胶原蛋白的应用前景分析
2007-06-04 17:12
行业分析
胶原是蛋白质中的一种,英文名“collagen”,由希腊文演化而来。胶原是一种白色、不透明、无支链的纤维蛋白质,它主要存在于动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中,是结缔组织极重要的结构蛋白质,起着支撑器官、保护机体的功能。胶原是哺乳动物体内含量最多的蛋白质,占体内蛋白质总量的25%-30%,相当于体重的6%。
胶原蛋白是细胞外基质(EMC)的主要化合物,随着生物化学、分子生物化学和细胞生物化学的进展,人们对胶原蛋白的认识逐渐提高,现在已经肯定胶原蛋白并不是一个蛋白质的名称,而是和免疫球蛋白一样,富有多样性和组织分布的特异性,是与各组织、器官机能有关的功能性蛋白。根据它们在体内的分布和功能特点,可将胶原分成间质胶原、基膜胶原和细胞外周胶原。
胶原是一个蛋白质家族,现在已发现18个或19个成员,从皮肤和骨骼中分离出了Ⅰ型胶原,从软骨组织中分离出了Ⅱ型胶原,从胚胎皮肤中分离出了Ⅲ型胶原,从细胞基底膜中分离出了Ⅳ型胶原,这些都是通过蛋白质水平上的一级结构分析发现的,而其它是通过在核酸水平上胶原域的相似性分析发现的。
胶原蛋白的分子量为30万道尔顿,它是由3条肽链结合而成的三螺旋结构,并互相盘绕成螺旋结构[1-2]。胶原的一级结构是其化学结构,揭示了蛋白质中有多少种氨基酸,每种氨基酸有多少个,这些氨基酸是怎样构成多肽链的。胶原的二级结构是直接关系到它在体内执行的功能。它是指多肽链主链骨架中的若干肽段所形成的有规则的空间排布。胶原的三级结构是描述整个肽链(主、侧链)空间排布,主要揭示肽链之间次级键(极性基团产生离子键、氢键和范德华力,非极性基团产生的疏水键、范德华力等)的作用。除次级键外,胶原分子内和分子间存在醇醛缩合交联、醛胺缩合交联、醛醇组氨酸交联,这些交联使得2-3条肽链牢固地连接起来,使得胶原具有很高的抗张强度。胶原的四级结构对它的分子大小、形状、生物功能等起着决定性作用。
胶原蛋白质结构和功能特点的多样性和复杂性,决定了其在许多领域的重要地位,以及良好的应用前景。
生物、医学领域:胶原具有重要的生物学性质—力学性能高、促进细胞生长、止血、生物相容性和生物降解性,多年来一直促使许多研究者设想制备胶原基生物材料。然而直到近20a,随着胶原化学的发展,人们对胶原的结构和性质有了更为清楚的认识,这种设想才得以变为现实。现在,胶原在医学材料中的应用展示出令人鼓舞的发展前景。
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。
胶原蛋白在化妆品中的应用
蛋白质是生物体中最主要的组成物质,包括覆盖人体的皮肤、毛发都是由蛋白质组成。此外,蛋白质几乎主导着生物界全部的生命活动,如:细胞分裂、新陈代谢、传递信息,以及对疾病的抵抗能力,都是依赖蛋白质来完成的。
因此,在化妆品中,以蛋白质作为活性物质十分自然。美国CTFA化妆品原料手册录用的天然物质和《功能性化妆品原料》中,选用的天然物质中都有胶原蛋白或其水解产物(羟脯氨酸、脯氨酸、丝氨酸)[15]。胶原蛋白作为一类十分有效的化妆品原料,近几年来发展很快。
由于胶原及其水解物与人皮肤胶原的结构相似,相容性好,存在着离子键、氢键等相互作用;由其制备的材料,可以扩散到皮肤的深层,对人的皮肤有很好的营养作用;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;其分子中的氨基和羧基又赋予它一定的表面活性,这使它与其它材料的相容性很好,且对皮肤无刺激性[16];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[17]。胶原蛋白作为一种有效的化妆品原料,可以滋润肌肤,赋予其平滑感觉,对头发也有很好的调理作用。在美国、德国、日本等国家,许多高档化妆品中添加有胶原蛋白,甚至在人面部注射胶原以保持皮肤青春,减少皱纹。
在国外,对胶原蛋白在美容方面的作用已进行深入的研究。试验证明:0.01%的胶原蛋白纯溶液就有良好的抗各种辐射的作用,且能形成很好的保水层,能供给皮肤所需要的全部水分。胶原蛋白应用于化妆品中的功效总结起来有如下几点:
(1)营养性
可以给予含有胶原蛋白的皮肤层所必需的养分,补充17种对人体有益的氨基酸,使皮肤中的胶原蛋白活性加强,保持角质层水分以及纤维结构的完整性,改善皮肤细胞生存环境和促进皮肤组织的新陈代谢,增强循环,达到滋润皮肤、延缓衰老、美容、消皱、养发的功效。
(2)修复性
胶原蛋白和周围组织的亲和性很好,从而具有修复组织的作用。
(3)保湿性
由于胶原蛋白分子中含有大量的亲水基,使之具有良好的保湿功效,能够达到保持皮肤润泽的目的。
(4)配伍性
胶原蛋白具有调节和稳定pH值、稳定泡沫、乳化胶体的作用。同时,作为一种功能性成分,在化妆品中可以减轻各种表面活性剂、酸、碱等刺激性物质对皮肤、毛发的损害。
(5)亲和性
胶原蛋白对皮肤和头发表面的蛋白质分子有较大的亲和力,胶原蛋白主要通过物理吸附与皮肤和头发结合,能耐漂洗处理。亲和作用随相对分子质量的增大而增强。相对分子质量小的分子可以渗入皮肤和头发的表皮,有时还可以透过皮质层,达到营养皮肤的作用。相对分子质量较大的分子,每个分子结合位置较多,结合力增强,亲和力增大。
胶原蛋白类产品性能温和、功能多、使用安全,符合当代化妆品的潮流,是高档化妆品的重要原料。国际市场销售的化妆品用的蛋白质类原料近50种,我国只有N-酰化胶原水解蛋白缩合物、肌氨酸、粗丝氨酸和透明质酸等少数几种产品出售。
目前,穆畅道等人已经建立了从动物皮胶原中,提取符合国家食品卫生级的胶原蛋白系列产品的方法,正开发胶原蛋白类系列化妆品。随着生物化学和分子生物学的发展,生物原料越来越多地应用于化妆品中。胶原蛋白必将作为一种功能性的生物原料而成为化妆品原料系列中的重要一员,为人类保持青春发挥越来越大的作用。
在食品中的应用
食品是人类赖以生存的最基本的生活材料,人们饮食结构的改变最能直接反映生活水平的提高。现在人们在饮食上不仅要求色、香、味俱佳,而且还要求食品具有保健、美容等功能。
人们食用含胶原蛋白丰富的食品,可使皮肤增加弹性、延缓衰老,同时还可强筋健骨,增强体质。由于胶原作为自然界可再生的资源,来源丰富,加上人们对绿色食品的向往,因此,胶原在食品中的应用越来越广泛。
食用胶原一般来源于动物皮的真皮层、肌腱和骨胶原。可见,皮胶原是主要的食用胶原。胶原具有适用于食品的一些属性[7]:食用级胶原通常外观为白色,口感柔和,味道清淡,易消化。
此外,胶原的一些独特的品质,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。而其它的可食用包装材料还没被发现具有这些品质;
(4)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;
(5)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。
胶原蛋白用于食品行业的研究主要包括:
(1)食品包装
近年来,各类香肠制品在肉制品所占的比例越来越大。由于传统天然肠衣制品的产量受到限制,市场上出现了肠衣供不应求的情况,国内外许多食品专家开始研究天然肠衣的替代品—人造肠衣。用戊二醛对胶原蛋白进行处理,可使制品的热稳定性大大提高。胶原蛋白制作肠衣,具有口感好、透明度好,制作工艺简单等特点,很受用户欢迎,在我国具有很好的开发前景。人工肠衣还有一些天然肠衣不可比的优点,如在人工肠衣中加入某些酶,使肠衣本身具有固化酶的功能,可以改善香肠风味和质量。
胶原蛋白还可作为食品粘合剂合成纤维膜,用作肉类、鱼类等的包装纸。此外胶原蛋白还可作为食品保护层,具有抗氧化性,可保持肉食品的颜色鲜亮[22]。
(2)肉制品添加剂
早在1983年就有专家建议:将胶原蛋白改性后,直接作为食品的一种组分。研究表明:将酸法制得的胶原蛋白粉,添加到肉制品中,不仅能改善产品品质(如口感、多汁),而且能提高产品的蛋白质含量,并且无不良气味[23]。Meullenet[24]等人的研究显示,添加胶原量2%、水20%左右时,腊肠的感观、质地和口感最好。
(3)胶原小食品
胶原蛋白粉经调浆、成型、干燥、油炸等工序,可制得胶原小食品;调浆时,可根据口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品[23]。
(4)保健食品
胶原蛋白与体内钙的关系,包括2个方面:①构成血浆中的胶原蛋白的羟基脯氨酸,是将血浆中的钙运送到骨细胞的运载工具;②骨细胞中的胶原蛋白(骨胶原)则是羟基磷灰石的粘合剂,它与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体。由此不难看出,只要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。因此,可以制成一种补钙的胶原蛋白保健食品。
(5)胶原潜在的新应用
胶原的分散性使它可以代替传统的鱼胶作为啤酒和白酒的澄清剂;利用胶原的成膜性,可将其用作固化酶的膜材料和肉食品标签,后者已经在欧洲实际应用[25]。
在胶原蛋白用于食品工业的研究方面,国外的研究比国内的研究更成熟。在国内,胶原食品的优越性还没有得到消费者的充分认识,随着人们生活水平的提高及对绿色食品的要求的提高,低脂高蛋白食品会越来越得到消费者的青睐。
胶原蛋白具有特殊的结构与功能,并具有广泛的用途,胶原蛋白的开发和利用,目前已经成为人们关注和研究的热点。随着生物和高分子科学的不断发展,人们会对此有更深的了解和认识.
胶原蛋白是细胞外基质(EMC)的主要化合物,随着生物化学、分子生物化学和细胞生物化学的进展,人们对胶原蛋白的认识逐渐提高,现在已经肯定胶原蛋白并不是一个蛋白质的名称,而是和免疫球蛋白一样,富有多样性和组织分布的特异性,是与各组织、器官机能有关的功能性蛋白。根据它们在体内的分布和功能特点,可将胶原分成间质胶原、基膜胶原和细胞外周胶原。
胶原是一个蛋白质家族,现在已发现18个或19个成员,从皮肤和骨骼中分离出了Ⅰ型胶原,从软骨组织中分离出了Ⅱ型胶原,从胚胎皮肤中分离出了Ⅲ型胶原,从细胞基底膜中分离出了Ⅳ型胶原,这些都是通过蛋白质水平上的一级结构分析发现的,而其它是通过在核酸水平上胶原域的相似性分析发现的。
胶原蛋白的分子量为30万道尔顿,它是由3条肽链结合而成的三螺旋结构,并互相盘绕成螺旋结构[1-2]。胶原的一级结构是其化学结构,揭示了蛋白质中有多少种氨基酸,每种氨基酸有多少个,这些氨基酸是怎样构成多肽链的。胶原的二级结构是直接关系到它在体内执行的功能。它是指多肽链主链骨架中的若干肽段所形成的有规则的空间排布。胶原的三级结构是描述整个肽链(主、侧链)空间排布,主要揭示肽链之间次级键(极性基团产生离子键、氢键和范德华力,非极性基团产生的疏水键、范德华力等)的作用。除次级键外,胶原分子内和分子间存在醇醛缩合交联、醛胺缩合交联、醛醇组氨酸交联,这些交联使得2-3条肽链牢固地连接起来,使得胶原具有很高的抗张强度。胶原的四级结构对它的分子大小、形状、生物功能等起着决定性作用。
胶原蛋白质结构和功能特点的多样性和复杂性,决定了其在许多领域的重要地位,以及良好的应用前景。
生物、医学领域:胶原具有重要的生物学性质—力学性能高、促进细胞生长、止血、生物相容性和生物降解性,多年来一直促使许多研究者设想制备胶原基生物材料。然而直到近20a,随着胶原化学的发展,人们对胶原的结构和性质有了更为清楚的认识,这种设想才得以变为现实。现在,胶原在医学材料中的应用展示出令人鼓舞的发展前景。
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。
胶原蛋白在化妆品中的应用
蛋白质是生物体中最主要的组成物质,包括覆盖人体的皮肤、毛发都是由蛋白质组成。此外,蛋白质几乎主导着生物界全部的生命活动,如:细胞分裂、新陈代谢、传递信息,以及对疾病的抵抗能力,都是依赖蛋白质来完成的。
因此,在化妆品中,以蛋白质作为活性物质十分自然。美国CTFA化妆品原料手册录用的天然物质和《功能性化妆品原料》中,选用的天然物质中都有胶原蛋白或其水解产物(羟脯氨酸、脯氨酸、丝氨酸)[15]。胶原蛋白作为一类十分有效的化妆品原料,近几年来发展很快。
由于胶原及其水解物与人皮肤胶原的结构相似,相容性好,存在着离子键、氢键等相互作用;由其制备的材料,可以扩散到皮肤的深层,对人的皮肤有很好的营养作用;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;其分子中的氨基和羧基又赋予它一定的表面活性,这使它与其它材料的相容性很好,且对皮肤无刺激性[16];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[17]。胶原蛋白作为一种有效的化妆品原料,可以滋润肌肤,赋予其平滑感觉,对头发也有很好的调理作用。在美国、德国、日本等国家,许多高档化妆品中添加有胶原蛋白,甚至在人面部注射胶原以保持皮肤青春,减少皱纹。
在国外,对胶原蛋白在美容方面的作用已进行深入的研究。试验证明:0.01%的胶原蛋白纯溶液就有良好的抗各种辐射的作用,且能形成很好的保水层,能供给皮肤所需要的全部水分。胶原蛋白应用于化妆品中的功效总结起来有如下几点:
(1)营养性
可以给予含有胶原蛋白的皮肤层所必需的养分,补充17种对人体有益的氨基酸,使皮肤中的胶原蛋白活性加强,保持角质层水分以及纤维结构的完整性,改善皮肤细胞生存环境和促进皮肤组织的新陈代谢,增强循环,达到滋润皮肤、延缓衰老、美容、消皱、养发的功效。
(2)修复性
胶原蛋白和周围组织的亲和性很好,从而具有修复组织的作用。
(3)保湿性
由于胶原蛋白分子中含有大量的亲水基,使之具有良好的保湿功效,能够达到保持皮肤润泽的目的。
(4)配伍性
胶原蛋白具有调节和稳定pH值、稳定泡沫、乳化胶体的作用。同时,作为一种功能性成分,在化妆品中可以减轻各种表面活性剂、酸、碱等刺激性物质对皮肤、毛发的损害。
(5)亲和性
胶原蛋白对皮肤和头发表面的蛋白质分子有较大的亲和力,胶原蛋白主要通过物理吸附与皮肤和头发结合,能耐漂洗处理。亲和作用随相对分子质量的增大而增强。相对分子质量小的分子可以渗入皮肤和头发的表皮,有时还可以透过皮质层,达到营养皮肤的作用。相对分子质量较大的分子,每个分子结合位置较多,结合力增强,亲和力增大。
胶原蛋白类产品性能温和、功能多、使用安全,符合当代化妆品的潮流,是高档化妆品的重要原料。国际市场销售的化妆品用的蛋白质类原料近50种,我国只有N-酰化胶原水解蛋白缩合物、肌氨酸、粗丝氨酸和透明质酸等少数几种产品出售。
目前,穆畅道等人已经建立了从动物皮胶原中,提取符合国家食品卫生级的胶原蛋白系列产品的方法,正开发胶原蛋白类系列化妆品。随着生物化学和分子生物学的发展,生物原料越来越多地应用于化妆品中。胶原蛋白必将作为一种功能性的生物原料而成为化妆品原料系列中的重要一员,为人类保持青春发挥越来越大的作用。
在食品中的应用
食品是人类赖以生存的最基本的生活材料,人们饮食结构的改变最能直接反映生活水平的提高。现在人们在饮食上不仅要求色、香、味俱佳,而且还要求食品具有保健、美容等功能。
人们食用含胶原蛋白丰富的食品,可使皮肤增加弹性、延缓衰老,同时还可强筋健骨,增强体质。由于胶原作为自然界可再生的资源,来源丰富,加上人们对绿色食品的向往,因此,胶原在食品中的应用越来越广泛。
食用胶原一般来源于动物皮的真皮层、肌腱和骨胶原。可见,皮胶原是主要的食用胶原。胶原具有适用于食品的一些属性[7]:食用级胶原通常外观为白色,口感柔和,味道清淡,易消化。
此外,胶原的一些独特的品质,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。而其它的可食用包装材料还没被发现具有这些品质;
(4)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;
(5)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。
胶原蛋白用于食品行业的研究主要包括:
(1)食品包装
近年来,各类香肠制品在肉制品所占的比例越来越大。由于传统天然肠衣制品的产量受到限制,市场上出现了肠衣供不应求的情况,国内外许多食品专家开始研究天然肠衣的替代品—人造肠衣。用戊二醛对胶原蛋白进行处理,可使制品的热稳定性大大提高。胶原蛋白制作肠衣,具有口感好、透明度好,制作工艺简单等特点,很受用户欢迎,在我国具有很好的开发前景。人工肠衣还有一些天然肠衣不可比的优点,如在人工肠衣中加入某些酶,使肠衣本身具有固化酶的功能,可以改善香肠风味和质量。
胶原蛋白还可作为食品粘合剂合成纤维膜,用作肉类、鱼类等的包装纸。此外胶原蛋白还可作为食品保护层,具有抗氧化性,可保持肉食品的颜色鲜亮[22]。
(2)肉制品添加剂
早在1983年就有专家建议:将胶原蛋白改性后,直接作为食品的一种组分。研究表明:将酸法制得的胶原蛋白粉,添加到肉制品中,不仅能改善产品品质(如口感、多汁),而且能提高产品的蛋白质含量,并且无不良气味[23]。Meullenet[24]等人的研究显示,添加胶原量2%、水20%左右时,腊肠的感观、质地和口感最好。
(3)胶原小食品
胶原蛋白粉经调浆、成型、干燥、油炸等工序,可制得胶原小食品;调浆时,可根据口感需要,添加不同的香辛料,制成美容小食品[23]。
(4)保健食品
胶原蛋白与体内钙的关系,包括2个方面:①构成血浆中的胶原蛋白的羟基脯氨酸,是将血浆中的钙运送到骨细胞的运载工具;②骨细胞中的胶原蛋白(骨胶原)则是羟基磷灰石的粘合剂,它与羟基磷灰石共同构成了骨骼的主体。由此不难看出,只要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。因此,可以制成一种补钙的胶原蛋白保健食品。
(5)胶原潜在的新应用
胶原的分散性使它可以代替传统的鱼胶作为啤酒和白酒的澄清剂;利用胶原的成膜性,可将其用作固化酶的膜材料和肉食品标签,后者已经在欧洲实际应用[25]。
在胶原蛋白用于食品工业的研究方面,国外的研究比国内的研究更成熟。在国内,胶原食品的优越性还没有得到消费者的充分认识,随着人们生活水平的提高及对绿色食品的要求的提高,低脂高蛋白食品会越来越得到消费者的青睐。
胶原蛋白具有特殊的结构与功能,并具有广泛的用途,胶原蛋白的开发和利用,目前已经成为人们关注和研究的热点。随着生物和高分子科学的不断发展,人们会对此有更深的了解和认识.