艾伟拓（上海）医药科技有限公司

艾伟拓产品团队持续为您带来注射医美材料全面解析，针对当前临床使用及在研生物材料的物理化学性质及优劣势进行介绍。本期我们介绍的对象是胶原蛋白基注射材料：

 

 

01胶原蛋白

 

胶原，作为哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质，占据人体皮肤约70%的含量，是细胞外基质的主要构成成分。它对皮肤的弹性、光泽、毛孔和水分保持等特性起到至关重要的作用。作为一种天然的高分子材料，胶原具有低抗原性、可吸收降解等特性，还兼具美白保湿和填充修复的功能。基于天然胶原、水解胶原和重组人源胶原所开发研制的产品，能够满足不同患者、不同病症的治疗需求，因此在医学整形美容领域得到广泛应用。

 

 

 

图1 (a)人体皮肤结构图；(b)组织内胶原蛋白含量对皮肤状态的影响

 

 

02胶原蛋白基材料的种类

 

2.1 天然胶原蛋白

 

胶原蛋白是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质，目前已在脊椎动物和高等无脊椎动物的基因序列中发现了由46种不同肽链组成的28种不同类型的胶原蛋白，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白约占动物体内总胶原蛋白含量的90%。

 

天然胶原蛋白主要源自猪、牛、鼠、鱼等动物的皮肤、软骨和肌腱组织。虽然不同源动物组织中的胶原在氨基酸序列、结构形貌和功能性能上存在差异，但它们都具备完整的三螺旋结构和胶原纤维束状结构。猪皮、牛跟腱和鼠尾胶原在甘氨酸和脯氨酸的含量上有所不同，这影响了它们的物理特性和性能。

 

此外，不同动物来源的胶原在抗氧化活性和吸湿保湿性方面也有显著差异。例如，鳕鱼皮胶原显示出出色的清除ABTS自由基的能力，而驴皮胶原则能有效清除DPPH自由基，具有出色的保湿性能，适合应用于化妆品中。

 

在光老化皮肤成纤维细胞的修复作用方面，海蜇、牛骨和鳕鱼皮胶原都表现出显著的效果，能够提高细胞增殖活性，改善细胞内抗氧化酶活力和增加细胞胶原分泌。其中，海蜇胶原的效果最为显著，为护肤品研制领域提供了新的思路和广阔的应用前景。

 

天然胶原的提取工艺多种多样，主要包括酸法、碱法、酶解法、热水浸提法和结合法。虽然这些方法都能从同源动物组织中提取出含有胶原蛋白特征氨基酸（甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸）的产物，但它们对胶原蛋白结构的影响程度各不相同。

 

不同的提取工艺对胶原蛋白中的羟脯氨酸含量、肽链间氢键的形成、三螺旋结构的稳定性以及热稳定性都有所影响。因此，选择合适的提取工艺对于获取具有特定结构和性能的胶原蛋白至关重要。

 

胶原蛋白是动物组织中的主要成分，特别是Ⅰ型纤维状胶原。这种胶原分子由两条α1链和一条α2链组成，每条α肽链包含约1000个氨基酸残基，并具有300个Gly-X-Y的重复结构。胶原蛋白的分子量约为300kDa，其中甘氨酸占据了约1/3的氨基酸比例。此外，X和Y位置上的脯氨酸和羟脯氨酸也是胶原蛋白的重要组成成分。这三条α肽链通过氢键、共价键和范德华力相互缠绕，形成特有的右手螺旋结构。

 

图２　胶原蛋白的三股螺旋结构和链间氢键作用力

 

这种三股螺旋结构是胶原蛋白维持生物活性、发挥功能特性的基础。这种结构有利于组织细胞在胶原基材料上的黏附和迁移，促进细胞分化，并维持组织的稳定性。在医学美容领域，胶原蛋白常被注射到面部以刺激成纤维细胞合成和分泌新的胶原蛋白，从而修复疤痕、淡化皱纹，使面部皮肤恢复年轻状态。

 

从动物组织中提取的胶原蛋白还具有良好的亲水性、保水性和生物降解性。在皮肤缺损和创面修复中，它可以快速止血，减轻炎症反应，并促进创面组织的修复和愈合。在护肤品中添加胶原蛋白可以增加保湿效果，减少皮肤水分流失，补充皮肤所需的营养物质和氨基酸，加快皮肤新陈代谢的速度。长期使用可以改善真皮层的组织结构。

 

综上所述，胶原蛋白凭借其独特的三股螺旋结构、优良的生物相容性、可降解性和低抗原性等特点，成为了注射医美、人工皮肤、可降解缝合线等生物医学材料和高档化妆品研发领域的热门材料。

 

2.2 水解胶原蛋白

 

胶原蛋白的分子量较大，三股螺旋结构复杂，水溶性和分解性较差，直接用于体表时难以被人体皮肤吸收。采用酸法、碱法和酶降解法将胶原转变为分子量较小、结构较简单的水解胶原(Collagen hydrolysate， CH)，可以改善其溶解性、亲水性和耐酸碱高温性，提高其在人体皮肤中的生物降解性和吸收利用率，拓宽胶原基材料在医学美容领域的应用范围。

 

采用酶水解法从猪、牛的皮肤和肌腱组织以及海洋生物的皮肤和鳞片中提取水解胶原是当前的研究热点，此类水解胶原产物具有较好的乳化性、表面活性、胶体保护性和生物相容性。研究发现，随着相对分子量的减小，水解胶原产物的保水性、抗氧化活性和抗衰老活性增强，吸油性、起泡性和泡沫稳定性减弱，在实际应用中需根据美容护肤品的具体需求添加相应分子量范围的水解胶原。小分子水解胶原蛋白可以透过皮肤的角质层和表皮层到达真皮层，被人体皮肤直接吸收。Elena等研究发现鱼皮水解胶原的生物相容性优于天然牛胶原蛋白，可以刺激皮肤内成纤维细胞的生长和胶原蛋白的合成，提高皮肤的弹性和含水量，其透皮吸收效率和水解胶原的分子大小和结构特征呈正相关。

 

胶原蛋白、水解胶原和明胶具有相似的氨基酸种类和序列，水解胶原是胶原的酶水解产物，其三股螺旋结构被打开，氨基酸之间的部分肽链被打断，分子量分布较宽，为1～70 kDa。明胶是由胶原经高温处理后的产物，其三股螺旋结构被破坏，分子量为10～100 kDa。与胶原蛋白和明胶相比，水解胶原的分子量较小，水溶性较好，溶液黏度低、溶解速度快，在不同温度和pH值范围内均具有较好的生物活性，经二次加工后更容易被人体吸收利用。

 

近年来，胶原蛋白水解技术逐渐成熟，水解胶原相关性能研究也不断深入，水解胶原的美容功能已经获得了广泛的证实和认同。不同的应用领域需选用不同类型的胶原水解酶，采用胰酶提取的水解胶原的分子量在10～70 kDa，有利于渗透吸收，可作为注射胶原溶液和口服胶原保健品使用；采用胃蛋白酶和木瓜蛋白酶提取的水解胶原结构较完整，与人体皮肤角质层具有相似的结构，添加在日用护肤品中可以增强胶原在皮肤内的渗透性和吸收性，加快面部青春痘、痘印和疤痕等受损皮肤的愈合速度，提高皮肤的密度和柔软度，将其作为新型美容保养品已成为当下的市场热点。

 

2.3 重组人源胶原

 

从动物结缔组织中提取胶原蛋白周期长、产量低，所得产物成分复杂，目标蛋白分离困难，异种组织间会产生免疫排斥反应，近年来爆发的禽流感和疯牛病导致动物源胶原蛋白可能携带病毒等污染源，其生物安全性无法得到保障，在一定程度上限制了胶原蛋白的开发利用。随着蛋白质工程技术的发展，利用基因工程技术将人体胶原蛋白的DNA序列转入不同的宿主细胞中，通过发酵、分离纯化获得重组人源胶原(Recombinant human collagen， RHC)的研究越来越广泛。

 

目前在重组胶原的生产开发体系中常选用动物、植物和微生物作为宿主细胞，其中微生物发酵体系操作简单、培养周期短、适合大批量生产，其产品质量稳定、安全性高，消除了病毒隐患和免疫排异性等问题。近年来国内外对重组胶原的研究主要集中在采用微生物作为宿主细胞领域，制备重组人源胶原的标准流程如图3所示。

 

 

图３　重组人源胶原蛋白的标准生产流程

 

与天然动物源胶原相比，通过基因工程表达获得的重组胶原产物组分单一、安全性较高、无病毒隐患，但存在表达产量低、合成产物难以分泌、蛋白质活性较低等缺陷。此外，重组胶原的三股螺旋结构与所表达的基因序列有关，基于全长天然胶原基因序列表达所得的重组胶原与天然胶原具有相同的各层级结构，但基于单链胶原蛋白基因序列表达所得的重组胶原无法形成三螺旋构象，不能进行分泌表达。天然胶原蛋白、水解胶原蛋白和重组胶原蛋白三类材料的结构与性能如表1所示。

 

2.4 胶原蛋白复合材料

 

纯胶原的力学性和湿热稳定性较差、不耐酶解等缺陷在很大程度上限制了其应用范围，将纯胶原蛋白与天然高分子材料或合成高分子材料按照一定比例共混制备复合材料可以弥补其单一组分的不足，提升材料的综合性能。其中，天然高分子材料的生物相容性结构、可降解性和多功能性是合成高分子材料所不具备的，将其与纯胶原蛋白复合既能维持胶原优异的生物相容性，又能使其兼具多种材料的优势，获得性能更佳的胶原基复合材料，是胶原基生物医用材料的研究热点。

 

近年在生物医学材料领域，选用壳聚糖、海藻酸钠和丝素蛋白等天然可降解生物材料对胶原蛋白的复合改性的研究明显增多。壳聚糖(Chitosan， CS)是从甲壳类动物壳中提取出的甲壳素脱乙酰化衍生物，具有良好的成膜性、吸湿保湿性和抗菌抑菌性。李娟等将胶原蛋白/壳聚糖复合微球均匀喷洒于纤维基布上制成的面膜肤感柔软滑爽，精华液中的胶原组分和壳聚糖组分均可渗透进入皮肤毛囊孔中，消除面部皮肤中的黑色素和色斑，壳聚糖的引入提高了胶原蛋白面膜的保湿性能，减缓了面膜在运输、储存和敷用过程中水分的蒸发和流失。

 

 

03

总结

 

随着国内外科研人员对胶原基生物材料结构和功能的研究日益深入，胶原蛋白在填充面部凹陷、淡化皱纹色斑、延缓皮肤衰老等方面的作用效果引起了广泛关注，胶原基生物材料已普遍应用于整容整形、医学美容的临床应用和日用化妆护肤品的制备领域中。

 

目前在医学美容整形领域中常用的胶原蛋白主要是经过高度纯化、去除致敏性后制得的人源或动物源胶原蛋白和通过基因工程技术获得的重组人源胶原，该类胶原蛋白的生物相容性较好、免疫原性较低、亲水性较强、可吸收降解性较好，但重组人源胶原产品在表达系统的选择、蛋白质表达产量、产品纯度、结构特性和蛋白活性等方面仍有较大的提升空间，且分离纯化成本较高，难以实现大规模批量化生产。

 

此外，纯胶原材料存在塑形性差、力学强度小、热稳定性差和不耐酶降解等缺陷，通过物理修饰和化学交联等方法将胶原与其他生物材料共混制成胶原基复合生物材料可以在一定程度上改善以上缺陷，但引入其他组分可能会影响胶原材料在人体内的吸收降解性和生物相容性，将其用于人体后可能会产生免疫排斥反应和皮肤过敏，这将会限制胶原蛋白在医学美容领域的应用范围。

 

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[1]冯荣欣，但年华，陈一宁等.胶原基生物材料在医学美容领域的研究进展[J].材料导报，2023，37(14):248-256.