生物材料工程导论天然高分子材料1

1、天然高分子生物材料天然高分子生物材料 生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-112高分子材料高分子材料 高分子高分子天然高分子天然高分子：自然界天然存在的高分子：自然界天然存在的高分子半天然高分子半天然高分子：经化学改性后的天然高分子经化学改性后的天然高分子合成高分子合成高分子：由单体聚合人工合成的高分子由单体聚合人工合成的高分子生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-113天然高分子材料天然高分子材料 n合成高分子合成高分子n20世纪世纪70年代出现了可再生资源（年代出现

2、了可再生资源（renewable resources，RR）一词，它定义为）一词，它定义为“来源于动、植物且用于工业上来源于动、植物且用于工业上（包括能源、功能化应用和化学修饰）的产物，也包括非（包括能源、功能化应用和化学修饰）的产物，也包括非营养用食品以及食品加工中的废弃物和副产物营养用食品以及食品加工中的废弃物和副产物”。n近年又出现了另一引人注目的名词近年又出现了另一引人注目的名词“生物质生物质”(biomass)，它是指由植物或动物生命体衍生得到的物质的总称，主要它是指由植物或动物生命体衍生得到的物质的总称，主要由有机高分子物质组成。由有机高分子物质组成。n来自于动、植物可再生资源的有

3、机高分子将有可能成为未来自于动、植物可再生资源的有机高分子将有可能成为未来的主要化工原料，并在材料领域有广泛的应用前景。这来的主要化工原料，并在材料领域有广泛的应用前景。这些自然界动、植物以及微生物资源中的大分子，一般称为些自然界动、植物以及微生物资源中的大分子，一般称为天然高分子。天然高分子。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-114天然高分子材料天然高分子材料 n来源于植物的天然高分子主要有纤维素来源于植物的天然高分子主要有纤维素(cellulose)、木质、木质素素(1ignin)、淀粉、淀粉(starch)、蛋白质、蛋白质

4、(protein)、天然橡胶、天然橡胶(natural rubber，polyisoprene)、生漆、生漆(lacquer)、果胶、果胶(Pectin)、魔芋葡甘聚糖、魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan)、木聚糖、木聚糖(xylan)、果阿胶、果阿胶(guar gum)、海藻酸盐、海藻酸盐(alginate)和鹿角莱和鹿角莱胶胶(cara8een)等。等。n来自于动物的天然高分子主要有甲壳素来自于动物的天然高分子主要有甲壳素(chitin)、壳聚糖、壳聚糖(chitosan)、酪蛋白、酪蛋白(casein)、透明质酸、透明质酸(hyaluronic acid)、蛋白质蛋白质(

5、protein)、核酸、核酸(nucleic acid)、丝蛋白、丝蛋白(silk fibroin)、紫虫胶紫虫胶(shellac)等。等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-115天然高分子材料天然高分子材料 n由微生物直接得到的出芽霉聚糖由微生物直接得到的出芽霉聚糖(Pullulan)、凝胶多糠、凝胶多糠(curdlan)、黄原胶、黄原胶(xanthan gum)、吉兰糖胶、吉兰糖胶(gellan gum)等也属此类。等也属此类。n由微生物发酵产物合成的高分子主要有聚乳酸由微生物发酵产物合成的高分子主要有聚乳酸(Polylac

6、tic acid，PLA)、聚己内配、聚己内配(PCL)、聚经基烷酸酯、聚经基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA，PHB，PHH，PHBV)等。等。n此外，无机天然高分子有云母此外，无机天然高分子有云母(mica)、石墨、石墨(graphite)、辉、辉石石(pyroxen)等。等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-116天然高分子材料天然高分子材料 n天然高分子都是处在一个完整而严谨的有机超分天然高分子都是处在一个完整而严谨的有机超分子体系内，如，最简单的木材、骨、毛发及甲壳子体系内，如，最简单的木材、

7、骨、毛发及甲壳等，它们都不是一个简单的体系。等，它们都不是一个简单的体系。n木材是由纤维素及木质素为主要成分构成的超分木材是由纤维素及木质素为主要成分构成的超分子体系，是一种复合材料。子体系，是一种复合材料。n纤维素是增强剂，木质素是基质，它的三维体型纤维素是增强剂，木质素是基质，它的三维体型结构把纤维包裹起来。因此，木材既有强度，又结构把纤维包裹起来。因此，木材既有强度，又耐老化，能作立木顶千斤，能作屋梁百年不腐，耐老化，能作立木顶千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供给人类的理想复合材料。是大自然提供给人类的理想复合材料。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工

8、程学院东南大学2021-11-117天然高分子材料天然高分子材料 n天然高分子都是处在一个完整而严谨的有机超分天然高分子都是处在一个完整而严谨的有机超分子体系内，如，最简单的木材、骨、毛发及甲壳子体系内，如，最简单的木材、骨、毛发及甲壳等，它们都不是一个简单的体系。等，它们都不是一个简单的体系。n木材是由纤维素及木质素为主要成分构成的超分木材是由纤维素及木质素为主要成分构成的超分子体系，是一种复合材料。子体系，是一种复合材料。n纤维素是增强剂，木质素是基质，它的三维体型纤维素是增强剂，木质素是基质，它的三维体型结构把纤维包裹起来。因此，木材既有强度，又结构把纤维包裹起来。因此，木材既有强度，又

9、耐老化，能作立木顶千斤，能作屋梁百年不腐，耐老化，能作立木顶千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供给人类的理想复合材料。是大自然提供给人类的理想复合材料。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-118天然高分子材料天然高分子材料 n人类赖以生存的世界是无数个层次不同的天然高分子体系人类赖以生存的世界是无数个层次不同的天然高分子体系组成的和谐的统一体。因此，天然高分子对于人类的重要组成的和谐的统一体。因此，天然高分子对于人类的重要性绝不仅仅表现在衣、食、住、行这些有形的作用上，更性绝不仅仅表现在衣、食、住、行这些有形的作用上，更是今后主要

10、的可再生的物质资源。是今后主要的可再生的物质资源。n人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，是一个高人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，是一个高级的天然高分子体系。级的天然高分子体系。n人体结构的基本单位是细胞。细胞之间存在着非细胞结构人体结构的基本单位是细胞。细胞之间存在着非细胞结构的物质，称为细胞间质。的物质，称为细胞间质。n细胞间质由有机质和无机质构成。人体由细胞与细胞间质细胞间质由有机质和无机质构成。人体由细胞与细胞间质组成组织，由组织构成器官，功能相似的器官组成系统，组成组织，由组织构成器官，功能相似的器官组成系统，由八大系统组成一个人体。由八大系统组成一个人体。生物材料工程

11、导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-119天然高分子生物材料天然高分子生物材料 n人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都含有高分人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都含有高分子化合物，天然高分子生物材料是人类最早使用子化合物，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。的医用材料之一。n天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性好、生物可降解性，还可以进行改机体的相容性好、生物可降解性，还可以进行改性、复合和杂化等处理。性、复合和杂化等处理。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工

12、程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1110天然高分子生物材料天然高分子生物材料 n目前天然高分子生物材料主要有：目前天然高分子生物材料主要有：l天然蛋白质材料：天然蛋白质材料：胶原蛋白胶原蛋白和和纤维蛋白纤维蛋白两种两种l天然多糖类材料：天然多糖类材料：纤维素纤维素、甲壳素甲壳素和和壳聚糖壳聚糖等等n天然高分子生物材料由于结构和组成的差天然高分子生物材料由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。面。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1111一、天然蛋白质材料一、天

13、然蛋白质材料n蛋白质（蛋白质（protein）是一类结构复杂、功能特异的天然高分）是一类结构复杂、功能特异的天然高分子化合物，存在于所有的生物体中，是生命的物质基础，子化合物，存在于所有的生物体中，是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。没有蛋白质就没有生命。n生物体内的一切生命活动几乎都与蛋白质有关，例如，在生物体内的一切生命活动几乎都与蛋白质有关，例如，在新陈代谢中起催化作用的酶和调节作用的某些激素，在抗新陈代谢中起催化作用的酶和调节作用的某些激素，在抗御疾病中起免疫作用的抗体以及致病的病毒、细菌等都是御疾病中起免疫作用的抗体以及致病的病毒、细菌等都是蛋白质。蛋白质。n近代生物学研究表明，

14、蛋白质的作用不仅表现在遗传信息近代生物学研究表明，蛋白质的作用不仅表现在遗传信息的传递和调控方面，而且对细胞膜的通透性及高等动物的的传递和调控方面，而且对细胞膜的通透性及高等动物的思维、记忆活动等方面也起着重要的作用。思维、记忆活动等方面也起着重要的作用。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1112天然蛋白质材料天然蛋白质材料n蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成：蛋白质的结构极其复杂，种类繁多，：蛋白质的结构极其复杂，种类繁多，估计人体内就有估计人体内就有10万种以上的蛋白质，其质量约占人体干万种以上的蛋白质，其质量约占人体干重的重

15、的45%。蛋白质的组成元素主要是。蛋白质的组成元素主要是C、H、O、N四种，四种，此外大多数含有此外大多数含有S，少数含有，少数含有P、Fe、Cu、Mn、Zn，个别，个别蛋白质还含有蛋白质还含有I或其它元素。一般蛋白质中主要元素的百分或其它元素。一般蛋白质中主要元素的百分组成为：组成为：C 5055%，H 68%，O 2023%，N 1517%，S 04%。 生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1113天然蛋白质材料天然蛋白质材料n蛋白质的特殊功能是由其复杂的结构决定的。蛋白质是由蛋白质的特殊功能是由其复杂的结构决定的。蛋白质是由

16、各种各种 -氨基酸以肽键结合而成的高聚物，蛋白质多肽链中氨基酸以肽键结合而成的高聚物，蛋白质多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序决定了每一种蛋白质的空氨基酸的种类、数目和排列顺序决定了每一种蛋白质的空间结构，从而又决定了蛋白质的各种生理功能。间结构，从而又决定了蛋白质的各种生理功能。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1114天然高分子生物材料天然高分子生物材料 n蛋白质的生物学功能在很大程度上取决于其空间结构，蛋蛋白质的生物学功能在很大程度上取决于其空间结构，蛋白质结构构象多样性导致了不同的生物学功能。蛋白质结白质结构构象多样性

17、导致了不同的生物学功能。蛋白质结构与功能关系研究是进行蛋白质功能预测及蛋白质设计的构与功能关系研究是进行蛋白质功能预测及蛋白质设计的基础。基础。n蛋白质分子只有处于它自己特定的三维空间结构情况下，蛋白质分子只有处于它自己特定的三维空间结构情况下，才能获得它特定的生物活性；三维空间结构稍有破坏，就才能获得它特定的生物活性；三维空间结构稍有破坏，就很可能会导致蛋白质生物活性的降低甚至丧失。很可能会导致蛋白质生物活性的降低甚至丧失。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1115天然蛋白质材料天然蛋白质材料n由于生物组织中绝大部分氮元素都来

18、自蛋白质，而含氮的由于生物组织中绝大部分氮元素都来自蛋白质，而含氮的非蛋白质物质约占蛋白质含氮量的非蛋白质物质约占蛋白质含氮量的1%，因此可将生物组织，因此可将生物组织中的含氮量看作全部来自蛋白质，而且各种来源的蛋白质中的含氮量看作全部来自蛋白质，而且各种来源的蛋白质的含氮量相当接近，平均约为的含氮量相当接近，平均约为16%，即每克氮相当于，即每克氮相当于6.25 g的蛋白质，因此只要测定生物样品中的含氮量，就可计算的蛋白质，因此只要测定生物样品中的含氮量，就可计算出其中蛋白质的大致含量出其中蛋白质的大致含量 。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大

19、学2021-11-1116天然蛋白质材料天然蛋白质材料n牛奶中蛋白质含量为牛奶中蛋白质含量为3.03.5g/100g。蛋白质含量初生婴儿。蛋白质含量初生婴儿乳粉必须大于乳粉必须大于10.0，其余年龄段乳粉必须大于，其余年龄段乳粉必须大于15.0； n蛋白质主要由氨基酸组成，其含氮量一般不超过蛋白质主要由氨基酸组成，其含氮量一般不超过30%。n尿素分子式是尿素分子式是CO(NH2)2，化学名称叫碳酰二胺，含氮，化学名称叫碳酰二胺，含氮46%。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。因为在人尿中含有这种物质，所以取名尿素。 三聚氰胺分三聚氰胺分子式为子式为C3N3(NH2)3，又名氰尿酰胺，俗称蜜

20、胺，是一种有，又名氰尿酰胺，俗称蜜胺，是一种有机化工中间体，含氮量为机化工中间体，含氮量为66左右。左右。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1117天然蛋白质材料天然蛋白质材料n蛋白质的分类蛋白质的分类n蛋白质的种类繁多，结构复杂，迄今为止没有一个理想的蛋白质的种类繁多，结构复杂，迄今为止没有一个理想的分类方法。着眼的角度不同，分类也就各异。分类方法。着眼的角度不同，分类也就各异。 n从蛋白质形状上，可将它们分为球状蛋白质及纤维状蛋白从蛋白质形状上，可将它们分为球状蛋白质及纤维状蛋白质。质。n从组成上可分为单纯蛋白质从组成上可分

21、为单纯蛋白质 （分子中只含氨基酸残基）及（分子中只含氨基酸残基）及结合蛋白质结合蛋白质 （分子中除氨基酸外还有非氨基酸物质，后者（分子中除氨基酸外还有非氨基酸物质，后者称辅基）。称辅基）。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1118天然蛋白质材料天然蛋白质材料n根据蛋白质的功能分为活性蛋白质（根据蛋白质的功能分为活性蛋白质（active protein）和结）和结构蛋白质（构蛋白质（structural protein）两大类。）两大类。n活性蛋白质活性蛋白质是指一切在生命运动中具有生物活性的蛋白质是指一切在生命运动中具有生物活性

22、的蛋白质和它们的前体，如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和和它们的前体，如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、激素蛋白、受体蛋白、营养和储存蛋白以及毒防御蛋白、激素蛋白、受体蛋白、营养和储存蛋白以及毒蛋白等。蛋白等。n结构蛋白质结构蛋白质是指一类担负着生物保护或支持作用的蛋白质，是指一类担负着生物保护或支持作用的蛋白质，如角蛋白、弹性蛋白和胶原蛋白等如角蛋白、弹性蛋白和胶原蛋白等 。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-11191、胶原蛋白、胶原蛋白n胶原蛋白也称胶原，是脊椎动物的主要结构蛋白，是支持胶原蛋白也称胶原，是脊椎

23、动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。成成分。n胶原来源广泛，被广泛应用。由于胶原与人体组织相容性胶原来源广泛，被广泛应用。由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性、无毒性反好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性、无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。被人体吸收，降解产物也无毒副作用。n胶原基本单位为原胶原蛋白，由三条胶原基本单位为原胶原蛋白，由三条肽链相互拧成的三肽链相

24、互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。由不同种万左右。由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似。类的动物分离出来的胶原结构极其相似。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1120Collagen is made up of a triple helix structure. Its basic structural unit is a long, thin protein that is made up of three coiled chains. Each of these ch

25、ains consists of 1050 amino acids. Some collagen acts differently than other types and is mainly due to the varying strands of these proteins. 天然高分子生物材料天然高分子生物材料 胶胶原蛋白的结原蛋白的结构类似绳索，由无数构类似绳索，由无数根胶原纤维束所组合根胶原纤维束所组合而成。胶原蛋白最基而成。胶原蛋白最基本的单位为原胶原，本的单位为原胶原，是由三条多肽链所组是由三条多肽链所组成的，而此三条多胜成的，而此三条多胜肽链则以平行及链间肽链则以平行及链间

26、的氢键紧密地结合。的氢键紧密地结合。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1121Collagen Art（世界奇世界奇观观.）生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1122胶原蛋白胶原蛋白n人体成分中有人体成分中有16左右是蛋白质，胶原蛋白占体左右是蛋白质，胶原蛋白占体内蛋白质总量的内蛋白质总量的3040，故成年人体内约有，故成年人体内约有3Kg左右胶原蛋白，主要存在于皮肤肌肉、骨骼、左右胶原蛋白，主要存在于皮肤肌肉、骨骼、牙齿、内脏（如胃、肠、心肺、血管与食道）与牙齿

27、、内脏（如胃、肠、心肺、血管与食道）与眼睛等处。眼睛等处。n胶原具有无抗原性良好的生物相容性可参与组织胶原具有无抗原性良好的生物相容性可参与组织愈合过程在止血促进伤口愈合、作为烧伤创面敷愈合过程在止血促进伤口愈合、作为烧伤创面敷料、骨移植替代材料、组织再生诱导物方面得到料、骨移植替代材料、组织再生诱导物方面得到广泛应用。但胶原材料具有降解快、机械强度小广泛应用。但胶原材料具有降解快、机械强度小等缺点。等缺点。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1123胶原蛋白的类型及其在组织中的分布胶原蛋白的类型及其在组织中的分布形形 式式各单链

28、分子量各单链分子量组织分布组织分布100，000皮肤、骨骼、血管等多数结缔组织皮肤、骨骼、血管等多数结缔组织100，000透明软骨、玻璃体透明软骨、玻璃体100，000软骨软骨100，000血管、皮肤、肉芽组织血管、皮肤、肉芽组织175，000185，000细胞基底膜细胞基底膜 透明软骨外之大部分细胞周围组织透明软骨外之大部分细胞周围组织 子宫、胎盘与皮肤子宫、胎盘与皮肤 表皮细胞与基底膜表皮细胞与基底膜180，000主动脉血管细胞、角膜内细胞主动脉血管细胞、角膜内细胞69，00085，000软骨、眼后房水软骨、眼后房水59，000肥厚组织、软骨肥厚组织、软骨 皮肤、筋、软骨皮肤、筋、软骨X

29、表面组织、小肠粘膜表面组织、小肠粘膜X 软骨、皮肤、筋、胎盘软骨、皮肤、筋、胎盘X 织维母细胞织维母细胞X 立方羊膜表皮之下立方羊膜表皮之下X 大水疱性类疱疮大水疱性类疱疮生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1124胶原蛋白胶原蛋白n由细胞分泌的胶原蛋白分子能装配成非常有特征由细胞分泌的胶原蛋白分子能装配成非常有特征件的纤维，以负责组织结构的完整性，诸如骨、件的纤维，以负责组织结构的完整性，诸如骨、软骨、皮肤和肌腱。软骨、皮肤和肌腱。n胶原蛋白还是另一类组织，如血管以及大多数器胶原蛋白还是另一类组织，如血管以及大多数器官的结构性骨

30、架。这些胶原蛋白的性质可随年龄、官的结构性骨架。这些胶原蛋白的性质可随年龄、组织酌定位以及疾病而变化。其中有些组织的胶组织酌定位以及疾病而变化。其中有些组织的胶原蛋白纤维变得恒定，成为几乎无法替代的固定原蛋白纤维变得恒定，成为几乎无法替代的固定物，而另一些组织（如骨，经常有重新塑造的现物，而另一些组织（如骨，经常有重新塑造的现象）的胶原蛋白则变化很大，甚至在成人个体中象）的胶原蛋白则变化很大，甚至在成人个体中也是如此。也是如此。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1125胶原蛋白胶原蛋白n1物理和生物力学性能物理和生物力学性能n人

31、体组织的物理性能随胶原蛋白纤维的量和结构人体组织的物理性能随胶原蛋白纤维的量和结构的变化而不同。通常，富含胶原蛋白的组织含有的变化而不同。通常，富含胶原蛋白的组织含有7590的胶原蛋白（干重）。的胶原蛋白（干重）。n胶原蛋白纤维（胶原纤维束）在特定的结构部位胶原蛋白纤维（胶原纤维束）在特定的结构部位由于它们各自的功能而在不同的组织中以不同的由于它们各自的功能而在不同的组织中以不同的构型排列。构型排列。n例如，胶原纤维在腱和韧带中由于高的抗拉强度例如，胶原纤维在腱和韧带中由于高的抗拉强度的要求而以平行的方式排列，而皮肤中的纤维则的要求而以平行的方式排列，而皮肤中的纤维则以随机方式排列，以提供组织

32、在压力下的弹性。以随机方式排列，以提供组织在压力下的弹性。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1126天然高分子生物材料天然高分子生物材料 Electron micrographs skin collagen生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1127天然高分子生物材料天然高分子生物材料 Collagen fibrils, showing their characteristic D banding morphology. These collagen fibrils

33、 are present in the joint capsule tissue that surrounds the knee.Magnification 14000 xDetector TLDVoltage 5.00 kVHorizontalField Width 2.13 mImage courtesy of Paul Gunning, Smith & Nephew生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1128天然高分子生物材料天然高分子生物材料 生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程

34、学院东南大学2021-11-1129胶原蛋白胶原蛋白n2生物学性能生物学性能n(1)止血性能止血性能 天然的胶原聚集体实际上是止血剂。天然的胶原聚集体实际上是止血剂。胶原诱导止血的机制已是许多研究的主题。从研胶原诱导止血的机制已是许多研究的主题。从研究中得到的普遍结论是血小板首先粘附在胶原表究中得到的普遍结论是血小板首先粘附在胶原表面，诱导血小板释放，紧接着是血小板聚集，产面，诱导血小板释放，紧接着是血小板聚集，产生最终的止血栓。生最终的止血栓。n胶原的止血活性依赖于胶原聚集体的大小和分子胶原的止血活性依赖于胶原聚集体的大小和分子的天然结构，而变性的胶原（明胶）诱导止血则的天然结构，而变性的胶

35、原（明胶）诱导止血则是无效的。是无效的。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1130胶原蛋白胶原蛋白n2生物学性能生物学性能n(2)细胞相互作用性能细胞相互作用性能 胶原蛋白是结缔组织普遍胶原蛋白是结缔组织普遍存在的成分，是器官和组织必不可少的构造骨架。存在的成分，是器官和组织必不可少的构造骨架。胶原蛋白作为细胞生长的依附和支架物，能诱导胶原蛋白作为细胞生长的依附和支架物，能诱导上皮细胞等的增殖、分化和移行。上皮细胞等的增殖、分化和移行。n研究发现，许多的细胞，如上皮和内皮细胞，滞研究发现，许多的细胞，如上皮和内皮细胞，滞留在胶原

36、表面或胶原甚质内，如许多结缔组织细留在胶原表面或胶原甚质内，如许多结缔组织细胞的基质。胞的基质。n在胚胎发育以及成年人的伤口愈合和组织改型期在胚胎发育以及成年人的伤口愈合和组织改型期间，胶原蛋白和细胞的相互作用是细胞活动的一间，胶原蛋白和细胞的相互作用是细胞活动的一个必不可少的特征。个必不可少的特征。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1131胶原蛋白胶原蛋白n2生物学性能生物学性能n(3)免疫性能胶原的抗原性相当低，在免疫性能胶原的抗原性相当低，在1954年以前，甚至年以前，甚至认为胶原不具有抗原性。认为胶原不具有抗原性。n最近

37、的研究表明，胶原有最近的研究表明，胶原有3种类型的抗原因子：第种类型的抗原因子：第1类是由类是由胶原肽链非螺旋的端肽引起的；第胶原肽链非螺旋的端肽引起的；第2类是由胶原三股螺旋类是由胶原三股螺旋的构象引起的；第的构象引起的；第3类是由类是由链螺旋区的氨基酸顺序引起的。链螺旋区的氨基酸顺序引起的。第第2类抗原因子仅存在于天然胶原分子中，第类抗原因子仅存在于天然胶原分子中，第3类只出现在类只出现在变性胶原中，而第变性胶原中，而第1类抗原因子在天然和变性胶原蛋白中类抗原因子在天然和变性胶原蛋白中均存在。均存在。n20世纪世纪90年代以来，人们发现年代以来，人们发现型胶原的免疫原性比型胶原的免疫原性比

38、型、型、型型型胶原低得多，其组织胶原的端肽的免疫原性比螺型胶原低得多，其组织胶原的端肽的免疫原性比螺旋微区以及其它微区都要强。旋微区以及其它微区都要强。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1132胶原蛋白胶原蛋白n3生物合成生物合成n胶原蛋白主要由成纤维细胞或与其来源相类似的胶原蛋白主要由成纤维细胞或与其来源相类似的细胞如成骨细胞、成软骨细胞等合成。细胞如成骨细胞、成软骨细胞等合成。n胶原蛋白的合成包括一系列的过程。首先合成多胶原蛋白的合成包括一系列的过程。首先合成多肤链，进而形成胶原蛋白分子。其次，是由胶原肤链，进而形成胶原蛋白

39、分子。其次，是由胶原蛋白分了形成胶原原纤维，进一步聚合形成胶原蛋白分了形成胶原原纤维，进一步聚合形成胶原纤维和胶原束。纤维和胶原束。n胶原蛋白合成的前期在细胞内，后期在细胞外。胶原蛋白合成的前期在细胞内，后期在细胞外。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1133胶原蛋白胶原蛋白n3生物合成生物合成n各型胶原蛋白在组织中的分布和功能各异。各型胶原蛋白在组织中的分布和功能各异。n一般认为，一般认为，型胶原蛋白分布最广，量最大，起支架作用，型胶原蛋白分布最广，量最大，起支架作用，分布于皮肤、血管、脏器间质和包膜等中，由成纤维细胞分布于皮

40、肤、血管、脏器间质和包膜等中，由成纤维细胞等产生。等产生。n型和型和型胶原蛋白是皮肤胶原的主要类型，与皮肤张力型胶原蛋白是皮肤胶原的主要类型，与皮肤张力密切相关，密切相关，型胶原蛋白比例在不同疾病中不同，在创伤型胶原蛋白比例在不同疾病中不同，在创伤愈合早期，愈合早期，型胶原蛋白含量高于正常，随着创伤组织逐型胶原蛋白含量高于正常，随着创伤组织逐渐愈合而恢复正常。渐愈合而恢复正常。n型胶原蛋白只分布于软骨和玻璃体中，内软骨细胞产生，型胶原蛋白只分布于软骨和玻璃体中，内软骨细胞产生，与与型胶原蛋白等共同构成软骨基质，具有促进软骨细胞型胶原蛋白等共同构成软骨基质，具有促进软骨细胞分化酌作用。分化酌作用

41、。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1134天然高分子生物材料天然高分子生物材料 Schematic diagram of Type I collagen fibril structure. Helical collagen molecules form from three polypeptide chains, and these associate laterally to form collagen fibrils with a characteristic banded structure. 生物材料工程导论材料科学与

42、工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1135n胶原蛋白的提取方法胶原蛋白的提取方法n提取胶原蛋白的大概过程是去除油脂，去除杂蛋白，提取胶原蛋白的大概过程是去除油脂，去除杂蛋白，胶原蛋白析出，纯化等。目前，胶原的提取方法主胶原蛋白析出，纯化等。目前，胶原的提取方法主要有要有4种，即酸法、碱法、盐法和酶法。种，即酸法、碱法、盐法和酶法。l型胶原的制备以猪筋腱为主要原料，利用型胶原的制备以猪筋腱为主要原料，利用3%的盐水脱的盐水脱脂、去血清等成份，捣碎，然后用脂、去血清等成份，捣碎，然后用5%的醋酸和胃蛋白酶的醋酸和胃蛋白酶溶解，盐析，再酸溶，用水透析至中性备用

43、。溶解，盐析，再酸溶，用水透析至中性备用。胶原蛋白胶原蛋白生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1136n胶原蛋白的提取方法。胶原蛋白的提取方法。l取新鲜猪皮，用剖层机取上层，除去皮下组织，然后进行取新鲜猪皮，用剖层机取上层，除去皮下组织，然后进行浸水、脱脂、二次脱脂、滚酶堆置、臀部涂酶、浸灰、脱浸水、脱脂、二次脱脂、滚酶堆置、臀部涂酶、浸灰、脱灰、浸硝、剖层、修边、称重等预处理，再用质量分数灰、浸硝、剖层、修边、称重等预处理，再用质量分数0.3%0.5%的胰酶和的胰酶和0.3%0.5%的的1398蛋白酶处理。蛋白酶处理。胶原蛋白胶

44、原蛋白生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1137n胶原蛋白的提取方法。胶原蛋白的提取方法。l新鲜成年冷冻牛腱切成新鲜成年冷冻牛腱切成0.5 mm左右的薄片，放入左右的薄片，放入0.05M乙乙酸中酸中(pH3.2)，使其最终浓度为，使其最终浓度为1.52.5%(W/V)胶原胶原-乙酸溶乙酸溶液，置液，置4冰箱冰箱4872 h。l将膨胀的胶原倒入组织捣碎机中将膨胀的胶原倒入组织捣碎机中(1500 r/min)开开30秒停秒停30秒秒,重复重复45次，用次，用80100#尼龙网过滤去除胶原溶液中残存有尼龙网过滤去除胶原溶液中残存有少许

45、膨胀不佳的胶原颗粒。少许膨胀不佳的胶原颗粒。l在捣碎和过滤胶原期间，空气会混入胶原液内形成大小不在捣碎和过滤胶原期间，空气会混入胶原液内形成大小不等的气泡，胶原液倒入抽滤瓶中直接抽气等的气泡，胶原液倒入抽滤瓶中直接抽气(真空泵真空泵)或倒入或倒入烧杯内置真空干燥箱内减压脱泡，即成均匀的胶原溶液。烧杯内置真空干燥箱内减压脱泡，即成均匀的胶原溶液。胶原蛋白胶原蛋白生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1138n胶原的应用胶原的应用l胶原凝胶用作创伤敷料胶原凝胶用作创伤敷料l粉末用于止血剂和药物释放系统粉末用于止血剂和药物释放系统l纺丝纤

46、维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线l薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料l管用于人工血管、人工胆管和管状器官管用于人工血管、人工胆管和管状器官l空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜l海绵用于创伤敷料和止血剂等。海绵用于创伤敷料和止血剂等。胶原蛋白胶原蛋白生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-11392、明胶、明胶n明胶是胶原的部分变性衍生物，它由胶原的三重明胶是胶原的部分变性衍生物，它由胶原的三重螺

47、旋结构解体为单链分子而形成。实验证明明胶螺旋结构解体为单链分子而形成。实验证明明胶无抗原性。明胶有两种类型，即明胶无抗原性。明胶有两种类型，即明胶A和明胶和明胶B，明胶明胶A是在热变性前用酸预处理的明胶，而明胶是在热变性前用酸预处理的明胶，而明胶B则是用碱预处理，使其谷氨酞胺与天冬酞胺的酞则是用碱预处理，使其谷氨酞胺与天冬酞胺的酞胺残基转变成谷氨酸和天冬氨酸，因此明胶胺残基转变成谷氨酸和天冬氨酸，因此明胶B的的梭基含量至少比明胶梭基含量至少比明胶A的梭基含量高的梭基含量高25%。胶原蛋白水解图胶原蛋白水解图生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学20

48、21-11-1140明胶明胶n“胶原蛋白胶原蛋白”和和“明胶明胶”最大的不同，就在于其分最大的不同，就在于其分子结构的差异。胶原蛋白必须具备完整的三股螺子结构的差异。胶原蛋白必须具备完整的三股螺旋体结构，分子量约在旋体结构，分子量约在283,000道尔顿，而明胶分道尔顿，而明胶分子量不规则，大至几百万、小至几十，所以不具子量不规则，大至几百万、小至几十，所以不具备原有生物体的活性与功能。备原有生物体的活性与功能。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1141明胶的性质明胶的性质明胶来源于胶原蛋白的水解，它的性质与胶原蛋明胶来源于胶原

49、蛋白的水解，它的性质与胶原蛋白的结构有关，胶原蛋白的分子水解时，三股螺旋互白的结构有关，胶原蛋白的分子水解时，三股螺旋互相拆开，而且肤链有不同程度的断裂，生成能够溶于相拆开，而且肤链有不同程度的断裂，生成能够溶于水的大小不同的碎片，明胶实际上就是这些碎片，市水的大小不同的碎片，明胶实际上就是这些碎片，市售明胶呈淡黄色，外型有薄片状、粒状，无味，无臭。售明胶呈淡黄色，外型有薄片状、粒状，无味，无臭。酸法明胶密度为酸法明胶密度为1.325g/cm1.325g/cm3 3，碱法明胶密度为，碱法明胶密度为1.283g/cm1.283g/cm3 3。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程

50、导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1142明胶的性质1 1溶胀和溶解溶胀和溶解明胶遇冷水会溶胀，投入水中明胶遇冷水会溶胀，投入水中2h2h，可充分溶胀，可充分溶胀( (吸收吸收5 5，1010倍倍水水) )，在热水中，在热水中( (加热至加热至40)40)即完全溶解成溶液。水溶液中明胶即完全溶解成溶液。水溶液中明胶分子的构型、物理性质随所处的环境而不同。明胶水溶液中分分子的构型、物理性质随所处的环境而不同。明胶水溶液中分子存在两种可逆变化的构型：子存在两种可逆变化的构型：溶胶形式溶胶形式A=A=凝胶形式凝胶形式B B溶胶形式溶胶形式A A存在于较高的温度存在于较高的温度(35)(3

51、5)以上。在以上。在15-3515-35的范的范围内，两种形式的明胶分子成平衡状态共存围内，两种形式的明胶分子成平衡状态共存。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1143明胶的性质明胶分子与其它蛋白质一样，在不同明胶分子与其它蛋白质一样，在不同pHpH溶液中，可成为溶液中，可成为正离子、负离子或两性离子正离子、负离子或两性离子( (等电等电A)A)。在等电点时，溶胀。在等电点时，溶胀吸水量最小，加入脱水剂时，在吸水量最小，加入脱水剂时，在4040以上能出现单凝聚。以上能出现单凝聚。明胶在所有明胶在所有pHpH范围内都易溶于水，如加

52、入与明胶分子上范围内都易溶于水，如加入与明胶分子上电荷相反的聚合物，则带电荷的聚合物能使明胶从溶液中电荷相反的聚合物，则带电荷的聚合物能使明胶从溶液中析出，例如阿拉伯胶带负电荷，能和带正电荷的弱酸性明析出，例如阿拉伯胶带负电荷，能和带正电荷的弱酸性明胶溶液反应，溶解度急剧下降。这种共凝聚作用在工艺上胶溶液反应，溶解度急剧下降。这种共凝聚作用在工艺上最重要的用途，就是制备微型胶囊。最重要的用途，就是制备微型胶囊。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1144明胶的性质明胶与有些有机溶剂有相容性，如甘油、丙二醇、山梨明胶与有些有机溶剂有

53、相容性，如甘油、丙二醇、山梨醇、甘露糖醇、二甲基亚讽、甲酚胺、冰醋酸、醇、甘露糖醇、二甲基亚讽、甲酚胺、冰醋酸、N-N-甲基甲甲基甲酚胺、乙酚胺和酚胺、乙酚胺和2-2-吡咯烷酮等。明胶不溶于一元醇、醚、吡咯烷酮等。明胶不溶于一元醇、醚、丙酮、氯仿、脂肪油和挥发油。丙酮、氯仿、脂肪油和挥发油。固体明胶通常含少量水分，其含水量一般在固体明胶通常含少量水分，其含水量一般在10%-15%10%-15%，实，实际上这部分水起着增塑剂的作用，含水量太低际上这部分水起着增塑剂的作用，含水量太低(5%(5%以下以下) )的的明胶太脆，一般都需加入甘油或其它多元醇作为增塑剂。明胶太脆，一般都需加入甘油或其它多元

54、醇作为增塑剂。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1145明胶的性质明胶溶液可因温度降低而形成具有一定硬度、不能流明胶溶液可因温度降低而形成具有一定硬度、不能流动的凝胶，明胶溶液形成凝胶的浓度最低极限值约为动的凝胶，明胶溶液形成凝胶的浓度最低极限值约为0.5%0.5%，凝胶存在的温度最高为，凝胶存在的温度最高为3535。凝胶形成后，它的结构向胶原构型的变化历时很长，凝胶形成后，它的结构向胶原构型的变化历时很长，要经历不同阶段，其螺旋结构的比例逐步增加。要经历不同阶段，其螺旋结构的比例逐步增加。明胶分子互相结合而成三维空间的网状结构

55、，明胶分明胶分子互相结合而成三维空间的网状结构，明胶分子的运动受到限制，但其中间夹持的大量液体却有正常子的运动受到限制，但其中间夹持的大量液体却有正常的粘度，电解质离子在其中的扩散速度和电导与在溶胶的粘度，电解质离子在其中的扩散速度和电导与在溶胶中者相同，而在干燥的明胶中所保存下来的只是任意卷中者相同，而在干燥的明胶中所保存下来的只是任意卷曲的松散的构型，和完全变性的蛋白质凝胶有类似的结曲的松散的构型，和完全变性的蛋白质凝胶有类似的结构。构。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1146明胶的性质明胶在室温、干燥状态下比较稳定，可放

56、置数年，明胶在室温、干燥状态下比较稳定，可放置数年，在较高的温度在较高的温度(35-40)(35-40)和湿度下保存的明胶倾向和湿度下保存的明胶倾向于失去溶解性，其原因或许是明胶分子的聚合，此于失去溶解性，其原因或许是明胶分子的聚合，此外还包括交联和氢键作用。外还包括交联和氢键作用。在水溶液中，明胶能缓慢地水解转变成分子量较在水溶液中，明胶能缓慢地水解转变成分子量较小的片断，粘度下降，失去凝胶能力，小的片断，粘度下降，失去凝胶能力，6565以上解以上解聚作用加快，加热至聚作用加快，加热至8080持续持续lhlh后，凝胶冻力将减后，凝胶冻力将减少少50%50%，分子量越小，分解越快。明胶对酶的作

57、用，分子量越小，分解越快。明胶对酶的作用很敏感。很敏感。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1147明胶明胶医用明胶按制法分为酸法明胶医用明胶按制法分为酸法明胶(geatin A)(geatin A)和碱法明和碱法明胶胶(geatin B)(geatin B)，其制法分述如下。，其制法分述如下。(1)(1)酸法：酸法：酸法明胶，发源于美国，近年在欧洲日益受到重酸法明胶，发源于美国，近年在欧洲日益受到重视，酸法处理可以降低成本，缩短原料预处理时间。视，酸法处理可以降低成本，缩短原料预处理时间。其制法是：其制法是：将原料将原料( (一

58、般是猪皮一般是猪皮) )先用冷水洗净，浸渍于先用冷水洗净，浸渍于pHpH为为1-31-3的酸液的酸液( (浓度不超过浓度不超过5%5%的盐酸、硫酸或磷酸的盐酸、硫酸或磷酸) )，在，在15-2015-20消化至完全胀开消化至完全胀开( (约约24-48h)24-48h)，再用水将胀化的原料洗去过量的酸，在，再用水将胀化的原料洗去过量的酸，在pH3.5-4pH3.5-4时，时，用热水提取。在动物皮组织中，许多非胶原蛋白和粘蛋白在用热水提取。在动物皮组织中，许多非胶原蛋白和粘蛋白在pH4 pH4 时时为等电状态，在抽取明胶的酸度条件下，这些蛋白溶解度小而且很为等电状态，在抽取明胶的酸度条件下，这些

59、蛋白溶解度小而且很易凝结，如用酸处理的猪皮明胶等电点在易凝结，如用酸处理的猪皮明胶等电点在pH7-9pH7-9，这是在酸性条件，这是在酸性条件下胶原中的谷氨酸、天冬氨酸的酸胺基团耐水解的原因。下胶原中的谷氨酸、天冬氨酸的酸胺基团耐水解的原因。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2021-11-1148明胶(2)碱法碱法把原料把原料(一般用除去矿物质的动物骨酪或羊皮制造一般用除去矿物质的动物骨酪或羊皮制造)浸浸泡在泡在15-20记的氢氧化钙中记的氢氧化钙中1-3个月，许多杂质，如蛋白质类粘性个月，许多杂质，如蛋白质类粘性物质，能在这种酸碱度下溶解而

60、被除去。一般认为碱法明胶比酸法物质，能在这种酸碱度下溶解而被除去。一般认为碱法明胶比酸法明胶纯些。经碱处理洗去残留氢氧化钙，最后用酸明胶纯些。经碱处理洗去残留氢氧化钙，最后用酸(盐酸、硫酸或盐酸、硫酸或磷酸磷酸)中和，再用热水提取，以下过程同酸法明胶。经长时间碱法中和，再用热水提取，以下过程同酸法明胶。经长时间碱法处理而产生的明胶，含氮量略低处理而产生的明胶，含氮量略低(约约18%)，由于在浸灰过程中，酚，由于在浸灰过程中，酚胺基逐渐转化为羧基，使明胶的等电点比酸法明胶的等电点低，可胺基逐渐转化为羧基，使明胶的等电点比酸法明胶的等电点低，可低到低到pH4.7-5.3。上述两种处理的明胶热水提取液，再经