角蛋白材料在生物领域中的应用

2016-07-14李北方

大科技 2016年29期

关键词：角蛋白人工人体

李北方

（成都石室中学 610041）

角蛋白材料在生物领域中的应用

李北方

（成都石室中学 610041）

角蛋白是纤维状蛋白质，广泛存在于生物的头发、羽毛、指甲中，在多年前，人们就已经探索出角蛋白的提取与利用方式。在生物与化学技术的发展下，角蛋白材料的应用领域也越来越广泛，本文主要对角蛋白材料在生物领域中的应用进行分析。

角蛋白材料；生物领域；应用

在研究中发现，角蛋白材料具有良好的生物特性和材料力学性能，这得益于角蛋白独特的分子结构，使角蛋白的优良性能能很好地发挥出来。角蛋白具有较高的机械强度，有着便于加工、易于分解和溶解等优点，利用角蛋白生产的各种产品具有较好的市场前景。例如，医疗上应用的骨替代材料就是通过一定技术处理羊毛角蛋白得到的。从人发中提取的角蛋白与人体的皮肤具有相同的结构，用于制作人造皮肤和人造血管有很好的效果。角蛋白在生物技术上有很广泛的应用。

1 角蛋白的结构分析

角蛋白广泛的存在于动物的皮肤、皮毛等部位，是一种不易溶解的纤维状动物蛋白。角蛋白有α-角蛋白和β-角蛋白两种形态，主要是α-角蛋白的形式存在，α-角蛋白具有良好的伸缩性，我们的毛发可以很好的伸缩就是利用的α-角蛋白的伸缩性。当我们过度拉伸时，超出角蛋白的承受范围，就会造成α-角蛋白的损伤，从而转变成β-角蛋白。角蛋白主要是由胱氨酸和极性氨基酸组成，也有少量的硫，根据硫成分的多少分为软胶蛋白和硬角蛋白，它们均具有良好的化学性能。在结构上，角蛋白主要由微原纤与纤间基质组成，微原纤间基质（matrix）主要由高干酪蛋白HGT与高硫蛋白SCMKB组成。

2 角蛋白的常用提取方法

角蛋白有稳定的分子结构，在任何溶剂中都不会溶解，所以要想溶解角蛋白就要破坏其内部结构，让其内部的二硫键断裂。现在普遍采用的提取方法有机械法和化学法两种，酸碱法和还原法是经常利用的化学方法，运用浓度高的强酸或者氧化剂，破坏角蛋白的内部结构，使其的分子肽链断裂，这样可以得到分子量小的蛋白。利用还原法可以使角蛋白保持较高的分子量，因为是利用还原剂的作用，将分子中的二硫键还原成硫基，可以保持分子结构的完整性。

3 角蛋白在生物领域中的应用

角蛋白在医药上有很广泛的应用，例如医药制品、人工支架等等，都可以用角蛋白作原料。利用角蛋白为原料制成的药品在愈合伤口和治疗皮肤病上也有很好的功效，因为角蛋白具有较强的组织相容性。

3.1 胶蛋白作为骨折内固定帮

在传统的医学行业中，大多数是利用金属材料做骨骼支架，其质量沉，不容易与人体组织融合。利用角蛋白为原材料制成的固定材料在骨科手术中有很好的功效，首先，利用角蛋白制成的固定帮具有较高的强度，不仅可以用于小骨骼的固定，还可以用于四肢这样的大骨骼的支撑。其次，角蛋白具有良好的降解性，在使用的早期降解速度缓慢，在后期降解速度较快，这样的就有利于受伤的骨骼愈合恢复。最后，使用胶蛋白材质做成的固定帮，在用于人体后，排异反应小，一般到术后2个月，排异反应就会消失，有助于病人及早恢复健康。

3.2 角蛋白作为人工腱

当人体的肌腱发生某些病变时，一般是采用自体腱对其进行修复，但是自体腱的原料比较短缺，这就给我们的治疗带来不便。利用角蛋白制成的人工腱不仅可以解决材料短缺的问题，并且是一种可以被人体溶解的一种材料，在医学中发挥着重要的作用。①利用角蛋白制成的人工腱的组织相容性较好，在人体中可以与人体的组织快速融合，转化形成自体腱，利用损伤部位的修复。②人工腱的伸展性能和弯曲性较好，运用到人体中，不会影响其他功能的活动。③因为角蛋白便于提取、原料丰富，所有利用角蛋白制成的人工腱的原料也是充足的，解决了自体腱原料短缺的问题。

3.3 角蛋白用于可注射生物复合填充材料

我们知道，人体当受到烧伤时，不仅要承受身体的疼痛，还会留下难看的伤疤。运用角蛋白制成的药品在治疗伤疤上有很好的效果，人发角蛋白具有很好的生物特性，它与组织的相容性好，具有刺激细胞增长、促进损伤皮肤愈合的优点。现在已经广泛应用于治疗烧伤后恢复的临床试验中。

随着对角蛋白性能的不断研究，角蛋白越来越广泛的应用于各个行业，在新的研究中发现，在心血管方面，角蛋白对于人体的血管的生成也有很好的促进作用。在医学美容方面，角蛋白可以改善人体皮肤的瘢痕凹陷、面部皱纹，并且跟人体有很好的相容性，不会出现过敏反应。

3.4 角蛋白用于组织工程支架材料

组织工程支架材料直接影响着组织工程的成败，Sando采用光化学交联制备法来成功制备出角蛋白凝胶，强度适中，可以满足细胞的生长与粘附相同。van Dyke等合成出了角蛋白凝胶以及多孔支架，然后将它们置于生物系统中，检验它们与细胞和组织的相互作用。结果表明，角蛋白在生物系统中有很好的生物相容性。Reichl等比较了两种方法制备的角蛋白涂层，并检验涂层上几种细胞的生长行为。结果表明，角蛋白涂层材料能粘附细胞并加快细胞的生长。在纳米纤维材料技术的发展下，生物相容性聚合物材料被研发出来，Katoh等通过混入聚乙烯醇，增加了水溶性角蛋白溶液的成丝能力，其研究发现，当混合物中角蛋白含量为30%时，所制得的纤维有良好的机械强度和防水特性，并且能够吸收毒性物质。