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1、胶原在生物医学领域的应用胶原在生物医学领域的应用刘白灵(四川大学高分子研究所)摘要 胶原是动物体中最丰富的蛋白资源,由于胶原具有很低的免疫原性,与多种宿主细胞及组织有着良好的相互作用,因而可广泛地用于制备胶原基医用材料及医用装置。 本文介绍了胶原作为医用材料的生物学优势、胶原基生物材料在医疗领域的使用,以及胶原基生物材料的制备和注意事项。本文还对胶原基医用材料和传统用同类材料的生物医学性质进行了对比,简述了采用生物技术改善胶原基医用材料的途径和前景。正文 胶原是动物所有结缔组织皮、腱、韧带、软骨等的主要蛋白成分,是最为丰富的蛋白质之一,占哺乳动物所有蛋白质的30%。自古以来,胶原一直主要作为制
2、革工业的基本原料。随着时代和科学技术的发展,人们在探讨胶原的化学、物理、生物学性质的过程中,逐渐认识和开辟着胶原广泛应用的新领域。随着21 世纪我国产业结构的调整,制革工业的发展方向是生产的规模化、集约化和产品和高性能化,充分利用我国动物皮生物资源,开发具有高附加值的胶原新产品势在必行。 由于胶原的特殊性质和其性质上的优势,胶原在生物医学领域有着十分广阔的应用前景。 胶原的这种优势来源于它独特的结构、生化及生物学性质。1. 胶原作为生物材料的优势1.1低免疫原性 胶原作为医用移植材料最重要的特点在于其免疫惰性。与其它具有免疫性(immunogenicity) 的蛋白质相比,胶原的免疫原性非常低
3、。特别是在胶原以胶原组织(tissue -based) 和纯化胶原形式使用时,这一优势更为明显。80年代对各种胶原产品的免疫原性进行测定时发现,所产生的免疫应答是由存在于胶原产品中的极少量的非胶原蛋白引起的。产生免疫性的另一原因是材料中存在着变性胶原,胶原的单根肽链比天然的未遭破坏的胶原螺旋分子表现出较高的免疫原性。这可能是因为胶原受到破坏而变性时,将原来隐匿在内部的抗原决定簇暴露出来,从而引起了免疫应答。 90 年代以前,人们一直认为胶原没有免疫原性。但后来的研究发现,胶原可表现出一定的免疫原性。例如,在制备哺乳动物胶原的单克隆抗体时,发现型胶原的免疫原性比型、型、型胶原低得多。将组织胶原的
4、端肽(telopeptides) ,螺旋微区(domain) ,以及其它微区的免疫原性进行对比,发现端肽的免疫原性最强。因而,在制备可溶性胶原医用产品时,应除去胶原的端肽。但对以组织基使用的胶原材料,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。研究还发现用戊二醛交联,可部分降低胶原材料的免疫原性。1.2细胞基质间的相互作用 胶原基材料另一优势,在于它与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。 胶原基材料无论是在被吸收前作为形成新组织的骨架,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
5、一部分。 胶原可促进不同类型细胞生长,如型胶原可用于培养各种不同类型的细胞。细胞与胶原之间的相互作用机理取决于细胞的类型,相互作用可能直接通过特异性的受体,但更常见的是由特殊的粘结蛋白,如纤维结合素等中介的相互作用。 胶原基材料的另一特点,是除了可增加细胞的粘结外,还能改善细胞的生长、分化与移动。胶原在与其它胞外基质分子的缀合中,具有可支撑多种不同类型细胞的生长与功能的特点。这一能力促进了胶原基生物材料在多个领域的应用。1.3与血小板的相互作用 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。血管壁的内皮层发生损伤流血时,靠近受伤部位的血小板便与内皮下的结缔组织直接接触,进
6、而使血小板活化、释放出颗粒成分,进行凝血。正因为如此,在使用胶原或胶原复合物制备心血管装置时,要特别注意防止或抑制、隐匿胶原与血小板之间的相互作用。 目前采用的方法之一是用戊二醛对胶原医用装置材料进行交联,这种方法可减少胶原与血小板间的相互作用。 现更多采用的方法是用聚合物交联以覆盖胶原表面,或用如肝素的化合物涂敷胶原表面,阻止其与血小板的作用。1.4纤维的再形成性 经纯化的可溶性胶原在胶原基生物材料中占有重要地位,其主要性质之一是可在体外再次形成与天然胶原纤维相似的有序纤维状结构。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。 使用可溶性
7、胶原的另一优势在于其免疫原性被大大减弱,又能形成纤维,获得了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分子过程。利用可溶性胶原的纤维再生性质,还可将其制备成适合于移植用的膏状注射物或海绵等结构。1.5机械性能 以组织基胶原使用的胶原装置,固有强度是其重要的优势。生物体中,胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白成分,因而可能在广泛的范围内满足肌体对机械强度的要求。胶原纤维具有很高的机械强度的重要原因,在于胶原中的天然交联,在制备组织胶原装置时应尽量加以保留。制备过程中,还应尽可能地保留组织基胶原中的蛋白多糖,以维持胶原固有的卷曲。胶原的这种结构特点有利于组织在受到外力作用时能量的耗散,使胶
8、原避免破裂。2. 不同形式的胶原基生物材料 以胶原为主要或唯一组分制备医用材料,已有大量的报导与专利。 表1 虽仅是部分摘录,但也已表明胶原基产品在多个医疗领域应用的可能性。其中一部分已进入人体实验、部分限于动物实验,有些已步入商品阶段。胶原在以上某些领域使用时,因需求量或因其它替换材料的价格低,成为商品的可能性较小。但胶原的多功能性,特别是胶原可与其它重复物因子一起成为复合体的特点,便获得了合成高分子不可替代的应用机会。 表1 胶原基生物材料在医学中的应用实例医用领域应用材料提供方式心血管手术血管置换、心脏瓣膜T牙科牙周接合、牙槽脊强化P皮肤科组织增强增殖敷料P食管手术增强增殖P通用手术疝修
9、复粘合屏障止血组织粘附P T P神经外科神经导管神经修复P P眼科角膜移植玻璃体置换视网膜再附着P T P P矫形外科骨修复关节软骨重组十字性韧带重组P P P 、T耳科鼓膜替换P泌尿科输尿管替换肾修复渗滤膜尿失禁P P其它药物释放PT 以组织基形式提供(tissue -based) ;P -以纯化过的可溶性胶原或粉碎形式提供(purified collagen -based)3. 胶原基生物材料的制备3.1 不溶性胶原 主要指以胶原组织基形式和由碾碎的胶原制备的生物医用胶原材料。这种胶原材料的制备比较简单,但要把胶原的免疫原性降低到最低限度,还需要一些其它的处理。例如,可用无花果蛋白酶对胶原
10、进行温和处理,除去非胶原性蛋白质。处理时要防止胶原的降解,并注意不能因除去蛋白多糖而增加了胶原装置的刚性,损害胶原固有的综合机械性能。在用胶原组织直接制备生物装置时,须尽可能缩短从屠宰到制备期的时间间隔,以减少胶原的自溶性与降解程度。3.2 可溶性胶原 用酶处理已绞碎的皮肤组织,通常使用的是酸性蛋白酶胃蛋白酶。胃蛋白酶可切去胶原肽链端肽的交联区,而且在胃蛋白酶作用所需的酸性pH 条件下,胶原组织将发生膨胀、进而溶解。再提高反应体系pH 至中性,使胃蛋白酶失活,或在对胶原进行纯化的过程中除去胃蛋白酶。实验室中最常见的纯化方法是:在酸性或碱性pH 条件下,用NaCl 对胶原进行分级沉淀。酸或碱处理
11、也可用来制备可溶性胶原,缺点是这种方法易引起胶原螺旋区结构的断裂,而且不能有效地除去端肽;而酶处理却可通过降低非胶原污染物或从胶原分子上除去端肽,从而降低胶原的免疫原性。3.3 增强胶原基材料的强度 天然的胶原组织都有很高的强度,但是当胶原基装置由可溶性胶原制备时,强度则很低。 因而通常采用交联,在胶原分子间引入新的化学键,以使产品获得适当的强度而用于特定的情况。交联的另一目的,是减少天然的、未经处理的胶原基体的免疫原性。此外,还可用交联来控制胶原基生物材料的使用寿命,交联在制备实用性的胶原基生物材料中具有十分重要的作用。 对胶原进行交联可采用物理交联与化学交联两种途径。在对胶原进行交联处理时
12、,不仅要考虑所用方法的交联强度,更重要的是要考虑所用方法产生的稳定性、毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。可使用的化学交联剂有:甲醛、双醛淀粉、戊二醛、其它双醛、二异氰酸酯(特别是六亚甲基二异氰酸酯) 、水溶性碳化二亚胺、脂肪族环氧化物、氰尿酰氯、酰基叠氮,以及由染料中介的光氧化反应等。 与化学法相比,物理法的通用性较差, 仅限于对纯化胶原重组产品的交联处理。物理交联法的优点是没有引入任何有毒物质。已有研究表明,采用高能辐射、紫外辐射、干热处理等都可十分有效地实现某些反应,而且不会在蛋白分子中引入新的基团,只是作用机理还待研究。4. 胶原基生物材料的应用4.1 心脏瓣膜 用机械瓣膜置换第一大动脉和
13、左房室瓣膜的首例手术始于60 年代初,不久便引入了大主动脉的同种移植瓣膜。之后,由于研制出了组织状胶原基装置商品,为特定的患者提供了能有效代替机械装置的多种异种移植,猪的大主动脉瓣膜是使用最广泛的天然组织心脏瓣膜的替代物。心包装置主要由牛心包组织构成,切割牛的心包组织并将其排列成心瓣状,主要为三小叶状,并与天然的瓣膜结构相近。与大主动脉瓣膜相比,主动脉瓣前尖的厚度较大,而且联结的轮廓清晰。这些装置的胶原结构轮廓分明,在加工过程中也出现了与猪瓣膜相似的变化,所有组织基瓣膜都经过戊二醛的交联化处理。为了避免产品过度硬化,戊二醛的使用浓度应比较低。 这两种胶原基医用装置的主要优点是:强度高、耐久性长
14、。虽然它们也会随着时间的推移而出现变质现象,但变化速度缓慢,不会象机械装置发生突然损坏。 生物瓣膜的另一突出优点是引发血栓栓塞并发病的频率比较低,患者不必进行长期的抗凝治疗。在目前对心血管疾病的治疗中,常同时使用生物型与机械型的装置,到底选择那一种装置取决于患者的特定情况。比如为了避免抗凝治疗,妊娠中的妇女倾向于使用生物型装置,因为用于抗凝治疗的药物常可通过胎盘进入婴儿。 生物型装置的缺点之一是植入人体后的钙化问题,据统计,使用生物型装置,易发生的事故中,86%是因钙化所致,而且大部分起因于钙化和瓣尖撕裂的双重作用。钙化一般随着移植后时间的延长而增加。在大多数患者中,钙化在移植3年后便明显起来
15、;但在某些患者身上,移植后历经10 年还没有任何症状。 一般而言,组织基胶原瓣膜在头10 年使用期内性能良好。现在,材料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。4.2 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。因手术需求不同,则需要不同直径的装置,如直径小于1.5mm 的微动脉置换器,这种置换操作需在显微镜下进行;可在一般手术条件下进行的直径为1.54mm 的小型心血管置换器;以及大直径置换器等。目前,在胸、腹及一些外周手术中,则使用了一些由合成材料聚酯制备的性能良好的大直径装置。对生物材料在这一领域使用的要求主要是制备小直径置换器,例如,对于冠状旁路手术来说,极有价值的途径是采用自身隐动脉或乳动脉。但约有30 % 的患者,因不能采用自身材料,就需要其它生物材料。 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。合成的生物组织基这
