明胶及其在生物医学材料中的应用

明胶及其在生物医学材料中的应用1

关林波1**,但卫华1***,曾睿2，3,米贞健2,林海1,但年华1，2,

陈驰1,曲健健1,叶易春1

1. 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，610065；

2. 成都佰乐金生物科技有限公司，610065；

3. 四川大学轻纺与食品学院，610065；

摘 要：明胶是一种天然的高分子材料,其理化性质、生物学性能研究表明其是制造生物医用材料的良好材料。本文阐述了明胶的各种性质,根据大量前人研究材料总结出当明胶与其他生物材料复合时,明胶基生物医用材料在医学领域的各个方面都有着良好的应用。

关键词：明胶 生物医学材料 应用

1． 概述

明胶是由胶原部分水解而得到的一类蛋白质，明胶的性质与胶原的结构有关。胶原分子具有棒状三螺旋结构，当其部分水解制备明胶的过程中，胶原的这种三螺旋结构发生部分分离和断裂。胶原具有重要的生物学性质—力学性能高、促进细胞生长、止血、生物相容性和生物降解性，多年来一直促使许多研究者设想制备胶原基生物材料。然而直到近20年随着胶原化学的发展，人们对胶原的结构和性质有了更为清楚的认识，这种设想才得以变为现实。在胶原的应用发展同时，明胶所表现出来的一些良好的理化性能，使得它在医药工业、临床医学和临床治疗中有广泛的应用。

2． 明胶的结构及理化性质[1～4]

2.1 明胶的结构及分类

明胶不是一种单一化合物，其成分受胶原来源的影响，其氨基酸组成与胶原相似，但因预处理的差异，组成成分也可能不同。不同规格的明胶分子量一般为20 000～250 000不等。当胶原蛋白的分子水解时，三股螺旋互相拆开，其肽链有不同程度的分离和断裂。这种分离和断裂方式有三种(如图一)：(1)螺旋完全松开，成为三条互不联结的、不规则盘旋的肽链；

(2) 一条肽链分离，另两条肽链松开后仍有氢键联结；(3) 三条肽链松开后仍有氢键相互联结。胶原蛋白分子的棒状三螺旋结构按上述三种方式分离和断裂后就形成了明胶分子的结构。

按照制备方法不同，明胶可分为两类，即A型明胶和B型明胶。A型明胶（pH为3.8-6.0；等电点为6-8）是用酸水解猪皮得到的，可塑性和弹性较好。B型明胶（pH为5.0-7.4；等电点4.7-5.3）是碱水解骨头及动物皮肤得到的，硬度较好。尽管有时候单独使用A型明胶或者B型明胶，但是大多数药用明胶是以上两种类型明胶的混合物。

1基金资助：教育部高等学校博士点专项科研基金资助,项目编号:20020610032

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图1. 明胶蛋白分子分离和断裂方式

2.2明胶的理化性质

明胶的理化性质与胶原蛋白的来源、制备方法、提取和浓缩条件、 受热历程、 pH值以及杂质或添加剂的化学性质有关，其理化性质主要有：

2.2.1凝胶化

当组成胶团的各种蛋白质链借助于侧链互相缔合时，将形成一个不溶性的固体点阵，这就是凝胶。明胶溶液可因温度降低而形成具有一定硬度、不能流动的凝胶，明胶凝胶形成的浓度最低极限值约为0.5％，凝胶浓度是指胶液冷却成凝胶后的浓度，浓度越大，黏度也愈高，凝胶存在的温度最高为35℃。凝胶形成后，它的结构向三股螺旋构型的变化历程很长，要经历多个阶段，其螺旋结构的比例逐步增加。当明胶凝胶受到环境刺激时会随之响应，即当溶液的组成、pH值、离子强度发生变化和温度、光强度、电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质刺激时，凝胶就会发生突变，呈现相转变行为。这种响应提示了凝胶的智能性的存在。根据明胶凝胶化所具有的智能性，可以利用明胶制作仿生智能材料。例如郭晓明、吴霞琴等人[5]采用明胶成膜和溶胶－凝胶成膜相结合的技术，制得了性能良好得生物传感器。虽然这种材料目前在国内报道很少,但是智能天然高分子材料的研究已经成为仿生材料领域中的重要发展方向之一[6]。笔者认为，在不久的将来，明胶基智能高分子材料将会是仿生材料中最为耀眼的一朵奇葩。

2.2.2溶解和溶胀

明胶可以溶于水、多元醇（如甘油和丙二醇）的水性溶液以及极性大可形成氢键的有机溶剂，不溶于极性较小的有机溶剂以及大多数其他非极性有机溶剂。明胶不溶于冷水，但是在冷水中久浸即吸水膨胀并软化，质量可增加5～10倍，在40℃时就完全溶解成溶液。固体明胶通常含有少量的水分，这部分水起着增塑剂的作用，当含水量较低时，一般加入甘油或其他多元醇作为增塑剂。

明胶分子与其他蛋白质一样，在不同的溶液中，可形成正离子、负离子或两性离子（等电点）。明胶的两性主要是由于产生了自由的羧基和氨基引起的。在等电点时，明胶的黏度、

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渗透压、表面活性、溶解性及溶胀吸水量均最小，加入脱水剂时，在40℃以上能出现单聚凝。明胶在所有的pH范围内都易溶于水，若加入与明胶分子所带电荷相反的聚合物，则带电荷的聚合物能使明胶从溶液中析出。这种共聚凝作用在医学材料中的作用主要是制备微型胶囊或明胶微球。由此看来，明胶在制备药物缓释材料和药物载体材料中，具有可喜的应用前景。

2.2.3 黏度

明胶溶液的黏度与浓度、温度、明胶的分子量、pH值、添加剂和杂质有关。在低浓度时（1％～2％）明胶溶液的黏度与浓度呈线性关系；随着明胶浓度逐渐增大，黏度迅速增加，黏度的增大远大于浓度增大速度。在40℃以上的明胶水溶液表现出牛顿流体行为，30～40℃的明胶溶液表现为非牛顿流体力学性质。在常温时，容易形成网状结构，妨碍流动，因而黏度较大。

2.2.4 胶体和乳化性质

明胶是一种有效的保护胶体，可以阻止晶体或离子的聚集，用以稳定非均相悬浮液。在水包油的分散体药剂中作为乳化剂。

2.2.5 稳定性

明胶在室温、干燥状态下比较稳定，可放置数年，明胶应尽可能在低温条件下保存。在较高的温度和湿度下保存的明胶倾向于失去溶解性。在水溶液里，明胶能缓慢地水解转变成分子量较小的片断，黏度下降，失去凝聚能力。而且明胶对酶的作用很敏感。

3.明胶的生物学性能

3.1 生物相容性

生物相容性是生物材料能否应用于临床的关键因素之一。评价一个生物材料的生物学性能，主要看材料与机体的相互作用，包括材料反应和宿主反应。明胶是一种天然的高分子材料，其结构与生物体组织结构相似，因此具有良好的生物相容性。

3.2 生物可降解性[1]

生物可降解高分子材料一般用于生物体内，作为非永久性的植入材料，要求它在发挥作用之后能被活体吸收或参与正常的代谢而被排出体外。同时，要对材料表面接触的细胞不产生活性，其降解所生成的物质对生物体无毒性，而且相应于损伤部分的治愈情况，吸收材料必须具有相应的分解吸收速度。降解速度过快或过慢，都不适合作医用材料。明胶作为一种天然的水溶性的生物可降解高分子材料 ，其最大优点是降解产物易于被吸收而不产生炎症反应，其最大应用是作为药物控释。在应用明胶的可降解性时，经常对其进行化学修饰，调节其降解速度以适应不同的需要。

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