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胶原蛋白在生物医药工程中的应用及研究进展

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  • 发布时间:2019/08/28

  摘 要:胶原蛋白作为生物材料用途最广泛的材料之一,其良好的生物兼容性和安全性成为了生物医药工程材料中的主要来源。胶原蛋白能够制成膜、微胶囊、水凝胶等药物材料,近些年来,在人体皮肤和人体骨骼方面也取得了一些成就。文章围绕胶原蛋白在生物医药工程中的应用展开简单论述,并对它涉足的领域发展情况和研究进展加以探讨。 


  关键词:胶原蛋白;生物材料;药物传输系统;组织工程 
  胶原蛋白是哺乳动物中含量最丰富的蛋白,占蛋白量总体的一半以上,在人体组织和器官中有着非常重要的作用,并且能够作用于机体细胞表面,使其具备更加紧密的状态。在活的生物体中被广泛用于提纯,具备一定的抗原性。与其他天然聚合物相比较,胶原蛋白具有良好的生物降解性,在生物相容性上也优于人体的其他组织。 


  一、胶原蛋白的性质 
  胶原蛋白是人体内分布最广,形态变化复杂多样的成分,具有一定的可塑性。大部分组织中不容性纤维就是由蛋白质组织形成的,它的分布遍及人体整个组织器官中。胶原蛋白分子表面存在大量的极性侧基,可以与水分子结合生成氢键组合,能够附着在胶原分子周围,形成一层水分子膜,并且呈现胶体状态。目前胶原蛋白在医药、食品、生物等领域十分广泛,它的制备方法操作也相对简单。胶原水溶胶冷冻干燥,便可制得多孔的胶原海绵,改变胶原溶液的浓度可控制胶原海绵的间隙程度。 
  而胶原蛋白原膜的制备方法与胶原海绵的方法大致一样,在空气中直接干燥就能形成膜。复合型的胶原产品则是在胶原水溶胶中参杂了一些原料制备而成。随着各种各样的胶原蛋白产品进入市场,胶原蛋白在生物技术产品中的应用也得到广泛关注。 

  二、胶原蛋白作为基体的药物传输系统 
  1、胶原蛋白海绵 
  胶原蛋白海绵子在治疗严重烧伤和多种类型的创伤方面都有着广泛的用途,能够吸收大量的组织渗透液,对伤口有预防且快速干结的作用,能够起到很好的润滑作用。利用胶原蛋白海绵植入实验中,可以明显看到烧伤部位的皮肤在迅速愈合。胶原蛋白海绵用作药物传输,具有多方面的优势,通过杀精剂可以降低组织刺激性、并且没有任何副作用,几天后自动被=皮肤组织细胞吸收。主要的缺点就是不能保证数量,而且不易保存、机械程度很差。 
  2、水凝胶 
  胶原蛋白可以用在控制药物传输系统领域中,实际应用中一个想对成功的例子是胶原蛋白能够成为你机体并形成注射型的水凝胶。利用胶原蛋白与肾上腺素符合制成可注射型的水凝胶,可以治疗癌症的同时也可以遏制癌细胞的生成。皮下注射可溶性胶原蛋白的实验表明:胶原蛋白具有修复皮肤损伤的功能。 

  三、胶原蛋白作为基体的组织工程系统 
  1、人体皮肤 
  Ⅰ型胶原蛋白,因为其较高的机械强度和较好的生物相容性适合制备人工皮肤。以胶原蛋白为基体制备人工皮肤,不仅有利于表皮细胞和成纤维细胞的生长繁殖,而且能够增强其与创面的黏附,降低出血和细菌感染的几率,从而提高人工皮肤移植的成活率。 
  2、人体骨骼 
  可诱导骨组织产生某些蛋白质,如骨形态发生蛋白2。由于其所具有的骨诱导性活性,近年来胶原蛋白广泛用于制备人工骨材料。临床上可用于前列腺癌和乳腺癌发生骨转移的标志物。 
  3、胶原蛋白在止血应用方面的研究 
  胶原蛋白能够与血小板黏结、聚集起到止血的作用,它的三螺旋结构能够诱导血小板附着,产生释放反映,而且能激活血液凝固因子,粘着在渗血的伤口上,对损伤的血管起到填塞的作用。国外对胶原止血材料的研究十分活跃,已经成功地用于肝、脾等富含血管的组织出血的治疗中,如肝脏吻合术、心脏手术及各种外科、内科手术。另外,胶原蛋白海绵和微晶胶原止血剂,已经成功地用于粘牙龈手术中来控制上颚等部位的止血。国内对胶原止血材料的研究起步较晚,军事医学科学院卫生装备研究所研制的胶原海绵止血材料止血效果良好,用于体内创面的止血与治疗具有安全可靠性。 
  4、胶原蛋白用于眼科疾病的治疗 
  胶原蛋白能够促进角膜上皮细胞的损伤的修复和细胞生长,在眼科疾病的治疗中应用相当广泛。胶原蛋白溶解于泪液中,具有引导上皮细胞潜入缺损区的能力,同时它的降解产物能被新生细胞利用,合成新的胶原,起到连接细胞的作。胶原蛋白作为眼球保护膜在眼科中被广泛研究和应用。胶原蛋白还可以作为眼睛给药的载体,使药物在结膜囊内逐渐释放,从而在短时间内使眼内药物达到较高浓度,并保持较长时间,减少药物的全身毒性,具有广阔的发展前景。实验表明,妥布霉素、庆大霉素、万古霉素和其它的一些抗生素的胶原蛋白保护膜,在角膜、泪液和眼房水中的药物浓度要高于通常的滴剂疗法的药物浓度。国内对角膜的上皮愈合和胶原膜释药方面的研究也很成功。 
  5、胶原蛋白在组织工程中的应用 
  组织工程是研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后功能和形态的生物替代物的新兴学科,它主要研究四个方面:种子细胞、支架材料、器官构建、临床使用。随着研究的深入,组织工程对于生物材料的要求越来越高。目前,生物可降解的胶原蛋白是组织工程中研究较多的一类材料,它具有生物相容性好,植入体内后能在体液、酶、细胞等的作用下发生降解,变成小分子物质被吸收或通过新陈代谢排出体外等特点。 
  胶原在组织工程中主要作为支架材料、皮肤、骨骼和生物工程膜代用品出现。胶原皮肤在皮肤更新和创伤处理方面有广泛的应用,主要以胶原海绵的形式作为人工皮肤使用,这在前面的叙述中已经有了详尽的叙述。胶原的结构对矿物沉积具有诱导作用,它的表面含有沉积矿物的位点,而且与非胶原基质蛋白,特别是与生长因子结合,可有效地引发和控制矿化过程,促进骨形成并诱发至植入物中作为骨骼代用品,骨骼代用品胶原与其他化合物或聚合物混合,可用于矫形外科。随着胶原蛋白在组织工程方面的应用,进一步促进生物工程膜的发展,如血管膜、心脏瓣膜、韧带等。 


  四、胶原蛋白在生物医药工程发展中存在的问题和展望 
  胶原蛋白作为一种天然的生物材料使用具有诸多优点,有着许多实际的和潜在的用途,可以和其它生物材料结合以适用于不同的临床的要求。但胶原的耐用性、生物相容性及制备的高成本是其作为生物材料的主要限制因素。另外目前实验所用胶原大多来源于动物,对临床的研究不利或有所限制。但是,胶原蛋白作为一种新型的生物材料,是一个正待发掘的丰富宝藏,随着研究工作的不断深入,将会有更广阔的应用前景。 

  结语:综上所述,作为一种生物材料,胶原蛋白在药物传输系统和组织工程方面有着广泛的用途。通过对药物传输系统本质的研究,可在设计有效配体时确定必需的参数,而且为组织生长和分化提供指导,对明确特定组织基因表达的生物活性信号具有重要意义。因此,以胶原蛋为基体的生物材料将是今后生物医药工程应用中的——常见基质。