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重组人胶原蛋白生物材料在组织工程领域的应用研究进展

【摘要】重大创烧伤等引起的大面积组织和器官缺损是临床上常见的问题。重

组人胶原蛋白生物材料具有生物相容性良好、可定制化、氨基酸序列稳定、免疫

原性低以及可生物降解等诸多优点，被广泛用于组织工程领域，具有广阔的临床

应用前景。该文简要总结了重组人胶原蛋白生物材料的设计与制备方式、加工技

术及其在组织工程领域的应用情况及最新研究进展。

【关键词】生物相容性材料；组织支架；再生；重组蛋白质类；重组人

胶原蛋白

根据来源不同，生物材料可分为天然生物材料和人工合成生物材料两大类。

胶原蛋白作为一种典型的天然生物材料，因具有优异的生物相容性、生物可降解

性及低免疫原性等特点，被广泛用于医疗、制药和组织工程等领域。目前广泛使

用的胶原蛋白主要提取自哺乳动物（如猪、牛和羊）的皮肤和肌腱组织。尽管猪

和牛胶原蛋白的三螺旋结构域与人胶原蛋白具有高度同源性，但存在动物源性疾

病的传染风险和排斥反应［1］。此外，动物源性胶原蛋白刚性强、大多不溶于

水且不同批次间存在较大差异，这在一定程度上限制了其应用。近年来，随着分

子生物学技术及转基因技术的进步，设计和规模化制备重组人胶原蛋白生物材料

已成为可能。由于具有优良的人源性特征和生物安全性，这些材料在组织工程领

域被广泛应用于皮肤、骨、软骨、角膜、肌腱和韧带等多种组织的修复和再生，

展现出广阔的应用前景。本文综述重组人胶原蛋白生物材料的设计与制备方式、

加工技术及其在组织工程领域的应用情况和最新研究进展，旨在为新型生物支架

材料的构建和开发提供思路。

1重组人胶原蛋白生物材料的定义与分类

胶原蛋白作为较早被科学界识别及研究的ECM成分之一，对于维持结缔组织

的弹性、机械强度和生物完整性起着关键作用。胶原蛋白种类众多、含量丰富，

研究者已在脊椎动物中鉴定出29种胶原蛋白，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白的含

量较为丰富。Ⅰ型胶原蛋白是构成皮肤、骨骼、肌腱和韧带的主要成分，Ⅱ型胶

原蛋白是软骨的主要成分，而Ⅲ型胶原蛋白则主要参与肌肉和血管的形成。然而，

直接从动物中提取的胶原蛋白存在免疫原性问题及可能引发疾病传播的风险。此

外，这类胶原蛋白还面临不同批次间差异的挑战。因此开发重组人胶原蛋白生物

材料成为克服这些挑战的重要途径之一。

为规范对重组人胶原蛋白生物材料的研究和开发，我国于2021年3月15

日发布《重组胶原蛋白生物材料命名指导原则》［2］，对重组胶原蛋白的命名

和分类进行规范。根据该指导原则，研究者将重组胶原蛋白生物材料分为三大类：

重组人胶原蛋白、重组人源化胶原蛋白和重组类胶原蛋白。本文所指的重组人胶

原蛋白生物材料是上述3类重组胶原蛋白的统称。

重组人胶原蛋白是指采用DNA重组技术制备的由人胶原蛋白特定型别基因

编码的全长氨基酸序列且具有三螺旋结构的重组胶原蛋白。即使重组胶原蛋白材

料是由人胶原蛋白特定型别基因编码，若不具有三螺旋结构，也不属于重组人胶

原蛋白。根据是否含有非人胶原蛋白氨基酸序列，重组人源化胶原蛋白可被进一

步分为A型和B型。A型是指不含有非人胶原蛋白氨基酸序列的材料，包括不具

有三螺旋结构的重组胶原蛋白材料，或由人胶原蛋白特定型别基因编码的部分氨

基酸序列片段，或人胶原蛋白功能片段的组合（其氨基酸序列中不含连接氨基酸、

标记氨基酸等非人胶原蛋白氨基酸序列）；B型是指在人胶原蛋白功能片段的组

合基础上添加连接氨基酸、标记氨基酸等非人胶原蛋白氨基酸序列的材料。重组

类胶原蛋白指采用DNA重组技术制备的经设计、修饰后由特定基因编码的氨基酸

序列或其片段，或是这类功能性氨基酸序列片段的组合。

2重组人胶原蛋白生物材料的设计与制备方法

重组人胶原蛋白生物材料的制备，主要包括重组胶原蛋白的基因设计、转染

和分离纯化。

2.1基因设计

典型的胶原分子呈纤维状，由3条α多肽链通过盘绕方式形成稳定的三螺旋

结构。每条α多肽链的氨基酸具有独特的组成和排列，遵循Gly-X-Y的三肽重复

序列模式，其中X和Y位置可由多种氨基酸占据，但X常为脯氨酸、Y常为羟脯

氨酸或羟赖氨酸。此外，肽链的羟基化和糖基化以及肽链间的二硫键对胶原分子

结构的稳定性起重要作用。不同的氨基酸序列和结构，可导致胶原蛋白在物理化

学性质、免疫原性、细胞亲和力等方面存在差异。另外，胶原蛋白分子间的交联

程度和胶原蛋白纤维直径也会影响其机械性能［3］。因此，在重组胶原蛋白的

基因设计过程中，需要充分考虑这些因素，可通过调整胶原蛋白的氨基酸序列，

反向设计并优化基因序