1胶原蛋白制备生物医学材料的特征

1.1胶原蛋白的生物学性质与功能

胶原蛋白的生物学性质与功能主要表现在:

(1)低抗原性,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。过去人们曾认为胶原不具有抗原性,近十年来的研究表明:胶原具有低免疫原性,不含端肽时免疫原性尤其低;

(2)可生物降解性(易被人体吸收);由于天然胶原紧密的螺旋结构,大多数蛋白酶只能打断胶原侧链,只有特定的蛋白酶才能使胶原蛋白肽键断裂。在胶原酶的存在下,胶原的肽键将逐渐打断而水解,胶原肽链的断裂随即造成螺旋结构的破坏,从而胶原将被蛋白酶彻底水解,这就是胶原的可生物降解性,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。

(3)生物相溶性,是指胶原蛋白与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。因胶原蛋白本身就是构成细胞外基质的骨架,胶原分子特有的三股螺旋结构及其交联形成的纤维或网络构成细胞重要组成成分,故胶原材料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,成为宿主组织的一部分,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。

(4)细胞适应性和细胞增殖作用,可与细胞相互作用并能影响细胞形态,各种细胞可在体内及体外直接或间接与不同类型的胶原作用,并通过这种作用控制细胞的形态、运动、骨架组装及细胞增殖与分化;胶原有利于细胞的存活和生长,不仅能促进细胞的增值分化,而且对细胞的分裂机能也有效果;

(5)促进血小板凝聚;胶原纤维一旦与血液接触,流动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,进而血浆结块阻止流血,达到促凝血作用。

(6)力学性能;天然胶原紧密的螺旋结构对高强度的力学性能起重要作用,在生物体中,胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白组分,因而可在广范围内满足肌体对机械强度的要求。

1.2胶原蛋白制备生物医学材料的特点

前述生物学特性与功能,使得胶原蛋白成为最有用的生物材料之一,在生物医学领域具有广泛用途。因胶原易加工成型,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。

2改性方法

迄今为止,已见有许多对胶原蛋白改性的报道,其改性的手段主要有:(1)交联改性法,(2)通过与其它高分子材料共混改性,该法也是胶原基材料制作中常用的方法,以下分别阐述胶原蛋白的这些改性方法的研究现状。

2.1交联改性法

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。

2.1.1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。目前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254nm紫外灯20cm高度,照射1～5h。前几年Weadock[3]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。近年有研究者用该法改性了胶原膜,结果表明: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[4]。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。

2.1.2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。现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,其中戊二醛是目前应用最广泛的试剂,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。故人们一直希望有一种交联剂,既能用于胶原材料的交联,形成稳定、生物相容性好的交联产品,又毒性低,为了达到这一目的,人们不断开发着新的交联剂,近年人们使用的酰基叠氮化物、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[5]。所见报道中,多是使用一种交联剂对胶原蛋白交联改性,但基于目的不同,也有几种交联剂结合使用对胶原蛋白交联改性的报道,如有研究者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[6]。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的方法,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,生成大量血纤维蛋白,比未修饰的胶原蛋白显示了更强的血栓性,显然,侧链修饰可赋予胶原新的特性。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,今后,除对胶原进行适当的交联处理改性外,还应考虑通过胶原的化学修饰来进行改性,通过将性质不同的支链接枝到胶原大分子上赋予胶原以新的特性,研制新一代改性材料和开发新的改性方法。生理活性物的固定化是以胶原为支撑体,将各种生物活性物质固定化后再使用,例如将表皮生长因子和骨形成因子等生物活性蛋白包容于胶原中,它能促进皮肤组织和骨组织的再生。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,近几年人们又研究了低温等离子体技术、辐射引发等交联改性胶原材料的新方法,一些报道[7～9]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。

2.2其它高分子共混

胶原因其具有优良的生物学性质和功能,在生物材料领域倍受关注,但单独使用,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取长补短,互相补充,既可改善胶原材料的性能,又可制备出单一胶原材料所不具有的许多特性的新材料,从而扩大胶原材料的应用范围,并向实现发展“理想”生物材料的目标迈进。胶原基“复合材料”的概念由此产生,以下介绍胶原与其它高分子共混形成复合材料的研究现状。

2.3.1与合成高分子共混

已见报道的与胶原共混的合成高分子有许多,其中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研究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的研究,相关研究中聚甲基丙烯酸羟乙酯和聚乙烯醇主要用于与胶原复合制备水凝胶[10～11],作软组织替代、药物缓释等。近几年随着人们对胶原蛋白以增殖细胞为首的许多生物功能的认识,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[12～13]。合成高分子与胶原蛋白共混复合制备胶原基材料存在以下问题(以膜形式的人工皮肤为例):(1)聚氨酯、尼龙等不降解高分子材料,因不能进行生理代谢,与胶原蛋白复合后只能用做外层敷料不能永久代替皮肤;(2)聚酯、聚谷氨酸等可生物降解材料,生物性能好,可降解、可代谢,是目前研究组织工程支架材料之一,但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,溶解时出现降解,影响材料的机械强度,并且其降解之后的产物将使其周围组织的酸度提高,出现无菌性炎症。

2.3.2与天然高分子共混

由于天然高分子材料的多功能性质和与有机体的相容性、生物可降解性,特别是近几年来出现的将不同天然高分子进行共混杂化的研究,使天然高分子共混物更显示出其它材料无法替代的优点和性能,成为目前研究生物材料的热点。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,最近付丽红等[14]对天然多糖类/蛋白质复合材料的研究进展作了评述,文章从天然多糖与蛋白质的结构特点出发,在介绍几种主要多糖(淀粉、纤维素、壳聚糖)与蛋白质(胶原、明胶、丝蛋白)特性的基础上,分别列举了这些多糖与明胶、胶原和丝蛋白共混的实例,并对共混形式及共混产物性能的研究进行了阐述,但文中涉及医学应用研究的内容较少。随着对天然多糖的生物活性及功能的逐步认识,近年在生物医学材料领域,利用天然多糖与胶原蛋白共混复合对胶原蛋白改性的研究明显增多,这些研究中所用的多糖主要有软骨素、HA(透明质酸)、壳聚糖、肝素等。目前胶原与这些多糖复合材料比较集中的研究是用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。从所见报道来看,胶原-多糖复合材料近年报道最多的是壳聚糖与胶原蛋白共混制备不同形式(膜、海绵、微胶囊、片、带等)材料的研究[15-19]。

总之,对胶原改性方法众多,各种方法各有其优缺点,具体采用何种方法交联或与何种高分子共混改善胶原蛋白作生物医学材料的缺点,保持胶原生物活性的同时,并赋予以新的功能,应从以下几点考虑:(1)改善胶原的力学性能(如提高抗拉强度,降低膨胀率);(2)提高抗水能力;(3)提高Ts和Td;(4)提高抗胶原酶降解能力;(5)具有生物相容性,且无细胞毒性。单一用一种方法对胶原蛋白改性有时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蛋白[18,19]。进一步开发具有生物活性的天然高分子材料与胶原共混杂化,改善胶原材料力学性能的同时增加材料的生物活性是研制胶原基新型生物材料的一个重要方向。