明胶在生物医学领域中的应用及其发展前景

黄巍，刘婷，但年华，刘博文，温会涛，但卫华，*（四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都60065；.兴业皮革科技股份有限公司，福建晋江366）

明胶在生物医学领域中的应用及其发展前景

黄巍1，刘婷1，但年华1，刘博文2，温会涛2，但卫华1，2*
（四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都610065；2.兴业皮革科技股份有限公司，福建晋江362261）

摘要：明胶是一种天然高分子材料，具有生物相容性、可加工性、可降解性等独特的理化性质及生物学性能，应用潜力有待进一步开发。本文综述了国内外明胶在生物医学领域的应用和研究现状，例如止血材料，血液替代品，修复和替代材料，载体材料，修饰其它生物医用材料等，展望了明胶在生物医学领域的发展前景，可为生物医学材料领域研究者提供参考。

关键词：明胶；生物医学材料；应用

胶原是动物界最为丰富的蛋白质之一，约占哺乳动物总蛋白量的25%，人体组织中至少已经鉴定出19种不同类型的胶原蛋白，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型胶原含量最丰富。胶原的基本单位是胶原分子，胶原分子为细长的三股螺旋结构，螺旋肽段氨基酸序列遵循Gly-X-Y三肽周期序列。

明胶是胶原经高温或化学处理破坏其三股螺旋结构而得到的变性产物，与胶原具有同源性，是一种多肽非均匀混合物，其氨基酸组成与胶原相似。胶原拥有独特的生物相容性、可加工性、生物可降解性以及促进细胞分化、增殖等性能[1]。而明胶作为胶原的降解产物，很大程度上继承了胶原所具有的特殊性能，还具有凝胶化的性质，即溶有明胶的溶液经冷却会形成凝胶，经加热又形成溶胶，凝胶与溶胶可以相互转换，使得明胶易于加工成型。同时，

胶原经过降解得到的明胶分子有更多的活性侧基暴露，化学反应活性更高，有利于进行化学改性。总的来说，明胶继承了胶原的生物可降解性、生物相容性等优异性能，同时具备凝胶化、高反应活性等特点，且可加工性好、生产成本更低廉，因而在实际生产和应用上具有很大优势，逐步在生物医学领域占得一席之地。

1　明胶的主要性质及性能

明胶的理化性质与诸多因素相关，比如制备方法、提取条件、温度、pH值等[2]。目前明胶在生物医学方面的应用主要就是利用了其以下一些性能：

（1）生物相容性

生物相容性是描述生物医用材料与人体相容性的一种概念，包括其植入人体后产生的各种复杂的化学、物理和生物反应。植入人体的生物医用材料必须无毒性、无刺激性、无致敏性和无致癌性，对人体无不良反应[3]。明胶作为胶原的降解产物，本身来源于生物体，生物相容性非常好。

（2）凝胶化

凝胶化是指一些溶液在冷却时，会逐渐变得粘稠，最后失去流动性而成为具有弹性和一定力学强度的胶冻，这种现象叫做凝胶化现象。由于这种性质，明胶溶液可以变成类似固体的物质，具有弹性且可保持它的形状。正是因为明胶具备这种性质，使明胶可以加工成型，使其得以在生物医学中的组织工程领域中得到应用。

（3）生物可降解性

大多数医学植入装置只需暂时或短期起作用，在病患恢复后常需要手术再次取出，否则若该装置作为长期留在体内的异物，就会存在潜在的危险。可吸收和降解材料在体内发挥完作用后可以逐步被机体吸收代谢，无需再次手术取出，避免二次伤害，因而作为生物医学材料有独一无二的应用空间。明胶是一种天然高分子材料，生物可降解性能十分优异。

2　明胶在生物医学领域应用现状

2.1止血材料

近年来，医学界对新型止血材料的开发十分重视。可吸收性明胶海绵由于其止血效果相对较好、价格低、可加工性强和适用范围广等优点而成为广受关注的止血材料。明胶止血海绵止血机理是通过堵塞血管形成网状结构，引起血小板凝集和纤维蛋白原沉积，有利于血栓形成，从而缩短凝血时间，起到止血的作用。从其凝血机理来看，明胶止血海绵主要起到机械压迫作用和吸水作用，对凝血过程中如凝血酶原激活、纤维蛋白多聚体产生等关键止血过程的发生并无明显促进作用[4]。临床使用的普通吸收性明胶海绵有组织异物反应大、继发感染率高、止血效率低、易脱落、分解不易等诸多缺点[5]。目前常将明胶进行改性或与其它材料进行复配制得性能更好的止血材料。

何兰珍等[6]利用诱导相分离的方法,制得透气性、亲水性、多孔性良好的壳聚糖-明胶复合海绵状伤口敷料。并通过测定不同原料配比制得的敷料的保湿性、吸湿性、透气率和抗张强度，得到了原料用量的最佳配比，显著改善了明胶止血海绵的性能。邓春梅等[7]将壳聚糖与明胶共混并添加交联剂制得力学强度良好的伤口敷料,研究表明壳聚糖-明胶海绵状伤口敷料有良好的抑菌性能。

明胶不仅可制成外伤敷料，也可以制成微粒型栓塞剂用于止血。吴普照等[8]应用明胶海绵微粒作为栓塞剂，分析了经导管肝动脉化疗栓塞治疗肝癌破裂出血患者的安全性及疗效。结果证实了明胶海绵微粒用于治疗肝癌自发性破裂出血安全有效，能立即达到有效止血的目的。

2.2血液替代品

在手术、急性大出血等情况下均需要输血。但血源紧张、血液配伍复杂和异体供血存在风险性等问题极大地阻碍了临床治疗的及时性、有效性和安全性。血浆替代法能很好地解决这些问题，因而存在巨大的临床应用潜力和技术改进空间。明胶类材料如琥珀酰明胶、聚明胶肽等在临床上广泛作为血浆代用品使用。明胶类血浆代用品主要用于血容量降低和休克等紧急情况，通过胶体渗透压作用，能起到有效扩充血容量、改善微循环、改善和避免因低血容量造成的供血不足和器官受损等作用[9]。明胶

类血液替代品有可降解性、大量输入无毒性、无免疫原性以及无特异抗体等诸多优点[2]。

明胶与羟乙基淀粉都是目前临床最常使用的血浆代用品。胡小建等[10]探讨了聚明胶肽与羟乙基淀粉在血浆替代疗法中的应用，选择了80例失血量在5%～20%之间的病患，将其按人数平均分成为两组，按照实验设计对病患进行全身麻醉后分别输入等量的聚明胶肽与羟乙基淀粉，监测人体各项相关指标，并统计最终红细胞悬液数量的差异，比较了聚明胶肽与羟乙基淀粉两种替代品在扩容和维持内环境稳定等方面的效果。结果表明聚明胶肽的血液替代作用与相同条件下使用羟乙基淀粉的血液替代作用无明显差异，都是安全有效的。

2.3修复和替代材料

组织工程是指用生命科学为理论基础，结合相关人体修复原理以构建一个生物装置来促进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官功能的技术[3]。组织工程包括三大要素：诱导细胞生长的信号分子；模拟细胞外基质的组织工程支架；用于生成组织的细胞[11]。明胶基材料由于具有优异的生物相容性、可降解性、细胞附着性强、可加工性好和溶胶-凝胶可逆转化等性质而广泛用于制备组织工程支架。组织工程支架的主要作用包括：（1）提供物理支撑，使细胞得以粘附生长，并可将细胞准确地投递到目标部位；（2）为细胞的增殖、代谢提供空间；（3）提供特定的宏观与微观结构，引导细胞构建特定功能的组织或器官；（4）传递化学或力学信号调控组织的外形[12]。然而普通明胶基材料对温度变化十分敏感，物理力学性能存在缺陷，在人体内环境中降解速率很快，极大限制了其作为组织工程支架材料的应用。所以明胶基材料需要通过改性来改善其使用性能。常用的改性方法有：（1）交联法改性：包括化学交联法、光引发交联法、酶交联法等；（2）复合法改性：可与有机物、无机物进行复合。改性后的明胶基材料性能得到极大改善，因而应用的范围很广，除了广泛应用于骨修复、创伤修复、软组织修复等，还在神经修复、角膜修复、心肌修复与再生等方面有极大的应用潜力。

1982年，Urist首次制备出了同种异体骨基质明胶，证实了其具有异位诱导成骨的作用，为骨修复的生物学治疗奠定了基础[13]。长期以来，可降解高分子材料应用于骨组织修复一直是组织工程领域的研究热点。组织工程支架材料的孔隙结构对骨修复的效果有显著的影响。有关研究表明：一方面，在多孔材料中可以见到新生骨的生成，而在无孔粒子材料中未见新生骨生成，即材料孔隙结构对是否有新生骨生成起到决定性作用；另一方面，当孔隙率在一定范围内增加时对细胞增殖、粘附、长入以及支架血管化有着显著的促进作用[14]。目前常将聚磷酸钙纤维、聚乙烯醇等材料与明胶复合制成复合组织工程支架材料用于骨修复。刘继光等[15]采取物理混合和化学交联两种方法将细菌纤维素（BC）和明胶结合制备出海绵状复合体，接种成骨细胞后培养并观察细胞形态，观察材料表面细胞的粘附情况，并考察ALP活性表达，以探讨物理混合及化学交联两种方法制备的BC/明胶支架材料用于成骨细胞体外培养的可行性。结果表明物理混合法制备BC/明胶复合支架材料是成骨细胞体外培养的良好载体。

明胶类材料也常应用于创伤修复，包括制成明胶基创伤敷料和人工皮肤。创伤敷料应具备以下几个条件[16]：（l）能与创面紧贴；（2）能有效吸收从创面流出的渗出液并防止水分和体液从创面逸出；（3）无毒无菌，对人体无害；（4）具有一定的物理力学性能和柔韧性；（5）促进新皮肤的生长；（6）易操作维护。明胶有良好的降解性能，能促进细胞增殖，且与生物组织具有良好的亲和性。同时，有关研究表明，明胶具有活化巨噬细胞和止血作用[17]，因此明胶可单独制成创伤敷料，能较好契合以上条件。但仅用明胶制成的创伤敷料并不能满足现在人们对创伤敷料的要求。所以目前多将其他材料与明胶复合制备成敷料以改善其性能。

人工皮肤是指利用细胞生物学的原理，结合工程学方法，在体外人工制备出可以用来替代、修复缺损的皮肤组织的皮肤代用品。根据人工皮肤的发展，可以将其分为：组织工程化人工皮肤和普通型人工皮肤[18]。其中组织工程化人工皮肤是目前的主流研究方向。组织工程化皮肤是将种子细胞与适当的支架材料相结合构建出的可维护、修复和改善损

伤皮肤组织的生物替代物。明胶类支架材料被广泛应用于组织工程化人工皮肤领域中。楼陆军等[19]观察了自制的明胶-壳聚糖复合纳米纤维膜对于糖尿病大鼠皮肤缺损修复的作用。结果表明，经明胶-壳聚糖复合纳米纤维膜处理的实验组糖尿病大鼠创口较未用该材料处理的对照组更小，创口愈合率也明显高于对照组。说明明胶-壳聚糖复合纳米纤维膜具有促进糖尿病大鼠缺损皮肤修复的作用，相关研究成果有望应用于治疗糖尿病患者的皮肤损伤。

明胶类材料还在神经修复、角膜修复、心肌修复、韧带修复等[20-21]方面极具应用潜力。神经性损伤和神经退行性疾病等是医学界尚未攻克的难题，神经的再生修复和功能恢复也是本世纪最热门的研究领域之一。随着组织工程技术的发展，人们发现，通过构建合适的组织工程支架材料，引导或诱导组织工程材料再生，能有效修复神经结构，或成为攻克此难题的有效途径。张永光等[22]用自制胶原、明胶为原料，构建了具有微管排列结构的在三维结构上接近坐骨神经的支架材料，具有一定仿生效果。实验表明，将具有促进神经突触再生功能的骨髓基质干细胞种植在支架材料上共培养后，细胞粘附在支架材料内部，生长状况良好，其应用潜力有待进一步发掘。

如今通过促进或诱导自体角膜组织的再生，来构建一个真正的由机体自身重建的新角膜，或将成为解决角膜盲疾患的新途径。龙玉宇等[23]对自制的壳聚糖-明胶交联膜的理化性能、生物相容性进行测定与评价，探讨其用于角膜组织修复与重建的可行性。实验结果表明，该材料能较好地支持人角膜上皮细胞（HCEC）在其上增殖，且植入眼角膜后无明显炎症反应，术后4个月材料全部降解。因此，该交联膜具有良好的与眼组织相容性和理化性能，有望成为一种良好的角膜修复材料。

2.4载体材料

2.4.1智能给药材料

将明胶制备成天然智能高分子材料是智能高分子材料研究领域的热点。智能高分子材料是指能够感觉环境如温度、pH和电磁场等外界因素变化而随之产生相应变化的材料。智能高分子材料作为智能材料的一种已在智能给药系统、生物医学、组织工程、化学化工、化学转换器等方面得到了广泛的应用，在智能给药系统中的应用最受广泛关注[24]。明胶作为胶原的解旋产物，具备良好的生物可降解性、生物相容性、可加工性、更高的化学反应活性、以及凝胶-溶胶的可逆转变性等，因此可通过化学相关手段，把其他材料和明胶进行有效结合，制备出具有特殊功能的智能型明胶[25]。目前，以明胶为基础制得的智能型药物载体主要有：明胶微囊/球、明胶纳米颗粒和明胶基水凝胶[26]。明胶类药物载体主要有以下三个方面应用：隐形药物载体；增强药物稳定性和效用的药物载体；靶向药物的控制和释放[27]。

一般认为，药物载体在人体内会很快被网状内皮系统根据其粒径大小、疏水性和zeta电位等识别并吞噬[28]，导致载药体系不能在体内有效地循环和释放。为解决这一问题，目前主流的做法便是用聚乙二醇改性的明胶制备隐形载药系统来减缓载药材料被清除的速率、延长其在体内循环的时间[29]。

改性明胶还有提高药物在活体中的利用率和稳定性的功效。Kimura等[30]证明了明胶类载药材料可以随搭载药物的不同而产生一定的变化，比如调整其自身的电荷密度和疏水结构。同时通过实验证明了在内环境pH下明胶类载药材料能起到稳定一种带负电荷的蛋白质类诱导因子的作用。这一原理也可以应用到酶和生长因子等的稳定化研究中去。

2.4.2酶的固定化材料

酶具有专一性强、催化效率高等显著特点，但其也有稳定性差、难循环使用等特点，为了弥补这些缺陷，改善酶的使用性能，固定化技术便应运而生。简而言之，固定化酶是指将酶固定、包埋在一定载体上以增强其稳定性的方法。同时此方法又能使其易于与产物、底物分离，且保持一定的酶活，从而实现循环使用。凝胶包埋法是固定化酶常用的方法。明胶作为一种天然凝胶，常作为酶的固定化材料而广泛应用于生物医用领域。

β-半乳糖苷酶是目前乳糖和其它一些功能性糖类生产过程中常用的酶。单一的β-半乳糖苷酶耐贮存性能和稳定性能有限，需要对其进行稳定化

处理后才能使用。沈秋云等[31]用自制的藻朊酸盐-明胶-磷酸钙复合载体对β-半乳糖苷酶进行了固定化，并探讨其固定化效果。实验结果表明，用该种明胶基复合材料对β-半乳糖苷酶进行固定化以后，循环使用20次后该酶相对活性仍保持60%以上，存放30天后仍可保持90%以上，且对能适应的pH和温度范围更宽，酶稳定性得到显著提高。该研究成果可应用在食品工业和生物工程等领域。

2.4.3基因载体材料

基因治疗是把治疗用的基因或者核酸转送到病患的特定细胞中，在基因水平上对其遗传缺陷进行矫正以达到治疗目的的一种治疗方法。基因治疗体系包括治疗性基因和基因载体，而基因载体又分为病毒载体和非病毒载体。目前看来，利用病毒载体搭载治疗性基因虽然是目前常用的基因治疗手段，但病毒载体存在具有致病可能性、免疫原性、毒性、基因容量小等缺点是不可否认的事实。因而开发非病毒载体已逐步成为基因治疗领域的研究热点[32]。明胶具备良好生物相容性，且灵活性高、可加工性强，是一种常用的非病毒载体，在基因治疗领域有较大应用潜力。

李黎等[33]对自制多孔壳聚糖/明胶复合生物材料搭载治疗基因的可行性进行了探讨，观测了其体外释放特性、材料对质粒DNA的保护作用以及多孔支架材料携带基因成分的微观形态。实验结果表明：壳聚糖与明胶材料具有良好的成孔特性，孔隙较均一，材料表面光整；1～3 d内释放DNA可迅速达到释放浓度峰值，且释放快速，并能够维持3周的释放时间。同时还发现材料对基因有一定保护作用。论证了该种材料应用在基因治疗领域的可行性。

2.5修饰其它生物医用材料

目前，在生物医用领域应用的材料很多，包括金属、陶瓷、高分子、天然材料等等。一般来说，单独的一种材料在使用性能上总会或多或少存在缺陷。为了弥补这些缺陷，一方面可以通过化学、物理的方法对材料进行改性，来改善这种材料的使用性能；另一方面可以将不同的材料进行复合，制备出一种新的复合材料，来满足实际应用要求。

明胶常作为一种涂层材料涂覆在其它材料上以改善材料的使用性能。刘斌等[34]将自制的高孔隙率钙磷多孔陶瓷支架在不破坏多孔支架孔隙特征的情况下复合上了明胶涂层，得到陶瓷/明胶复合支架。复合明胶涂层显著改善了样品的物理力学性能，比如与未涂覆样品相比，涂敷样品在受到压力时的应变特性发生了显著变化。研究结果表明，在多孔陶瓷支架的孔壁上涂覆明胶可以有效地提高其强度。

3　明胶类材料的发展前景

如上所述，明胶在生物医学领域有着多方面的应用。但没有一款明胶类生物医学材料是完美无缺的。随着科技进步和人类社会的发展，人们对于生物医学材料的依赖程度会越来越高，但对材料的性能要求也会变得更苛刻。目前看来，明胶作为止血材料已经有很长的历史了，有关研究也进行了很多，且其它诸如纤维蛋白胶、氧化纤维素和氧化再生纤维素等止血材料也有很大的发展潜力。笔者认为，未来明胶在这方面的发展空间较为有限；作为血液代替品，也有很长的应用历史，但在2013年，发生了羟乙基淀粉临床研究造假事件。同时由于羟乙基淀粉可造成严重的肾脏损伤，且能够增加出血风险和死亡率，美国FDA对羟乙基淀粉临床使用发出警告。欧洲药品管理局也建议羟乙基淀粉退出市场[35]。这或许会给明胶类血浆代用品带来新的发展机遇。而明胶作为天然高分子材料，拥有合成材料无法比拟的优异生物相容性、可降解性、可加工性等性能，作为修复替代和载体材料拥有得天独厚的性能优势和应用潜力。且组织修复、神经修复和基因治疗等是本世纪非常热门的研究领域，会是今后明胶类生物医学材料发展的主流方向。相信在不久的将来，会出现更多具有独特性能的明胶类生物医学材料问世并造福人类。

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*通信联系人，danweihua@scu.edu.cn

Application and Development of Gelatin in Biomedical Material

HUANG Wei1, LIU Ting1,DAN Nian-hua1, LIU Bo-wen2, WEN Hui-tao2, DAN Wei-hua1,2*
(The Key Laboratory of Leather Chemistry and Engineering of Ministry of Education, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. Xingye Leather Technology Co.,Ltd, Jinjiang 362261, China）

Abstract:Gelatin is a kind of natural high molecular weight material, which has unique physical and chemical properties and biological performances such as biocompatibility, processibility and biodegradability. Its potential applications require further development. In this paper, the applications and present research situation of gelatin in biomedical material are summarized, such as hemostatic material, blood substitutes, substitute material, carrier material, modifying other biomedical material and so on. And its development prospect is also forecast. This review can provide a reference for related researchers in the biomedical field.

Key words:gelatin; biomedical material; application

作者简介：第一黄巍（1994-），男，本科生。

基金项目：国家自然科学基金（51473001）

收稿日期：2015-08-07

中图分类号：TS 512

文献标识码：A

文章编号：1671-1602（2015）18-0033-06