膠原蛋白.

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膠原蛋白

天然高分子材料中目前最具發展潛力的有幾丁質(chitin)、透明質酸(hyaluronic acid)及膠原蛋白(collagen)等。其中,幾丁質是由蟹殼中抽取的,而透明質酸是從雞冠中抽取而得,兩者都屬多醣體(polysaccharide)類生醫高分子材料。

十九世紀發現膠原蛋白的時候,牛津字典將其定義為「煮熟之後像明膠的結締組織」,所以也稱作「膠原質」。一直到六○年代末期,第二型膠原蛋白由軟骨中萃取鑑定之後,大家才知道膠原蛋白原來不只一種,也才陸續展開對膠原蛋白的研究。以膠原蛋白做為生醫材料,已經有很長的一段歷史,在二十世紀初,就記載了利用膠原蛋白做成敷料處理燒燙傷。

到七○年代末期,膠原蛋白的萃取技術已臻完備,之後就出現了更多以純膠原蛋白為主的生醫材料。膠原蛋白因為具有高度的生物相容性、低免疫性,可以被身體分解吸收,又能加速傷口的癒合,所以現在各種動物的膠原蛋白,都被積極地用來做成植入人體的產品。

膠原蛋白為脊椎動物體內含量最豐富的蛋白質(protein),在骨頭與肌腱中約有90%以上,皮膚中約有50%以上的蛋白質為膠原蛋白,不僅脊椎動物有,無脊椎動物如軟體、節足動物也有膠原蛋白。

膠原蛋白的種類及結構 隨著萃取及分析技術不斷的進步,現在根據發現的時間先後已定義出21種不同形式的膠原蛋白。

目前一般在醫學上的應用仍以Type I 膠原蛋白為主,故若未特別標示其形式者,則通常是指Type I 膠原蛋白。

膠原蛋白分子是由三條多胜月太鏈(polypeptides)所組成的三股螺旋結構,而每一條多胜肽鏈(我們稱之為αchain)的組成相似,但並不一定完全相同,故所組成的膠原蛋白也不相同。

有的是由三條完全相同之αchain所組成(如Type II),有的三條αchain完全不同(如Type VI),有的則是兩條相同而另一條不同,Type I便屬於這一種。體內不同部位組織蘊藏不同含量及型態的膠原蛋白。

Type I 膠原蛋白為骨頭、肌腱及皮膚的主成份,其三股螺旋結構是由兩條α1(I) (含1,056個胺基酸)及一條α2(I)(含1,029個胺基酸)的多胜肽鏈所構成,在這些多胜肽鏈上每三個胺基酸便有一甘胺酸(glycine),而脯胺酸(proline)及羥基脯胺酸(hydroxyproline)的環狀結構與氫鍵使三股螺旋穩定,若因熱或化學物質破壞這些鍵結而使分子的螺旋結構展開則稱「變性(denaturation)」。

膠原蛋白分子的分子量約為283,000 daltons,長約280 nm,直徑1 膠原蛋白分子的分子量約為283,000 daltons,長約280 nm,直徑1.4 nm(1),兩端非螺旋結構的部份(稱之為telopeptides)在合成機制上有其意義,但在生醫材料的應用上則會引起免疫反應。

在體內的細胞間質,膠原蛋白分子不會單獨存在,而是聚集成纖維,當細纖維形成後,多胜月太鏈上的羥基脯胺酸及離胺酸(lysine)會與酵素作用,產生分子內或分子間的交聯(crosslinking)而加強支撐功能,纖維並會隨著年齡增加而加粗至直徑約50~300 nm。

膠原蛋白具備了高抗拉強度、可控制的生物分解性、止血性、低抗原性、低發炎性、低毒性及促進細胞附著生長的特性,在醫學上可做廣泛的應用,其優點歸納如下:(1)天然高分子材料來源豐富;(2)高生物相容性;(3)生物可分解性;(4)低抗原性;(5)低毒性;(6)高抗拉強度;(7)止血性;(8)促進細胞貼附生長;(9)可經化學改質成各種型態。

膠原蛋白的加工製備與生醫的應用 膠原蛋白可重組或經處理成多種型態,如薄膜、管狀、海綿狀、粉末或柔軟的纖維織品(如圖二所示),目前已有應用在止血材、神經重建、組織整型、燒燙傷敷料、脫腸修補、尿道手術、藥物釋放、眼科、避孕器、修補心瓣膜、血管壁手術及手術縫線等生醫材料上

圖二 各種型態之膠原蛋白

在植入式及敷料上最常用的膠原蛋白來源為動物的皮膚及肌腱,外科縫線則最常用動物的內臟黏膜。

而一般在應用上最常使用的膠原蛋白型態可為纖維狀(fibrillar)、管狀(tublar)、多孔狀(porous)、薄膜(membrane)、海綿狀(sponge)及注射劑(injectables)。

一般膠原蛋白生醫材料產品製備必須經交聯(crosslinking)處理以加強其機械強度。