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胶原及其作为生物医学材料的应用. 姓名 : 王重夕 学号 : 2011207487. 展望. 4. 胶原及其存在与分类. 1. 胶原的结构及理化性质. 2. 胶原作为生物医学材料的应用. 3. contents. 一、胶原( Collagen ). 胶原是一种存在于动物体内细胞基质的纤维蛋白。它由一条或多条由 α- 链组成的三螺旋结构分子交联而成。. 胶原在生物体内的存在. 胶原是细胞外基质中的主要组分, 占哺乳动物体内蛋白质总量的 25%~30% ,相当于体重的 9% 。
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胶原及其作为生物医学材料的应用 姓名: 王重夕 学号: 2011207487
展望 4 胶原及其存在与分类 1 胶原的结构及理化性质 2 胶原作为生物医学材料的应用 3 contents
一、胶原(Collagen) • 胶原是一种存在于动物体内细胞基质的纤维蛋白。它由一条或多条由α-链组成的三螺旋结构分子交联而成。
胶原在生物体内的存在 • 胶原是细胞外基质中的主要组分,占哺乳动物体内蛋白质总量的25%~30%,相当于体重的9%。 • 胶原广泛存在于结缔组织、皮肤、骨骼、内脏细胞间质及肌腔、韧带、巩膜等部位,而角膜几乎完全由胶原组成。 • 根据来源和结构组成的细微区别,将胶原分为I型~XVIII型。
胶原的氨基酸组成 几种胶原的氨基酸组成/(残基个数/1000个残基) 1.胶原中缺少胱氨酸和色氨酸。 2.甘氨酸几乎占了1/3。 3.含有羟赖氨酸和羟脯氨酸。 4.脯氨酸含量为各蛋白质最高。 5.N端氨基酸是焦谷氨酸
二、胶原的结构与性质 • 一级结构(氨基序列):在胶原分子的三螺旋段中,以甘氨酸-X-Y这样的三肽循环构成。其中X多为脯氨酸(约占20%~30%)。 甘氨酸 Gly 脯氨酸 Pro Y
胶原的结构 • 二级结构:每个胶原分子由三条α-肽链组成。每条 α-肽链通过α-螺旋、β-折叠、β-转角等等二级结构形成右手螺旋结构。三条α-肽链平行缠绕成三螺旋结构(triple helix)。
胶原的结构 • 三级结构:胶原中的三级结构主要指胶原分子三条肽链之间次级键的作用。这些交联作用将三条链牢固地连接起来,使胶原具有很强的拉伸强度。 • 四级结构:许多个胶原分子平行取向排列成束,首尾错位1/4,并通过共价键交联,形成稳定的胶原微纤维 交联
胶原、明胶和胶原蛋白 • 胶原(Collagen):三螺旋结构没有改变,还保留生物活性。 • 明胶(Gelatin):胶原的变性产物,三螺旋体共价键断开,三条肽链互不缠结,不具有生物活性。 • 胶原蛋白(Collagen Peptide):三螺旋结构彻底松开,形成自由肽链,且部分降解成多分散肽段,不具有生物活性
胶原的性质 • 生物可降解性、低免疫原性; • 与宿主细胞及组织间的协调作用; • 止血作用; • 物理机械性能; • 凝胶性 • 化学修饰 表面功能官能团修饰 化学交联 接枝共聚 复凝聚
组织工程材料(Tissue Engineering) • 人工皮肤(skin replacement):Ⅰ型胶原由于其性能优良且含量丰富,被广泛用于组织工程人工皮肤。目前,用于组织工程真皮支架材料的胶原的应用形式主要有胶原凝胶、胶原膜和胶原海绵。。
组织工程材料 • 骨骼修复和人工骨(bone substitutes):I型胶原通过增强成骨细胞蛋白激酶C的活性,促进成骨细胞定向分化为骨细胞。
药物载体(Drug Delivery Systems) • 胶原膜与胶原海绵:在胶原溶液中加入药物及交联剂,成膜制得。主要用于治疗局部组织感染和促进骨骼生长,也可作为基因载体。 • 复合水凝胶:胶原-PHEMA水凝胶、胶原-PVA水凝胶、胶原-PNIPAM水凝胶等等。
药物载体 • 胶囊:
胶原微球与微粒 Fig: Scanning Electron Microscopy of drug-free collagomers (collagen : lipid 1:10 w/w). ELRON GROSS I,GLUCKSAM Y,BITON I E,et al. A novel Diclofen accarrierfor local treatment of osteoarthrit is applying live animal MRI[J]. J Control Release, 2009, 135: 65-70.
Upper panels: Images from an animal receiving a single treatment of intra-articular injection of Diclofenac(双氯芬酸)-collagomers at the drug dose of 1 mg/kg bodyweight. Middle panels: Images from an animal receiving a single treatment of free Diclofenac given orally (by gavage) at the drug dose of 1 mg/kg body weight. Bottom panels: Imagesfrom an untreated animal.
胶原用作基因载体 • 去端肽胶原(Atelocollagen) Akihiko Sanoa, Miho Maedaa, Shunji Nagaharaa,et al. Atelocollagen for protein and gene delivery[J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 2003, 55: 1651– 1677
胶原用作质粒DNA载体 Fig. Conception of collagen-mediated gene delivery
胶原用作质粒DNA载体 Fig. Preparation of Minipellet containing pDNA
胶原用作质粒DNA载体 Long duration of gene expre- -ssion and physiological effectby pDNA introduction using Minipellet. (a) Kinetic analysis of the serum HST-1 protein concentration. (b) Time course of platelet count in mice.
胶原用作siRNA载体 1. Atelocollagen, which is positively charged interacts with the negatively charged siRNA duplex to form an siRNA/Atelocollagen complex, a nanosize particle with a diameter of 100–300 nm. 2. Atelocollagen is soluble at a lower temperature but solidifies to refibrill- -ation at a temperature over 30C. Yoshiko Minakuchi, Fumitaka Takeshita, et al. Atelocollagen-mediated Synthetic small interferingRNA delivery for effective gene silencing in vitroand in vivo[J]. Nucleic Acids Research, 2004, Vol. 32, No. 13
胶原用作siRNA载体 Atelocollagen blocks degradation of siRNA by RNase A. Naked siRNA, siRNA/liposome and siRNA/Atelocollagen complexes were incubated in the presence of RNase A for 0, 5, 15, 30, 45 and 60 min at 37C and then agarose gel electrophoresed. The presence of siRNA was revealed by ethidium bromide staining. (抗核酸酶能力比较) Long-term inhibition of NEC8 cellgrowth by siRNA/Atelocollagen complex. HST-1/FGF-4 siRNA (0.7 mg) was transfected into NEC8 cells by polycation-reagent and complexed with 0.008%Atelocollagen (转染效率比较)
展望 • 胶原作为一种天然高分子生物材料,具有较低的免疫原性、优异的生物相容性和可生物降解性、可促进细胞生长和止血作用等特性,是一种理想的组织工程支架材料和药物释放载体材料。目前,胶原已应用于组织工程修复、眼角膜疾病、美容、矫形、创面止血等方面,在临床研究和应用上均取得了满意的结果。随着生物技术的发展,胶原的应用前景将会更为广阔。
参考文献 • ELRON GROSS I,GLUCKSAM Y,BITON I E,et al. A novel Diclofen accarrierfor local treatment of osteoarthrit is applying live animal MRI[J].J Control Release, 2009, 135: 65-70. • Akihiko Sanoa, Miho Maedaa, Shunji Nagaharaa,et al. Atelocollagen for protein and gene delivery[J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 2003, 55: 1651- 1677 • Yoshiko Minakuchi, Fumitaka Takeshita, et al. Atelocollagen-mediated Synthetic small interferingRNA delivery for effective gene silencing in vitroand in vivo[J]. Nucleic Acids Research, 2004, Vol. 32, No. 13 • Lee, C. H.Singla, A.Lee, Y. Biomedical applications of collagen[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2001, 221(1-2): 1-22 • 杨延慧,严涵,等. 胶原作为生物医学材料的应用研究[J].安徽农业科学, 2011, 39(26):16137 –16138 • 杜春玲,姚菊明.胶原蛋白结构基础上的设计与合成[J]. 生物工程学报, 2007, 23(2): 189-194 • 蒋挺大. 胶原与胶原蛋白[M]. 化学工业出版社