生物材料工程導(dǎo)論天然高分子材料1

1、天然高分子生物材料天然高分子生物材料 生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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：經(jīng)化學(xué)改性后的天然高分子經(jīng)化學(xué)改性后的天然高分子合成高分子合成高分子：由單體聚合人工合成的高分子由單體聚合人工合成的高分子生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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世紀(jì)世紀(jì)70年代出現(xiàn)了可再生資源（年代出現(xiàn)

2、了可再生資源（renewable resources，RR）一詞，它定義為）一詞，它定義為“來源于動、植物且用于工業(yè)上來源于動、植物且用于工業(yè)上（包括能源、功能化應(yīng)用和化學(xué)修飾）的產(chǎn)物，也包括非（包括能源、功能化應(yīng)用和化學(xué)修飾）的產(chǎn)物，也包括非營養(yǎng)用食品以及食品加工中的廢棄物和副產(chǎn)物營養(yǎng)用食品以及食品加工中的廢棄物和副產(chǎn)物”。n近年又出現(xiàn)了另一引人注目的名詞近年又出現(xiàn)了另一引人注目的名詞“生物質(zhì)生物質(zhì)”(biomass)，它是指由植物或動物生命體衍生得到的物質(zhì)的總稱，主要它是指由植物或動物生命體衍生得到的物質(zhì)的總稱，主要由有機(jī)高分子物質(zhì)組成。由有機(jī)高分子物質(zhì)組成。n來自于動、植物可再生資源的有

3、機(jī)高分子將有可能成為未來自于動、植物可再生資源的有機(jī)高分子將有可能成為未來的主要化工原料，并在材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。這來的主要化工原料，并在材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。這些自然界動、植物以及微生物資源中的大分子，一般稱為些自然界動、植物以及微生物資源中的大分子，一般稱為天然高分子。天然高分子。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-114天然高分子材料天然高分子材料 n來源于植物的天然高分子主要有纖維素來源于植物的天然高分子主要有纖維素(cellulose)、木質(zhì)、木質(zhì)素素(1ignin)、淀粉、淀粉(starch)、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)

4、(protein)、天然橡膠、天然橡膠(natural rubber，polyisoprene)、生漆、生漆(lacquer)、果膠、果膠(Pectin)、魔芋葡甘聚糖、魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan)、木聚糖、木聚糖(xylan)、果阿膠、果阿膠(guar gum)、海藻酸鹽、海藻酸鹽(alginate)和鹿角萊和鹿角萊膠膠(cara8een)等。等。n來自于動物的天然高分子主要有甲殼素來自于動物的天然高分子主要有甲殼素(chitin)、殼聚糖、殼聚糖(chitosan)、酪蛋白、酪蛋白(casein)、透明質(zhì)酸、透明質(zhì)酸(hyaluronic acid)、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)(

5、protein)、核酸、核酸(nucleic acid)、絲蛋白、絲蛋白(silk fibroin)、紫蟲膠紫蟲膠(shellac)等。等。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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)、凝膠多糠、凝膠多糠(curdlan)、黃原膠、黃原膠(xanthan gum)、吉蘭糖膠、吉蘭糖膠(gellan gum)等也屬此類。等也屬此類。n由微生物發(fā)酵產(chǎn)物合成的高分子主要有聚乳酸由微生物發(fā)酵產(chǎn)物合成的高分子主要有聚乳酸(Polylac

6、tic acid，PLA)、聚己內(nèi)配、聚己內(nèi)配(PCL)、聚經(jīng)基烷酸酯、聚經(jīng)基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA，PHB，PHH，PHBV)等。等。n此外，無機(jī)天然高分子有云母此外，無機(jī)天然高分子有云母(mica)、石墨、石墨(graphite)、輝、輝石石(pyroxen)等。等。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-116天然高分子材料天然高分子材料 n天然高分子都是處在一個完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分天然高分子都是處在一個完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分子體系內(nèi)，如，最簡單的木材、骨、毛發(fā)及甲殼子體系內(nèi)，如，最簡單的木材、

7、骨、毛發(fā)及甲殼等，它們都不是一個簡單的體系。等，它們都不是一個簡單的體系。n木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分子體系，是一種復(fù)合材料。子體系，是一種復(fù)合材料。n纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工

8、程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-117天然高分子材料天然高分子材料 n天然高分子都是處在一個完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分天然高分子都是處在一個完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠袡C(jī)超分子體系內(nèi)，如，最簡單的木材、骨、毛發(fā)及甲殼子體系內(nèi)，如，最簡單的木材、骨、毛發(fā)及甲殼等，它們都不是一個簡單的體系。等，它們都不是一個簡單的體系。n木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分木材是由纖維素及木質(zhì)素為主要成分構(gòu)成的超分子體系，是一種復(fù)合材料。子體系，是一種復(fù)合材料。n纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型纖維素是增強(qiáng)劑，木質(zhì)素是基質(zhì)，它的三維體型結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又結(jié)構(gòu)把纖維包裹起來。因此，木材既有強(qiáng)度，又

9、耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，耐老化，能作立木頂千斤，能作屋梁百年不腐，是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。是大自然提供給人類的理想復(fù)合材料。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-118天然高分子材料天然高分子材料 n人類賴以生存的世界是無數(shù)個層次不同的天然高分子體系人類賴以生存的世界是無數(shù)個層次不同的天然高分子體系組成的和諧的統(tǒng)一體。因此，天然高分子對于人類的重要組成的和諧的統(tǒng)一體。因此，天然高分子對于人類的重要性絕不僅僅表現(xiàn)在衣、食、住、行這些有形的作用上，更性絕不僅僅表現(xiàn)在衣、食、住、行這些有形的作用上，更是今后主要

10、的可再生的物質(zhì)資源。是今后主要的可再生的物質(zhì)資源。n人體本身，就是以高分子為主要成分而構(gòu)成的，是一個高人體本身，就是以高分子為主要成分而構(gòu)成的，是一個高級的天然高分子體系。級的天然高分子體系。n人體結(jié)構(gòu)的基本單位是細(xì)胞。細(xì)胞之間存在著非細(xì)胞結(jié)構(gòu)人體結(jié)構(gòu)的基本單位是細(xì)胞。細(xì)胞之間存在著非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，稱為細(xì)胞間質(zhì)。的物質(zhì)，稱為細(xì)胞間質(zhì)。n細(xì)胞間質(zhì)由有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)構(gòu)成。人體由細(xì)胞與細(xì)胞間質(zhì)細(xì)胞間質(zhì)由有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)構(gòu)成。人體由細(xì)胞與細(xì)胞間質(zhì)組成組織，由組織構(gòu)成器官，功能相似的器官組成系統(tǒng)，組成組織，由組織構(gòu)成器官，功能相似的器官組成系統(tǒng)，由八大系統(tǒng)組成一個人體。由八大系統(tǒng)組成一個人體。生物材料工程

11、導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-119天然高分子生物材料天然高分子生物材料 n人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都含有高分人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都含有高分子化合物，天然高分子生物材料是人類最早使用子化合物，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一。的醫(yī)用材料之一。n天然材料具有不可替代的優(yōu)點：功能多樣性、與天然材料具有不可替代的優(yōu)點：功能多樣性、與機(jī)體的相容性好、生物可降解性，還可以進(jìn)行改機(jī)體的相容性好、生物可降解性，還可以進(jìn)行改性、復(fù)合和雜化等處理。性、復(fù)合和雜化等處理。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工

12、程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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天然蛋白質(zhì)材料：天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白膠原蛋白和和纖維蛋白纖維蛋白兩種兩種l天然多糖類材料：天然多糖類材料：纖維素纖維素、甲殼素甲殼素和和殼聚糖殼聚糖等等n天然高分子生物材料由于結(jié)構(gòu)和組成的差天然高分子生物材料由于結(jié)構(gòu)和組成的差異，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，應(yīng)用于不同的方異，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，應(yīng)用于不同的方面。面。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1111一、天然蛋白質(zhì)材料一、天

13、然蛋白質(zhì)材料n蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)（protein）是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能特異的天然高分）是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能特異的天然高分子化合物，存在于所有的生物體中，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，子化合物，存在于所有的生物體中，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。n生物體內(nèi)的一切生命活動幾乎都與蛋白質(zhì)有關(guān)，例如，在生物體內(nèi)的一切生命活動幾乎都與蛋白質(zhì)有關(guān)，例如，在新陳代謝中起催化作用的酶和調(diào)節(jié)作用的某些激素，在抗新陳代謝中起催化作用的酶和調(diào)節(jié)作用的某些激素，在抗御疾病中起免疫作用的抗體以及致病的病毒、細(xì)菌等都是御疾病中起免疫作用的抗體以及致病的病毒、細(xì)菌等都是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。n近代生物學(xué)研究表明，

14、蛋白質(zhì)的作用不僅表現(xiàn)在遺傳信息近代生物學(xué)研究表明，蛋白質(zhì)的作用不僅表現(xiàn)在遺傳信息的傳遞和調(diào)控方面，而且對細(xì)胞膜的通透性及高等動物的的傳遞和調(diào)控方面，而且對細(xì)胞膜的通透性及高等動物的思維、記憶活動等方面也起著重要的作用。思維、記憶活動等方面也起著重要的作用。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1112天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n蛋白質(zhì)的元素組成蛋白質(zhì)的元素組成：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，種類繁多，：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，種類繁多，估計人體內(nèi)就有估計人體內(nèi)就有10萬種以上的蛋白質(zhì)，其質(zhì)量約占人體干萬種以上的蛋白質(zhì)，其質(zhì)量約占人體干重的重

15、的45%。蛋白質(zhì)的組成元素主要是。蛋白質(zhì)的組成元素主要是C、H、O、N四種，四種，此外大多數(shù)含有此外大多數(shù)含有S，少數(shù)含有，少數(shù)含有P、Fe、Cu、Mn、Zn，個別，個別蛋白質(zhì)還含有蛋白質(zhì)還含有I或其它元素。一般蛋白質(zhì)中主要元素的百分或其它元素。一般蛋白質(zhì)中主要元素的百分組成為：組成為：C 5055%，H 68%，O 2023%，N 1517%，S 04%。 生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1113天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n蛋白質(zhì)的特殊功能是由其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定的。蛋白質(zhì)是由蛋白質(zhì)的特殊功能是由其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定的。蛋白質(zhì)是由

16、各種各種 -氨基酸以肽鍵結(jié)合而成的高聚物，蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸以肽鍵結(jié)合而成的高聚物，蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序決定了每一種蛋白質(zhì)的空氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序決定了每一種蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，從而又決定了蛋白質(zhì)的各種生理功能。間結(jié)構(gòu)，從而又決定了蛋白質(zhì)的各種生理功能。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1114天然高分子生物材料天然高分子生物材料 n蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于其空間結(jié)構(gòu)，蛋蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于其空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象多樣性導(dǎo)致了不同的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象多樣性

17、導(dǎo)致了不同的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究是進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測及蛋白質(zhì)設(shè)計的構(gòu)與功能關(guān)系研究是進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測及蛋白質(zhì)設(shè)計的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。n蛋白質(zhì)分子只有處于它自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)情況下，蛋白質(zhì)分子只有處于它自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)情況下，才能獲得它特定的生物活性；三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就才能獲得它特定的生物活性；三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能會導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物活性的降低甚至喪失。很可能會導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物活性的降低甚至喪失。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1115天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n由于生物組織中絕大部分氮元素都來

18、自蛋白質(zhì)，而含氮的由于生物組織中絕大部分氮元素都來自蛋白質(zhì)，而含氮的非蛋白質(zhì)物質(zhì)約占蛋白質(zhì)含氮量的非蛋白質(zhì)物質(zhì)約占蛋白質(zhì)含氮量的1%，因此可將生物組織，因此可將生物組織中的含氮量看作全部來自蛋白質(zhì)，而且各種來源的蛋白質(zhì)中的含氮量看作全部來自蛋白質(zhì)，而且各種來源的蛋白質(zhì)的含氮量相當(dāng)接近，平均約為的含氮量相當(dāng)接近，平均約為16%，即每克氮相當(dāng)于，即每克氮相當(dāng)于6.25 g的蛋白質(zhì)，因此只要測定生物樣品中的含氮量，就可計算的蛋白質(zhì)，因此只要測定生物樣品中的含氮量，就可計算出其中蛋白質(zhì)的大致含量出其中蛋白質(zhì)的大致含量 。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大

19、學(xué)2021-11-1116天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n牛奶中蛋白質(zhì)含量為牛奶中蛋白質(zhì)含量為3.03.5g/100g。蛋白質(zhì)含量初生嬰兒。蛋白質(zhì)含量初生嬰兒乳粉必須大于乳粉必須大于10.0，其余年齡段乳粉必須大于，其余年齡段乳粉必須大于15.0； n蛋白質(zhì)主要由氨基酸組成，其含氮量一般不超過蛋白質(zhì)主要由氨基酸組成，其含氮量一般不超過30%。n尿素分子式是尿素分子式是CO(NH2)2，化學(xué)名稱叫碳酰二胺，含氮，化學(xué)名稱叫碳酰二胺，含氮46%。因為在人尿中含有這種物質(zhì)，所以取名尿素。因為在人尿中含有這種物質(zhì)，所以取名尿素。 三聚氰胺分三聚氰胺分子式為子式為C3N3(NH2)3，又名氰尿酰胺，俗稱蜜

20、胺，是一種有，又名氰尿酰胺，俗稱蜜胺，是一種有機(jī)化工中間體，含氮量為機(jī)化工中間體，含氮量為66左右。左右。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1117天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n蛋白質(zhì)的分類蛋白質(zhì)的分類n蛋白質(zhì)的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迄今為止沒有一個理想的蛋白質(zhì)的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迄今為止沒有一個理想的分類方法。著眼的角度不同，分類也就各異。分類方法。著眼的角度不同，分類也就各異。 n從蛋白質(zhì)形狀上，可將它們分為球狀蛋白質(zhì)及纖維狀蛋白從蛋白質(zhì)形狀上，可將它們分為球狀蛋白質(zhì)及纖維狀蛋白質(zhì)。質(zhì)。n從組成上可分為單純蛋白質(zhì)從組成上可分

21、為單純蛋白質(zhì) （分子中只含氨基酸殘基）及（分子中只含氨基酸殘基）及結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì) （分子中除氨基酸外還有非氨基酸物質(zhì)，后者（分子中除氨基酸外還有非氨基酸物質(zhì)，后者稱輔基）。稱輔基）。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1118天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料n根據(jù)蛋白質(zhì)的功能分為活性蛋白質(zhì)（根據(jù)蛋白質(zhì)的功能分為活性蛋白質(zhì)（active protein）和結(jié)）和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)（構(gòu)蛋白質(zhì)（structural protein）兩大類。）兩大類。n活性蛋白質(zhì)活性蛋白質(zhì)是指一切在生命運動中具有生物活性的蛋白質(zhì)是指一切在生命運動中具有生物活性

22、的蛋白質(zhì)和它們的前體，如酶蛋白、轉(zhuǎn)運蛋白、運動蛋白、保護(hù)和和它們的前體，如酶蛋白、轉(zhuǎn)運蛋白、運動蛋白、保護(hù)和防御蛋白、激素蛋白、受體蛋白、營養(yǎng)和儲存蛋白以及毒防御蛋白、激素蛋白、受體蛋白、營養(yǎng)和儲存蛋白以及毒蛋白等。蛋白等。n結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是指一類擔(dān)負(fù)著生物保護(hù)或支持作用的蛋白質(zhì)，是指一類擔(dān)負(fù)著生物保護(hù)或支持作用的蛋白質(zhì)，如角蛋白、彈性蛋白和膠原蛋白等如角蛋白、彈性蛋白和膠原蛋白等 。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-11191、膠原蛋白、膠原蛋白n膠原蛋白也稱膠原，是脊椎動物的主要結(jié)構(gòu)蛋白，是支持膠原蛋白也稱膠原，是脊椎

23、動物的主要結(jié)構(gòu)蛋白，是支持組織和結(jié)構(gòu)組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機(jī)質(zhì)）的主要組組織和結(jié)構(gòu)組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機(jī)質(zhì)）的主要組成成分。成成分。n膠原來源廣泛，被廣泛應(yīng)用。由于膠原與人體組織相容性膠原來源廣泛，被廣泛應(yīng)用。由于膠原與人體組織相容性好，不易引起抗體產(chǎn)生，植入人體后無刺激性、無毒性反好，不易引起抗體產(chǎn)生，植入人體后無刺激性、無毒性反應(yīng)，能促進(jìn)細(xì)胞增殖，加快創(chuàng)口愈合并具有可降解性，可應(yīng)，能促進(jìn)細(xì)胞增殖，加快創(chuàng)口愈合并具有可降解性，可被人體吸收，降解產(chǎn)物也無毒副作用。被人體吸收，降解產(chǎn)物也無毒副作用。n膠原基本單位為原膠原蛋白，由三條膠原基本單位為原膠原蛋白，由三條肽鏈相互擰成的三肽鏈相

24、互擰成的三股螺旋狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其分子量為股螺旋狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其分子量為30萬左右。由不同種萬左右。由不同種類的動物分離出來的膠原結(jié)構(gòu)極其相似。類的動物分離出來的膠原結(jié)構(gòu)極其相似。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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 膠膠原蛋白的結(jié)原蛋白的結(jié)構(gòu)類似繩索，由無數(shù)構(gòu)類似繩索，由無數(shù)根膠原纖維束所組合根膠原纖維束所組合而成。膠原蛋白最基而成。膠原蛋白最基本的單位為原膠原，本的單位為原膠原，是由三條多肽鏈所組是由三條多肽鏈所組成的，而此三條多勝成的，而此三條多勝肽鏈則以平行及鏈間肽鏈則以平行及鏈間

26、的氫鍵緊密地結(jié)合。的氫鍵緊密地結(jié)合。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1121Collagen Art（世界奇世界奇觀觀.）生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1122膠原蛋白膠原蛋白n人體成分中有人體成分中有16左右是蛋白質(zhì)，膠原蛋白占體左右是蛋白質(zhì)，膠原蛋白占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的內(nèi)蛋白質(zhì)總量的3040，故成年人體內(nèi)約有，故成年人體內(nèi)約有3Kg左右膠原蛋白，主要存在于皮膚肌肉、骨骼、左右膠原蛋白，主要存在于皮膚肌肉、骨骼、牙齒、內(nèi)臟（如胃、腸、心肺、血管與食道）與牙齒

27、、內(nèi)臟（如胃、腸、心肺、血管與食道）與眼睛等處。眼睛等處。n膠原具有無抗原性良好的生物相容性可參與組織膠原具有無抗原性良好的生物相容性可參與組織愈合過程在止血促進(jìn)傷口愈合、作為燒傷創(chuàng)面敷愈合過程在止血促進(jìn)傷口愈合、作為燒傷創(chuàng)面敷料、骨移植替代材料、組織再生誘導(dǎo)物方面得到料、骨移植替代材料、組織再生誘導(dǎo)物方面得到廣泛應(yīng)用。但膠原材料具有降解快、機(jī)械強(qiáng)度小廣泛應(yīng)用。但膠原材料具有降解快、機(jī)械強(qiáng)度小等缺點。等缺點。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1123膠原蛋白的類型及其在組織中的分布膠原蛋白的類型及其在組織中的分布形形 式式各單鏈

28、分子量各單鏈分子量組織分布組織分布100，000皮膚、骨骼、血管等多數(shù)結(jié)締組織皮膚、骨骼、血管等多數(shù)結(jié)締組織100，000透明軟骨、玻璃體透明軟骨、玻璃體100，000軟骨軟骨100，000血管、皮膚、肉芽組織血管、皮膚、肉芽組織175，000185，000細(xì)胞基底膜細(xì)胞基底膜 透明軟骨外之大部分細(xì)胞周圍組織透明軟骨外之大部分細(xì)胞周圍組織 子宮、胎盤與皮膚子宮、胎盤與皮膚 表皮細(xì)胞與基底膜表皮細(xì)胞與基底膜180，000主動脈血管細(xì)胞、角膜內(nèi)細(xì)胞主動脈血管細(xì)胞、角膜內(nèi)細(xì)胞69，00085，000軟骨、眼后房水軟骨、眼后房水59，000肥厚組織、軟骨肥厚組織、軟骨 皮膚、筋、軟骨皮膚、筋、軟骨X

29、表面組織、小腸粘膜表面組織、小腸粘膜X 軟骨、皮膚、筋、胎盤軟骨、皮膚、筋、胎盤X 織維母細(xì)胞織維母細(xì)胞X 立方羊膜表皮之下立方羊膜表皮之下X 大水皰性類皰瘡大水皰性類皰瘡生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1124膠原蛋白膠原蛋白n由細(xì)胞分泌的膠原蛋白分子能裝配成非常有特征由細(xì)胞分泌的膠原蛋白分子能裝配成非常有特征件的纖維，以負(fù)責(zé)組織結(jié)構(gòu)的完整性，諸如骨、件的纖維，以負(fù)責(zé)組織結(jié)構(gòu)的完整性，諸如骨、軟骨、皮膚和肌腱。軟骨、皮膚和肌腱。n膠原蛋白還是另一類組織，如血管以及大多數(shù)器膠原蛋白還是另一類組織，如血管以及大多數(shù)器官的結(jié)構(gòu)性骨

30、架。這些膠原蛋白的性質(zhì)可隨年齡、官的結(jié)構(gòu)性骨架。這些膠原蛋白的性質(zhì)可隨年齡、組織酌定位以及疾病而變化。其中有些組織的膠組織酌定位以及疾病而變化。其中有些組織的膠原蛋白纖維變得恒定，成為幾乎無法替代的固定原蛋白纖維變得恒定，成為幾乎無法替代的固定物，而另一些組織（如骨，經(jīng)常有重新塑造的現(xiàn)物，而另一些組織（如骨，經(jīng)常有重新塑造的現(xiàn)象）的膠原蛋白則變化很大，甚至在成人個體中象）的膠原蛋白則變化很大，甚至在成人個體中也是如此。也是如此。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1125膠原蛋白膠原蛋白n1物理和生物力學(xué)性能物理和生物力學(xué)性能n人

31、體組織的物理性能隨膠原蛋白纖維的量和結(jié)構(gòu)人體組織的物理性能隨膠原蛋白纖維的量和結(jié)構(gòu)的變化而不同。通常，富含膠原蛋白的組織含有的變化而不同。通常，富含膠原蛋白的組織含有7590的膠原蛋白（干重）。的膠原蛋白（干重）。n膠原蛋白纖維（膠原纖維束）在特定的結(jié)構(gòu)部位膠原蛋白纖維（膠原纖維束）在特定的結(jié)構(gòu)部位由于它們各自的功能而在不同的組織中以不同的由于它們各自的功能而在不同的組織中以不同的構(gòu)型排列。構(gòu)型排列。n例如，膠原纖維在腱和韌帶中由于高的抗拉強(qiáng)度例如，膠原纖維在腱和韌帶中由于高的抗拉強(qiáng)度的要求而以平行的方式排列，而皮膚中的纖維則的要求而以平行的方式排列，而皮膚中的纖維則以隨機(jī)方式排列，以提供組織

32、在壓力下的彈性。以隨機(jī)方式排列，以提供組織在壓力下的彈性。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1128天然高分子生物材料天然高分子生物材料 生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程

34、學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1129膠原蛋白膠原蛋白n2生物學(xué)性能生物學(xué)性能n(1)止血性能止血性能 天然的膠原聚集體實際上是止血劑。天然的膠原聚集體實際上是止血劑。膠原誘導(dǎo)止血的機(jī)制已是許多研究的主題。從研膠原誘導(dǎo)止血的機(jī)制已是許多研究的主題。從研究中得到的普遍結(jié)論是血小板首先粘附在膠原表究中得到的普遍結(jié)論是血小板首先粘附在膠原表面，誘導(dǎo)血小板釋放，緊接著是血小板聚集，產(chǎn)面，誘導(dǎo)血小板釋放，緊接著是血小板聚集，產(chǎn)生最終的止血栓。生最終的止血栓。n膠原的止血活性依賴于膠原聚集體的大小和分子膠原的止血活性依賴于膠原聚集體的大小和分子的天然結(jié)構(gòu)，而變性的膠原（明膠）誘導(dǎo)止血則的天然結(jié)構(gòu)，而變性的膠

35、原（明膠）誘導(dǎo)止血則是無效的。是無效的。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1130膠原蛋白膠原蛋白n2生物學(xué)性能生物學(xué)性能n(2)細(xì)胞相互作用性能細(xì)胞相互作用性能 膠原蛋白是結(jié)締組織普遍膠原蛋白是結(jié)締組織普遍存在的成分，是器官和組織必不可少的構(gòu)造骨架。存在的成分，是器官和組織必不可少的構(gòu)造骨架。膠原蛋白作為細(xì)胞生長的依附和支架物，能誘導(dǎo)膠原蛋白作為細(xì)胞生長的依附和支架物，能誘導(dǎo)上皮細(xì)胞等的增殖、分化和移行。上皮細(xì)胞等的增殖、分化和移行。n研究發(fā)現(xiàn)，許多的細(xì)胞，如上皮和內(nèi)皮細(xì)胞，滯研究發(fā)現(xiàn)，許多的細(xì)胞，如上皮和內(nèi)皮細(xì)胞，滯留在膠原

36、表面或膠原甚質(zhì)內(nèi)，如許多結(jié)締組織細(xì)留在膠原表面或膠原甚質(zhì)內(nèi)，如許多結(jié)締組織細(xì)胞的基質(zhì)。胞的基質(zhì)。n在胚胎發(fā)育以及成年人的傷口愈合和組織改型期在胚胎發(fā)育以及成年人的傷口愈合和組織改型期間，膠原蛋白和細(xì)胞的相互作用是細(xì)胞活動的一間，膠原蛋白和細(xì)胞的相互作用是細(xì)胞活動的一個必不可少的特征。個必不可少的特征。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1131膠原蛋白膠原蛋白n2生物學(xué)性能生物學(xué)性能n(3)免疫性能膠原的抗原性相當(dāng)?shù)?，在免疫性能膠原的抗原性相當(dāng)?shù)?，?954年以前，甚至年以前，甚至認(rèn)為膠原不具有抗原性。認(rèn)為膠原不具有抗原性。n最近

37、的研究表明，膠原有最近的研究表明，膠原有3種類型的抗原因子：第種類型的抗原因子：第1類是由類是由膠原肽鏈非螺旋的端肽引起的；第膠原肽鏈非螺旋的端肽引起的；第2類是由膠原三股螺旋類是由膠原三股螺旋的構(gòu)象引起的；第的構(gòu)象引起的；第3類是由類是由鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序引起的。鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序引起的。第第2類抗原因子僅存在于天然膠原分子中，第類抗原因子僅存在于天然膠原分子中，第3類只出現(xiàn)在類只出現(xiàn)在變性膠原中，而第變性膠原中，而第1類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中均存在。均存在。n20世紀(jì)世紀(jì)90年代以來，人們發(fā)現(xiàn)年代以來，人們發(fā)現(xiàn)型膠原的免疫原性比型膠原的免疫原性比

38、型、型、型型型膠原低得多，其組織膠原的端肽的免疫原性比螺型膠原低得多，其組織膠原的端肽的免疫原性比螺旋微區(qū)以及其它微區(qū)都要強(qiáng)。旋微區(qū)以及其它微區(qū)都要強(qiáng)。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1132膠原蛋白膠原蛋白n3生物合成生物合成n膠原蛋白主要由成纖維細(xì)胞或與其來源相類似的膠原蛋白主要由成纖維細(xì)胞或與其來源相類似的細(xì)胞如成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞等合成。細(xì)胞如成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞等合成。n膠原蛋白的合成包括一系列的過程。首先合成多膠原蛋白的合成包括一系列的過程。首先合成多膚鏈，進(jìn)而形成膠原蛋白分子。其次，是由膠原膚鏈，進(jìn)而形成膠原蛋白

39、分子。其次，是由膠原蛋白分了形成膠原原纖維，進(jìn)一步聚合形成膠原蛋白分了形成膠原原纖維，進(jìn)一步聚合形成膠原纖維和膠原束。纖維和膠原束。n膠原蛋白合成的前期在細(xì)胞內(nèi)，后期在細(xì)胞外。膠原蛋白合成的前期在細(xì)胞內(nèi)，后期在細(xì)胞外。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1133膠原蛋白膠原蛋白n3生物合成生物合成n各型膠原蛋白在組織中的分布和功能各異。各型膠原蛋白在組織中的分布和功能各異。n一般認(rèn)為，一般認(rèn)為，型膠原蛋白分布最廣，量最大，起支架作用，型膠原蛋白分布最廣，量最大，起支架作用，分布于皮膚、血管、臟器間質(zhì)和包膜等中，由成纖維細(xì)胞分布于皮

40、膚、血管、臟器間質(zhì)和包膜等中，由成纖維細(xì)胞等產(chǎn)生。等產(chǎn)生。n型和型和型膠原蛋白是皮膚膠原的主要類型，與皮膚張力型膠原蛋白是皮膚膠原的主要類型，與皮膚張力密切相關(guān)，密切相關(guān)，型膠原蛋白比例在不同疾病中不同，在創(chuàng)傷型膠原蛋白比例在不同疾病中不同，在創(chuàng)傷愈合早期，愈合早期，型膠原蛋白含量高于正常，隨著創(chuàng)傷組織逐型膠原蛋白含量高于正常，隨著創(chuàng)傷組織逐漸愈合而恢復(fù)正常。漸愈合而恢復(fù)正常。n型膠原蛋白只分布于軟骨和玻璃體中，內(nèi)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生，型膠原蛋白只分布于軟骨和玻璃體中，內(nèi)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生，與與型膠原蛋白等共同構(gòu)成軟骨基質(zhì)，具有促進(jìn)軟骨細(xì)胞型膠原蛋白等共同構(gòu)成軟骨基質(zhì)，具有促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化酌作用。分化酌作用

41、。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)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. 生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與

42、工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1135n膠原蛋白的提取方法膠原蛋白的提取方法n提取膠原蛋白的大概過程是去除油脂，去除雜蛋白，提取膠原蛋白的大概過程是去除油脂，去除雜蛋白，膠原蛋白析出，純化等。目前，膠原的提取方法主膠原蛋白析出，純化等。目前，膠原的提取方法主要有要有4種，即酸法、堿法、鹽法和酶法。種，即酸法、堿法、鹽法和酶法。l型膠原的制備以豬筋腱為主要原料，利用型膠原的制備以豬筋腱為主要原料，利用3%的鹽水脫的鹽水脫脂、去血清等成份，搗碎，然后用脂、去血清等成份，搗碎，然后用5%的醋酸和胃蛋白酶的醋酸和胃蛋白酶溶解，鹽析，再酸溶，用水透析至中性備用

43、。溶解，鹽析，再酸溶，用水透析至中性備用。膠原蛋白膠原蛋白生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1136n膠原蛋白的提取方法。膠原蛋白的提取方法。l取新鮮豬皮，用剖層機(jī)取上層，除去皮下組織，然后進(jìn)行取新鮮豬皮，用剖層機(jī)取上層，除去皮下組織，然后進(jìn)行浸水、脫脂、二次脫脂、滾酶堆置、臀部涂酶、浸灰、脫浸水、脫脂、二次脫脂、滾酶堆置、臀部涂酶、浸灰、脫灰、浸硝、剖層、修邊、稱重等預(yù)處理，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)灰、浸硝、剖層、修邊、稱重等預(yù)處理，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%0.5%的胰酶和的胰酶和0.3%0.5%的的1398蛋白酶處理。蛋白酶處理。膠原蛋白膠

44、原蛋白生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1137n膠原蛋白的提取方法。膠原蛋白的提取方法。l新鮮成年冷凍牛腱切成新鮮成年冷凍牛腱切成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)，使其最終濃度為，使其最終濃度為1.52.5%(W/V)膠原膠原-乙酸溶乙酸溶液，置液，置4冰箱冰箱4872 h。l將膨脹的膠原倒入組織搗碎機(jī)中將膨脹的膠原倒入組織搗碎機(jī)中(1500 r/min)開開30秒停秒停30秒秒,重復(fù)重復(fù)45次，用次，用80100#尼龍網(wǎng)過濾去除膠原溶液中殘存有尼龍網(wǎng)過濾去除膠原溶液中殘存有少許

45、膨脹不佳的膠原顆粒。少許膨脹不佳的膠原顆粒。l在搗碎和過濾膠原期間，空氣會混入膠原液內(nèi)形成大小不在搗碎和過濾膠原期間，空氣會混入膠原液內(nèi)形成大小不等的氣泡，膠原液倒入抽濾瓶中直接抽氣等的氣泡，膠原液倒入抽濾瓶中直接抽氣(真空泵真空泵)或倒入或倒入燒杯內(nèi)置真空干燥箱內(nèi)減壓脫泡，即成均勻的膠原溶液。燒杯內(nèi)置真空干燥箱內(nèi)減壓脫泡，即成均勻的膠原溶液。膠原蛋白膠原蛋白生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1138n膠原的應(yīng)用膠原的應(yīng)用l膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料l粉末用于止血劑和藥物釋放系統(tǒng)粉末用于止血劑和藥物釋放系統(tǒng)l紡絲纖

46、維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線紡絲纖維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線l薄膜用于角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料薄膜用于角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料l管用于人工血管、人工膽管和管狀器官管用于人工血管、人工膽管和管狀器官l空心纖維用于血液透析膜和人工肺膜空心纖維用于血液透析膜和人工肺膜l海綿用于創(chuàng)傷敷料和止血劑等。海綿用于創(chuàng)傷敷料和止血劑等。膠原蛋白膠原蛋白生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-11392、明膠、明膠n明膠是膠原的部分變性衍生物，它由膠原的三重明膠是膠原的部分變性衍生物，它由膠原的三重螺

47、旋結(jié)構(gòu)解體為單鏈分子而形成。實驗證明明膠螺旋結(jié)構(gòu)解體為單鏈分子而形成。實驗證明明膠無抗原性。明膠有兩種類型，即明膠無抗原性。明膠有兩種類型，即明膠A和明膠和明膠B，明膠明膠A是在熱變性前用酸預(yù)處理的明膠，而明膠是在熱變性前用酸預(yù)處理的明膠，而明膠B則是用堿預(yù)處理，使其谷氨酞胺與天冬酞胺的酞則是用堿預(yù)處理，使其谷氨酞胺與天冬酞胺的酞胺殘基轉(zhuǎn)變成谷氨酸和天冬氨酸，因此明膠胺殘基轉(zhuǎn)變成谷氨酸和天冬氨酸，因此明膠B的的梭基含量至少比明膠梭基含量至少比明膠A的梭基含量高的梭基含量高25%。膠原蛋白水解圖膠原蛋白水解圖生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)20

48、21-11-1140明膠明膠n“膠原蛋白膠原蛋白”和和“明膠明膠”最大的不同，就在于其分最大的不同，就在于其分子結(jié)構(gòu)的差異。膠原蛋白必須具備完整的三股螺子結(jié)構(gòu)的差異。膠原蛋白必須具備完整的三股螺旋體結(jié)構(gòu)，分子量約在旋體結(jié)構(gòu)，分子量約在283,000道爾頓，而明膠分道爾頓，而明膠分子量不規(guī)則，大至幾百萬、小至幾十，所以不具子量不規(guī)則，大至幾百萬、小至幾十，所以不具備原有生物體的活性與功能。備原有生物體的活性與功能。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1141明膠的性質(zhì)明膠的性質(zhì)明膠來源于膠原蛋白的水解，它的性質(zhì)與膠原蛋明膠來源于膠原

49、蛋白的水解，它的性質(zhì)與膠原蛋白的結(jié)構(gòu)有關(guān)，膠原蛋白的分子水解時，三股螺旋互白的結(jié)構(gòu)有關(guān)，膠原蛋白的分子水解時，三股螺旋互相拆開，而且膚鏈有不同程度的斷裂，生成能夠溶于相拆開，而且膚鏈有不同程度的斷裂，生成能夠溶于水的大小不同的碎片，明膠實際上就是這些碎片，市水的大小不同的碎片，明膠實際上就是這些碎片，市售明膠呈淡黃色，外型有薄片狀、粒狀，無味，無臭。售明膠呈淡黃色，外型有薄片狀、粒狀，無味，無臭。酸法明膠密度為酸法明膠密度為1.325g/cm1.325g/cm3 3，堿法明膠密度為，堿法明膠密度為1.283g/cm1.283g/cm3 3。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程

50、導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1142明膠的性質(zhì)1 1溶脹和溶解溶脹和溶解明膠遇冷水會溶脹，投入水中明膠遇冷水會溶脹，投入水中2h2h，可充分溶脹，可充分溶脹( (吸收吸收5 5，1010倍倍水水) )，在熱水中，在熱水中( (加熱至加熱至40)40)即完全溶解成溶液。水溶液中明膠即完全溶解成溶液。水溶液中明膠分子的構(gòu)型、物理性質(zhì)隨所處的環(huán)境而不同。明膠水溶液中分分子的構(gòu)型、物理性質(zhì)隨所處的環(huán)境而不同。明膠水溶液中分子存在兩種可逆變化的構(gòu)型：子存在兩種可逆變化的構(gòu)型：溶膠形式溶膠形式A=A=凝膠形式凝膠形式B B溶膠形式溶膠形式A A存在于較高的溫度存在于較高的溫度(35)(3

51、5)以上。在以上。在15-3515-35的范的范圍內(nèi)，兩種形式的明膠分子成平衡狀態(tài)共存圍內(nèi)，兩種形式的明膠分子成平衡狀態(tài)共存。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1143明膠的性質(zhì)明膠分子與其它蛋白質(zhì)一樣，在不同明膠分子與其它蛋白質(zhì)一樣，在不同pHpH溶液中，可成為溶液中，可成為正離子、負(fù)離子或兩性離子正離子、負(fù)離子或兩性離子( (等電等電A)A)。在等電點時，溶脹。在等電點時，溶脹吸水量最小，加入脫水劑時，在吸水量最小，加入脫水劑時，在4040以上能出現(xiàn)單凝聚。以上能出現(xiàn)單凝聚。明膠在所有明膠在所有pHpH范圍內(nèi)都易溶于水，如加

52、入與明膠分子上范圍內(nèi)都易溶于水，如加入與明膠分子上電荷相反的聚合物，則帶電荷的聚合物能使明膠從溶液中電荷相反的聚合物，則帶電荷的聚合物能使明膠從溶液中析出，例如阿拉伯膠帶負(fù)電荷，能和帶正電荷的弱酸性明析出，例如阿拉伯膠帶負(fù)電荷，能和帶正電荷的弱酸性明膠溶液反應(yīng)，溶解度急劇下降。這種共凝聚作用在工藝上膠溶液反應(yīng)，溶解度急劇下降。這種共凝聚作用在工藝上最重要的用途，就是制備微型膠囊。最重要的用途，就是制備微型膠囊。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1144明膠的性質(zhì)明膠與有些有機(jī)溶劑有相容性，如甘油、丙二醇、山梨明膠與有些有機(jī)溶劑有

53、相容性，如甘油、丙二醇、山梨醇、甘露糖醇、二甲基亞諷、甲酚胺、冰醋酸、醇、甘露糖醇、二甲基亞諷、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。明膠不溶于一元醇、醚、吡咯烷酮等。明膠不溶于一元醇、醚、丙酮、氯仿、脂肪油和揮發(fā)油。丙酮、氯仿、脂肪油和揮發(fā)油。固體明膠通常含少量水分，其含水量一般在固體明膠通常含少量水分，其含水量一般在10%-15%10%-15%，實，實際上這部分水起著增塑劑的作用，含水量太低際上這部分水起著增塑劑的作用，含水量太低(5%(5%以下以下) )的的明膠太脆，一般都需加入甘油或其它多元醇作為增塑劑。明膠太脆，一般都需加入甘油或其它多元

54、醇作為增塑劑。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1145明膠的性質(zhì)明膠溶液可因溫度降低而形成具有一定硬度、不能流明膠溶液可因溫度降低而形成具有一定硬度、不能流動的凝膠，明膠溶液形成凝膠的濃度最低極限值約為動的凝膠，明膠溶液形成凝膠的濃度最低極限值約為0.5%0.5%，凝膠存在的溫度最高為，凝膠存在的溫度最高為3535。凝膠形成后，它的結(jié)構(gòu)向膠原構(gòu)型的變化歷時很長，凝膠形成后，它的結(jié)構(gòu)向膠原構(gòu)型的變化歷時很長，要經(jīng)歷不同階段，其螺旋結(jié)構(gòu)的比例逐步增加。要經(jīng)歷不同階段，其螺旋結(jié)構(gòu)的比例逐步增加。明膠分子互相結(jié)合而成三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

55、，明膠分明膠分子互相結(jié)合而成三維空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，明膠分子的運動受到限制，但其中間夾持的大量液體卻有正常子的運動受到限制，但其中間夾持的大量液體卻有正常的粘度，電解質(zhì)離子在其中的擴(kuò)散速度和電導(dǎo)與在溶膠的粘度，電解質(zhì)離子在其中的擴(kuò)散速度和電導(dǎo)與在溶膠中者相同，而在干燥的明膠中所保存下來的只是任意卷中者相同，而在干燥的明膠中所保存下來的只是任意卷曲的松散的構(gòu)型，和完全變性的蛋白質(zhì)凝膠有類似的結(jié)曲的松散的構(gòu)型，和完全變性的蛋白質(zhì)凝膠有類似的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1146明膠的性質(zhì)明膠在室溫、干燥狀態(tài)下比較穩(wěn)定，可放

56、置數(shù)年，明膠在室溫、干燥狀態(tài)下比較穩(wěn)定，可放置數(shù)年，在較高的溫度在較高的溫度(35-40)(35-40)和濕度下保存的明膠傾向和濕度下保存的明膠傾向于失去溶解性，其原因或許是明膠分子的聚合，此于失去溶解性，其原因或許是明膠分子的聚合，此外還包括交聯(lián)和氫鍵作用。外還包括交聯(lián)和氫鍵作用。在水溶液中，明膠能緩慢地水解轉(zhuǎn)變成分子量較在水溶液中，明膠能緩慢地水解轉(zhuǎn)變成分子量較小的片斷，粘度下降，失去凝膠能力，小的片斷，粘度下降，失去凝膠能力，6565以上解以上解聚作用加快，加熱至聚作用加快，加熱至8080持續(xù)持續(xù)lhlh后，凝膠凍力將減后，凝膠凍力將減少少50%50%，分子量越小，分解越快。明膠對酶的作

57、用，分子量越小，分解越快。明膠對酶的作用很敏感。很敏感。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1147明膠明膠醫(yī)用明膠按制法分為酸法明膠醫(yī)用明膠按制法分為酸法明膠(geatin A)(geatin A)和堿法明和堿法明膠膠(geatin B)(geatin B)，其制法分述如下。，其制法分述如下。(1)(1)酸法：酸法：酸法明膠，發(fā)源于美國，近年在歐洲日益受到重酸法明膠，發(fā)源于美國，近年在歐洲日益受到重視，酸法處理可以降低成本，縮短原料預(yù)處理時間。視，酸法處理可以降低成本，縮短原料預(yù)處理時間。其制法是：其制法是：將原料將原料( (一

58、般是豬皮一般是豬皮) )先用冷水洗凈，浸漬于先用冷水洗凈，浸漬于pHpH為為1-31-3的酸液的酸液( (濃度不超過濃度不超過5%5%的鹽酸、硫酸或磷酸的鹽酸、硫酸或磷酸) )，在，在15-2015-20消化至完全脹開消化至完全脹開( (約約24-48h)24-48h)，再用水將脹化的原料洗去過量的酸，在，再用水將脹化的原料洗去過量的酸，在pH3.5-4pH3.5-4時，時，用熱水提取。在動物皮組織中，許多非膠原蛋白和粘蛋白在用熱水提取。在動物皮組織中，許多非膠原蛋白和粘蛋白在pH4 pH4 時時為等電狀態(tài)，在抽取明膠的酸度條件下，這些蛋白溶解度小而且很為等電狀態(tài)，在抽取明膠的酸度條件下，這些

59、蛋白溶解度小而且很易凝結(jié)，如用酸處理的豬皮明膠等電點在易凝結(jié)，如用酸處理的豬皮明膠等電點在pH7-9pH7-9，這是在酸性條件，這是在酸性條件下膠原中的谷氨酸、天冬氨酸的酸胺基團(tuán)耐水解的原因。下膠原中的谷氨酸、天冬氨酸的酸胺基團(tuán)耐水解的原因。生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)生物材料工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)2021-11-1148明膠(2)堿法堿法把原料把原料(一般用除去礦物質(zhì)的動物骨酪或羊皮制造一般用除去礦物質(zhì)的動物骨酪或羊皮制造)浸浸泡在泡在15-20記的氫氧化鈣中記的氫氧化鈣中1-3個月，許多雜質(zhì)，如蛋白質(zhì)類粘性個月，許多雜質(zhì)，如蛋白質(zhì)類粘性物質(zhì)，能在這種酸堿度下溶解而

60、被除去。一般認(rèn)為堿法明膠比酸法物質(zhì)，能在這種酸堿度下溶解而被除去。一般認(rèn)為堿法明膠比酸法明膠純些。經(jīng)堿處理洗去殘留氫氧化鈣，最后用酸明膠純些。經(jīng)堿處理洗去殘留氫氧化鈣，最后用酸(鹽酸、硫酸或鹽酸、硫酸或磷酸磷酸)中和，再用熱水提取，以下過程同酸法明膠。經(jīng)長時間堿法中和，再用熱水提取，以下過程同酸法明膠。經(jīng)長時間堿法處理而產(chǎn)生的明膠，含氮量略低處理而產(chǎn)生的明膠，含氮量略低(約約18%)，由于在浸灰過程中，酚，由于在浸灰過程中，酚胺基逐漸轉(zhuǎn)化為羧基，使明膠的等電點比酸法明膠的等電點低，可胺基逐漸轉(zhuǎn)化為羧基，使明膠的等電點比酸法明膠的等電點低，可低到低到pH4.7-5.3。上述兩種處理的明膠熱水提取液，再經(jīng)