天然高分子材料之胶原
胶原化学与现代生活
02
胶原在生物医学中的应用
胶原在组织工程中的应用
用于构建人工皮肤、骨骼、血 管等组织器官，提供生物相容 性和功能性。
作为支架材料，引导细胞生长 和分化，促进组织再生。
用于制作药物载体，实现药物 的定向释放和靶向传递。
胶原在药物传递系统中的应用
作为药物载体，将药物包裹在 胶原基质中，实现药物的缓释 和靶向传递。
临床研究
大量的临床研究证明胶原的安全性 和有效性，长期使用胶原产品没有 发现明显的副作用和不良反应。
胶原的未来研究方向与展望
ห้องสมุดไป่ตู้新型胶原的开发
随着生物技术的不断发展，未来将开发出更多新 型的胶原产品，以满足不同领域的需求。
胶原与其他物质的结合
将胶原与其他物质结合，可以开发出具有更优异 性能的复合材料，拓展胶原的应用范围。
胶原蛋白还可以与其他成分结合，如透明质酸和生长因子，以提供更全面的皮肤护 理。
胶原在头发护理中的应用
01
胶原蛋白对头发的健康也有重要作用，它可以为头发提供所需 的营养，保持头发的弹性和光泽。
02
含有胶原蛋白的护发产品可以改善头发干燥、易断和分叉等问
题，使头发更加柔顺和光滑。
此外，胶原蛋白还可以用于生发产品中，帮助刺激头发生长和
胶原在乳制品中的应用
80%
乳饮料
胶原蛋白可添加到乳饮料中，提 高其营养价值和口感。
100%
奶酪
胶原蛋白可用于制作奶酪，使其 质地更加细腻、口感更加柔滑。
80%
酸奶
胶原蛋白可添加到酸奶中，提高 酸奶的黏稠度和口感。
胶原在肉类加工中的应用
肉制品
胶原蛋白可作为黏合剂和保水 剂添加到肉制品中，改善肉制 品的口感和质地。
胶原
性质
通过上面的叙述，可以归纳如下：
a.胶原具有生物活性，不溶于冷水和热水，不能被蛋白酶利用；
b.明胶相对分子质量较高只溶于热水，不溶于冷水，胶原蛋白相对分子质量较低，而且分子量分布比明胶更 宽，可溶于冷水；
c.明胶与胶原蛋白均无生物活性，但可被蛋白酶利用。
胶原蛋白是一种高分子功能性蛋白质，它是皮肤的主要组成部分，占皮肤真皮层80%的比重，它在皮肤中构 成了一张细密的弹力，牢固锁住水分，支装始于内质，并在高尔基体中进行修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维。在胶原蛋白在粗面 内质膜结合的核糖体上起始合成前α链，并在内质切除信号肽，通过内质和高尔基体的加工、修饰和组装，形成 三股螺旋的前胶原并分泌到胞外，形成原胶原最后组装成胶原原纤维和胶原纤维。
前胶原是原胶原的前体，是分泌到胞外前的形式。前胶原由3条前α链螺旋而成，每条α链具有150个氨基酸 残基的N末端前肽和250个氨基酸残基的C末端前肽。前肽的一级结构没有Gly-X-Y序列，具有较多酸性氨基酸及芳 香族氨基酸残基，并含有半胱氨酸残基，因此前α链在前肽区域并不形成三股螺旋结构。但在N末端前肽形成链内 二硫键，在C末端前肽形成链内及链间二硫键。在I型胶原的三股螺旋间没有二硫键，前胶原C末端的5个链间二硫 键在糙面内质中形成，然后3条多肽链由C→N方向盘绕形成三股螺旋，链间二硫键在三股螺旋形成前对稳定前胶 原3条多肽链的起重要作用。胶原肽链在糙面内质合成带有信号肽的前原胶原。
胶原蛋白的技术简介：
什么是寡肽（和多肽相对应）：采用固相肽合成（SPPS）技术，将分子量控制在500道尔顿左右，可直接作 用于人体皮肤真皮层，最大限度的减少了吸收过程中的损耗，这也是寡肽的优势。同时，长效寡肽还能使胶原因 子延长半衰期的超微囊化技术。使胶原蛋白在体内放缓水解速度，缓慢释放出其功效，不但能使胶原因子释放其 最大活性，而且能长时间保持体液内的有效浓度；延长了胶原因子的半衰期，以达到其在体内发挥效果最大化。
胶原、明胶和胶原水解物的物理化学性能及护肤功能的研究
四川大学硕士学位论文胶原、明胶和胶原水解物的物理化学性能及护肤功能的研究姓名：张忠楷申请学位级别：硕士专业：皮革化学与工程指导教师：李国英20060501四川大学硕士学位论文量为３０万；明胶的电泳分离带为一个连续带，相对分子质量分布在小于３０万ｌ胶原水解物也是一个连续分离带，但其相对分子质量比明胶小，主要分布在几千到５万左右。
ｊ查兰堡主兰垡堡苎图２．７再生胶原纤维的ＳＥＭＩ摩ｌ（Ｂａｒ：５ｐｍ）Ｆ皓２．７ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｒｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｃｏｌｌａｇｅｎｆｉｂｒｉｌｓ（Ｂａｒ：５ｐｍ）胶原的再生纤维呈多孔网状纤维结构（图２．７）．在适当的条件下，胶原分子靠氢键等作用力连接，重新聚集成具有天然胶原纤维形貌的再生纤维，表现出良好的生物活性。
而明胶和胶原水解物没有成纤维的生物活性。
２．３．６样品耐酶解能力胶原的螺旋区域非常稳定，只有胶原酶等少数酶对其有作用。
但是，胶原的变性产物——明胶和胶原水解物，就很容易受到蛋白酶的水解。
实验中利用胰酶测试样品的耐蛋白酶水解能力，用伯氨基的含量作为水解程度的一个指标。
胰酶水解样品的曲线如图２．８所示。
０．７．０．６芤妊０．２年０．１０．００１２３４５６时间ｍ图２３胶原、明胶和胶原水解物的胰酶水解曲线№·２．８ｌＡＴｐｓｌｎｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｃｕｒｖ８ｏｆｃｏｌｌａｇｅｎ，ｇｅｌａｔｉｎａｎｄｃｏｌｌａｇｅｎｈｙｄｒｏｌｙｓａｔｅ１９四川大学硕士学位论文从图２．９可以看出胶原膜和明胶膜的峰顶温度分别为５９℃和６２．５℃，但是胶原的吸收峰面积（即热焓）明显大于明胶的峰面积。
在二次扫描过程中，胶原和明胶的吸收峰都消失，仅出现弱的台阶。
这表明样品出现玻璃化转变的现象。
胶原和明胶的热行为与湿含量和热历史（制各条件）有关。
胶原的三股螺旋结构在加热过程中螺旋瓦解，因而吸收峰面积比三股螺旋含量甚少的明胶要大得多。
二次扫描两种样品都没有出现明显的吸收峰是由于螺旋结构的解旋是不可逆。
第二章天然高分子
第二章天然高分子1. 概述天然高分子是指来源于生物体内，由大分子有机化合物通过化学键结合而成的高分子化合物。
因为来源于自然界，成本较低、可再生、生物降解，因此具有很好的发展前景。
2. 常见的天然高分子2.1 蛋白质类蛋白质是存在于生物体内的高分子化合物，具有较高的生物活性和生物兼容性，因此被广泛应用于医药、食品等领域。
常见的蛋白质类高分子有胶原蛋白、鱼胶原蛋白、凝血蛋白等。
2.2 多糖类多糖是由单糖分子通过糖苷键结合而成的高分子化合物，其来源较为广泛，具有很好的生物性能和生物兼容性。
常见的多糖类高分子有甲壳素、海藻酸钠、海藻酸钙等。
2.3 树脂类树脂是一种含有苯环结构的高分子化合物，其来源于植物或动物化合物，如蜡、樟脑等。
因其具有较高的强度和硬度，被广泛应用于建筑、造船等领域。
2.4 含氮化合物类含氮化合物是指在分子中含有氮元素的高分子化合物，具有很好的机械性能、耐热性能和生物降解性能。
常见的含氮化合物类高分子包括丝素、硝基纤维素等。
3. 天然高分子的应用由于天然高分子具有很好的生物性能和生物兼容性，因此广泛应用于医药、食品、建筑、化妆品等领域。
下面列举一些常见的应用案例。
3.1 医药领域天然高分子在医药领域的应用主要有以下几个方面：•用于人工肝、血管、人工输液等医疗器械的制造，如聚胺酯、聚丙烯、含氮聚合物等。
•用于植入在人体内的医疗器械或药剂中，如各种药物微球、吸附剂等。
•用于制造人工角膜、骨骼等羟基磷灰石骨材料。
3.2 食品领域天然高分子在食品领域的应用主要有以下几个方面：•用于增稠剂、凝胶剂、稳定剂等，如黄原胶、明胶、卡拉胶等。
•用于保护和包裹食品，如壳聚糖、木聚糖、淀粉等。
•用于制作各种食品材料，如马铃薯淀粉、木薯淀粉等。
3.3 化妆品领域天然高分子在化妆品领域的应用主要有以下几个方面：•用于增稠剂、凝胶剂、稳定剂等，如羟乙基纤维素、壳聚糖等。
•用于改善化妆品的透明度和稠度，如山梨酸酯、黄原胶、聚乙烯醇等。
胶原蛋白的结构与功能
胶原蛋白胶原蛋白是一种生物性高分子物质，英文学名Collagen。
在动物细胞中扮演结合组织的角色。
为生物科技产业最具关键性的原材料之一，也是需求量十分庞大的最佳生医材料。
其应用领域包括生医材料、化妆品、食品工业、研究用途等。
胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，其分子在细胞外基质中聚集为超分子结构。
分子量为300ku。
胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构。
其由3条a链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型。
3条左手螺旋链叉相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构闭胶原蛋白独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定，并且具有低免疫原性和良好的生物相容性等。
结构决定性质，性质决定用途，胶原蛋白的结构的多样性和复杂性决定其在许多领域的重要地位。
胶原蛋白产品具有良好的应用前景。
人体之所以能够活动自如，就是因为有关节的结构，大部分的关节，不但是提供人体活动之需，并经由软骨保护骨头避免磨损，软骨当中有65%至80%是由水所组成，其它则有醣蛋白、胶原蛋白及软骨细胞，这些提供了软骨健康营养及功能保护。
事实上，软骨本身是一多孔结构，胶原蛋白是一条条细长纤维形成的网套，醣蛋白则是具有弹性的球体，水分则填塞其中，这些组成都必须完整，才可使软骨负荷重力，若胶原蛋白变少，会使醣蛋白与胶原蛋白的网套连接松弛，或是醣蛋白内含物减少，会使醣蛋白不再具有弹性，都会导致关节受力时容易变加速磨损，随着患者年龄增长，造成这些材质「自然消失」或「功能退化」，就形成所谓的退化性关节炎。
所以银发族、更年期妇女、运动过度者、骨折者或关节容易酸痛者应多补充富含胶原蛋白之食物。
胶原蛋白具有其它替代材料无可比拟的优越性：①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；②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；③大量胶原被用作制造肠衣等可食用包装材料．其独特之处是：在热处理过程中．随着水分和油脂的蒸发和熔化．胶原几乎与肉食的收缩率一致。
胶原蛋白
胶原蛋白（collagen）是一种生物性高分子物质，是一种白色、不透明、无支链的纤维性蛋白质。
它可以补充皮肤各层所需的营养，使皮肤中胶原活性增强，有滋润皮肤，延缓衰老、美容、消皱、养发等功效。
根据《肽营养学》（北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系教材）提出，分子量在1000道尔顿以下的胶原蛋白无需分解可被人体直接吸收，在口服吸收及外用护肤方面效果明显。
胶原蛋白胶原蛋白是人体延缓衰老必须补足的营养物质，占人体全身总蛋白质的30%以上，一个成年人的身体内约有3公斤胶原蛋白。
它广泛地存在于人体的皮肤、骨骼、肌肉、软骨、关节、头发组织中，起着支撑、修复、保护的三重抗衰老作用。
骨骼骨骼中有机物的70—80%是胶原蛋白，骨骼生成时，首先必须合成充足的胶原蛋白纤维来组成骨骼的框架，因此，有人称胶原蛋白为骨骼中的骨骼。
胶原蛋白能使钙质和骨细胞结合，不致于钙质的流失而导致的骨骼疏松。
如果只单纯补钙的话不易改善骨质疏松的现象，因为钙无法在骨中保全，多吃钙也会流失，主要因为胶原蛋白量已经减少。
所以要保住骨本，可由食物中摄取或是以胶原蛋白保健食品来补充。
胶原面面观提高免疫机能人体的免疫力的高低是与一些称为免疫球蛋白的生体分子有关，如淋巴球与巨噬细胞，当外来异物入侵时免疫细胞有如军队一般，会对外来异物进行抵抗，将异物包围吞噬，甚至自我牺牲以保住身体健康所以免疫细胞愈强壮，且数目够多的话就能够将外来敌人完全杀减，否则就会使身体生病。
增强免疫机能的方法很多，而其中一项有效方式是让免疫蛋白与胶原蛋白结合，当这项结合完成时，人体免疫系统可憎加至少一百倍以上的免疫力。
当免疫细胞随血液流经身体各处时，会透过血管壁，接近外来的异物（如细菌、病毒等），若这一部位含有大量胶原蛋白，免疫细胞就与胶原蛋白及时结合，对抗异物。
接着一连串免疫机能提升的作用就不断发生，由巨噬细胞、淋巴球、血浆细胞及免疫球蛋白等免疫机能总体性提升，会使得人体抵抗力增加。
胶原的化学交联改性研究进展
胶原的化学交联改性研究进展第34卷第9期2006年9月化工新型材料NEWCHEMlCALMATERlALSV o1.34No.927?胶原的化学交联改性研究进展薛新顺罗发兴罗志刚谢世其(华南理工大学轻化工研究所,广州510640)摘要综述了胶原的化学交联改性技术,并对其化学交联剂的交联效果进行评价比较.关键词胶原,化学交联,改性Advancesofresearchoncross-linkingandmodifyingofcollagenusing chemicalmethodsXueXinshunLuoFaxingLuoZhigangXieShiqi (ResearchInstituteofLightandChemicalIndustries,SouthChinaUniversityofTechnology, Guangzhou510640)AbstractThetechnologyofcross—linkingandmodifyingofcollagenusechemicalmethodswerereviewed.Thecross-linkingeffectofthechemicalcross-linkingreagentswhichreactedwithcollagenwasal sodiscussed.Keywordscollagen,chemicalcross-linking,modifying胶原又称胶原蛋白,是动物体内含量最丰富的蛋白质.胶原的独特性质是能够形成高强度的不溶性纤维.除了在成熟的组织中起结构作用外,胶原对发育中的组织有定向作用.另外,胶原的分子结构可被修饰以适应特定组织的功能要求].胶原在提取过程中,由于分离纯化及加工处理复杂,得到的胶原交联密度,纤维大小等具有多样性.为了使胶原达到医学应用要求,要对胶原进行交联改性处理.交联是指胶原分子内部和胶原分子间通过共价键结合实现提高胶原纤维的张力和稳定性.胶原的交联改性主要是化学交联改性,物理交联改性只作为辅助作用.常用的化学交联试剂有戊二醛(GTA),碳化二酰亚胺(EDC),1,6一己二异氰酸酯(HD1),京尼平,1,4一二(3,4一羟基苯)一2,3二甲基丁烷(NDGA),环氧化合物,含有二硫化物官能团的二羧酸化合物,酰基迭氮化物及二苯基磷酸盐(DP—PA)和乙醛酸等.1化学交联剂对胶原改性1.1戊二醛(GTA)GTA是最早且最常用的一种交联剂,它具有水溶性,双官能团,低价格等特性,其作为交联剂最普遍使用于交联心脏瓣膜生物假体.对胶原进行交联改性时,GTA的浓度对交联作用有一定的影响.高浓度的GTA比低浓度的交联效果要差.低浓度的GTA不会改变胶原纤维的原始形态,但对其物理,化学稳定性有明显的改变.与未进行交联的胶原纤维比,用等于或高于0.00759/6 的GTA处理过的胶原纤维在中性溶液中的溶解度明显下降,而用0.00759/6的GTA处理过的胶原纤维对蛋白的分解抵抗能力明显加强L2].Thompson 等L3]对交联胶原的机械性能进行检测发现,其弹性模量由20~30MPa增加到55～60MPa,衰竭应变减小,而对断裂应变无影响;GoissisG等L4]对不同浓度GTA交联胶原进行生物相容性和生物降解研究表明,各浓度GTA交联胶原膜都有相似的炎症反基金项目:广东省科技攻关(2005B20401006)和广东省自然科学博士启动基金(05300170)作者简介:薛新顺(1981一),硕士研究生,研究方向:生物医用高分子材料的应用开发与研究.化工新型材料第34卷应,但与交联度无关,而与反应时间有关;未发现有体内组织细胞改变,矿化,接触坏死等;膜降解发生在30天到60(>60)天的范围内,显示出良好的生物相容性.虽然GTA能提供有效交联,改善胶原的机械性能和生物相容性,但大量研究证实其有细胞毒性,且戊二醛具有变应原性特性,容易导致职业性皮炎.1.2碳化二亚胺(EDC)与一些传统的化学交联剂如戊二醛不同,EDC不作为联接的一部分滞留在交联物分子中,而是转变为具有极低细胞毒性的水溶性脲衍生物,这就可以避免解聚作用和残留有毒物质的释放l_5].目前最常见的碳化二亚胺是l一乙基一3(3一二甲丙氨基)碳化二亚胺.OldeDamink等[6j用EDC处理过的胶原与未进行交联的羊皮胶原相比得出:前者的酶降解速度和机械强度的下降速度均比后者慢.这是由于交联的作用使酶无法和胶原分子充分接触,酶的分解作用只能在胶原分子表面进行,因此减缓了胶原的分解和机械强度的下降速度.ParkSi—Nae等[7]采用EDC和戊二醛交联胶原/透明质酸多孔支架材料,通过酶解试验和细胞毒性试验,得出用EDC处理的材料显示了很强的抗酶解能力,且无明显的毒性.刘玲蓉等L8]研究了以EDC为交联剂交联胶原一硫酸软骨素(CS)支架材料构建人工真皮,交联前后的支架材料理化性能表征显示:交联后的材料强度增加,延缓了其在体内降解速度;成纤维细胞的粘附和生长加快,细胞外基质的生成增强,使基质成分更接近正常细胞外基质组成,有利于细胞生长,增殖及细胞外基质的形成.1.31.6一己二异氰酸酯(ItDI)HDI与胶原的交联过程是:赖氨酸残基上主要的e一氨基酸和亲核试剂反应后形成脲键,然后游离的异氰酸基团进一步和伯胺残基反应形成交联. Naimark等-9]报道,HDI能对胶原进行有效的交联,且HDI能被有效的萃取,不形成能缓慢释放的聚合体化合物,在胶原中没有残余的HDI.与用戊二醛处理的材料相比,HDI交联的材料为细胞的向内生长提供了一个更好的环境,并且可降低钙化的程度. HDI交联虽然能显着提高胶原的机械性能,但有研究证实其有细胞毒性.V anLuyn等_1叩利用甲基纤维素培养系统对HDI交联胶原,未交联胶原提取液进行外细胞毒性研究,结果发现,HDI交联引起中度细胞毒性反应,而未交联胶原只引起轻微毒性. HDI交联产生两期细胞毒性,第一期毒性由于材料中可提取物质造成的,而二期细胞毒性可能由于细胞酶与材料相互作用产生毒性产物.为此用HDC交联胶原后,最好用蒸馏水,4mol/LNaC1反复冲洗,以减少毒性产物.1.4京尼平(Genipin)Genipin是一种新型的交联剂,用于交联胶原材料毒性低,且可形成稳定,生物相容性好的交联产品.SungHW等l_11]用Genipin交联牛心包胶原, 在25℃下反应3天,同时与GTA,环氧化合物比较, 观察其对胶原的影响.结果,Genipin交联牛心包胶原的Td一76.6±0.9~C,而未交联的Td一63.9±0.71℃;Genipin交联胶原较其它交联有最大的Ts, 弹性模量和拉伸强度.体外使用成纤细胞研究其细胞毒性,以GTA交联为对照组,MTT测定结果表明,其细胞毒性比GTA交联的小1000倍,而细胞增殖能力是GTA交联的5000多倍引.通过鼠植入试验研究其生物相容性,结果Genipin交联的胶原共组织炎症反应显着低于GTA,环氧化合物交联的胶原,钙化物含量低l_1.1.51.4-二(3.4一羟基苯)-2.3二甲基丁烷(NDGA)Thomas等l_1]利用NDGA交联胶原取得了成功,并且和GTA或EDC交联的胶原进行了比较发现,用NDAG交联的胶原比用GTA交联的张力和弹性系数都有明显的提高.GTA与胶原中的自由氨基化合物形成化合物;DEC是在胶原相邻的分子之间形成异构肽键;NDGA则是通过将邻苯二酚官能团氧化成醌来进行交联反应.GTA对细胞的毒性极强,少量的残留物会对周围的细胞产生有害的影响;EDC的交联产物具有很低的免疫原性,生物兼容性很好,但降解速度偏快.此外,在NDGA交联过程中使用乙醇,一方面能对材料进行消毒,另一方面能清除未参加反应的物质.体外实验表明,用NDGA交联的产物为成纤维母细胞提供了一个优越的附着,移动和增值的环境.1.6环氧化合物环氧化合物对于某些胶原物质也能起到交联剂的作用,与GTA相当,在某些方面上甚至还更好. SungHW等l_1朝报道,用环氧化合物交联的猪键胶原与用GTA交联的相比,外观更接近于自然的猪胶原.SungHW等[1]还研究了外界环境对环氧化合第9期薛新顺等:胶原的化学交联改性研究进展?29? 物一胶原交联反应的影响:随着pH的升高,用环氧化合物固化猪跟键的固化指数也随着升高,这说明在碱性环境下,会有更多的氨基化合物与环氧化合物反应;随着反应温度和交联剂浓度的升高,其固化指数和变形时间都升高;但随着pH,反应温度和交联剂浓度的升高,固化后猪跟键水分含量降低,并且有使组织硬化的趋势.因此要根据胶原的使用要求来选择适当的反应条件.1.7含有二硫化合物的二羧酸化合物在蛋白质分子中二硫键起着很重要的作用,正是由于二硫键的稳定性,蛋白质分子才能保持自己的结构和生化特性.Nicolas等[173利用交联二硫键来改善胶原的重要特性.周磊等[1]采用硫代丁内酯对胶原进行了硫代交联改性.硫醇键在氧化的条件下很容易生成二硫键,为了把硫醇基团置入蛋白质分子中,可将二硫键和硫氢酸键断开,在双键中添加H.S,将丝氨酸转化为半胱氨酸,用合适的反应物对氨基基团等进行硫醇化.1.8酰基叠氮及二苯基磷酸盐(DPPA)酰基叠氮化合物被广泛用于交联富含胶原的组织,如心包组织等.与GTA交联的胶原相比,酰基迭氮的交联物不易钙化,并且不具有细胞毒性.但是,用酰基迭氮交联需要进行几天以上的反应和洗涤过程,工艺十分复杂.RocheS等[19]研究了二苯基磷酸盐对胶原进行交联改性:将0.8g胶原浸泡在蒸馏水中,再浸泡在含有25ttLDPPA的二甲基甲酰胺溶液中,室温静置24h后加压消毒.此法交联的胶原做成的组织工程用支架材料,具有很好的生物相容性,机械稳定性和抗降解能力.1.9乙醛酸李国英等[2o3将乙醛酸与胶原的作用机理进行了研究,得出结论:pH值是直接影响乙醛酸与胶原作用的主要因素.当pH值较低时(pH<4.5时),乙醛酸的羰基与胶原的氨基作用较弱,它们之间只发生一定程度的反应;当pH值较高时(pH在6～7 时)羰基与氨基作用大大增强,能基本反应完全.2结语以上这些交联剂都能提高胶原材料的生物稳定性和张力特性,但是到目前为止,还没有一种交联剂对不同应用类型的胶原基材料的交联作用都很好. 因此必须根据要交联的不同物质的使用范围来选择不同交联剂.具体采用何种方法交联胶原来改善其作为生物医学材料的缺点,同时保持胶原生物活性, 并赋予新的功能,应从以下几点进行考虑:(1)提高胶原的耐热性能和变性温度;(2)提高抗水解能力;(3)提高抗胶原酶降解能力;(4)具有良好的生物相容性,且无细胞毒性;(5)改善胶原的力学性能,如提高抗拉强度,降低膨胀率等等.有时某单一方法对胶原改性并不能满足材料的要求,因此在胶原基生物医学材料研制中也常采用几种方法结合改性胶原.另外,进一步开发具有生物活性的天然高分子材料与胶原共混聚合,改善胶原材料力学性能,同时增加材料的生物活性,也是研制胶原基新型生物材料的一个重要方向.参考文献[1]崔福斋,冯庆玲.生物材料学EM].清华大学出版社,2004,2: 25.[2]McPhersonJM,LedgerPW.Thepreparationandphysico—chemicalcharacterizationofaninjectableforillofreconstitu—ted,glutaraldehydecross—linked,bovinecoriumcollagen[-J]. 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《胶原蛋白纤维》课件
胶原分子由三股螺旋 结构组成，每条螺旋 结构由多个氨基酸残 基组成。
胶原蛋白纤维的物理性质
具有良好的弹性和韧性，能承受较大的拉伸和压 缩应力。
具有较高的热稳定性和化学稳定性，不易发生变 性或降解。
具有良好的生物相容性和低免疫原性，易于被人 体接受和利用。
胶原蛋白纤维的化学性质
01
胶原蛋白纤维含有大量的羟基和羧基，具有较高的亲水性。
详细描述
通过细胞培养、动物实验等方式，可以测定胶原蛋白纤维与生物体的相互作用，了解其对细胞生长、繁殖以及 组织修复的影响。这些结果对于评估胶原蛋白纤维在生物医学工程中的潜在应用价值具有重要意义。
05
胶原蛋白纤维的未来发展与展望
胶原蛋白纤维在医疗领域的应用前景
组织工程
胶原蛋白纤维作为生物材料，在组织工程中具有广泛应用，可用于 构建人工器官、组织等，为医疗领域提供更有效的治疗手段。
器械。
化妆品领域
用于制造美容面膜、护 肤霜等化妆品。
组织工程领域
用于构建人工组织和器 官，如人工皮肤、人工
角膜等。
生物材料领域
用于制造生物材料，如 生物支架、药物载体等
。
02
胶原蛋白纤维的结构与性质
胶原蛋白纤维的分子结构
胶原蛋白纤维是由多 个胶原分子以特定的 方式排列而成的。
胶原分子之间通过氢 键和疏水相互作用形 成胶原纤维。
纺丝过程
通过喷丝孔将纺丝溶液挤 出，进入凝固浴中，形成 初生纤维。
后处理工艺
初生纤维经过拉伸、水洗 、干燥等后处理工艺，最 终得到具有优良性能的胶 原蛋白纤维。
胶原蛋白纤维的质量控制
质量控制标准
质量改进措施
胶原蛋白纤维的质量控制应符合国家 相关标准，如纤维的长度、直径、拉 伸强度、弹性模量等指标应符合规定 。
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10
Structural features
All collagen molecules are trimers consisting of three polypeptide chains, called chains.
结缔组织中含量较高。 影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。
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8
Collagen 胶原
胶原是动物中的主要纤维蛋白，是所有多细胞动物，包括 海绵体、无脊椎动物和脊椎动物的细胞外基质的主要结构 成分。
胶原原纤维占人和高等动物总蛋白量可高达30%，其作用 是保持组织完整以及提供每一个结缔组织所需要的特殊力 学性能。
可编辑版）
由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌。在 RER上合成，形成三螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基 化修饰。
羟化反应由脯氨酰4羟化酶（P4H）、脯氨酰3羟化酶催化
（P3H）。
Vc是酶的辅助因子，Vc缺乏导致坏血病。
交联：由侧向相邻的lys或hyl残基氧化后所产生的两个醛
Along at least part of their length, the three polypeptide chains of a collagen molecule are wound around each other to form a unique, rod-like triple helix.
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12
典型的胶原螺旋在任一圈的第3个位置上都含有甘氨
酸残基。胶原的特点是具有重复的-Gly-X-Y-序列，其
中X常常是脯氨酸，而Y是4-羟脯氨酸，它是脯氨酸的共
价修饰衍生物。脯氨酸和4-羟脯氨酸的总和占胶原分子中
残基数的四分之一。除了4-羟脯氨酸外，5-羟赖氨酸也
常出现在胶原分子中。
一条链上的每一组-Gly-X-Y-中的甘氨酸残基的酰
基间进行缩合而成。交联后后形成不溶性纤维，原胶原呈
阶梯状排列，电镜下可见间可编隔辑版 67nm的横纹
18
Collagen fibril bundles: a branching assembly unit in tendon morphogenesis
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19
TEM image of collagen
胺氢原子都能与一个相邻链上的残基X的羰基氧原子之间
形成分子内氢键。脯氨酸和羟脯氨酸残基在胶原的结构中
起着至关重要的作用，这些残基的有限的构象松弛度不仅
可以防止-螺旋的形成，而且可以使得胶原螺旋和胶原纤
维本身显示出点刚性。羟脯氨酸残基的羟基参与形成的氢
键将使胶原三股螺旋更稳定。
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13
HH -N-C-CO-
人体中有16％左右是蛋白质，胶原占体内蛋白质总量的 30－40％，主要存在于皮肤、肌肉、骨骼、牙齿内脏和 眼睛瞪部位。
从生物医学角度，胶原在发育、伤口愈合、血小板活化和 血管生成中具有重要作用。另外很多遗传病的起因也被证 明是由于胶原发生了突变，而胶原在其合成、降解或免疫 学方面的微小变化也可以引起许多疾病。
胶原纤维 纤维： 弹性纤维
网状纤维 蛋白多糖 基质： 纤维粘连蛋白 组织液
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6
Typical Extracellular matrix
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7
细胞外基质（extracellular matrix, ECM）
ECM是细胞外大分子构成的网络。包括：胶原、 非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白 等。
于螺旋表面，（d）脯氨酸和羟脯氨酸的残基与多肽链结合，增强分
子的刚性。
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14
原胶原分子二级结构
原胶原可形编辑成版 胶原纤维
胶原纤维电镜图 15
胶原类型
在原纤维中发现了20种胶原，其中5种含量最丰 富的胶原类型是： I 型胶原是骨、腱、角膜和韧带中的主要胶原， 最高可达体内所有胶原的90%。 II 型胶原在软骨、玻璃体和脊索中形成原纤维。 III 型胶原与I 型胶原并存于结缔组织。 V型和VI型为异三聚体，与其他三种胶原共存 于原纤维中。
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20
胶原的一般生化特性—变性
胶原变性是指三股螺旋之间的氢键断裂，螺旋解 开，形成单链无规则线团，因而发生性质的改变 （比如粘度下降、沉降速度增加、浮力上升、紫 外吸收增加等）。加热、改变胶原溶液的pH值或 受有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等） 等影响，均可使胶原变性。
组织工程学 —天然高分子材料
胶原
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1
骨组织的等级结构 Hierarchical architechture of bone
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2
骨的等级结构（1）密质骨和松质骨；（2）密质骨骨单位和哈氏管，（3） 骨层板和（4）胶原纤维 组成的胶原纤维束
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3
胶原纤维结构可组编辑成版
4
胶原分子中间部分的氨基酸排列。 （a）每个第三个氨基酸残基是甘
甘氨酸Gly-
H
CH2 H2C CH2
-N-C-COH
脯氨酸Pro-
OH
CH H2C CH2
羟脯氨酸Hyp-
-N-C-COH
胶原分子中间部分的氨基酸排列。 （a）每个第三个氨基酸残基是甘
氨酸，X 和 Y通常是脯氨酸和羟脯氨酸残基，（b）甘氨酸是最小的
氨基酸，（c）三股螺旋使得甘氨酸残基指轴内，而另外两个残基处
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9
胶原的结构
胶原是一类由20种常见的氨基酸合成而来的蛋白质， 但是它在氨基酸组成、重复的序列模式、高度的翻 译后修饰和特有的分子内交联上别具一格。
天然的胶原蛋白是一个由3条具有左手螺旋的链相 互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构 是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其 稳定性的。
氨酸，X 和 Y通常是脯氨酸和羟脯氨酸残基，（b）甘氨酸是最小的
氨基酸，（c）三股螺旋使得甘氨酸残基指轴内，而另外两个残基处
于螺旋表面，（d）脯氨酸和羟脯氨酸的残基与多肽链结合，增强分
子的刚性。
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5
疏松结缔组织
组成：
成纤维细胞、 巨噬细胞 浆细胞、 肥大细胞 细胞：脂肪细胞 未分化的间充质细胞 白细胞
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11
一个典型的胶原分子长300nm、直径为2.5nm。 在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3 个氨基酸残基。胶原螺旋的螺旋度不象-螺旋那 么高。胶原螺旋的左手性，以及胶原的许多刚性 源于许多脯氨酸残基的立体限制。胶原分子的末 端含有非螺旋部分，这一部分似乎对纤维形成过
程中胶原分子的正确排列以及交联是必需的。