膠原蛋白
2025-05-21
一、膠原蛋白簡介
膠原collagen是人體中含量最多的蛋白質。膠原廣泛分布于人體的結締組織中，如皮膚、軟骨和骨、肌腱、韌帶、角膜、器官被膜、硬腦膜等。正常人90%的膠原存在于皮膚和骨頭中。在顯微鏡下觀察發現，膠原約占真皮結締組織的95%；人體正常骨骼中含有80%的膠原；肌腱組織中膠原含量高達85%（以脫脂后的干重計）。其中Ⅰ型膠原含量最多，約占膠原總量的80%~90%。
膠原在結構上由三個自身按左螺旋排列的多肽鏈構成，三條相互獨立的膠原蛋白肽鏈依靠甘氨酸之間形成的氫鍵維系三股螺旋相互纏繞的結構。眾多膠原蛋白大分子又可彼此并排形成纖維互相交聯的結構，使最終產物具備較高機械強度。
膠原蛋白正常的三螺旋構象是其理化特性和生物學活性的基礎。膠原已成為一種適用范圍廣泛的生物醫用材料，目前已應用在敷料、人工器官再生醫學、組織工程、生物護膚等領域。
膠原在體內以多級聚合的方式存在
二、膠原蛋白的應用
膠原的三股螺旋結構決定了膠原具有良好的生物力學性能，膠原的生物來源特性和同類膠原在種屬之間的高相似性決定了膠原具有良好的生物相容性。
膠原的三重螺旋結構是其特有的活性構象
（1）創面敷料
膠原能促進細胞生長，將角質形成細胞分別在膠原、明膠和水解膠原蛋白底物上培養時，用顯微鏡觀察培養16小時后得細胞增殖情況，結果顯示，膠原具有明顯促進角質形成細胞生長的作用，細胞密度明顯大于其他樣品。膠原不僅能促進細胞的分裂增殖，而且對維持細胞的分裂也有效果。膠原具有促進角膜上皮細胞分化的作用，因此可以作為各類創面修復敷料使用。膠原敷料有多種形式，如膜片、海綿狀及粒狀等，能重新溶解，吸收創傷滲出液，可與宿主細胞外基質相互作用，以促進細胞在新結締組織上的黏附、移動、生長和沉積；能誘導分化、誘導成纖維細胞的趨化性，延遲傷口收縮，加速創傷修復。以往在燒傷的治療中使用了天然豬皮和羊膜，如今更多應用重組形式的膠原，即膠原經純化處理變為可溶性膠原后再制備成多種敷料。另外還可向基質中添加成纖維細胞生長因子、血小板衍生物生長因子和表皮生長因子等，這些生長因子都可有效地促進創傷愈合。
（2）止血材料
膠原亦可用于止血材料。血管內皮細胞下層由一系列的細胞外基質蛋白組成，其中的纖維膠原則是誘導血栓形成的主要基質蛋白。當血管壁的內皮細胞被剝離，致使膠原暴露于血液中，流動的血液中的血小板立刻與膠原纖維吸附在一起，發生凝集反應，從而形成血栓。膠原通過激活凝血因子Ⅻ、促進凝血因子Ⅺ和Ⅴ的活化，促進血小板的凝血作用。作為止血劑使用的膠原可以是粉狀、片狀及海綿狀等多種物理形態。
膠原止血劑在治療細胞組織器官如肝或脾的創傷止血方面效果更明顯。由于這些組織一般缺乏結締組織的支持，在出血、滲出、細胞表面的修復過程中，十分需要纖維蛋白構架維持穩定。在這種情況下，使用膠原基止血劑可減少這些組織中血液的流失。膠原蛋白海綿和微晶膠原止血劑已成功用于粘牙齦手術上顎等部位的止血，還可用于血管嫁接、局部肝切除，腦、胰、肝和腎傷口的止血。在應用中，膠原蛋白快速止血繃帶能在10至15秒內止住動脈流血，在急救中特別有效，而常規情況下急救止血除向傷口施壓以外沒有更有效的方法，該等功效讓此類產品作為急救材料，在緊急事件或軍事醫療場景具有良好的應用前景。
（3）注射填充材料
去除端肽的未變性膠原具有低抗原性、良好的生物相容性和可生物降解性，有利于成纖維細胞的存活和生長，可用于面部輪廓矯正、皺紋和瘢痕修復等醫學美容。注入體內的膠原對宿主細胞有誘導作用，使細胞向注射物內遷移，并進行正常生理代謝，合成自身膠原等細胞外間質成分。隨著注射時間的延長，注射物中Ⅰ型和Ⅲ型膠原比例會逐漸接近正常皮膚中膠原的比例，表明成纖維細胞新合成了自身膠原。
（4）藥物載體
膠原在不同條件下（如溫度、pH、離子強度、濃度、組成和其它高分子作用等）， 發生聚集或組裝等行為而呈現多種形態，如水凝膠、膜、微球和微纖等。通過結合抗生素、蛋白類和基因等藥物，可以構建出多樣化的藥物釋放體系，從而達到不同的釋放要求和治療效果。另外，通過酶預處理或者化學交聯等加工工藝還可實現對其降解行為的調控。早在20世紀80年代，膠原就被用于抗生素藥物（如慶大霉素）的局部釋放載體，且已實現了商業化。目前，常用的膠原藥物載體系統主要包括眼科用的膠原罩、燒傷和創傷科用的膠原海綿、用于基因釋放的微球以及透皮釋放的控制材料等。
（5）膠原在皮膚護理中的應用
皮膚可分為三層：表皮層、真皮層和皮下組織層。外來刺激、物理和化學因素常常導致皮膚屏障受損，這些刺激因素可能導致皮膚朗格漢斯細胞和角質細胞被激活，從而發生過敏性皮膚炎癥反應或角化反應，根據程度輕重可能產生干燥、脫屑、紅斑、腫痛、毛細血管擴張等炎癥反應。天然膠原具有促進組織生長愈合、保水、美白、滋養皮膚等功效。相比水解膠原蛋白和明膠，膠原的親水基團含量雖然不大，但其具有特有的三螺旋結構，保濕效果僅次于甘油。天然膠原具有促進組織生長愈合、保水、美白、滋養皮膚等功效，因此天然膠原被廣泛應用于護膚品及美容行業中。
天然膠原的水合作用得益于其存在的大量的甘氨酸、羥脯氨酸和羥賴氨酸，因其含有大量的羥基，從而具有良好的保濕作用。天然膠原的三螺旋結構能和水分子結合發生水合作用，羥脯氨酸連接水分子形成水合骨架結構，使一部分水以間質水的形式橋接在酰胺基和羧基之間，這種水合作用促進了膠原的自組裝。α-肽鏈上羥基、羧基和水形成了一種類似于晶格的狀態，形成的這種水合結構不僅使得膠原蛋白能結合更多的水分，而且使得天然膠原的熱穩定性有很大提高。而膠原蛋白肽和明膠是膠原的水解產物，是一種多肽混合物，不存在天然膠原的三螺旋結構，因而不能固定和結合太多的水分子，只能依靠氫鍵結合少量的水分子，而不能利用其結構結合多層水分子。因此天然膠原具有比小分子膠原蛋白肽更好的鎖水、補水、肌膚的生物營養功能。
膠原蛋白在體內存在著一個合成和降解的平衡；小分子膠原蛋白肽通過被動擴散至皮膚的淺層結構，起到短暫的保濕和護理作用。具有大分子結構的活性膠原則通過物理性透皮吸收和細胞介導的生物性透皮兩種方式進入皮膚角質層、真皮層發揮生物護理作用。在物理吸收方面，活性膠原通過角質層間隙和毛囊壁間隙結構被動擴散進入皮膚組織；在生物吸收方面，活性膠原通過與組織細胞表面的整合素、盤狀結構域受體和糖蛋白等分子識別，發揮細胞粘附、傳導細胞信號及調控細胞生長的作用。這些跨膜蛋白受體能夠識別和結合天然膠原三螺旋結構中的特定氨基酸序列，激活皮膚角化細胞和毛囊免疫細胞，對人的皮膚組織起到生理性調控作用，從而發揮其皮膚營養功能。
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