用于创面修复的胶原基生物材料的研究进展

Abstract

急性或慢性创面是常见的临床问题。胶原蛋白因具有来源丰富、生物相容性良好、免疫原性低以及可生物降解等诸多优点，被广泛用于创面修复的基础研究和临床治疗，具有广阔的临床应用前景。该文简要回顾胶原蛋白在创面愈合相关的不同生物学过程中的作用，对胶原蛋白的来源进行了概述；此外，该文还总结了基于胶原蛋白的创面敷料在创面修复领域中的应用情况及最新研究进展。

作为屏障，皮肤是受一系列外部因素影响最大的器官。急性或慢性创面问题在每年都会造成巨大的医疗负担，严重影响患者生活质量。创面愈合是一个复杂的过程，这一过程可分为止血、炎症、增殖和重塑4个动态阶段，涉及许多不同类型的细胞和基质成分的相互作用^[1]。胶原蛋白是动物体内含量最丰富的蛋白，约占蛋白总量的30%，主要分布于皮肤、软骨、韧带与肌腱组织中^[2]。皮肤中的胶原蛋白主要为分布在真皮层的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ型胶原蛋白及位于基底膜的Ⅳ、Ⅶ、ⅩⅦ型胶原蛋白，其中Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白最为常见^[3]。胶原蛋白是ECM的重要组成成分，在创面愈合的每个阶段，天然胶原蛋白都有着至关重要的作用。胶原蛋白具有良好的生物相容性、可生物降解性和低免疫原性，有利于创面愈合^[4]。目前，胶原蛋白已被广泛用于创面修复的基础研究和临床治疗，其应用形式主要包括多孔支架、水凝胶、纤维支架和膜等。传统的胶原蛋白主要来源于动物的皮肤、肌腱、骨骼等组织，也有部分来源于遗弃的人体组织。近年来，通过基因重组技术制备的基因重组胶原蛋白也得到了迅速的发展。不同来源的胶原蛋白，其物理化学性质、安全性、生物相容性、免疫原性以及生物学效应等均有差异^[5]。本文简要回顾了胶原蛋白在创面愈合相关的不同生物学过程中的作用，同时对胶原蛋白的来源进行概述；此外，本文还总结了基于胶原蛋白的创面敷料在创面修复领域的应用情况及最新研究进展，以期为胶原蛋白在创面修复中的应用和研究提供有益参考。

1. 创面修复中胶原蛋白的合成和降解

在处于稳态的组织中，胶原蛋白的产生、沉积和排列是通过现有基质内胶原蛋白的降解和重塑来平衡的^[6]。机体组织如果遭受持续或严重损伤、创面愈合延迟、胶原蛋白沉积超过胶原蛋白降解，组织修复过程中就会出现纤维化^[7]。

1.1. 创面修复中胶原蛋白的合成

胶原蛋白主要由Fb合成，当Fb迁移并定植在创面床时，就开始产生纤维状Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白，以及非纤维状Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ型胶原蛋白^[8]。胶原蛋白的合成及沉积涉及多种细胞，且贯穿创面愈合的整个过程。在创面愈合的早期阶段，创面中的Ⅲ型胶原蛋白可将Fb和炎症细胞募集到创面区域^[9]；此外，Ⅲ型胶原蛋白还可能通过调节Ⅰ型胶原蛋白的产生，加速胶原原纤维的形成，调控新生皮肤组织的结构和功能^[10]。在炎症阶段，肥大细胞分泌的组胺和类胰蛋白酶可以增强Fb增殖和胶原蛋白合成，从而增强创面收缩能力^[11]。在增殖阶段，巨噬细胞可诱导Fb向肌Fb转变，从而增加创面中胶原蛋白和α-平滑肌肌动蛋白的沉积^[12]；此外，巨噬细胞还可以转变为纤维化细胞，沉积胶原蛋白和其他ECM成分^[13]。在重塑阶段，胶原蛋白可发生快速地合成和降解，且合成速度大于降解速度，使得胶原蛋白得以沉积^[14]；同时，肉芽组织中的Ⅲ型胶原蛋白被机械性能更强的Ⅰ型胶原蛋白取代^[15]。在创面闭合后，胶原蛋白的重建仍会持续数月，正常情况下修复3个月左右的创面新生组织的抗张强度可恢复至正常组织的80%^[16]。

1.2. 创面修复中胶原蛋白的降解

胶原蛋白的降解与创面中的炎症反应、血管生成和再上皮化有关，且一般情况下是有助于创面愈合的。在炎症阶段，胶原蛋白降解产生的生物活性肽可以招募中性粒细胞和巨噬细胞，以清除入侵的细菌并降解坏死组织^[13]。在增殖阶段，前述降解产物可以促进新生血管的生长。在创面愈合过程中，ECM重塑是至关重要的，其主要参与者为蛋白酶。其中，基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）主要负责降解ECM中的胶原蛋白，MMP中的胶原酶和明胶酶分别负责降解完整和受损的胶原蛋白纤维；此外，Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白可优先被胶原酶裂解，而Ⅳ型胶原蛋白则主要被明胶酶降解，因此胶原酶和明胶酶是创面愈合过程中胶原蛋白更新的关键^[17]。此外，MMP还参与炎症反应、血管生成等创面愈合的相关生理过程，对创面修复有重要意义^[15]。创面正常愈合的过程由MMP和组织金属蛋白酶抑制剂共同调节，二者之间的平衡失调是创面慢性化的影响因素之一^[18]，同时二者的表达受多种细胞及其因子的共同调控^[19]。

2. 胶原蛋白在创面修复中的作用

胶原蛋白可以为组织提供适当的机械强度和弹性，并可作为支持细胞附着、增殖和分化的天然基质，因此胶原蛋白在创面愈合的每个阶段都有着至关重要的作用。

2.1. 在止血阶段的作用

在止血阶段，胶原蛋白是血小板初始反应的关键激活物^[20]；此外，胶原蛋白还能使血小板附着在创面处并形成凝块，其分子机制为血小板受体糖蛋白Ⅵ与暴露的胶原蛋白结合可介导血小板在血管损伤部位的黏附、活化和聚集，从而促进血凝块的形成，起到止血作用^{[14, 21]}。因此，在临床上常采用胶原基敷料来促进术后止血。

2.2. 在炎症阶段的作用

在炎症阶段，胶原蛋白可为创面愈合创造一个良好的微环境，同时形成皮肤保护层^[22]。作为中性粒细胞的有效趋化因子，Ⅰ、Ⅳ型胶原蛋白片段可以促进其吞噬作用^[23]。此外，胶原蛋白还可以招募巨噬细胞，而巨噬细胞可以清除创面中的微生物和失去活力的组织，为创面愈合提供良好条件^[16]。

2.3. 在增殖阶段的作用

在增殖阶段，胶原蛋白可以促进血管生成。Ⅰ型胶原蛋白的碳端前肽片段已被证明是内皮细胞的趋化因子，可以促进内皮细胞的增殖和迁移，加快新生血管形成^[24]。此外，受损区域的胶原蛋白还可以招募巨噬细胞，而巨噬细胞可通过产生VEGF促进内皮细胞迁移，最终促进血管生成^[25]。值得注意的是，Ⅳ型胶原蛋白的水解片段（如内皮抑素）具有抑制内皮细胞增殖和迁移以及诱导内皮细胞凋亡的作用，显示出抑制血管生成的特性^[26]。

2.4. 在重塑阶段的作用

在重塑阶段，胶原蛋白可以促进Fb的增殖和迁移，为创面提供足够的营养，有助于ECM重塑，并减轻瘢痕的产生^[23]；同时，透明质酸、纤维连接蛋白和蛋白聚糖在该阶段中可取代最初的纤维蛋白凝块，并在随后的修复过程中形成成熟的胶原纤维^[27]。ECM重塑从纤维蛋白凝块的最初沉积开始到伤后数年形成成熟的富含Ⅰ型胶原蛋白的瘢痕结束，涵盖整个创面愈合过程。

3. 胶原蛋白的来源

3.1. 天然胶原蛋白

天然胶原蛋白的来源广泛、种类丰富，但不同生物物种之间的同类型胶原蛋白的氨基酸组成（包括氨基酸序列、结构）差异很大，这些差异会影响胶原蛋白物理化学性质、安全性、生物相容性、免疫原性以及生物学效应等^[5]。传统上，胶原蛋白主要来源于哺乳动物，如牛、猪和鼠的组织。可以从皮肤、肌腱、骨、软骨和小肠等组织中提取动物源性胶原蛋白，不同部位的组织可提取不同类型的胶原蛋白。其中，Ⅰ型胶原蛋白是最丰富且最容易从各种组织中提取的，提取技术也较为成熟，其来源以牛肌腱、牛骨、猪皮、鼠尾为主^[28]。鼠尾Ⅰ型胶原蛋白常被用于基础研究，暂未被转化为临床产品。目前，牛、猪源性Ⅰ型胶原蛋白是商业化医用胶原蛋白产品的常见原料，但它们的使用仍然受宗教文化、人畜共患病和免疫原性的限制^[23]。为了寻求更安全的胶原蛋白来源，有研究人员采用端肽酶切技术，成功去除胶原蛋白中引发免疫反应的端肽区域以降低其免疫原性^[29]。目前没有报道马源性胶原蛋白存在人畜共患病风险和免疫反应，且马源性胶原蛋白不受伦理限制^[30]，似乎是个有吸引力的动物源性蛋白。马源性胶原蛋白的优势正在推动马源性胶原蛋白产品的开发，并且已有马源性胶原蛋白产品成功上市。近年来，水生生物来源的胶原蛋白也受到关注。目前，用于生物医学领域的研究的水生生物源性胶原蛋白主要来源于海洋鱼类、海参、海蜇和海绵等，其中鱼源性胶原蛋白是典型水生生物源性胶原蛋白的来源。与哺乳动物源性胶原蛋白相比，鱼源性胶原蛋白不仅在氨基酸组成和生物相容性方面与传统的哺乳动物源性胶原蛋白相似，而且具有资源丰富、成本低、没有伦理限制、没有疾病传播风险等优势^[31]。需要注意的是，鱼源性胶原蛋白具有较快的生物降解速度，且其变性温度低于人体平均生理温度^[32]，这种不稳定性使得鱼源性胶原蛋白在应用于组织工程领域时具有挑战性。研究人员在尝试通过将鱼源性胶原蛋白与其他天然或合成聚合物和生物活性分子进行功能修饰和组合来解决这些问题，但是现在海洋生态污染问题日趋严重，未来深海鱼源性胶原蛋白的使用恐怕会受到更多限制。为了克服动物源性胶原蛋白引起的免疫反应，研究人员尝试从人体组织，特别是从遗弃的胎盘、脂肪组织、皮肤中分离胶原蛋白^[33]。然而，受人类个体差异大和提取来源有限的影响，人源性胶原蛋白质量的稳定性低，价格昂贵且无法大量生产。

3.2. 基因重组胶原蛋白

目前，市场对胶原蛋白的需求仍在不断增长。然而，天然胶原蛋白的应用受到供应有限、宗教文化限制以及潜在安全隐患等方面的阻碍，这使得胶原蛋白市场存在巨大缺口，鼓励了人们对天然胶原蛋白替代品的探索。随着生物工程技术的快速发展，以基因重组技术生产的重组胶原蛋白成为新的研究热点。重组胶原蛋白是首先通过基因工程设计胶原蛋白基因序列，然后通过翻译产生的，具有无免疫原性、生物活性优越和产品质量稳定等优点^[34]。重组表达体系包括动物、昆虫、植物、大肠埃希菌和酵母菌等。其中，动物、昆虫和植物重组表达体系均面临着生产成本高、产量低、不能大规模生产的问题。目前，大肠埃希菌表达体系是应用最广泛的重组表达体系，具有发酵成本低、生产周期短、效率高等优点。相较于大肠埃希菌，酵母菌表达体系更加稳定，在纯化和灭菌过程中不产生LPS，并且酵母菌源性重组胶原蛋白在结构上与天然人源性胶原蛋白更为相似^[23]。利用毕赤酵母菌，已成功实现多种类型的重组胶原蛋白工业化生产。

4. 用于创面修复的胶原基生物材料

皮肤的防御能力可能因手术外伤、烧伤和各种慢性皮肤溃疡而降低，因此创面敷料，包括脱细胞基质、水凝胶、海绵、纳米纤维和膜等被开发出来。理想的创面敷料应具有良好生物相容性、可生物降解性以及细菌屏障功能，还能提供并保持湿润的创面环境，增强气体交换以加速创面愈合^[35]。

4.1. 脱细胞基质敷料

脱细胞基质敷料是在ECM成分与结构的基础上，通过脱细胞工艺去除细胞而保留其生物活性成分的基质材料。该材料保留了组织器官原有的ECM结构、活性成分和一些非抗原成分（如胶原蛋白）等，有助于组织再生过程中细胞的黏附、增殖和分化^[36]。脱细胞方法主要包括物理方法、化学方法和酶法。脱细胞基质敷料以其优越的生物活性、优良的生物相容性和低免疫原性等优势而引人注目，并已实现临床转化。目前，哺乳动物的皮肤、羊膜以及小肠黏膜下层等来源的脱细胞材料已被广泛用于创面修复领域。但是，脱细胞人羊膜存在机械性能差、易降解、不易提取等不足，不利于大面积或全层皮肤缺损创面的愈合。为克服这些限制，Zhang等^[37]对脱细胞人羊膜和明胶分别进行甲基丙烯酸酐接枝修饰，然后再将二者混合并进行光照从而制得光交联复合水凝胶敷料，结果显示该敷料不仅具有甲基丙烯酰化明胶的良好力学性能，而且还具备了脱细胞人羊膜的生物活性，可有效促进新西兰大白兔背部全层皮肤缺损创面的修复。哺乳动物脱细胞小肠黏膜下层基质敷料由于缺乏足够的免疫调节活性，应用受到限制。Zhang等^[38]将单宁酸和IL-10添加到脱细胞猪小肠黏膜下层水凝胶中制得新型复合水凝胶并将其应用于大鼠全层皮肤缺损创面，结果显示该复合水凝胶具有抗氧化应激和免疫调节的功能，可有效促进创面愈合并减轻瘢痕增生。哺乳动物来源的ADM存在人畜共患病毒传播的风险，为克服前述不足，鱼皮来源的ADM被开发出来。Li等^[39]通过低成本工艺开发了一种罗非鱼皮源性ADM，并以猪皮源性ADM作为对照，经过系统评估肯定了前者作为创面敷料的价值。

4.2. 胶原基水凝胶敷料

胶原基水凝胶是具有三维网络结构的亲水性凝胶，可以保持创面环境的湿润，降低瘢痕形成的可能性，还具有适宜的黏附性。胶原基水凝胶被认为是生物医学工程中最普遍的生物材料之一，可被用作支架、细胞或药物载体以及医疗植入物。胶原基水凝胶的应用广泛，但仍然存在易收缩、力学性能较差等不足。基于此，研究人员尝试通过将胶原蛋白与其他材料进行复合使材料获得多功能性。Yang等^[40]基于硼酸酯的动态共价键构建了一种具有抗氧化性能的可注射自愈合胶原蛋白-透明质酸水凝胶并将其应用于大鼠全层皮肤缺损创面，结果显示该水凝胶可通过促进血管增生和改善创面炎症微环境有效清除过量活性氧自由基，加速创面愈合。Zhang等^[41]以氧化石墨烯和硼砂为交联剂，在胶原基水凝胶中引入瓜尔豆胶、聚（N-异丙基丙烯酰胺）以提高其机械性能，结果显示该水凝胶可被拉伸至其初始长度的50倍，且断裂后无须任何外部刺激即可在短时间内（不到3 min）自愈，这表明该材料具有自愈和超延展的特性；同时，该水凝胶被证实可促进大鼠全层皮肤缺损创面愈合；此外，该水凝胶在人体传感器方面也有应用潜力。胶原基水凝胶在临床上得到了广泛应用，美国食品药品监督管理局批准的组织工程皮肤产品Apligraf是一种工程化活性生物材料，其由Ⅰ型胶原水凝胶、同种异体Fb和KC组成，该材料已在临床上成功用于皮肤替代，烧伤创面、糖尿病足溃疡的治疗^[42]；但是，也有报道称，该胶原基水凝胶存在孔隙率低、稳定性差和导致Fb大量收缩等不足^[43]。

4.3. 胶原基海绵敷料

胶原基海绵敷料通常有随意分布的孔隙，这种多孔结构对组织再生及血管化和ECM沉积有重要作用。目前，已有多种方法，如溶剂挥发法、粒子沥滤法、冷冻干燥法以及气体发泡法等被用于制备多孔海绵支架^[44]，其中商业化海绵敷料通常采用冷冻干燥法制备，但该制备方法需要专业的生产设备，且设备能耗大。Qi等^[45]报道了一种在干燥环境下制作止血海绵的方法，该方法无须依赖冷冻干燥设备和高温高压环境，具有成本低的优势，有大规模生产的潜力。

多孔海绵支架在组织再生中的有效性主要取决于多孔微观形貌（包括孔隙率、孔隙尺寸、孔隙形状和孔隙连通性）以及支架的优异力学性能，这使得其可以吸收大量的创面渗出液，从而促进创面愈合。由胶原蛋白或明胶组成的商业化海绵敷料由于具有良好的生物相容性、可生物降解性和止血作用，已被广泛用于创面治疗。Liu等^[46]将聚丙烯酸钠、双季铵盐-共轭壳聚糖和胶原蛋白在水溶液中混合并冷冻干燥后制得一种复合海绵敷料，结果显示该复合海绵敷料具有抗菌、止血、调节炎症和促再生性能。Chen等^[47]设计了一种新型两性离子甜菜碱复合胶原海绵敷料，该海绵敷料具有综合的抗氧化和抗炎性能，可促进小鼠全层皮肤缺损的创面闭合、肉芽组织形成、再上皮化、胶原沉积和血管生成。

4.4. 胶原基纳米纤维敷料

胶原基纳米纤维敷料的结构与天然ECM非常相似，具有高渗透性、高孔隙率、高保湿性、卓越的机械性能和高比表面积^[48]。有研究表明，生物材料的结构特性在指导细胞行为和调节免疫反应方面起着至关重要的作用^[49]。近年来，有更多的研究者侧重于开发基于纳米纤维的创面敷料，包括纳米纤维膜和纳米纤维水凝胶等。Hu等^[50]利用静电纺丝技术制备了具有对齐排列表面形貌的聚乳酸-羟基乙酸共聚物-鱼胶原蛋白纳米纤维膜，观察到其能够调节免疫反应，促进毛囊再生，从而加速糖尿病小鼠全层皮肤缺损夹板创面的愈合。此外，将纳米纤维和水凝胶组合起来可以改善单纯水凝胶敷料的不足（如机械性能较低、组织黏附力弱以及缺乏超微结构等），提高敷料的性能，更好地模拟天然ECM的结构，增强其促进创面愈合的功效。Zou等^[51]通过在电纺纳米纤维中添加酯化透明质酸制作了胶原基水凝胶创面敷料以模拟天然ECM的结构并将其用于金黄色葡萄球菌感染的小鼠全层皮肤缺损创面，结果显示与单纯的水凝胶支架相比，该敷料表现出更强的促进血管生成、胶原沉积和创面愈合的作用；此外，纳米纤维敷料的高比表面积和高孔隙率能使该敷料有效吸收创面渗出液并释放药物。Chen等^[52]将VEGF模拟肽Prominin-1衍生肽封装到聚乳酸-羟基乙酸共聚物/明胶基纳米纤维膜中并将其应用于糖尿病大鼠全层皮肤缺损创面，结果显示，该敷料可持续释放Prominin-1衍生肽，通过募集内源性VEGF促进血管生成和免疫调节，最终促进创面愈合。

4.5. 胶原基膜敷料

胶原基膜敷料可通过溶剂浇铸、机械挤出和静电纺丝等技术制得。其中，溶剂浇铸法是最经典的制备胶原基膜敷料的方法，具有操作技术简单、不需要大型设备等优点。膜材料通常具有良好的透气和透水性，同时又可防止病原体的渗透。胶原蛋白具有良好的亲水性和成膜性，其以膜形式制备的生物材料在创面修复领域的应用最为多见。Andonegi等^[53]通过溶剂浇铸法制备了壳聚糖/胶原蛋白膜，结果显示该膜敷料具有理想创面敷料的水蒸气透过率。Leng等^[54]利用溶剂浇铸法开发了一种含有姜黄素纳米粒子的聚乙烯醇/胶原蛋白复合膜并将其应用于大鼠全层皮肤缺损创面，结果显示该复合膜具有良好的抗菌性能和生物相容性，可有效促进皮肤创面愈合。为了能够更好地模拟天然ECM的结构，Chen等^[55]通过气体发泡法从二维纳米纤维膜延伸出三维层状的纳米纤维海绵并将其用于金黄色葡萄球菌感染的小鼠全层皮肤缺损创面，结果显示，与二维纳米纤维膜相比，该纤维海绵具有优异的柔软性和弹性、高孔隙率和高吸水性，可及时吸收创面渗出液，并具有加速止血和抗炎抗菌的功效，可促进创面愈合。

5. 总结与展望

胶原蛋白因其良好的生物相容性和生物降解性，以及低免疫原性，对创面愈合的各个阶段均具有积极作用。然而，不同来源的胶原蛋白有各自的优点和不足。动物源性胶原蛋白虽然来源丰富，但存在免疫反应和疾病传播的风险，此外，其胶原成分复杂且可控性有限。随着基因重组技术的不断发展，研究人员开始关注应用重组胶原蛋白修复创面，通过基因重组技术，可以大规模生产难以从天然动物组织中提取的更多类型的胶原蛋白，如Ⅲ型胶原蛋白等。这不仅推动了胶原蛋白产业的创新发展，还对未来进一步研究和临床应用胶原基生物材料具有重要意义。展望未来，期待胶原基生物材料在创面修复领域取得持续进展，为医学界和患者带来更多益处。未来的相关研究可以从临床需求出发，充分利用个性化治疗和改性技术的优势，推进胶原基生物材料在创面修复领域的发展。首先，基于生物材料的个性化治疗将得到更多地研究和应用，以满足不同患者的特定需求。其次，通过改性技术，研究者可以增强胶原基生物材料的机械性能、稳定性和功能性。这将有助于更好地满足不同修复需求。最后，临床研究将持续推动这些材料的应用，以确保它们在临床实践中的有效性和安全性。总之，胶原基生物材料在创面修复领域具有广阔的前景，未来的研究将会继续推动其应用范围扩大和性能提升。

Funding Statement

国家重点研发计划项目（2022YFC2401800）；国家自然科学基金面上项目（51973136）；四川省科技计划项目（2023NSFSC0996）

National Key Research and Development Program of China (2022YFC2401800); General Program of National Natural Science Foundation of China (51973136); Sichuan Science and Technology Plan Program (2023NSFSC0996)