明胶是一种天然的高分子材料,其理化性质、生物学性能研究表明其是制造生物医用材料的良好材料。本文阐述了明胶的各种性质,根据大量前人研究材料总结出当明胶与其他生物材料复合时,明胶基生物医用材料在医学领域的各个方面都有着良好的应用。

　　明胶是由胶原部分水解而得到的一类蛋白质，明胶的性质与胶原的结构有关。胶原分子具有棒状三螺旋结构，当其部分水解制备明胶的过程中，胶原的这种三螺旋结构发生部分分离和断裂。胶原具有重要的生物学性质—力学性能高、促进细胞生长、止血、生物相容性和生物降解性，多年来一直促使许多研究者设想制备胶原基生物材料。然而直到近 20 年随着胶原化学的发展，人们对胶原的结构和性质有了更为清楚的认识，这种设想才得以变为现实。在胶原的应用发展同时，明胶所表现出来的一些良好的理化性能，使得它在医药工业、临床医学和临床治疗中有广泛的应用。

　　明胶不是一种单一化合物，其成分受胶原来源的影响，其氨基酸组成与胶原相似，但因预处理的差异，组成成分也可能不同。不同规格的明胶分子量一般为 20 000～250 000 不等。当胶原蛋白的分子水解时，三股螺旋互相拆开，其肽链有不同程度的分离和断裂。这种分离和断裂方式有三种(如图一)：(1)螺旋完全松开，成为三条互不联结的、不规则盘旋的肽链；

　　(2) 一条肽链分离，另两条肽链松开后仍有氢键联结；(3) 三条肽链松开后仍有氢键相互联结。胶原蛋白分子的棒状三螺旋结构按上述三种方式分离和断裂后就形成了明胶分子的结构。

　　按照制备方法不同，明胶可分为两类，即 A 型明胶和 B 型明胶。A 型明胶（pH 为 3.8-6.0；等电点为 6-8）是用酸水解猪皮得到的，可塑性和弹性较好。B 型明胶（pH 为 5.0-7.4；等电点 4.7-5.3）是碱水解骨头及动物皮肤得到的，硬度较好。尽管有时候单独使用 A 型明胶或者 B 型明胶，但是大多数药用明胶是以上两种类型明胶的混合物。

　　明胶的理化性质与胶原蛋白的来源、制备方法、提取和浓缩条件、 受热历程、 pH 值以及杂质或添加剂的化学性质有关，其理化性质主要有：

　　当组成胶团的各种蛋白质链借助于侧链互相缔合时，将形成一个不溶性的固体点阵，这就是凝胶。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，明胶凝胶形成的浓度最低极限值约为 0.5％，凝胶浓度是指胶液冷却成凝胶后的浓度，浓度越大，黏度也愈高，凝胶存在的温度最高为 35℃。凝胶形成后，它的结构向三股螺旋构型的变化历程很长，要经历多个阶段，其螺旋结构的比例逐步增加。当明胶凝胶受到环境刺激时会随之响应，即当溶液的组成、pH值、离子强度发生变化和温度、光强度、电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质刺激时，凝胶就会发生突变，呈现相转变行为。这种响应提示了凝胶的智能性的存在。根据明胶凝胶化所具有的智能性，可以利用明胶制作仿生智能材料。例如郭晓明、吴霞琴等人采用明胶成膜和溶胶－凝胶成膜相结合的技术，制得了性能良好得生物传感器。虽然这种材料目前在国内报道很少,但是智能天然高分子材料的研究已经成为仿生材料领域中的重要发展方向之一。笔者认为，在不久的将来，明胶基智能高分子材料将会是仿生材料中最为耀眼的一朵奇葩。

　　明胶可以溶于水、多元醇（如甘油和丙二醇）的水性溶液以及极性大可形成氢键的有机溶剂，不溶于极性较小的有机溶剂以及大多数其他非极性有机溶剂。明胶不溶于冷水，但是在冷水中久浸即吸水膨胀并软化，质量可增加 5～10 倍，在 40℃时就完全溶解成溶液。固体明胶通常含有少量的水分，这部分水起着增塑剂的作用，当含水量较低时，一般加入甘油或其他多元醇作为增塑剂。

　　明胶分子与其他蛋白质一样，在不同的溶液中，可形成正离子、负离子或两性离子（等电点）。明胶的两性主要是由于产生了自由的羧基和氨基引起的。在等电点时，明胶的黏度、渗透压、表面活性、溶解性及溶胀吸水量均最小，加入脱水剂时，在 40℃以上能出现单聚凝。明胶在所有的 pH 范围内都易溶于水，若加入与明胶分子所带电荷相反的聚合物，则带电荷的聚合物能使明胶从溶液中析出。这种共聚凝作用在医学材料中的作用主要是制备微型胶囊或明胶微球。由此看来，明胶在制备药物缓释材料和药物载体材料中，具有可喜的应用前景。

　　明胶溶液的黏度与浓度、温度、明胶的分子量、pH 值、添加剂和杂质有关。在低浓度时（1％～2％）明胶溶液的黏度与浓度呈线性关系；随着明胶浓度逐渐增大，黏度迅速增加，黏度的增大远大于浓度增大速度。在 40℃以上的明胶水溶液表现出牛顿流体行为，30～40 ℃的明胶溶液表现为非牛顿流体力学性质。在常温时，容易形成网状结构，妨碍流动，因而黏度较大。

　　明胶是一种有效的保护胶体，可以阻止晶体或离子的聚集，用以稳定非均相悬浮液。在水包油的分散体药剂中作为乳化剂。

　　明胶在室温、干燥状态下比较稳定，开云 开云体育可放置数年，明胶应尽可能在低温条件下保存。在较高的温度和湿度下保存的明胶倾向于失去溶解性。在水溶液里，明胶能缓慢地水解转变成分子量较小的片断，黏度下降，失去凝聚能力。而且明胶对酶的作用很敏感。

　　生物相容性是生物材料能否应用于临床的关键因素之一。评价一个生物材料的生物学性能，主要看材料与机体的相互作用，包括材料反应和宿主反应。明胶是一种天然的高分子材料，其结构与生物体组织结构相似，因此具有良好的生物相容性。

　　生物可降解高分子材料一般用于生物体内，作为非永久性的植入材料，要求它在发挥作用之后能被活体吸收或参与正常的代谢而被排出体外。同时，要对材料表面接触的细胞不产生活性，其降解所生成的物质对生物体无毒性，而且相应于损伤部分的治愈情况，吸收材料必须具有相应的分解吸收速度。降解速度过快或过慢，都不适合作医用材料。明胶作为一种天然的水溶性的生物可降解高分子材料 ，其最大优点是降解产物易于被吸收而不产生炎症反应，其最大应用是作为药物控释。在应用明胶的可降解性时，经常对其进行化学修饰，调节其降解速度以适应不同的需要。

　　大量研究表明，明胶用于生物医用材料制造具有以下特点：物理方面：抗张强度高，延展性低，易干裂，具有类似真皮的形态结构，透水透气性好；化学方面：可进行适度交联，可调节溶解性，可被组织吸收，可与药物相互作用；生物学方面：生物相容性好，有生理活性，如有血凝作用。

　　利用明胶制备的生物医用材料有生物医用膜材料、医用纤维以及明胶海绵等。但是目前研究最多的是生物医用膜材料和医用纤维。

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　　明胶无抗原性、易于吸收，理应是良好的生物医学材料，但因其存在膜质脆、不耐水、潮湿环境中易受细菌侵蚀而变质、力学性能差等缺点而限制了其使用。国外早有报道，用甲醛或戊二醛作为交联剂制成交联膜, 但由于这些交联剂的毒性,使这些交联膜无法用于医学领域。后来的研究证明，共混是提高高分子膜材料性能的有效方法,而且发现引入天然高分子材料与明胶共混，共混材料的生物相容性、毒性以及可降解性都得到了明显改善，如用壳聚糖 、藻酸盐和透明质酸与明胶共混制备共混膜。现在国内外研究最多的明胶基膜材料主要是壳聚糖-明胶共混膜、明胶-丝素共混膜、聚乳酸-明胶共混膜以及聚乙烯醇-明胶共混膜等,这些材料的引入大大提高了明胶的理化性质,使明胶基高分子膜材料更加具功能性。

　　为了改善明胶基医用纤维材料力学性能，目前国内外主要利用其他复合材料与明胶进行共混纺丝以达到要求。这些共混材料的选用与制备明胶复合膜材料选用大致相同。如壳聚糖与明胶共混丝、藻酸盐与明胶共混丝的研究，天然纤维与明胶的共纺等。Zeng H、Tan ZA 等人在20℃下用明胶与壳聚糖在乙醇和NaOH的水溶液中凝固纺丝，并测定了复合材料的降解性能。结果表明，复合纤维的抗张强度与明胶含量﹑胶凝化含量以及壳聚糖的脱乙酰的程度有关。溶菌酶对复合纤维的降解速率随时间的增大而减小。这两项结果显示这种新的复合纤维可以制作控降解材料。Fan LH、Du YM等人用乙醇与CaCl2的溶液作为凝固液，对藻酸盐与明胶共混纺丝液进行纺丝。采用红外扫描（IR）﹑电镜扫描(SEM)﹑热重分析(TG)以及X光衍射等方法分析所得纤维的机械性能以及水保留性能，结果表明，当明胶含量在 30％时，共混纤维的抗张强度以及伸长率是比较合适的。当明胶含量增加时，水的保持作用就加强了。表面结构分析显示，由于氢键的作用，明胶和海藻盐有着较强的交互作用以及良好的可纺性。Wan YZ、Wang YL等人用四种碳纤维（短纤维﹑加长纤维﹑普通木质纤维和碳毡纤维）与明胶进行共混，通过对四种复合物的分析比较发现，加长纤维与明胶复合纤维的强度最大，碳毡纤维与明胶复合纤维的强度最小。用扫描电镜对不同的复合纤维进行检测，发现不同的复合纤维有着不同的表面结构。复合纤维的性能与纤维的表面结构和复合材料的特性有关。

　　明胶是已知的用途最广的天然产品之一，是一种具有许多良好物理性能的物质，正是由于这些优异的性能，使明胶在许多不同领域里都起着重要的作用。通过改变化学活性使明胶易于交联，这样又进一步扩大了明胶的使用范围。明胶可应用于创面修复材料、组织修复材料、止血材料、血液替代材料以及制备控缓释材料等。明胶的用途已经知道的罗列起来似乎是没有止境的，而新的用途仍不断被发现。下面将详细介绍明胶在上述医学领域的一些用途，但所涉及的范围是不能被认为是完全的。

　　创面修复是整个医学界所面临的最重要、最基本的问题之一，随着分子生物学的发展，创面修复的基础研究已深入到细胞、分子及基因水平。组织工程学的出现,使烧伤创面皮肤移植有了新的突破，开云 开云体育开云 开云体育即由活细胞应用组织培养方法，以某种方式连接到天然的、人造的或二者混合物构成的基质或支架上，形成人工复合皮，然后进行皮肤移植。人工复合皮不仅能够促进皮肤愈合，而且没有免疫原性，具有来源充足、使用方便安全等优点。因此开发与天然皮肤结构和功能相似的人造生物皮肤，对于救治重度烧伤病人具有非常重要的意义。以明胶为基础制备或合成组织工程材料，特别是用壳聚糖与明胶进行复合是目前生物材料的研究热点之一。如尹玉姬等人将体外扩增的角质形成细胞2次接种于人工真皮结构物上，经过空气界面培养，可在体外构建具有模拟真皮和表皮双层结构的真皮替代物。壳聚糖－明胶双层支架表层的小孔可防止下层成纤维细胞向上生长，也防止表层角质形成细胞落入成纤细胞层面。该支架的致密层虽然隔离了角质形成细胞与成纤维细胞，但同时又允许营养物质和生长因子及生物信便的传递。这说明将成纤维细胞在壳聚糖－明胶支架内培养一段时间后，形成细胞支架结构物，可作为人工真皮。Mao J S等人还证明了透明质酸和壳聚糖－明胶网络复合制成的双层支架也能用作人工皮肤支架。

　　姜广建、赵沉浮等人也研制出了明胶-壳多糖混合膜，通过实验论证发现明胶－壳多糖膜具有良好的透气率和吸水率，这对于膜吸收伤口渗出液非常有利。加入适量的甘油作为增塑剂和保湿剂，使明胶－壳多糖膜具有良好的透气性、柔韧性和膨胀特性。该膜柔软透明，机械强度适中，且具有止血、减少创面渗出和避免伤口干燥的三重效果，在伤口愈合过程中起到了保护创面的作用。壳聚糖－明胶膜片在动物实验中也有着良好的表现。杨光辉、杨军等人将体外培养的人表皮细胞接种于壳聚糖－明胶膜片（Chitosan-gelatin membrane，CGM）上构建出了适于移植的人表皮细胞（Epidermal cells，EC）/壳聚糖－明胶膜片（EC/CGM），并移植膜片修复裸鼠背部全厚皮肤缺损，发现人表皮细胞可以在创面存活并继续增殖分化，形成连续的表皮覆盖创面。此研究表明人表皮细胞－壳聚糖/明胶膜是一种理想的组织工程表皮替代物。

　　骨折和骨缺损是严重的健康问题，现有的骨修复或骨取代材料包括自体移植物、同种异体移植物和各种类型的人工合成材料移植均不甚理想。在骨和关节系统的系统复杂的应力条件下，不仅要求修复材料无毒副作用、有生物安全性，而且必须有足够的力学强度并能与原骨牢固的结合。皮质骨本身为脆性羟基磷灰石(HA) 晶粒和柔性胶原原纤维的复合材料。大多数生物陶瓷的刚性比骨大得多，而断裂韧性较差。因此，只有将模量较高的陶瓷如HA与柔性的人工细胞外基质如聚乳酸、胶原、明胶等复合才能使合成材料的力学性能与骨相互匹配。

　　据此，尹玉姬等人以水为致孔剂采用冷冻干燥法制备了HA/ 壳聚糖－明胶网络复合支架和β－磷酸三钙(β－TCP) / 壳聚糖－明胶复合支架。结果表明，此类支架的生物相容性良好，可以作为骨修复或骨取代材料。

　　况光仪，陈剑飞等人通过临床研究，利用缓降解骨基质明胶(BMG) 修复喉框架缺损，研究结果表明，应用缓降解BMG修复喉缺损，重建喉功能，既可恢复喉的外形，又可恢复喉的功能，是目前最为理想的新喉再造的生物活性材料和手术选择。梁东春、左爱军等人探讨了复合重组人骨形成蛋白2 ( recombinant human bone morphogenetic protein 2, rhBMP-2)的壳聚糖－明胶支架的体外成骨作用，研究表明复合有rhBMP-2的壳聚糖－明胶人工骨支架材料在体外具有良好的诱导成骨能力。这一系列的研究成果都充分地说明了明胶在骨修复的领域有着良好的前景。

　　明胶不仅可应用于骨修复，而且还可应用于神经修复等。李晓光、杨朝阳等人借助人工神经－胶原导管做载体，连接大鼠坐骨神经10mm缺陷，观察周围神经再生的规律，在手术后两个月后导管被分解吸收，缺损部位神经再生完成。结果表明，明胶是用来修复周围神经损伤的良好医用载体材料。

　　在组织表面使用止血材料的目的是使断裂的血管收缩闭合。止血机制通常是以物理的方式形成支架结构，直接促进凝血过程，主要用于广泛渗血创面，且渗血率不能过高。目前已经开发出许多种类的创面止血材料，主要有：纤维蛋白胶、胶原蛋白、壳聚糖、多微孔类无机材料如沸石(zeolite) 等、羧甲基纤维素(可溶性止血纱布)、α- 氰基丙烯酸酯类 (cyanoacrylate) 组织胶等。明胶海绵以及增凝明胶海绵是胶原蛋白止血材料中的两种。该类材料止血速度较慢，对血小板等血液成分的牵拉能力以及和创面组织附着力均差，容易破裂，因此，常与其他类创面止血材料如壳聚糖合用作为止血材料。

　　崔永红、金岩等人通过自制明胶、聚乙烯醇( PVA)以及壳聚糖三者混合冻干膜材料与复合胶原海绵、氧化纤维素、明胶海绵和医用纱布止血做比较，观察止血时间和计算出血量，并观察了止血的可靠性，探讨了对创伤出血创面的止血效果。结果表明，明胶- PVA - 壳聚糖材料可作为创面止血修复材料，且比其它几种止血材料的止血性能优异。牛金柱、冯晋斌等人将烧伤植皮病人26例随机分为A、B两组，A组用20%利多卡因明胶纤维网，B组用医用凡士林油纱，分别在取皮部位加压止血，观察止血效果，结果发现20%利多卡因明胶纤维网不但止血效果优于医用凡士林油纱，且具有缓释止痛作用。

　　明胶海绵不仅能应用于皮肤表面的渗血，而且在静脉和动脉渗血治疗研究中也取得了一定的效果。郑娟莲、朱锦慧等人探讨了明胶海绵对深静脉留置导管穿刺口渗血的止血效果，他们将36例留置导管合并穿刺口渗血的血液净化患者随机分为观察组和对照组各18例，分别在留置导管时或拔管后给予明胶海绵和无菌纱块按压穿刺口，观察两组止血效果，并采取相应护理措施，结果发现留置导管穿刺口渗血时采用明胶海绵局部止血，止血效果好，是留置导管穿刺口渗血时的有效止血方法。吴渭贤等人利用明胶海绵栓塞52例大咯血或顽固性咯血病人的支气管动脉，经3个月～9年的随访，47例栓塞后咯血完全控制，4例仍有间断性痰中带血，但出血量明显减少，出血间隔时间延长。1例支气管动静脉畸形栓塞后出血停止，但48h后发生急性大咯血窒息死亡。结果证明，明胶海绵栓塞支气管动脉是治疗大咯血和顽固性咯血的有效手段。

　　自从96年国家自然基金招标指南中，把缓释与控释药物的研制开发列为我国“九五”期间医药上重点课题之一时，由于明胶独特的理化性质，在这一重点课题中的价值与作用受到了人们的充分重视。明胶作为缓释材料的作用主要是作为药物载体、赋型剂或缓释壳层。主要是利用明胶的独特的理化性能：明胶能形成凝胶，易于成型；明胶能与别的物质（如戊二醛）发生交联反应，形成缓释层；明胶能被酶降解，易于被人体吸收等。

　　张根成、张红梅等人采用荧光光谱法研究了氧氟沙星与明胶的相互作用，探讨了氧氟沙星对明胶荧光猝灭过程的机理。氧氟沙星药物与明胶的作用过程为静态猝灭，其结合位点数及表观结合常数随温度的升高而减小，同时药物对明胶的构象影响不大。基于对骨架材料要求是具有一定的生物降解速度和生物相容性，从表观上说明以明胶作为骨架材料来包裹水溶性药物是可行的。

　　近年来，靶向药物控制释放体系成为医学领域研究的热点，特别是利用药物的顺磁性，在服药后通过体外的强磁场控制制剂的行径，使药物微球浓集和停留在靶区，并产生栓塞，然后局部释放药物，可使欲治疗区药物浓度大为提高，而正常组织受药量极低，这样就降低了药物的毒副作用，提高了疗效，而且通过高分子包裹，可延长药物的生理活性，提高药物的稳定性，使药物的释放达到较为理想的效果。

　　王彦卿，张朝平等人选用具有良好生物相容性的明胶作为载体，以诺氟沙星为水溶性模型药物，Fe3O4作为磁性内核，戊二醛作交联固化剂，采用反相悬液冷冻凝聚法，制备出了强磁性的诺氟沙星明胶微球。结果表明，明胶的浓度、戊二醛的用量、固化时间等均对微球的结构和性能产生影响，经优化条件得到了成球率、药物包裹率、体外释放效果都较好的载药微球。

　　自50年代以来明胶类经过不断改进，其胶体渗透压与人血浆白蛋白相近。但其扩容作用较右旋糖酐和羟乙基淀粉弱。近年来，临床常用的有脲联明胶和琥珀明胶两种溶液，琥珀酰明胶是目前广泛应用于临床的血浆代用品，现在新兴的明胶主要有聚明胶肽和多聚明胶肽。明胶做为血液替代品时，其优点是无特异抗原性、分子量大、可以保持胶体的特性、在体内无蓄积、可参与体内代谢以及大量输入无毒性反应等。赵景轩、钱永华等人利用聚明胶肽注射液（商品名为菲克雪浓，是国产的新一代明胶类血浆代用品）治疗急性失血性休克40例，临床表明，聚明胶肽注射液在输入人体后能够增加血容量，维持血浆渗透压，从而提高平均动脉压、心脏指数和心搏指数，保障氧的运输和有效利用，可有效改善微循环，确保血管内液与组织间液的平衡，明显地缓解休克。王勇、孟凌新等人在研究国产聚明胶肽与6%羟乙基淀粉在术中急性失血病人的血浆替代疗法的效果、安全性等方面的差异时发现两组病人在血压、脉搏、中心静脉压、离子以及血红蛋白和血细胞比容方面的变化均无明显统计学差异。这表明聚明胶肽对于术中失血的血液替代作用是安全有效的,与羟乙基淀粉对比无明显差异。

　　明胶不但可以作血液的替代品，而且也可以用于手术中补充血量及血压。陈仁军，谢少杰等人在解决在剖宫产腰麻联合硬膜外麻醉(combined epidural and spinal anesthesia ,CESA)时所致的低血压时，在麻醉开始时注射多明胶肽（多聚明胶肽是一种胶体液,由牛的动物胶制成的新一代等渗明胶类,其渗透压和黏稠度与人体血液相似），结果表明多聚明胶肽能有效地预防低血压等不良反应。

　　现代医学的发展，对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求，这是大多数金属材料和无机材料难以满足的；而天然高分子材料与生物体〔天然高分子〕则有着极其相似的化学结构，具有良好的物理-机械性能，一定的生物相容性及简便的生产、加工成型特性，使其在生物医学领域占绝对优势。随着科学技术的不断发展，明胶这种性能优越的天然高分子生物材料将会进一步展现出其它生物材料不可比拟的优势。可以预见，在不久的将来，将会有更多明胶聚合物的出现并造福于人类，从而大大地提高人类的生命质量和生活水平。

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　　第一作者简介：关林波，女，1983 年生，四川大学 05 级硕士研究生通讯联系人：但卫华，男，1956年生，博士，教授，博士生导师