胶原蛋白自组装生物功能材料的研究进展(3)

JEREMY等[39]研究了胶原蛋白模拟肽（hbyp3、hbyp3-11；氨基酸序列见图4）分级组装过程。如图4所示，胶原蛋白模拟肽首先形成三股螺旋结构，然后进一步组装形成盘状结构，最后在金属离子如二价铁离子的促进下形成聚合物笼状结构-胶原蛋白肽笼，可用于药物的传递。高度有序的笼状结构在药物递送过程具有稳定性，由于组装过程可逆，到达靶向组织后通过改变环境条件达到药物释放的目的。这为设计合成新的刺激响应性功能材料提供了新方法。

图4 胶原蛋白肽分级组装过程示意图[39]

GUO等[40]报道了一种简单的磁诱导技术生产胶原蛋白凝胶的方法。这种技术只需要胶原蛋白溶液、表面改性的磁珠、一块小磁铁和一个孵化器。因此，这是目前唯一不需要专门设备的胶原蛋白定向组装技术。链霉亲和素改性的磁珠诱导组装了结构高度有序的胶原蛋白凝胶。磁诱导方法允许用于细胞嵌入的凝胶构建，胶原-细胞层状结构有利于组织形成。此外，嵌入细胞有序排列的胶原蛋白凝胶允许细胞在各向同性和各向异性的环境中进行基质迁移和重塑。这种方法在组装过程中不添加任何化学试剂，可实现清洁化生产。KIM等[4]研究了碳纳米管（CNT）对胶原纤维结构、机械强度和组装动力学的独特影响。结果表明，碳纳米管与胶原蛋白在分子水平上相互作用。碳纳米管松散了胶原纤维的螺旋线圈，使胶原纤维的螺旋线圈扁平化，胶原纤维的D周期增长。同时，氧化碳纳米管的表面电荷增强了局部胶原蛋白自组装，形成较厚的胶原纤维网状结构，利于神经干细胞的分化，显著增加胶原纤维的机械强度，这种方法为制备生物医用材料提供了新思路。LUO等[41]研究了金属离子促进胶原蛋白模拟肽形成高度有序的组装体。胶原蛋白模拟肽[ CLP，氨基酸序列：HypGly(ProProGly)4 (ProHypGly)(ProProGly)4GlyHyp(ProHypGly) ]能在Ni2+、Zn2+和Cu2+等二价金属离子诱导下进行组装。金属离子的盐桥作用辅助组装微纳结构可用于调控胶原蛋白模拟肽组装体的三股螺旋构象，形成高度有序的结构。这种方法为设计新型生物材料提供了方向。BORALDI等[42]报道了酶促矿化法制备矿物沉积和成纤细胞均匀分布的胶原蛋白凝胶。MgCl2对胶原蛋白的组装结构起关键作用，结合成纤细胞可制备出不同三维结构的矿化胶原蛋白基质，作为软结缔组织间质细胞原型，这种方法为研究异位钙化开辟了新的途径。

总之，诱导自组装法组装过程可逆，通过调控胶原蛋白自组装体结构使材料获得独特性能，这种方法环境友好，为设计、制备安全无毒的生物材料提供了方向。

2 胶原蛋白自组装生物功能材料的应用

胶原蛋白自组装功能材料具有高度有序的结构特征，为新材料的应用提供了无限的可能。胶原蛋白自组装材料在靶向给药、生长因子缓释、基因疗法、医学影像和组织工程中具有广阔的应用 前景。

2.1 具有负载功能的组织替代材料

组织替代材料必须具有高的机械强度才能支撑和保护细胞的黏附、增殖、扩散和迁移。否则，使用过程中易发生塌陷，影响使用寿命。胶原蛋白自组装的膜、支架、凝胶等材料具有机械强度高、生物相容性好、生物活性高等优点，是理想的组织替代材料。目前，具有负载功能的组织替代材料包括硬组织替代材料和软组织替代材料。胶原蛋白自组装材料作为硬组织替代材料主要用于人造骨骼、人造关节和人造牙齿等。假体钛等金属材料虽然有高的机械强度，但是不利于细胞的生长，将胶原蛋白自组装在假体钛等硬组织植入物的表面，能显著提高成骨细胞的繁殖率[31，43]。通常，将胶原蛋白自组装在传统硬组织植入物的表面，形成高度有序的组装结构，利于细胞生长，新材料具有高的机械强度、优异的生物相容性，而且保持了胶原蛋白优异的生物活性，避免了细胞毒性反应。此外，矿化的胶原蛋白凝胶可以模仿骨的构成，已被广泛应用于骨组织工程[44]。SUPAPOM等[45]利用胶原蛋白自组装法制备胶原蛋白/丝素/壳聚糖复合支架，胶原蛋白自组装成高度有序的多孔结构，具有高强度、耐降解、高细胞存活率的特点，可作为骨缺损的支架材料。胶原蛋白自组装材料作为软组织替代材料主要用于人工瓣膜、人造血管、人造皮肤等。胶原蛋白自组装成高度有序的三维多孔网络结构，具有高的比表面积和高的孔隙度，能将多余的分泌液吸收，透气性强，能有效控制血液或体液流动，对生长因子具有瞬间封存的能力，利于细胞的生长[46]。研究表明与干细胞特异性抗体共价结合的胶原支架能有效促进心肌组织的再生[47]。例如，YOON 等[48]制备的胶原海绵，保持了胶原蛋白的生物活性，具有促进皮肤组织再生的潜力，适用于皮肤全层缺损的手术替代物。ARAVAMUDHAN等[49]将胶原蛋白自组装在天然聚合物[乙酸纤维素和聚(乳酸-乙醇酸)]微孔结构上。高度有序的多孔组装结构可以提高干细胞的诱导能力与亲水性天然高分子材料的生物相容性，作为软组织替代物。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/qikandaodu/2021/0303/402.html