浅谈医学生物材料-胶原蛋白

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1、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。

2、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

3、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

4、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

5、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(V

6、I)大部份的空隙组织VII[α1(VII)]3AnchoringfibrilsVIII[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

7、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

8、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