胶原蛋白的生物学特性
免疫学分析和研究结果表明，用完全弗氏佐剂可以产生针对胶原蛋白的多克隆和单克隆抗体。由T细胞启动的对胶原蛋白的免疫反应的证据是位于重要组织相容性(H-2)位点的IA或IB亚结构域的免疫反应基因已经被鉴定。胶原蛋白免疫原性的临床评价通常通过皮肤过敏试验(细胞免疫指数，迟发ⅳ型反应)和反应性抗体的存在(体液免疫指数)来确定。实践证明，对患者进行这两种评价是合理的。治疗前，约3%的患者对过敏剂量的可植入胶原蛋白皮肤试验有潜在反应。约65，438±0% ~ 2%反复治疗的患者会出现迟发性过敏反应的临床症状。典型症状包括局部水肿和红斑反应，有的伴有硬化和瘙痒，持续4 ~ 6个月，有的甚至达到65，438+0年以上。胶原蛋白是人体的天然蛋白质，对皮肤表面的蛋白质分子亲和力大，抗原性弱，生物相容性和生物降解安全性好，可降解吸收，粘附性好。胶原蛋白制成的外科缝合线不仅具有与天然丝相同的高强度，而且具有吸收性。使用时不仅具有优异的血小板聚集性能、良好的止血效果，还具有良好的光滑度和弹性。缝线结不易松动，手术时不易损伤身体组织。它对伤口表面具有良好的粘附性。一般只需要短时间的压迫就能达到满意的止血效果。因此，胶原蛋白可制成粉状、扁平状和海绵状止血剂。同时，合成材料或胶原蛋白广泛应用于血浆代用品、人工皮肤、人工血管、骨修复、人工骨和固定化酶载体的研究和应用。
胶原分子的肽链上有多种活性基团，如羟基、羧基和氨基等。易于吸收结合多种酶和细胞，实现固定化。具有与酶和细胞亲和力好，适应性强的特点。此外，胶原蛋白易于加工成型，因此纯化后的胶原蛋白可以制成许多不同形式的材料，如薄膜、胶带、薄片、海绵、珠子等。，但以薄膜形式应用的报道最多。胶原蛋白制备的膜用于生物医学，具有生物降解性、组织吸收性、生物相容性和弱抗原性，同时具有强亲水性、高拉伸强度、真皮样形态结构和良好的透水性和透气性；由高抗拉强度和低延展性决定的生物塑性:具有多种官能团，可以通过适度交联进行改性，从而控制其生物降解速度；可调节的溶解度(膨胀)；当与其他生物活性成分一起使用时，具有协同作用；能与药物相互作用；末端肽交联或酶处理可降低抗原性，分离微生物并具有生理活性，如血凝。同时也存在以下缺点:胶原蛋白的分离纯化加工复杂，分离出来的胶原蛋白交联密度和纤维大小多样。胶原蛋白的酶促水解的速度是可变的，并且条件难以控制。而且纯胶原蛋白干燥后比较脆，成膜能力不强。其涂膜延展性低，易干裂，耐水性差，遇水易溶涨，在体内易降解，在潮湿环境下易因细菌侵蚀而变质。此外，它可能会导致一些副作用，如组织钙化。因此，在实际应用中，往往采用一定的方法对胶原蛋白进行改性，可以避免胶原蛋白制备材料的缺点，提高胶原蛋白的拉伸强度和抗降解性，降低膨胀率，提高胶原蛋白的力学性能和耐水性。
临床应用形式包括水溶液、凝胶、颗粒、海绵和薄膜。类似地，这些形状可以用于药物持续释放。已批准上市和正在开发的胶原蛋白药物缓释剂的应用主要集中在眼科的抗感染和青光眼治疗，外伤和伤口修复的局部治疗以控制感染，妇科的宫颈非典型增生和外科的局部麻醉。由于胶原蛋白广泛分布于人体组织中，是所有组织中的重要成分，构成细胞外基质(ECM)，其性质是一种天然的组织支架材料。从临床应用来看，人们用胶原蛋白制作各种组织工程支架，如皮肤、骨组织、气管、血管支架等。但胶原蛋白本身有两种，即纯胶原蛋白制成的支架和与其他成分复合的复合支架。纯胶原组织工程支架具有生物相容性好、易加工、可塑性强、能促进细胞黏附和增殖等优点，但也存在胶原力学性能差、在水中难以成型、不能支持组织重建等缺点。其次，修复部位的新组织会产生各种酶，这些酶会水解胶原蛋白，导致支架的崩解，而交联或复合可以改善和提高。胶原基生物材料已成功应用于人工皮肤、人工骨、软骨移植和神经导管等组织工程产品。有人利用嵌入软骨细胞的胶原凝胶修复软骨缺损，并尝试将上皮、内皮和角膜细胞附着在胶原海绵上，以适应角膜组织。其他人将自体间充质细胞的干细胞与胶原凝胶混合，制成肌腱，用于肌腱修复后。
以胶原蛋白为基质和上皮成分组成的组织工程人工皮肤药物缓释凝胶广泛应用于以胶原蛋白为主要成分的给药系统，可将胶原蛋白水溶液成型为各种形式的给药系统，如眼科用胶原蛋白保护剂、烧伤或创伤用胶原蛋白海绵、蛋白传递颗粒、胶原蛋白凝胶形式、经皮给药的调节材料和基因传递用纳米颗粒等。此外，它还可用作组织工程的基质，包括细胞培养系统、人工血管和瓣膜的支架材料等。胶原蛋白是从动物皮肤中提取的。皮肤中除了胶原蛋白外，还含有透明质酸、硫酸软骨素等蛋白聚糖，含有大量的极性基团，是保湿因子，具有阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素的作用。因此，胶原蛋白具有天然保湿、美白、抗皱、祛斑等功能，可广泛应用于美容产品中。胶原蛋白的化学组成和结构赋予了它美丽的基础。胶原蛋白在结构上类似于人皮肤胶原蛋白，是一种不溶于水的纤维状含糖蛋白质。其分子富含氨基酸和亲水性基团，具有一定的表面活性和良好的相容性。同时由于其分子中含有大量的羟基，具有相当好的保湿效果。当相对湿度为70%时，仍能保持自身重量45%的水分。实验表明，0.01%胶原蛋白纯液能形成良好的保水层，供给肌肤所需的全部水分。
随着年龄的增长，成纤维细胞的合成能力下降。如果皮肤缺乏胶原蛋白，胶原纤维会结合固化，使细胞间粘多糖减少，皮肤失去柔软性、弹性和光泽，出现衰老。同时真皮纤维会断裂，脂肪萎缩，汗腺和皮脂腺减少，产生皮肤斑点、皱纹等一系列衰老现象。在化妆品中作为活性物质使用时，后者可扩散至皮肤深层，其酪氨酸与皮肤中的酪氨酸竞争，并与酪氨酸酶的催化中心结合，从而抑制黑色素的生成，增强皮肤中胶原蛋白的活性，维持角质层中水分和纤维结构的完整性，促进皮肤组织的新陈代谢，对皮肤产生良好的保湿、抗皱和美容作用。早在20世纪70年代初，美国就率先推出了注射用牛胶原蛋白，用于去除斑点、皱纹和疤痕。
但在化妆品中，通常要求分子量在2KD以下，才能让水解胶原蛋白渗透到皮肤中。而护发类化妆品应该不仅要求水解胶原蛋白具有保湿性，还要具有一定的成膜性，所以水解胶原蛋白的分子量会更高。胶原蛋白也可以用在食物中。早在12世纪，宾根的圣希尔德-加德(St.Hilde-gard)就描述了用小牛软骨汤作为治疗关节疼痛的药物。长期以来，一些含有胶原蛋白的产品被认为对关节非常有益。因为它具有一些适合食用的性质:食品级的通常外观呈白色，口感柔和，味道清淡，易于消化。可以降低血液中的甘油三酯和胆固醇，增加体内一些必需的微量元素，使其保持在相对正常的范围内。是降血脂的理想食品。此外，研究表明，胶原蛋白有助于排除体内的铝，减少铝在体内的堆积，减轻铝对人体的危害，并在一定程度上促进指甲和头发的生长。ⅱ型胶原是关节软骨中的主要蛋白，因此是一种潜在的自身抗原。口服可以诱导T细胞的免疫耐受，从而抑制T细胞介导的自身免疫性疾病。胶原蛋白多肽是由胶原蛋白或明胶经蛋白酶降解后制得的一种消化率高、分子量约为2000 ~ 30000的产品，但不具备明胶的凝胶性质。市面上卖的胶原蛋白多为胶原多肽。
胶原蛋白的某些品质使其成为许多食品中的功能性物质和营养成分，具有其他替代材料不可比拟的优势:胶原蛋白大分子的螺旋结构和晶区的存在使其具有一定的热稳定性；胶原蛋白天然致密的纤维结构使胶原蛋白材料表现出很强的韧性和强度，适合于制备薄膜材料。由于胶原蛋白的分子链中含有大量的亲水基团，具有很强的与水结合的能力，这使得胶原蛋白可以在食品中用作填充剂和凝胶。胶原蛋白在酸性和碱性介质中会膨胀，这一性质也被应用于制备胶原基材料的加工技术中。
胶原蛋白粉可以直接添加到肉制品中，影响肉的嫩度和烹饪后肌肉的质地。研究表明，胶原蛋白对于生肉和熟肉的形成非常重要。胶原蛋白含量越高，肉质越硬。例如鱼类的嫩度被认为与V型胶原蛋白的降解有关，肽键的破坏导致细胞周围胶原纤维的断裂被认为是肌肉嫩化的主要原因。通过破坏胶原蛋白分子中的氢键，破坏原有紧密的超螺旋结构，形成分子更小、结构更疏松的明胶，不仅可以提高肉的嫩度，还可以提高其使用价值，使其品质好，增加蛋白质含量，口感好，营养好。日本还用胶原酶水解的动物胶原蛋白开发了新的调味品和清酒，不仅有特殊的风味，还能补充一些氨基酸。
随着香肠制品在肉制品中的比重越来越大，天然肠衣制品严重短缺。研究人员致力于替代品的开发。胶原蛋白肠衣以胶原蛋白为主要成分，是一种营养丰富的高蛋白物质。在热处理过程中，随着水和油的蒸发和溶解，胶原蛋白的收缩率几乎与肉类食品相同，而其他可食性包装材料尚未发现有这种性质。此外，胶原蛋白本身具有固定化酶和抗氧化的作用，可以改善食品的风味和品质。产品应力与胶原蛋白含量成正比，而应变成反比。胶原蛋白是人体骨骼，尤其是软骨的重要成分。胶原蛋白就像骨头上布满小孔的网，会牢牢留住将要流失的钙。没有这张布满小孔的网，即使补充过量的钙，也会白白流失。羟脯氨酸是胶原蛋白的特征氨基酸，是将钙从血浆运输到骨细胞的工具。骨细胞中的胶原蛋白是羟基磷灰石的粘合剂，它与羟基磷灰石一起构成了骨骼的主体。骨质疏松的本质是胶原蛋白合成的速度跟不上需要，换句话说，新胶原蛋白产生的速度低于旧胶原蛋白突变或老化的速度。研究表明，如果缺乏胶原蛋白，再多的钙补充剂也不能预防骨质疏松症。因此，只有摄入足够的能结合钙的胶原蛋白，钙才能在体内迅速被消化吸收，钙才能到达骨骼部位并迅速沉积。
将胶原和聚乙烯吡咯烷酮溶解在柠檬酸缓冲溶液中，制备胶原-聚乙烯吡咯烷酮聚合物(C-PVP)。它对强化受伤的骨骼不仅有效而且安全。即使长期连续用药，也不出现淋巴结肿大或DNA损伤，也不引起肝肾代谢紊乱，也不诱导人体产生抗C- PVP抗体。饲料用胶原蛋白粉是以皮革下脚料、皮革下脚料等副产物为原料，采用物理、化学或生物技术方法加工而成的一种蛋白质产品。制革厂鞣制和切边产生的固体废物统称为鞣制废渣，其干物质的主要成分是胶原蛋白。经处理后，可作为动物源性蛋白营养添加剂，替代或部分替代进口鱼粉，用于生产混合、配合饲料，具有良好的饲养效果和经济效益。其蛋白质含量高，富含18多种氨基酸。含有钙、磷、铁、锰、硒等矿物元素，清香扑鼻。结果表明，水解胶原蛋白粉可以部分或全部替代生长肥育猪日粮中的鱼粉或豆粕，但添加比例不得超过6%。当含量达到8%时，生产性能和日粮消化率会显著降低，饲养成本增加。
其他人进行了生长试验和消化试验，以评估水产饲料中胶原蛋白替代鱼粉的效果。在生长试验中，在基础饲料(对照组，含65，438+02%鱼粉)中分别以2%和4%的胶原蛋白等重饲喂平均体重为6.5g的异育银鲫(365，438+05条)，各组的增重率分别为765，438+0.3%，70.9%和765，438。0.05);对平均体重为110g的异育银鲫进行消化试验。根据set算法，异育银鲫对胶原蛋白的消化率为97.3%。结果表明，胶原蛋白具有较高的消化率，可以部分替代鱼粉而不影响异育银鲫的增重。有人研究了膳食铜缺乏与小鼠心脏胶原蛋白含量的关系。通过SDS- PAGE分析和考马斯亮蓝染色，结果表明检测改变的胶原蛋白的附加代谢特征可以预测铜缺乏。因为肝纤维化可以降低蛋白质的含量，所以我们也可以通过测量肝脏中胶原蛋白的含量来预测肝纤维化。金线莲水提取物(AFE)能减轻四氯化碳诱导的肝纤维化，降低肝胶原含量。胶原蛋白也是巩膜的主要成分，对眼睛也很重要。如果巩膜的胶原蛋白合成减少，降解增加，就会导致近视。