原蛋白具有特殊的結構與功能,并具有廣泛的用途,膠原蛋白的開發和利用,目前已經成為人們關注和研究的熱點。隨著生物和高分子科學的不斷發展,人們會對此有更深的了解和認識.
膠原蛋白是細胞外基質(EMC)的主要化合物,隨著生物化學、分子生物化學和細胞生物化學的進展,人們對膠原蛋白的認識逐漸提高,現在已經肯定膠原蛋白并不是一個蛋白質的名稱,而是和免疫球蛋白一樣,富有多樣性和組織分布的特異性,是與各組織、器官機能有關的功能性蛋白。根據它們在體內的分布和功能特點,可將膠原分成間質膠原、基膜膠原和細胞外周膠原。
膠原是一個蛋白質家族,現在已發現18個或19個成員,從皮膚和骨骼中分離出了Ⅰ型膠原,從軟骨組織中分離出了Ⅱ型膠原,從胚胎皮膚中分離出了Ⅲ型膠原,從細胞基底膜中分離出了Ⅳ型膠原,這些都是通過蛋白質水平上的一級結構分析發現的,而其它是通過在核酸水平上膠原域的相似性分析發現的。
膠原蛋白的分子量為30萬道爾頓,它是由3條肽鏈結合而成的三螺旋結構,并互相盤繞成螺旋結構[1-2]。膠原的一級結構是其化學結構,揭示了蛋白質中有多少種氨基酸,每種氨基酸有多少個,這些氨基酸是怎樣構成多肽鏈的。膠原的二級結構是直接關系到它在體內執行的功能。它是指多肽鏈主鏈骨架中的若干肽段所形成的有規則的空間排布。膠原的三級結構是描述整個肽鏈(主、側鏈)空間排布,主要揭示肽鏈之間次級鍵(極性基團產生離子鍵、氫鍵和范德華力,非極性基團產生的疏水鍵、范德華力等)的作用。除次級鍵外,膠原分子內和分子間存在醇醛縮合交聯、醛胺縮合交聯、醛醇組氨酸交聯,這些交聯使得2-3條肽鏈牢固地連接起來,使得膠原具有很高的抗張強度。膠原的四級結構對它的分子大小、形狀、生物功能等起著決定性作用。
膠原蛋白質結構和功能特點的多樣性和復雜性,決定了其在許多領域的重要地位,以及良好的應用前景。
生物、醫學領域:膠原具有重要的生物學性質—力學性能高、促進細胞生長、止血、生物相容性和生物降解性,多年來一直促使許多研究者設想制備膠原基生物材料。然而直到近20a,隨著膠原化學的發展,人們對膠原的結構和性質有了更為清楚的認識,這種設想才得以變為現實?，F在,膠原在醫學材料中的應用展示出令人鼓舞的發展前景。
膠原作為生物材料的特點
低免疫原性:膠原的抗原性相當低,在1954年以前,甚至認為膠原不具有抗原性。最近的研究表明,膠原有3種類型的抗原因子:第1類是由膠原肽鏈非螺旋的端肽引起的;第2類是由膠原三股螺旋的構象引起的;第3類是由α鏈螺旋區的氨基酸順序引起的。
第2類抗原因子僅存在于天然膠原分子中,第3類只出現在變性膠原中,而第1類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中均存在。20世紀90年代以來,人們發現Ⅰ型膠原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型Ⅵ型膠原低得多,其組織膠原的端肽的免疫原性比螺旋微區以及其它微區都要強。
因而,在制備可溶性膠原醫用產品時,應除去膠原的端肽;但應用于組織基的膠原材料,則應保留端肽,目的是保存交聯位點,賦予組織材料所需要的完整結構。研究發現用戊二醛交聯,可部分降低膠原材料的免疫原性[6]。
細胞-基質間的相互作用:膠原基材料與宿主細胞及組織之間良好的相互作用,并成為細胞與組織正常生理功能的一部分。膠原基材料除了可增加細胞的粘結外,還能改善細胞的生長、分化和移動。膠原蛋白作為細胞外間質的主要成分,與其他成分以特定的形式排列結合,形成細胞外間質的網狀結構。這種結構對細胞起到錨定和支持作用,并為細胞的增殖生長提供適當的微環境。在生理或病理機制的調控下,膠原蛋白有機地參與細胞遷移和代謝,從而使細胞更準確地發揮其功能。
與血小板的相互作用:膠原使血小板凝聚的能力似乎來源于游離的氨基,尤其是賴氨酸側鏈氨基,因此,封閉膠原側鏈羧基,不會造成凝聚能力的明顯下降,不過會減弱膠原促使血漿結塊的作用。膠原的天然結構,尤其是足夠發達的四級結構,是膠原具有凝聚能力的基礎。膠原對血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制備凝血材料,比如膠原/殼聚糖復合膜的止血性能比明膠等一般材料好得多。
纖維的再形成性:經純化的可溶性膠原,可在體外再次形成與天然膠原纖維相似的有序纖維結構。在制備可溶性膠原時,雖然已通過酶的作用除去了膠原分子的端肽,但可溶性膠原在體外的再形成過程仍然存在?？扇苄阅z原其免疫原性被大大減弱,又能形成纖維,獲得與原有結構相似的堆砌,從而有利于細胞-基質間相互作用的過程。利用其這一性質,可制成適合于移植用的膏狀注射物或海綿等。
機械性能:膠原纖維具有很高的機械強度的重要原因在于膠原的交聯。膠原分子間和分子內有次級鍵:氫鍵對維持膠原的構象起重要作用,而分子內和分子間的共價交聯,是賦予膠原高度化學和物理穩定性的一個重要因素,這種交聯方式有3種:酰胺縮合、羥醛縮合、羥醛組氨酸交聯。膠原分子間的側向交聯表現出高強度的力學行為。
研究表明:在按四分之一錯列排布的原膠原分子的頭、尾部重疊區段,通過賴氨酸或羥賴氨酸形成共價交聯,分別在氮端尾肽的第9個殘基位置(N9)和碳端尾肽的第17個殘基位置(C17)。以這種方式交聯起來的原膠原分子,可以形成很長的具有很好的機械強度的原纖維。制備過程中盡可能保留蛋白多糖,以維持膠原固有的卷曲。膠原的這種結構有利于組織在受到外力作用時能量的耗散,避免其破裂。
生物可降解性:天然膠原緊密的螺旋結構使得大多數蛋白酶只能打斷膠原側鏈,削弱膠原分子的交聯。而膠原肽鍵只有在膠原酶的水解作用下,才會被打斷。
膠原肽鏈的斷裂造成其螺旋結構的破壞,這樣膠原就可以被蛋白酶徹底水解。膠原的生物降解性可以通過在膠原分子側鏈之間產生交聯來減小或抑制。鞣制就是起到這樣的作用。生物材料最常用的鞣制劑是戊二醛,其無毒、鞣性持久。
膠原在生物、醫學上的應用
膠原基生物材料的應用:
(1)心臟瓣膜
目前已發展的有2類:一類是機械瓣膜,一類是生物瓣膜。用膠原基材料制作成的生物瓣膜的缺點是植入人體后會產生鈣化,一般在前10a使用期內性能良好?，F在,材料科學家正竭力合成新的醫用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術,減輕患者痛苦。
(2)血管修復
由于心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。應用生物組織基心血管裝置的主要優勢,是直徑小于5mm的心血管置換器。與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件,并且膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長,而不需要高密度孔結構,以及可與天然血管在物理性質上較好的匹配等優點。
(3)可溶性膠原
可溶性膠原在適當的緩沖液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。其對軟組織的擴增、恢復,特別是對矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管包括肌聲帶的修復、牙周方面的治療。
(4)創傷、燒傷修復材料
膠原敷料有多種形式,如膜扁、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,并吸收創傷滲出液,可與宿主細胞外基質相互作用,以促進細胞在新結締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導分化及成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創傷修復。
(5)膠原止血劑
膠原與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關聯的一系列過程的進行,從而可迅速凝血。作為止血劑使用的膠原,可以是粉狀、扁狀及海綿狀等多種物理形態。與膠原類止血材料相競爭的有纖維素、明膠和纖維衍生物,后者優勢是價格較低,但是膠原的止血效果更好。
(6)明膠
膠原經溫和水解而產生肽鍵的不可逆斷裂后,所得的主要產物是明膠。
最近的研究表明:明膠特別是水解明膠,對多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、皮膚搔癢、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。在治療中水解明膠無刺激性和副作用,它能滋潤皮膚、修補和促進傷口愈合。此外,它在內科病學中也有用武之地,對慢性胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。
(7)人工皮膚
眾所周知,第一個面市的組織工程材料的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應用方面最為成功的組織工程材料。國內在這方面有較多的研究,其一般方法是:先從某種含有膠原的原料中提取膠原,經過酶消化、純化,制成膠原的分散液,再向其中加入其它物質(一般是殼聚糖或高分子物質等),均勻混合制成膠原膜。必要時,還可以用甲醛進行交聯[10]。Yan2nas[11]等人報道了在氣相醛介質中,膠原與糖胺聚糖交聯,制備分子量Mc為800～60000的膠原糖胺聚糖材料的方法。由這種材料制造的人造皮膚,比其它方法制備的同類材料的長期貯存更穩定。
(8)固定化酶載體和膠囊
膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應基團,如羥基、羧基和氨基等,易于吸收和結合多種酶和細胞,實現固定化,它具有與酶和細胞親合性好、適應性強的特點。另外膠原是一種成膜性好的物質,并具有生物相容性,在體內可被逐步吸收,因此,膠原蛋白固定化酶特別適合于人工應用材料[12]。
膠原在醫藥工業中的另一重要用途是基于膠原微囊包封的藥物輸送系統。微囊包封就是把細小顆粒獨立包裹上保護性的涂層。涂層起到分離、貯存和運輸的作用,以便被包裹物在預定的條件下釋放出來,從而起到控制或緩釋的效果。釋放的條件取決于濕度、pH、化學結合作用,釋放的機理與保護層的構造有關,如膜的過濾性、腐蝕、破裂等。微膠囊的直徑一般在3～800μm之間,核的重量占10%～90%。被包裹的核材料種類很多,包括粘合劑、農藥、活細胞、香水、藥劑和墨水等。膠囊外殼材料多數為有機聚合物,也有的采用脂類和蠟[7]?，F在,以明膠改性聚合物制造控制藥物釋放的微球和微膠囊正越來越常見。
(9)膠原膜
膠原不僅可以保護和促進角膜上皮細胞的生長,而且還可作為“藥膜”,使在結膜囊內的藥物逐漸釋放入眼內,從而在短時間內在眼內達到較高濃度,并維持較長時間,還可減少藥物的毒性,具有廣闊的發展前景。
盡管膠原以其優良的性質得到重視,但其不可避免的弱點也限制了它的應用。如膠原具有天然材料共有的弱點:物理機械性能差,其生物降解性在某些應用上也是一個弱點。而合成材料盡管其力學性能良好并且性能穩定,但生物相容性普遍較差。因此產生了“復合材料”的概念,即制備膠原-高分子復合材料,使其同時具有2種材料的共同優點,取長補短,從而向實現發展“理想”的生物材料的目標邁進了一步,并將為醫用生物材料的變革性發展提供廣闊的前景。
膠原蛋白在化妝品中的應用
蛋白質是生物體中最主要的組成物質,包括覆蓋人體的皮膚、毛發都是由蛋白質組成。此外,蛋白質幾乎主導著生物界全部的生命活動,如:細胞分裂、新陳代謝、傳遞信息,以及對疾病的抵抗能力,都是依賴蛋白質來完成的。
因此,在化妝品中,以蛋白質作為活性物質十分自然。美國CTFA化妝品原料手冊錄用的天然物質和《功能性化妝品原料》中,選用的天然物質中都有膠原蛋白或其水解產物(羥脯氨酸、脯氨酸、絲氨酸)[15]。膠原蛋白作為一類十分有效的化妝品原料,近幾年來發展很快。
由于膠原及其水解物與人皮膚膠原的結構相似,相容性好,存在著離子鍵、氫鍵等相互作用;由其制備的材料,可以擴散到皮膚的深層,對人的皮膚有很好的營養作用;同時由于其分子中含有大量的羥基,因此它有著相當好的保濕作用;其分子中的氨基和羧基又賦予它一定的表面活性,這使它與其它材料的相容性很好,且對皮膚無刺激性[16];隨著年齡的增長,成纖維細胞的合成能力下降,若皮膚中缺乏膠原蛋白,膠原纖維就會發生聯固化,使細胞間粘多糖減少,皮膚便會失去柔軟、彈性和光澤,發生老化,同時真皮的纖維斷裂、脂肪萎縮、汗腺及皮脂腺分泌減少,使皮膚出現色斑、皺紋等一系列老化現象[17]。膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料,可以滋潤肌膚,賦予其平滑感覺,對頭發也有很好的調理作用。在美國、德國、日本等國家,許多高檔化妝品中添加有膠原蛋白,甚至在人面部注射膠原以保持皮膚青春,減少皺紋。
在國外,對膠原蛋白在美容方面的作用已進行深入的研究。試驗證明:0.01%的膠原蛋白純溶液就有良好的抗各種輻射的作用,且能形成很好的保水層,能供給皮膚所需要的全部水分。膠原蛋白應用于化妝品中的功效總結起來有如下幾點:
(1)營養性
可以給予含有膠原蛋白的皮膚層所必需的養分,補充17種對人體有益的氨基酸,使皮膚中的膠原蛋白活性加強,保持角質層水分以及纖維結構的完整性,改善皮膚細胞生存環境和促進皮膚組織的新陳代謝,增強循環,達到滋潤皮膚、延緩衰老、美容、消皺、養發的功效。
(2)修復性
膠原蛋白和周圍組織的親和性很好,從而具有修復組織的作用。
(3)保濕性
由于膠原蛋白分子中含有大量的親水基,使之具有良好的保濕功效,能夠達到保持皮膚潤澤的目的。
(4)配伍性
膠原蛋白具有調節和穩定pH值、穩定泡沫、乳化膠體的作用。同時,作為一種功能性成分,在化妝品中可以減輕各種表面活性劑、酸、堿等刺激性物質對皮膚、毛發的損害。
(5)親和性
膠原蛋白對皮膚和頭發表面的蛋白質分子有較大的親和力,膠原蛋白主要通過物理吸附與皮膚和頭發結合,能耐漂洗處理。親和作用隨相對分子質量的增大而增強。相對分子質量小的分子可以滲入皮膚和頭發的表皮,有時還可以透過皮質層,達到營養皮膚的作用。相對分子質量較大的分子,每個分子結合位置較多,結合力增強,親和力增大。
膠原蛋白類產品性能溫和、功能多、使用安全,符合當代化妝品的潮流,是高檔化妝品的重要原料。國際市場銷售的化妝品用的蛋白質類原料近50種,我國只有N-?；z原水解蛋白縮合物、肌氨酸、粗絲氨酸和透明質酸等少數幾種產品出售。
目前,穆暢道等人已經建立了從動物皮膠原中,提取符合國家食品衛生級的膠原蛋白系列產品的方法,正開發膠原蛋白類系列化妝品。隨著生物化學和分子生物學的發展,生物原料越來越多地應用于化妝品中。膠原蛋白必將作為一種功能性的生物原料而成為化妝品原料系列中的重要一員,為人類保持青春發揮越來越大的作用。
在食品中的應用
食品是人類賴以生存的最基本的生活材料,人們飲食結構的改變最能直接反映生活水平的提高?，F在人們在飲食上不僅要求色、香、味俱佳,而且還要求食品具有保健、美容等功能。
人們食用含膠原蛋白豐富的食品,可使皮膚增加彈性、延緩衰老,同時還可強筋健骨,增強體質。由于膠原作為自然界可再生的資源,來源豐富,加上人們對綠色食品的向往,因此,膠原在食品中的應用越來越廣泛。
食用膠原一般來源于動物皮的真皮層、肌腱和骨膠原?？梢?皮膠原是主要的食用膠原。膠原具有適用于食品的一些屬性[7]:食用級膠原通常外觀為白色,口感柔和,味道清淡,易消化。
此外,膠原的一些獨特的品質,使得它在許多食品中用作功能物質和營養成分,具有其它替代材料無可比擬的優越性:
(1)膠原大分子的螺旋結構和存在結晶區,使其具有一定的熱穩定性;
(2)膠原天然的緊密的纖維結構,使膠原材料顯示出很強的韌性和強度,適用于薄膜材料的制備;
(3)大量膠原被用作制造腸衣等可食用包裝材料,其獨特之處是:在熱處理過程中,隨著水分和油脂的蒸發和熔化,膠原幾乎與肉食的收縮率一致。而其它的可食用包裝材料還沒被發現具有這些品質;
(4)由于膠原分子鏈上含有大量的親水基團,所以與水結合的能力很強,這一性質使膠原在食品中可以用作填充劑和凝膠;
(5)膠原在酸性和堿性介質中膨脹,這一性質也應用于制備膠原基材料的處理工藝中。
膠原蛋白用于食品行業的研究主要包括:
(1)食品包裝
近年來,各類香腸制品在肉制品所占的比例越來越大。由于傳統天然腸衣制品的產量受到限制,市場上出現了腸衣供不應求的情況,國內外許多食品專家開始研究天然腸衣的替代品—人造腸衣。用戊二醛對膠原蛋白進行處理,可使制品的熱穩定性大大提高。膠原蛋白制作腸衣,具有口感好、透明度好,制作工藝簡單等特點,很受用戶歡迎,在我國具有很好的開發前景。人工腸衣還有一些天然腸衣不可比的優點,如在人工腸衣中加入某些酶,使腸衣本身具有固化酶的功能,可以改善香腸風味和質量。
膠原蛋白還可作為食品粘合劑合成纖維膜,用作肉類、魚類等的包裝紙。此外膠原蛋白還可作為食品保護層,具有抗氧化性,可保持肉食品的顏色鮮亮[22]。
(2)肉制品添加劑
早在1983年就有專家建議:將膠原蛋白改性后,直接作為食品的一種組分。研究表明:將酸法制得的膠原蛋白粉,添加到肉制品中,不僅能改善產品品質(如口感、多汁),而且能提高產品的蛋白質含量,并且無不良氣味[23]。Meullenet[24]等人的研究顯示,添加膠原量2%、水20%左右時,臘腸的感觀、質地和口感最好。
(3)膠原小食品
膠原蛋白粉經調漿、成型、干燥、油炸等工序,可制得膠原小食品;調漿時,可根據口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品[23]。
(4)保健食品
膠原蛋白與體內鈣的關系,包括2個方面:①構成血漿中的膠原蛋白的羥基脯氨酸,是將血漿中的鈣運送到骨細胞的運載工具;②骨細胞中的膠原蛋白(骨膠原)則是羥基磷灰石的粘合劑,它與羥基磷灰石共同構成了骨骼的主體。由此不難看出,只要攝入足夠的可與鈣結合的膠原蛋白,才能使鈣在體內被較快消化吸收,且能較快的達到骨骼部位而沉積。因此,可以制成一種補鈣的膠原蛋白保健食品。
(5)膠原潛在的新應用
膠原的分散性使它可以代替傳統的魚膠作為啤酒和白酒的澄清劑;利用膠原的成膜性,可將其用作固化酶的膜材料和肉食品標簽,后者已經在歐洲實際應用[25]。
在膠原蛋白用于食品工業的研究方面,國外的研究比國內的研究更成熟。在國內,膠原食品的優越性還沒有得到消費者的充分認識,隨著人們生活水平的提高及對綠色食品的要求的提高,低脂高蛋白食品會越來越得到消費者的青睞。
膠原蛋白具有特殊的結構與功能,并具有廣泛的用途,膠原蛋白的開發和利用,目前已經成為人們關注和研究的熱點。隨著生物和高分子科學的不斷發展,人們會對此有更深的了解和認識.