浅谈医学生物材料胶原蛋白.docx

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浅谈医学生物材料胶原蛋白

浅谈医学生物材料-胶原蛋白

生医高分子材料（biomedicalpolymers）系指应用于生物医学领域之合成（synthetic）或天然（natural）高分子材料。

天然高分子材料中目前最具发展潜力的有几丁质（chitin）、透明质酸（hyaluronicacid）及胶原蛋白（collagen）等。

其中，几丁质是由蟹壳中抽取的，而透明质酸是从鸡冠中抽取而得，两者都属多醣体（polysaccharide）类生医高分子材料。

胶原蛋白又称作「胶原质」，是组成各种细胞外间质的聚合物，在动物细胞中扮演结合组织的角色。

更进一步而言，胶原蛋白是细胞外基质最重要的组成份，同时也是动物结缔组织（connectivetissue）中最主要的构造性纤维蛋白质。

它主要是以不溶性纤维蛋白的形式存在，在人体的组成中约占蛋白质的25~30％，扮演着有如建构房屋之「鹰架」的角色，提供组织张力藉以保护并连结各种组织，支撑起人体的结构

（1）。

胶原蛋白为脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质（protein），在骨头（bone）与肌腱（tendon）中约有90%以上，皮肤中约有50%以上的蛋白质为胶原蛋白，不仅脊椎动物有，无脊椎动物如软件、节足动物也有胶原蛋白。

多年以来的研究指出，由不同种类的动物萃取而得之胶原蛋白具有高度的一致性，就是说我们可由同一动物的不同组织中得到相同之胶原蛋白，这些胶原蛋白的基本型态、螺旋结构及胺基酸的组成份都相同。

胶原蛋白种类及结构

随着萃取及分析技术不断的进步，现在根据发现的时间先后已定义出21种不同形式的胶原蛋白，其中「人类第21型胶原蛋白体」为工研院生医中心技术团队于2001年发现。

各种型态胶原蛋白在生化特性、组织中的分布、合成机制以及在胚胎期、成年期的结构与功能上所扮演的不同角色，是现在许多研究的重点。

但目前一般在医学上的应用仍以TypeI胶原蛋白为主，故若未特别标示其形式者，则通常是指TypeI胶原蛋白。

胶原蛋白分子是由三条多胜月太链（polypeptides）所组成的三股螺旋结构（triple-helicalstructure），而每一条多胜月太链（我们称之为αchain）的组成相似，但并不一定完全相同，故所组成的胶原蛋白也不相同。

有的是由三条完全相同之αchain所组成（如TypeII），有的三条αchain完全不同（如TypeVI），有的则是两条相同而另一条不同，TypeI便属于这一种。

体内不同部位组织蕴藏不同含量及型态的胶原蛋白，表一中显示了这些胶原蛋白的形式、组成与一般在体内的分布情形。

表一胶原蛋白的型式及组成

胶原蛋白型态组成体内分布

I[α1（I）]2[α2（I）]骨头，肌腱，皮肤，血管壁，心瓣膜，角膜

II[α1（II）]3软骨，玻璃体，背索

III[α1（III）]3肌肉，皮肤，血管壁，心瓣膜，角膜（一般与TypeI并存，骨头，肌腱，角膜除外）

IV[α1（IV）]2α2（IV）基底膜

Vα1（V）α2（V）α3（V）

or[α1（V）]2α2（V）

or[α1（V）]3大部份的空隙组织

VIα1（VI）α2（VI）α3（VI）大部份的空隙组织

VII[α1（VII）]3Anchoringfibrils

VIII[α1（VIII）]3（chainorganizationofhelixunknown）一些内皮细胞

IXα1（IX）α2（IX）α3（IX）软骨

X[α1（X）]3软骨

XIα1（XI）α2（XI）α3（XI）软骨

资料来源：

Biomaterials（EditorDavidByrom）

TypeI胶原蛋白为骨头、肌腱及皮肤的主成份，其三股螺旋结构是由两条α1（I）（含1,056个胺基酸）及一条α2（I）（含1,029个胺基酸）的多胜月太链所构成，在这些多胜月太链上每三个胺基酸便有一甘胺酸（glycine），而脯胺酸（proline）及羟基脯胺酸（hydroxyproline）的环状结构与氢键使三股螺旋稳定，若因热或化学物质破坏这些键结而使分子的螺旋结构展开则称「变性（denaturation）」。

胶原蛋白分子的分子量约为283,000daltons，长约280nm，直径1.4nm

（1），两端非螺旋结构的部份（称之为telopeptides）在合成机制上有其意义，但在生医材料的应用上则会引起免疫反应，结构图如图一所示。

在体内的细胞间质胶原蛋白分子不会单独存在，而是聚集成纤维，当细纤维形成后，多胜月太链上的羟基脯胺酸及离胺酸（lysine）会与酵素作用，产生分子内或分子间的交联（crosslinking）而加强支撑功能，纤维并会随着年龄增加而加粗至直径约50~300nm

（2）。

图一胶原蛋白结构

胶原蛋白之生物学特性

胶原蛋白具有特别的机械性质如抗拉强度（例如，具方向性的胶原蛋白纤维抗拉强度可高达5~10kg/mm2）与生化性质（如，促使血小板聚集而催化血块的形成）。

且胶原蛋白可在体内自然分解，生物兼容性佳，低毒性、含量丰富，可多方应用的性质及易于改质与制造的特性使得胶原蛋白成为一种重要而理想之天然高分子生医材料，因此，胶原蛋白生医材料的发展是一门新且迅速并结合了高分子科学、生化、生物技术及医学的综合学科。

胶原蛋白具备了高抗拉强度、可控制的生物分解性、止血性、低抗原性、低发炎性、低毒性及促进细胞附着生长的特性，在医学上可做广泛的应用，其优点归纳如下：

（1）天然高分子材料来源丰富；

（2）高生物兼容性（biocompatible）；（3）生物可分解性（biodegradable）；（4）低抗原性（non-antigenic）；（5）低毒性（non-toxic）；（6）高抗拉强度（tensilestrength）；（7）止血性（hemostatic）；（8）促进细胞贴附生长；（9）可经化学改质成各种型态；（10）可制备成各种型态（membranes,films,sponges,andbeads）。

胶原蛋白之萃取纯化

胶原蛋白溶解于酸液，当溶液中盐类浓度达到一定量时会被盐析沈淀，利用这种特性，可以将胶原蛋白自组织分离纯化出来，纯化的步骤虽不尽相同，但大抵依照上述之原则，重复以酸溶解、盐析、离心达到萃取纯化之目的。

纯化时通常以0.5M的醋酸溶液，或盐类浓度低于1.0M的缓冲溶液溶解胶原蛋白，当0.5M的醋酸溶液中含有1.0M以上盐类，或中性缓冲液中盐类浓度高达2.0M以上时，胶原蛋白会盐析析出。

此外，为去除胶原蛋白可能造成的免疫排斥反应，通常会在纯化过程加入酵素（如胃蛋白酉每），藉以去除胶原分子两端之登录胜月太链（registrationpeptide），去除免疫端的胶原蛋白分子，再回温重组所形成的胶原蛋白纤维，经电子显微镜观察，比较溶液产生扭转的现象，较不易发现分子间交互重迭时特有的明暗带（3）。

纯化萃取而得的胶原蛋白溶液一般都保存于0℃以下，要使用时再取出回温重组，虽然胶原蛋白重组是一自发（spontaneous）现象，但在不同的条件下，重组的胶原蛋白纤维却不相同。

Wood与Keech曾就胶原蛋白溶液重组时溶液浓度、pH值、离子强度与温度等条件，对重组后胶原蛋白纤维尺寸，做过一系列研究探讨，研究结果显示当离子强度越强，形成的纤维越粗，重组时pH愈高，所得的纤维愈细，而重组的温度越高纤维越细；但是胶原蛋白溶液浓度对重组的尺寸并不会造成影响（4,5）。

胶原蛋白材料之加工制备与生医应用

胶原蛋白可重组或经处理成多种型态，如薄膜、管状、海绵状、粉末或柔软的纤维织品（如图二所示），目前已有应用在止血材、神经重建、组织整型、烧烫伤敷料、脱肠修补、尿道手术、药物释放、眼科、阴道避孕器、修补心瓣膜、血管壁手术及手术缝线等生医材料上，如表二所示。

图二各种型态之胶原蛋白

在植入式及敷料上最常用的胶原蛋白来源为动物的皮肤及肌腱，外科缝线则最常用动物的内脏黏膜。

而一般在应用上最常使用的胶原蛋白型态可为纤维状（fibrillar）、管状（tublar）、多孔状（porous）、薄膜（membrane）、海绵状（sponge）及注射剂（injectables）。

进一步简述各种型态胶原蛋白的制法，如：

多孔性胶原蛋白海绵为胶原蛋白在酸中膨润（swollen），搅成泥状后冷冻干燥而得；胶原蛋白薄膜做法与上述方法相似，但干燥法采自然干燥（airdrying）；注射用胶原蛋白则是由牛皮纯化并经酵素切除免疫端，再离心后取上层液以缓冲液稀释并将pH调成中性，形成无菌的注射液。

表二各种型态之胶原蛋白及其在医学上之应用

胶原蛋白型态相关医学应用

溶液（solution）药物释放载体（vehiclefordrugdelivery）、软组织修复注射液

凝胶（gel）玻璃体（vitreousbody）、软及硬组织修复、药物及生物活性大分子传输

粉末状（powder）止血材（hemostat）

薄膜（film）人工皮肤（artificialskin）、人工角膜（cornea）、透析膜、敷伤材料、牙周病（periodontal）治疗、药物释放

海绵状（sponge）敷伤材料、烧烫伤敷料、药物释放、止血材、组织培养基材（scaffod）

管状（tube）人工血管（vesselprostheses）

丝状（filament）神经修复、肌腱修复、缝合线（sutures）

一般胶原蛋白生医材料产品制备必须经交联（crosslinking）处理以加强其机械强度。

在天然组织如皮肤、肌腱中的胶原蛋白具有很高的湿抗拉强度（wettensilestrength）及抗酵素水解的能力（因为有分子内与分子间之交联而使结构稳定）。

其中，经溶解再重组后形成膜（film,membrane）或海绵（sponge）的胶原蛋白即使在干燥时抗拉强度很好，但是浸湿膨润后也不一定具有足够良好的抗拉强度及抗酵素水解的能力，因此须加以交联处理。

胶原蛋白的交联反应通常发生在多胜月太链上天冬胺酸（asparticacid）及谷胺酸（glutamicacid）上之羰基（carboxylgroups）或离胺酸（lysine）及羟基离胺酸（hydroxylysine）上之胺基，但很少发生在羟基上，例如丝胺酸（serine）、羟丁胺酸（threonine）及羟基脯胺酸。

胶原蛋白交联反应，依其化学键结不同，可区分为离子键结及共价键结，分述如下：

1.离子键结

形成离子键常用的交联剂为三价金属离子如铬（Cr3+），但其硫酸盐（sulfate）或单独的铬化合物并无法使胶原蛋白分子形成交联，必须加入碱使铬硫酸盐聚合形成以氧及硫酸根连接的寡聚物（oligomer）后作为两羰基间之架桥，而使胶原蛋白分子间产生交联。

其它多价阳离子如Al3+等也可与胶原蛋白形成离子键，但稳定性都不如铬。

2.共价键结

共价键则可由下列几种方式形成：

以醛类、碳二亚胺、异氰酸盐及氢硼化物为交联剂或脱水加热（dehydrothermal）等方式进行交联，略述如下。

许多醛类都可与胶原蛋白上离胺酸之胺基反应，其中以戊二醛（glutaraldehyde,GA）最常用，因为只有五个碳的二醛可产生化学、生化及热稳定的结构，而低浓度的GA交联效果比高浓度好，因为高浓度的戊二醛会接在胶原蛋白纤维的表面而无法渗透至纤维及细纤维间，反应时pH值应在7~8间最佳。

另外，碳二亚胺的反应使胶原蛋白上的羰基及一级胺基间形成酰胺键结（amidelinkages），而碳二亚胺反应后形成水溶性的isourea，可轻易水洗掉。

常用的异氰酸盐为hexamethylenediisocyanate，可使胶原蛋白海绵交联产生很强的抵抗力。

氢硼化物常被用于稳定胶原蛋白的结构，因为由年轻动物皮肤取出的胶原蛋白，主要分子间的共价交联对酸及热并不稳定。

除上述化学交联剂外，另一种常用于产生共价键的交联方法为在真空下加热，加热会降低溶解度，并使胶原蛋白的羰基及胺基形成酰胺键结，而加热前需先干燥，若有水即使少许也会造成胶原蛋白螺旋结构的分裂或水解，较有效的方法是利用缓慢的增温来去水，在真空下可帮助此过程，此法已被应用于制造collagen-based创伤敷料上（6,7）。

国内外市场分析及研发现况

胶原蛋白系一种自动物体内分离、纯化出之高附加价值天然生物材料（NaturalBiomaterial），现今已广泛应用作为高级医材产品，如Softtissueaugmentation,Cardiovascularcoatingmaterial,orthopaedicsurgery,Hemostats,Wounddressing,DrugDelivery等医用产品，亦同时大量应用在化妆品（cosmetic）领域。

胶原蛋白材料衍生产品产值于美国地区1996年约为8~10亿美元/年，年成长率约为8~12%，国内胶原蛋白材料衍生产品产值约为3~4亿台币/年，年成长率亦为8~12%之间。

胶原蛋白材料由于本质上为一种天然生物材料，经由分离、纯化程序，再加上配合适当酵素作用（例如Pepsin）可将胶原蛋白免疫成份去除，而可得到生物组织兼容性良好之胶原蛋白生医材料，并可透过数种型态重组及化学交联技术及配合之工程程序，可得到Film,PorousMatrix,Fiber,Gel等多种外型之生物兼容材料/产品。

因此，胶原蛋白在生物医学领域应用衍生产品之开发工作，国外正蓬勃发展中，其中以美国CollagenInc.为此材料/产品领域最领先之公司。

然而，胶原蛋白材料衍生产品开发工作，于台湾则尚处于起步阶段。

过去台湾并没有发展胶原蛋白的生产技术，所有相关产品都由欧美进口，近年来在工研院生医中心的推动下，业界已普遍看好胶原蛋白之国内市场及潜在商机，因而国内已有多家厂商，包括国营的台盐、台糖，以及和康、生立、珩升行、双美等生技公司，陆续投入胶原蛋白的生产行列。