1膠原作為生物材料的優勢
低免疫原性
膠原作為醫用移植材料最重要的特點在於其免疫惰性,與其它具有免疫性(immunogenicity)的蛋白質相比,膠原的免疫原性非常低。特別是在膠原以膠原組織(tissue-based)和純化膠原形式使用時,這一優勢更為明顯。80年代對各種膠原產品的免疫原性進行測定時發現,所產生的免疫應答是由存在於膠原產品中的極少量的非膠原蛋白引起的。
產生免疫性的另一原因是材料中存在著變性膠原,膠原的單根肽鏈比天然的未遭破壞的膠原螺旋分子表現出較高的免疫原性。
這可能是因為膠原受到破壞而變性時,將原來隱匿在內部的抗原決定簇暴露出來,從而引起了免疫應答。90年代以前,人們一直認為膠原沒有免疫原性。但後來的研究發現,膠原可表現出一定的免疫原性。
例如,在製備哺乳動物膠原的單轉殖抗體時,發現ⅰ型膠原的免疫原性比ⅲ型、ⅴ型、ⅵ型膠原低得多。將組織膠原的端肽(telopeptides),螺旋微區(domain),以及其它微區的免疫原性進行對比,發現端肽的免疫原性最強。因而,在製備可溶性膠原醫用產品時,應除去膠原的端肽。
但對以組織基使用的膠原材料,則應保留端肽,目的是儲存交聯位點,賦予組織材料所需要的完整結構。研究還發現用戊二醛交聯,可部分降低膠原材料的免疫原性。
細胞—基質間的相互作用
膠原基材料另一優勢,在於它與宿主細胞及組織之間良好的相互作用。膠原基材料無論是在被吸收前作為形成新組織的骨架,還是被吸收同化進入宿主,成為宿主組織的一部分,都與細胞周圍的基質有著良好的相互作用,表現出相互影響的協調性,並成為細胞與組織正常生理功能整體的一部分。膠原可促進不同型別細胞生長,如ⅰ型膠原可用於培養各種不同型別的細胞。
細胞與膠原之間的相互作用機理取決於細胞的型別,相互作用可能直接通過特異性的受體,但更常見的是由特殊的粘結蛋白,如纖維結合素等中介的相互作用。膠原基材料的另一特點,是除了可增加細胞的粘結外,還能改善細胞的生長、分化與移動。膠原在與其它胞外基質分子的綴合中,具有可支撐多種不同型別細胞的生長與功能的特點。
這一能力促進了膠原基生物材料在多個領域的應用。
與血小板的相互作用
膠原對血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用於製備凝血材料。血管壁的內皮層發生損傷流血時,靠近受傷部位的血小板便與內皮下的結締組織直接接觸,進而使血小板活化、釋放出顆粒成分,進行凝血。正因為如此,在使用膠原或膠原複合物製備心血管裝置時,要特別注意防止或抑制、隱匿膠原與血小板之間的相互作用。
目前採用的方法之一是用戊二醛對膠原醫用裝置材料進行交聯,這種方法可減少膠原與血小板間的相互作用。現更多採用的方法是用聚合物交聯以覆蓋膠原表面,或用如肝素的化合物塗敷膠原表面,阻止其與血小板的作用。
纖維的再形成性
經純化的可溶性膠原在膠原基生物材料中占有重要地位,其主要性質之一是可在體外再次形成與天然膠原纖維相似的有序纖維狀結構。在製備可溶性膠原時,雖然已通過酶的作用除去了膠原分子的端肽,但可溶性膠原在體外的再形成過程仍然存在。使用可溶性膠原的另一優勢在於其免疫原性被大大減弱,又能形成纖維,獲得了與原有結構相似的堆砌,從而有利於細胞———基質間相互作用的分子過程。
利用可溶性膠原的纖維再生性質,還可將其製備成適合於移植用的膏狀注射物或海綿等結構。
機械效能
以組織基膠原使用的膠原裝置,固有強度是其重要的優勢。生物體中,膠原是為結締組織提供強度的主要蛋白成分,因而可能在廣泛的範圍內滿足肌體對機械強度的要求。膠原纖維具有很高的機械強度的重要原因,在於膠原中的天然交聯,在製備組織膠原裝置時應盡量加以保留。
製備過程中,還應盡可能地保留組織基膠原中的蛋白多醣,以維持膠原固有的捲曲。膠原的這種結構特點有利於組織在受到外力作用時能量的耗散,使膠原避免破裂。
2不同形式的膠原基生物材料
以膠原為主要或唯一組分製備醫用材料,已有大量的報導與專利。雖僅是部分摘錄,但也已表明膠原基產品在多個醫療領域應用的可能性。其中一部分已進入人體實驗、部分限於動物實驗,有些已步入商品階段。
膠原在以上某些領域使用時,因需求量或因其它替換材料的**低,成為商品的可能性較小。但膠原的多功能性,特別是膠原可與其它重複物因子一起成為複合體的特點,便獲得了合成高分子不可替代的應用機會。
3膠原基生物材料的製備
不溶性膠原
主要指以膠原組織基形式和由碾碎的膠原製備的生物醫用膠原材料。這種膠原材料的製備比較簡單,但要把膠原的免疫原性降低到最低限度,還需要一些其它的處理。例如,可用無花果蛋白酶對膠原進行溫和處理,除去非膠原性蛋白質。
處理時要防止膠原的降解,並注意不能因除去蛋白多醣而增加了膠原裝置的剛性,損害膠原固有的綜合機械效能。在用膠原組織直接製備生物裝置時,須盡可能縮短從屠宰到製備期的時間間隔,以減少膠原的自溶性與降解程度。
可溶性膠原
用酶處理已絞碎的**組織,通常使用的是酸性蛋白酶———胃蛋白酶。胃蛋白酶可切去膠原肽鏈端肽的交聯區,而且在胃蛋白酶作用所需的酸性ph條件下,膠原組織將發生膨脹、進而溶解。再提高反應體系ph至中性,使胃蛋白酶失活,或在對膠原進行純化的過程中除去胃蛋白酶。
實驗室中最常見的純化方法是:在酸性或鹼性ph條件下,用nacl對膠原進行分級沉澱。酸或鹼處理也可用來製備可溶性膠原,缺點是這種方法易引起膠原螺旋區結構的斷裂,而且不能有效地除去端肽;而酶處理卻可通過降低非膠原汙染物或從膠原分子上除去端肽,從而降低膠原的免疫原性。
增強膠原基材料的強度
天然的膠原組織都有很高的強度,但是當膠原基裝置由可溶性膠原製備時,強度則很低。因而通常採用交聯,在膠原分子間引入新的化學鍵,以使產品獲得適當的強度而用於特定的情況。交聯的另一目的,是減少天然的、未經處理的膠原基體的免疫原性。
此外,還可用交聯來控制膠原基生物材料的使用壽命,交聯在製備實用性的膠原基生物材料中具有十分重要的作用。對膠原進行交聯可採用物理交聯與化學交聯兩種途徑。在對膠原進行交聯處理時,不僅要考慮所用方法的交聯強度,更重要的是要考慮所用方法產生的穩定性、毒性、趨鈣化以及抗酶降解效能等。
可使用的化學交聯劑有:甲醛、雙醛澱粉、戊二醛、其它雙醛、二異氰酸酯(特別是六亞甲基二異氰酸酯)、水溶性碳化二亞胺、脂肪族環氧化物、氰尿醯氯、醯基疊氮,以及由染料中介的光氧化反應等。與化學法相比,物理法的通用性較差,僅限於對純化膠原重組產品的交聯處理。
物理交聯法的優點是沒有引入任何有毒物質。已有研究表明,採用高能輻射、紫外輻射、幹熱處理等都可十分有效地實現某些反應,而且不會在蛋白分子中引入新的基團,只是作用機理還待研究。
4膠原基生物材料的應用
心臟瓣膜
用機械瓣膜置換第一大動脈和左房室瓣膜的首例手術始於60年代初,不久便引入了大主動脈的同種移植瓣膜。之後,由於研製出了組織狀膠原基裝置商品,為特定的患者提供了能有效代替機械裝置的多種異種移植,豬的大主動脈瓣膜是使用最廣泛的天然組織心臟瓣膜的替代物。心包裝置主要由牛心包組織構成,切割牛的心包組織並將其排列成心瓣狀,主要為三小葉狀,並與天然的瓣膜結構相近。
與大主動脈瓣膜相比,主動脈瓣前尖的厚度較大,而且聯結的輪廓清晰。這些裝置的膠原結構輪廓分明,在加工過程中也出現了與豬瓣膜相似的變化,所有組織基瓣膜都經過戊二醛的交聯化處理。為了避免產品過度硬化,戊二醛的使用濃度應比較低。
這兩種膠原基醫用裝置的主要優點是:強度高、耐久性長。雖然它們也會隨著時間的推移而出現變質現象,但變化速度緩慢,不會象機械裝置發生突然損壞。
生物瓣膜的另一突出優點是引發血栓栓塞並發病的頻率比較低,患者不必進行長期的抗凝**。在目前對心血管疾病的**中,常同時使用生物型與機械型的裝置,到底選擇那一種裝置取決於患者的特定情況。比如為了避免抗凝**,妊娠中的婦女傾向於使用生物型裝置,因為用於抗凝**的藥物常可通過胎盤進入嬰兒。
生物型裝置的缺點之一是植入人體後的鈣化問題,據統計,使用生物型裝置,易發生的事故中,86%是因鈣化所致,而且大部分起因於鈣化和瓣尖撕裂的雙重作用。鈣化一般隨著移植後時間的延長而增加。
在大多數患者中,鈣化在移植3年後便明顯起來;但在某些患者身上,移植後歷經10年還沒有任何症狀。一般而言,組織基膠原瓣膜在頭10年使用期內效能良好。現在,材料學家正竭力合成新的醫用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術,減輕患者痛苦。
血管修復
由於心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。因手術需求不同,則需要不同直徑的裝置,如直徑小於的微動脈置換器,這種置換操作需在顯微鏡下進行;可在一般手術條件下進行的直徑為~4mm的小型心血管置換器;以及大直徑置換器等。目前,在胸、腹及一些外周手術中,則使用了一些由合成材料聚酯製備的效能良好的大直徑裝置。
對生物材料在這一領域使用的要求主要是製備小直徑置換器,例如,對於冠狀旁路手術來說,極有價值的途徑是採用自身隱動脈或乳動脈。但約有30%的患者,因不能採用自身材料,就需要其它生物材料。生物組織基心血管裝置的主要優勢是直徑小於5mm的心血管置換器,與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的效能提供了有利條件。
合成的生物組織基這兩類心血管導管都已被用於血管的替換。如經過改性和穩定化處理的生物導管,象臍靜脈導管、膠原導管等。但天然組織基裝置多數缺乏耐久性,如用牛動脈血管進行修復,就因其耐久性差,以及動脈瘤擴張問題而導致失敗。
與用合成的生物醫用材料製備的裝置相比,膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長而不需要高密度孔結構,以及可與天然血管在物理性質上較好的匹配等優點。
可溶性膠原
膠原經純化後可製成注射膠原。這類膠原產品的優勢在於它的非免疫性、可再次形成與天然膠原纖維相似的纖維結構,並與宿主細胞和其它結締組織成分保持正常的相互作用。可溶性膠原在適當的緩衝液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。
在後一種情況下,膠原溶液還應保持適當的流變性能,以使其能以液體形式注入組織的指定部位,再形成不溶性的纖維。這種方法對軟組織的擴增、恢復,特別是對矯正各種**斷面缺陷非常有用,還可用於食管括約肌聲帶的修復、牙周方面的**。
創傷、燒傷修復材料
膠原敷料有多種形式,如膜片、海綿狀及粒狀等,應能重新溶解,能吸收創傷滲出液,可與宿主細胞外基質相互作用,以促進細胞在新結締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導分化、誘導成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創傷修復。本世紀初在燒傷的**中使用了天然豬皮和羊膜,但如今更著重於重組形式的膠原,即膠原經純化處理變為可溶性膠原後再製備成多種敷料。
對膠原基創傷、燒傷修復敷料的設計,開始是以創傷閉和,減少感染,降低體液損失為主。這類敷料的特點是具有可誘發正常真皮形成的能力。之後,則對材料進行改性,以降低其免疫原性;或用粘多醣(氨基葡聚醣)替代部分膠原、改變其降解速率;控制敷料的厚度和孔徑,促進組織向內優化生長。
對由ⅰ型、ⅲ型膠原和粘多醣組成的,未經戊二醛交聯的創傷敷料,還採用脫乙醯殼多醣改善其機械效能,提高**效果。也可用ⅰ、ⅲ型膠原、彈性膠原或溶解性的彈性膠原肽鏈組成混合物,形成複雜的結締組織基質,再補充抗生素、透明質酸、纖維結合素和肝素增加劑,這些補充材料可促進創傷的癒合。
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