第四章 胶原蛋白在医学及工业上的用途

第四章 胶原蛋白在医学及工业上的用途 由于胶原蛋白具有下列特殊性质，因此能发挥多种生物功能：1.组织与架构2.支持及保护3.生物力学物性-强韧性及延展性4.控制分子通透性5.促进伤口愈合与组织修复6.调节细胞与组织的生物功能胶原蛋白生体高分子化合物目前用途非常广泛，遍及医药 、化工 、食品等领域（表四），产品有各种不同形状及用途（表五），并依其形状，配合各项用途 。其中生医材料与药品方面的应用是热门研究的课题 。表四 胶原蛋白的应用：机能各 种 应 用生医材料人工皮肤 、人工食道 、人工气管 、烧伤保护膜 医药品与医学用途整形外科 、缓释性药物 、膀胱失禁用药等化妆品护肤霜（膏） （保水性） 、润发剂 等食品工业保健食品 、饮料化工原料涂料 、塑料 、油墨 等研究用途细胞培养用 、 生物感测器 、生物反应器担体膜 、血小板凝集用试药其他胶原蛋白与树脂结合偿还香烟滤嘴与滤过剂之材料表五 胶原蛋白的用途：项 目用 途美容医学脸部皮肤组织的修补，如：皱纹的消除及凹洞的填补整容造型鼻形改造 、丰颊 、下巴重建 、眼袋消除 、唇形美化 、耳垂加大临床治疗尿失禁的治疗 、声带修补 、骨折再生 、人造皮肤 、齿槽重建 、牙周病的组织再生 目前许多医学研究单位，正尝试将胶原蛋白做成各种不同用途的临床实验，如用处理过含用丰富胶原蛋白的生猪皮，覆盖在烧 、烫伤病患的伤口上;利用提炼出来的胶原蛋白，促进移入表皮细胞与生长能力，大幅缩短伤口愈合的时间，提高烧烫伤病患的存活能力 。由于胶原蛋白具有保护 、支持人体组织与骨骼张力强度以及具有粘性、弹性等特性，所以可作为生医材料，用在骨科、整形外科、皮肤科、心脏血管外科、神经外科、牙科及眼科等，在临床应用的前景看好。另一方面，由于胶原蛋白可有效改善关节炎及骨质疏松症。由于胶原蛋白是构成骨骼中骨质之主要蛋白质成分，在缺乏胶原蛋白的情况下，不易固定钙质，钙质流失的情况将无法获得改善，容易影响到骨质的密度而有骨质疏松的情形发生。关节与软骨间的胶原蛋白，能够强化关节软骨在运动摩擦时的润滑度，降低关节炎的发生率，同时可避免关节退化症。一、生物医学材料必备特性生医材料广泛地应用于所有医疗器材中，像注射筒、血袋、引流插管及植入体（implant）、人工脏器等，这些生医材料不断地研发改良，其中最富挑战性，最被科学界、医学界关心研究的即为植入性，需直接与生物体接触的植入体及人工脏器等生医材料的发展。生医材料必备的特性有：1.具有生体机能2.无毒性3.可杀菌消毒性4.适当机械学性质5.生体适合性但依使用目的，各种特性的得重要性有很大的不同。（一）具有生机体能目前生医材料能够做的功能仅限于简单的物质分离或是生体构造的支持;例如血液有毒物质的过滤（人工肾脏），血液输送（人工心脏），力的传达，缓冲（人工关节）等，与人体所具有的生理功能（新陈代谢、内分泌等高层次的化学的反应）相关甚远。唯一般短暂的代行人体功能尚可达到目的。（二）无毒性所谓毒性指的是发烧、溶血、过敏与致癌等身体不良的作用，这些是由于低分子或高分子（往往是由于强碱性）所引起的细胞伤害，以及由于抗原侵入引起的生体防御反应，或是反复的机械刺激所引起，这些原因可经由高分子材料的纯化、化学处理等方法消毒。（三）可杀菌、消毒性 生医材料因使用于人体，使用前需防备微生物混入或附着于材料上面。目前采用的杀菌或消毒法有加热法（直接加热、蒸气加热、煮沸法），气体消毒（环氧乙烯、甲醛消毒法），放射线照射与无菌过滤法。高分子材料常用环氧乙烯气体消毒;将来放射线照射法将会更普及，所使用的反射线有咖马线、电子线和紫外线，但部分高分子材料会因照射而降低其力学性质。（四）调和的力学性质 高分子材料所具备的机械力学性质大致可符合生医之用，唯有时为了使它发挥功能而牺牲机械强度;例如由于放射线杀菌引起的机械劣化;聚氯乙烯增韧剂的渗出，薄膜厚度的限制，隐形眼镜过于柔软等;大致上生医高分子材料短期间的机械强度无问题，唯较共同而需克服的问题为耐久或耐疲劳性;特别要求耐久的生医材料为人工血管、韧带与关节;原因是人体组织可依新陈代谢，不断的更新，唯人工材料除了利用手术重新替换别无他途。（五）生体适合性（Biocompatibility）过去使用生医学材料对生体适合性并不苛刻，唯将来的生医材料，此方面的要求势必要更为严格。体内用生体材料或长期使用的生医材料比体外用生医材料或短期使用者，对生体适合性的要求，自然更严格。 所谓生体适合性包括的范围甚广，大致来说包括下列内容：1.整体生体适合性质如：力学性质的整合性2.界面生质组织溶合性（硬组织、软组织）无刺激性（物理、补体、抗血栓性、抗包覆性）生体高分子材料以上述生体材料的条件来说是相当适合的，唯用在临床分析方面则较为不安定，例如使用各种分子薄膜固定化时，除可促进安定外，分离、纯化简单，可以多次使用，亦可构成电池以电位的变化测知浓度，此类目的的侦测器称为生物感测器（Biosensor）。生物感测器的形态有片状、球状、薄膜、管状、胶体、乳胶等，使用的高分子材料也颇多，例如纤维素、聚碳酯、胶原蛋白，几丁质、尼龙、聚丙烯醯胺、聚脂、聚苯乙烯、乙酸纤维素等。其中胶原蛋白由于有下列作为生医材料之优点，所以成为研究与注意的目标：止血低免疫性优良生体适合性适度分解速率供给修复原料调控生长因子与药物之释放表六为胶原蛋白在生医材料上一引起使用范围。生医材料是将材料科学与生物医学配合，研究并制造出用以取代身体器官或组织功能之器材。由于80年代，材料科学与生物医学方面之突飞猛进，在90年代之今日，生医材料的发展已被公认为目前及将来最重要科技之一。由于社会年龄层之老化，单由生医材料所制成之人工脏器用植入 人体之需求日渐增加，使用量也一直成长。表六 软组织修复材、补缀材（生分解吸收材料） 使用目的 材 料 例 人工皮肤 创伤被覆 构造体 再生胶原蛋白膜，几丁质膜 再生胶原蛋白海绵 代用皮肤 自家移植皮片，同种移植皮片，异种移植皮片 培养皮肤 再生胶原蛋白膜/自家皮肤细胞（培养） 人工血管 抗血栓性材料 再生胶原蛋白膜，PGA/PLA 混合型 新生内膜形成促进型，内皮细胞播种型，新生内膜细胞诱导型 补缀材 胶原蛋白基质，胶原蛋白被覆高分子材料，PGA胸部支持体 人工食道 胶原蛋白被覆矽胶 人工气管 胶原蛋白被覆高分子材料 人工韧带 胶原蛋白被覆与几丁质混合产品 二、未来生医材料发展的方向 （一）生体分解吸收性高分子 外科手术时常缝合血管、肠管，使用絆合丝（高分子材料）经过数周后则溶合复原;此类高分子最好具备生体吸收分解性;外科治疗用的高分子如上述手术缝合丝，需具备适度的力学性质、适度的分解性。可利用酵素或可不利用有酵素分解等，前都有聚酯，聚乳酯、聚内酯、聚酸酑等，后者有蛋白质，聚胜，多糖类，聚羟酪酸、核酸。唯无毒性方面因高分子分解时会产生低分子量物质，又由于要具备分解性因而力学性质常觉不够，胶原蛋白在此方面为理想的材料，其它尚有聚羟乙酸（Polyglycolic acid），羟乙酸-乳酸共聚物，聚羟酪酸等，唯此类共聚物尚有分解速度较慢的缺点。 （二）混合型生医材料（Hybrid Biomaterials） 所谓混合型生医材料，简单地说，材料表面构造和生体的组织构造相同的人工材料统称之。由于生体材料具有包埋或复健功能，材料表面设法种下内皮细胞，让细胞繁殖，可以成为制备具生体适合性最佳的生体材料。根据此理念，导致混合型（Hybrid）的研究发展方向。 人工高分子材料之特点为构造、性质均一，物理、化学性质安定，加工性良好，唯生体适合性差，不具备稍高度的生体功能; 生体材料虽具有生体适合性、生体功能，唯缺点为不安定;将生体物质和高分子材料组合，彼此补长短为混合型生医材料的目标。 混合的方法大致有三种： 1.利用吸附或包埋的物理方法。 2.利用共价键或离子键使两者结合的化学方法。 3.利用细胞融合因子或细胞融合的生物学方法。 依研究所报告的混合法有： 1.利用技枝方法，将高分子材料和胶原蛋白混质。 2.目标为人工皮肤的多糖类和胶原蛋白的混质薄膜。 3. 生丝素（Fibroin）和高分子材料的混合质。 例如将聚酯的织布、编织涂布血浆蛋白水溶液并用戊二醛（glutaraldehyde）连结，表面便成为和血液适合性良好的。 高分子材料的表机要种下细胞的过程根据并非内皮细胞直接繁殖在材料而是材料表面先繁殖平滑筋细胞，然后上面生成纤维芽细胞层，接者再成长内皮细胞层;由实验证明使胶原蛋白、生丝素或蛋白素上的内皮细胞的繁殖比原来高分子材料好良好。此类研究已有内分泌细胞和高分子材料的恰型化合物，目标为代行一部分肝脏功能。 三、医药品与医学用途 胶原蛋白目前在医药品与医学用途日渐盛行。其衍生物可用以作为风湿性关节炎用药、降血压剂、膀胱失禁用药以及癌症、肝病诊断用药等，此外还可用在药物传输系统（DDS）方面。（表七） 表七 胶原蛋白在工产业中的应用 种类 应用情况 新材料 几丁聚糖、胶原蛋白与聚酯类混合之新材料，可作为内衣裤等 用途 组织、细胞培养用 化妆品 几丁聚糖、胶原蛋白混合之保温性产品 头发定型剂 护肤剂 涂料 胶原蛋白与树脂混合制成 生化工程用 中空纤维反应器使用的胶原蛋白 高密度细胞培养用材 药物传输系统（DDS）也就是在适当的时机，只以适当的药量，送至需要的疾病部位，此种适时，适量用适位的治疗法是未来疾病治疗的趋势。此种疗法不但治疗效果佳，而且副作用发生频率少，是21世纪的治疗走向。DDS事实上包括两个机能面，其一为释出的设计控制（controlled relesase 或 program release ），另一为目标导向（targeting）。目标导向一般利用在体内的治疗，是相当复杂、繁琐的课题。而释出设计控制应用范围较广，可应用于体内或体外的系统或环境，利用担体（carrier）的选择能有效的控制释离的速度。 理想的DDS由下列四个单元所组成： 1.药物 身体内药物浓度随药物由DDS内的释出速度而改变，释出完毕后，体内药物浓度亦随之下降，故一般选用半衰期短的药物较为适当。半衰期长的药物就是由DDS中释完后，药物还能长期维持在体内，帮控制上比较困难，半衰期短的药物在体内的浓度比较容易控制，其安全性亦很较高。 2.药物释出模式 可由四个部分构成： （1）药物储藏部 （2）释出控制部 （3）能源 （4）释出孔或释出表面 3.覆膜 由于DDS的覆膜要与身体组织接触，故必须选用适当的生医材料，才不会引起组织反应及血液反应。 4.治疗程式 这是一种可以设定期间及维持一定良好药物浓度的程式，可依需要而达治疗效果的程式。 DDS所组成的单元中，覆膜是一项重要任务，而扮演覆膜角色的胶原蛋白是研究得很多的生医材料之一，目前已有几种药物已经利用胶原蛋白作为缓释药剂之覆膜，未来发展极有潜力。 近年来也有研究指出，利用胶原蛋白与几丁聚醣的复合膜可用在药物之释控。由于胶原蛋白及几丁聚醣为天然的生物可分解聚合物，具有很好的生物适合性及物理化学性质，并非常适合作为药物释放控制的材料。因此利用FTIP（Fourier transfrm inforared）及吸收水平衡反应研究一烔组成之胶原蛋白与几丁聚醣所形成之水复合膜的特性。胶原蛋白较易水肿，但加放丁聚醣后，其水肿程度下降，且不易水解。药物释放的快慢也可利用复合膜中不同的胶原蛋白用几丁质的比例来调控。由FTIR分析中，直接混成的复合材料中，胶原蛋白仍保持相当完整，薄膜为零階（或定量）释放。四、 化工原料与化妆品用途 基于胶原蛋白多胜（collagen peptides）具有保护胶体的特性，所以对于与水难以混合的物质有分散及乳化作用，因此可以作为化妆品添加剂、洗发剂、护肤霜以及其它化工产品及原料（表七），用在洗发剂时用量大约在1-2%左右。 化妆品中添加生物技术所生产添加物的所谓生技化妆品，目前已成为化妆品的一项新趋势，其原因是没有化学合成品的危害。 由生物技术公司所研发出可使用于化妆品之活性成分，所提供的并不仅限于色彩或皮肤表层的保护，目前生物技术来源之化妆品主要成分是应用于美白、保湿以及强化现有的产品功能，使得各组成分更为协调，甚至成为新的化妆品成分。 目前有越来越多的化妆品公司投入生物技术的研究开发，某些厂商或产品已经运用生物技术或采用生物技术来源的原料，并相当成功，但目前这个市场的规模尚未大到足以引起生物技术或化妆品分析师追踪分析的兴趣。 生技化妆品中的添加物、生体高分子扮演着非常重要的角色，胶原蛋白是其中一种，而这一方面，日本与美国研究得最多，也是最早投入探讨的国家，远在80年代即有许多生技化妆品上市，未来胶原蛋白化妆品在此一领域将是不容忽视的。 五、 食品工业 由于胶原蛋白具有分散作用，乳化效果以及胶质化功能，因此在食品加工上是一种优良的食品添加物，能改善食品的物性化性、外观、风味，而且也是一种抗氧化剂。如不溶性胶原蛋白在0.5-2%浓度下可作为肉品添加。以胶原蛋白为主的保健食品饮料也是近来流行的风潮。这项保健饮料所诉求的目标是提高免疫机能、身体机能及美容等。 （一）免疫机能的提高 由牛、猪以及鲸鱼等动物抽出的14种胶原蛋白，配成10%浓度之水溶液进行动物实验，结果发现有明显的抗癌特性，对癌细胞之抑制效果以猪来源者较佳，为83%，牛来源者为57%。推测可能与巨噬细胞活性之提高有关。 （二） 促进身体机能 胶原蛋白可抑制与细胞异常再生有关的关节疾病，提高身体机能， 因此对运动选手来说相当有助益。 （三） 美容效果 胶原蛋白可活化细胞维护细胞，维持正常新陈代谢，具美容效果，提高皮肤之保湿性、保持年轻。 六、 研究用途 主要用在细胞培养、生物感测器与反应器之担体用膜材料等。其中利用胶原蛋白之细胞培养是生物产业上一项新研发成果（图八）。细胞培养是在支撑细胞的基质上进行的，可分为单层培养（monolayer culture）浮游培养（suspension culture）以及包埋培养（embeded culture）三种。 传统上是以细胞接触性的单层培养法为主，但很多情况都无法表现出分化机能与增殖能。为弥补此一缺点，以胶原蛋白的培养法是一项突破。 近年来有关利用胶原蛋白培养的细胞，以及胶原蛋白的各种形状互相配合条件之研究报告很多。细胞培养牵涉到许多关键技术，例如制作胶原蛋白膜型培养细胞。则须注意要干燥、膜生成与紫外线照射条件等。