艾偉拓產品團隊持續為您帶來注射醫美材料全面解析，針對當前臨床使用及在研生物材料的物理化學性質及優劣勢進行介紹。本期我們介紹的對象是膠原蛋白基注射材料：

01膠原蛋白

膠原，作為哺乳動物體內含量最豐富的蛋白質，占據人體皮膚約70%的含量，是細胞外基質的主要構成成分。它對皮膚的彈性、光澤、毛孔和水分保持等特性起到至關重要的作用。作為一種天然的高分子材料，膠原具有低抗原性、可吸收降解等特性，還兼具美白保濕和填充修復的功能。基于天然膠原、水解膠原和重組人源膠原所開發研制的產品，能夠滿足不同患者、不同病癥的治療需求，因此在醫學整形美容領域得到廣泛應用。

圖1 (a)人體皮膚結構圖；(b)組織內膠原蛋白含量對皮膚狀態的影響

02膠原蛋白基材料的種類

2.1 天然膠原蛋白

膠原蛋白是動物體內含量最多、分布最廣的蛋白質，目前已在脊椎動物和高等無脊椎動物的基因序列中發現了由46種不同肽鏈組成的28種不同類型的膠原蛋白，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原蛋白約占動物體內總膠原蛋白含量的90%。

天然膠原蛋白主要源自豬、牛、鼠、魚等動物的皮膚、軟骨和肌腱組織。雖然不同源動物組織中的膠原在氨基酸序列、結構形貌和功能性能上存在差異，但它們都具備完整的三螺旋結構和膠原纖維束狀結構。豬皮、牛跟腱和鼠尾膠原在甘氨酸和脯氨酸的含量上有所不同，這影響了它們的物理特性和性能。

此外，不同動物來源的膠原在抗氧化活性和吸濕保濕性方面也有顯著差異。例如，鱈魚皮膠原顯示出出色的清除ABTS自由基的能力，而驢皮膠原則能有效清除DPPH自由基，具有出色的保濕性能，適合應用于化妝品中。

在光老化皮膚成纖維細胞的修復作用方面，海蜇、牛骨和鱈魚皮膠原都表現出顯著的效果，能夠提高細胞增殖活性，改善細胞內抗氧化酶活力和增加細胞膠原分泌。其中，海蜇膠原的效果最為顯著，為護膚品研制領域提供了新的思路和廣闊的應用前景。

天然膠原的提取工藝多種多樣，主要包括酸法、堿法、酶解法、熱水浸提法和結合法。雖然這些方法都能從同源動物組織中提取出含有膠原蛋白特征氨基酸（甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸）的產物，但它們對膠原蛋白結構的影響程度各不相同。

不同的提取工藝對膠原蛋白中的羥脯氨酸含量、肽鏈間氫鍵的形成、三螺旋結構的穩定性以及熱穩定性都有所影響。因此，選擇合適的提取工藝對于獲取具有特定結構和性能的膠原蛋白至關重要。

膠原蛋白是動物組織中的主要成分，特別是Ⅰ型纖維狀膠原。這種膠原分子由兩條α1鏈和一條α2鏈組成，每條α肽鏈包含約1000個氨基酸殘基，并具有300個Gly-X-Y的重復結構。膠原蛋白的分子量約為300kDa，其中甘氨酸占據了約1/3的氨基酸比例。此外，X和Y位置上的脯氨酸和羥脯氨酸也是膠原蛋白的重要組成成分。這三條α肽鏈通過氫鍵、共價鍵和范德華力相互纏繞，形成特有的右手螺旋結構。

圖２　膠原蛋白的三股螺旋結構和鏈間氫鍵作用力

這種三股螺旋結構是膠原蛋白維持生物活性、發揮功能特性的基礎。這種結構有利于組織細胞在膠原基材料上的黏附和遷移，促進細胞分化，并維持組織的穩定性。在醫學美容領域，膠原蛋白常被注射到面部以刺激成纖維細胞合成和分泌新的膠原蛋白，從而修復疤痕、淡化皺紋，使面部皮膚恢復年輕狀態。

從動物組織中提取的膠原蛋白還具有良好的親水性、保水性和生物降解性。在皮膚缺損和創面修復中，它可以快速止血，減輕炎癥反應，并促進創面組織的修復和愈合。在護膚品中添加膠原蛋白可以增加保濕效果，減少皮膚水分流失，補充皮膚所需的營養物質和氨基酸，加快皮膚新陳代謝的速度。長期使用可以改善真皮層的組織結構。

綜上所述，膠原蛋白憑借其獨特的三股螺旋結構、優良的生物相容性、可降解性和低抗原性等特點，成為了注射醫美、人工皮膚、可降解縫合線等生物醫學材料和高檔化妝品研發領域的熱門材料。

2.2 水解膠原蛋白

膠原蛋白的分子量較大，三股螺旋結構復雜，水溶性和分解性較差，直接用于體表時難以被人體皮膚吸收。采用酸法、堿法和酶降解法將膠原轉變為分子量較小、結構較簡單的水解膠原(Collagen hydrolysate， CH)，可以改善其溶解性、親水性和耐酸堿高溫性，提高其在人體皮膚中的生物降解性和吸收利用率，拓寬膠原基材料在醫學美容領域的應用范圍。

采用酶水解法從豬、牛的皮膚和肌腱組織以及海洋生物的皮膚和鱗片中提取水解膠原是當前的研究熱點，此類水解膠原產物具有較好的乳化性、表面活性、膠體保護性和生物相容性。研究發現，隨著相對分子量的減小，水解膠原產物的保水性、抗氧化活性和抗衰老活性增強，吸油性、起泡性和泡沫穩定性減弱，在實際應用中需根據美容護膚品的具體需求添加相應分子量范圍的水解膠原。小分子水解膠原蛋白可以透過皮膚的角質層和表皮層到達真皮層，被人體皮膚直接吸收。Elena等研究發現魚皮水解膠原的生物相容性優于天然牛膠原蛋白，可以刺激皮膚內成纖維細胞的生長和膠原蛋白的合成，提高皮膚的彈性和含水量，其透皮吸收效率和水解膠原的分子大小和結構特征呈正相關。

膠原蛋白、水解膠原和明膠具有相似的氨基酸種類和序列，水解膠原是膠原的酶水解產物，其三股螺旋結構被打開，氨基酸之間的部分肽鏈被打斷，分子量分布較寬，為1～70 kDa。明膠是由膠原經高溫處理后的產物，其三股螺旋結構被破壞，分子量為10～100 kDa。與膠原蛋白和明膠相比，水解膠原的分子量較小，水溶性較好，溶液黏度低、溶解速度快，在不同溫度和pH值范圍內均具有較好的生物活性，經二次加工后更容易被人體吸收利用。

近年來，膠原蛋白水解技術逐漸成熟，水解膠原相關性能研究也不斷深入，水解膠原的美容功能已經獲得了廣泛的證實和認同。不同的應用領域需選用不同類型的膠原水解酶，采用胰酶提取的水解膠原的分子量在10～70 kDa，有利于滲透吸收，可作為注射膠原溶液和口服膠原保健品使用；采用胃蛋白酶和木瓜蛋白酶提取的水解膠原結構較完整，與人體皮膚角質層具有相似的結構，添加在日用護膚品中可以增強膠原在皮膚內的滲透性和吸收性，加快面部青春痘、痘印和疤痕等受損皮膚的愈合速度，提高皮膚的密度和柔軟度，將其作為新型美容保養品已成為當下的市場熱點。

2.3 重組人源膠原

從動物結締組織中提取膠原蛋白周期長、產量低，所得產物成分復雜，目標蛋白分離困難，異種組織間會產生免疫排斥反應，近年來爆發的禽流感和瘋牛病導致動物源膠原蛋白可能攜帶病毒等污染源，其生物安全性無法得到保障，在一定程度上限制了膠原蛋白的開發利用。隨著蛋白質工程技術的發展，利用基因工程技術將人體膠原蛋白的DNA序列轉入不同的宿主細胞中，通過發酵、分離純化獲得重組人源膠原(Recombinant human collagen， RHC)的研究越來越廣泛。

目前在重組膠原的生產開發體系中常選用動物、植物和微生物作為宿主細胞，其中微生物發酵體系操作簡單、培養周期短、適合大批量生產，其產品質量穩定、安全性高，消除了病毒隱患和免疫排異性等問題。近年來國內外對重組膠原的研究主要集中在采用微生物作為宿主細胞領域，制備重組人源膠原的標準流程如圖3所示。

圖３　重組人源膠原蛋白的標準生產流程

與天然動物源膠原相比，通過基因工程表達獲得的重組膠原產物組分單一、安全性較高、無病毒隱患，但存在表達產量低、合成產物難以分泌、蛋白質活性較低等缺陷。此外，重組膠原的三股螺旋結構與所表達的基因序列有關，基于全長天然膠原基因序列表達所得的重組膠原與天然膠原具有相同的各層級結構，但基于單鏈膠原蛋白基因序列表達所得的重組膠原無法形成三螺旋構象，不能進行分泌表達。天然膠原蛋白、水解膠原蛋白和重組膠原蛋白三類材料的結構與性能如表1所示。

2.4 膠原蛋白復合材料

純膠原的力學性和濕熱穩定性較差、不耐酶解等缺陷在很大程度上限制了其應用范圍，將純膠原蛋白與天然高分子材料或合成高分子材料按照一定比例共混制備復合材料可以彌補其單一組分的不足，提升材料的綜合性能。其中，天然高分子材料的生物相容性結構、可降解性和多功能性是合成高分子材料所不具備的，將其與純膠原蛋白復合既能維持膠原優異的生物相容性，又能使其兼具多種材料的優勢，獲得性能更佳的膠原基復合材料，是膠原基生物醫用材料的研究熱點。

近年在生物醫學材料領域，選用殼聚糖、海藻酸鈉和絲素蛋白等天然可降解生物材料對膠原蛋白的復合改性的研究明顯增多。殼聚糖(Chitosan， CS)是從甲殼類動物殼中提取出的甲殼素脫乙酰化衍生物，具有良好的成膜性、吸濕保濕性和抗菌抑菌性。李娟等將膠原蛋白/殼聚糖復合微球均勻噴灑于纖維基布上制成的面膜膚感柔軟滑爽，精華液中的膠原組分和殼聚糖組分均可滲透進入皮膚毛囊孔中，消除面部皮膚中的黑色素和色斑，殼聚糖的引入提高了膠原蛋白面膜的保濕性能，減緩了面膜在運輸、儲存和敷用過程中水分的蒸發和流失。

03

總結

隨著國內外科研人員對膠原基生物材料結構和功能的研究日益深入，膠原蛋白在填充面部凹陷、淡化皺紋色斑、延緩皮膚衰老等方面的作用效果引起了廣泛關注，膠原基生物材料已普遍應用于整容整形、醫學美容的臨床應用和日用化妝護膚品的制備領域中。

目前在醫學美容整形領域中常用的膠原蛋白主要是經過高度純化、去除致敏性后制得的人源或動物源膠原蛋白和通過基因工程技術獲得的重組人源膠原，該類膠原蛋白的生物相容性較好、免疫原性較低、親水性較強、可吸收降解性較好，但重組人源膠原產品在表達系統的選擇、蛋白質表達產量、產品純度、結構特性和蛋白活性等方面仍有較大的提升空間，且分離純化成本較高，難以實現大規模批量化生產。

此外，純膠原材料存在塑形性差、力學強度小、熱穩定性差和不耐酶降解等缺陷，通過物理修飾和化學交聯等方法將膠原與其他生物材料共混制成膠原基復合生物材料可以在一定程度上改善以上缺陷，但引入其他組分可能會影響膠原材料在人體內的吸收降解性和生物相容性，將其用于人體后可能會產生免疫排斥反應和皮膚過敏，這將會限制膠原蛋白在醫學美容領域的應用范圍。

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[1]馮榮欣，但年華，陳一寧等.膠原基生物材料在醫學美容領域的研究進展[J].材料導報，2023，37(14):248-256.