胶原蛋白材料

《胶原蛋白材料》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。本书全面介绍了有关胶原蛋白和胶原基材料的基础知识和应用实例，尤其对重组胶原蛋白在分子设计生产及其在生物医药和组织工程等领域中应用的研究进展作了详细论述。全书分为两部分。第一～七章对构建生物材料所用的胶原的特征与类型、降解、性质与鉴定进行详细论述，对生物法合成的重组胶原蛋白的发展、分类、特点及表征进行概述，重点介绍了重组胶原蛋白的生物制造过程。第八章和第九章为重组胶原材料的构建方法及其在生物医用材料领域的应用，主要内容包括重组胶原材料的修饰、交联方法与制备技术，重组胶原基生物医用材料的生物功效及其生物相容性等。本书在力求全面、系统地反映胶原蛋白材料相关基础知识以及国内外研究进展的同时，着重介绍了重组胶原蛋白的生物制造技术，以及具有良好生物相容性的重组胶原材料在生物医学领域中应用的研究进展。
《胶原蛋白材料》可供生物、医药、化工、材料等相关领域的科研人员和工程技术人员使用，也可供相关专业的师生参考与阅读。

范代娣，西北大学二级教授、博士生导师，西北大学化工学院院长、生物医药研究院院长，国家重点研发计划首席科学家，生物材料国家地方联合工程研究中心主任，陕西省生物材料与发酵工程“四主体一联合”工程中心主任，陕西省可降解生物医用材料重点实验室主任，陕西省化工学会生物化工专业委员会主任。曾入选首届中国化工学会会士、“国家特支计划”领军人才、新世纪“百千万人才工程”人选、国务院特殊津贴专家、全国三八红旗手、科技部“创新人才推进计划”、陕西省高层次人才特殊支持计划“杰出人才”等荣誉。
主要从事生物大分子重组胶原蛋白及天然活性产物的生物制造、生物医用材料、预防医学和营养医学等方面的研究。长期开展从基础理论、原创技术、分子设计、功效发现、生物安全性实验、产品开发到产业化的全链条的研究。先后主持了国家重点研发计划、国家高技术产业化示范工程、国家“863计划”和国家自然科学基金重点项目等多项计划。在Biomaterials、Chemical Engineering Journal、Bioactive Materials等国际知名期刊上发表SCI论文240余篇，出版专著及教材7部。获授权发明专利75件，转让及实施22件，专利技术和相关医用产品在空军总医院、协和医院、西京医院等国内数千家医院得以广泛应用。
以第一完成人获国家技术发明奖二等奖1项（2013年）、中国专利金奖1项（2016年）、陕西省科学技术奖1项（2020年）、陕西省科学技术奖一等奖3项（2011年、2017年和2021年）和中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖1项（2016年）。获“全国首届创新争先奖”（2017年）、“闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖”（2015年）、中国化工学会“侯德榜化工科技成就奖”（2014年）等奖励。

本书全面介绍了有关胶原蛋白和胶原基材料的基础知识和应用实例，尤其对重组胶原蛋白在分子设计生产及其在生物医药和组织工程等领域中应用的研究进展作了详细论述。本书在力求全面、系统地反映胶原蛋白材料相关基础知识技术以及国内外研究进展的同时，着重介绍了重组胶原蛋白的生物制造技术，以及具有良好生物学相容性的重组胶原材料在生物医学领域中应用的研究进展。

自然界中蕴藏着极为丰富的生物大分子物质，它们是自然界赋予人类非常重要的物质资源和宝贵财富。其中蛋白质材料，例如胶原蛋白、蛛丝蛋白、蚕丝蛋白、贻贝蛋白、弹性蛋白等，由于其独特的材料特性，近年来受到国内外研究者的广泛关注。蛋白质材料最基本的特点是具备良好的生物相容性和可降解特性，此外许多蛋白质功能材料还具备低毒性、抗菌性等多功能特性，对它们的使用早就不仅仅局限于衣食住行等日常生活方面。随着科学技术的进步，蛋白质功能材料的应用获得越来越多的关注，在医药和军事等领域的应用价值巨大，是一类具有极大发展潜力的天然大分子材料。
胶原蛋白（collagen）是发现最早、含量最丰富的一类细胞外基质蛋白，广泛地存在于人与动物皮肤、肌肉、骨骼及内脏中，对维护细胞、组织和器官的正常生理功能和修复损伤有重要作用。胶原蛋白因其具有优异的理化性质、生物学功效性和生物相容性、可生物降解等特性，在食品、化妆品、营养保健等领域已广泛应用。
动物源胶原蛋白提取普遍存在诸多问题，如无法消除疯牛病、猪瘟疫、禽流感等病毒隐患，人胶原蛋白（来自人胎盘、骨等）提取过程也无法消除肝炎、艾滋病等传染危险，存在组织源胶原来源等问题，同时它们的水溶性差、产品批次质量不均一、生物功效不稳定等问题也都直接限制了胶原蛋白潜在用途的开发。因此如何大量制备这些性能优异的胶原蛋白材料，一直是生物工程和材料工程交叉领域的热点问题。随着基因编辑技术和合成生物学的快速发展，胶原蛋白的高效生产与合成有了新途径，并且这些新技术可以赋予重组胶原蛋白更优异的稳定性、亲水性和生物相容性。随着生物医学工程、材料科学的快速发展，以胶原作为基本原材料，与其他材料协同开发出具有更优异新特性和新功能的复合材料，可以满足其在组织工程、生物医用材料、生物医学工程等领域的需求。
本分册介绍了作者团队近年来在重组胶原蛋白细胞工厂构建、制备、表征和应用基础等方面的研究，着重介绍了重组胶原材料的绿色制造工艺、功效研究及其潜在医用材料的构建技术和应用基础研究。由于重组技术可以构建众多胶原蛋白分子及其类似物，受篇幅所限，文中仅对几种重组胶原蛋白进行示例说明，主要以一种重组类人胶原蛋白和重组人Ⅰ、Ⅲ型胶原天然序列α1链为例。本书由西北大学范代娣等著，全书由范代娣负责编写框架并统稿。本书共分为九章，第一章是绪论，重点论述胶原材料的发展、制备、应用及新技术的优势，由范代娣和傅容湛共同撰写；第二章和第三章重点介绍胶原的特征与类型，胶原的合成降解、性质与分析鉴定，由范代娣和王盼共同撰写；第四章～第六章重点介绍重组胶原蛋白的发展、分类、特点、表征及生物制造过程，由范代娣和王盼共同撰写；第七章是重组胶原蛋白理化性质及生物学性质表征，由范代娣和傅容湛共同撰写；第八章和第九章重点介绍重组胶原材料的构建方法及重组胶原在生物医用材料中的应用，由傅容湛和刘彦楠共同撰写。在撰写过程中得到了众多同事、朋友的支持和帮助，在此一并表示感谢。
本分册是国家技术发明奖二等奖“类人胶原蛋白生物材料的创制及应用”、中国专利金奖“一种类人胶原蛋白及其生产方法”、国家重点研发计划“人造蛋白质合成的细胞设计构建及应用”（2019YFA0905200）、国家“863计划”“胶原蛋白生物助剂的发酵合成与酶法修饰及水解研究”（2014AA022108）、国家“863计划”“重组类人胶原蛋白Ⅱ可降解材料制造关键技术及应用”（2006AA02Z246）、国家发展和改革委员会高技术产业发展项目计划“基因工程技术生产类人胶原蛋白生物材料技术产业化示范工程”［（2004）2075］、国家自然科学基金重点项目“多糖/蛋白基自修复高强韧水凝胶构建的化工基础”（21838009）、陕西省科学技术奖一等奖“新型胶原蛋白生物材料关键生产技术与应用”、陕西省科学技术奖一等奖“全长人胶原蛋白的发酵合成及应用”、中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖“系列新型湿性修复敷料的研制与应用”、 陕西省专利奖一等奖“一株高效表达类人胶原蛋白的ptsG基因敲除重组菌及其构建方法和蛋白表达”等多项成果的结晶。本书由西北大学“双一流”建设项目资助。在此衷心感谢国家自然科学基金委、科技部、国家发改委、西北大学等的大力支持。
尽管作者力图在本书内容选择和写作主线上充分考虑不同学科之间的平衡，但是由于胶原蛋白的基础和应用研究涉及知识面广，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。

著者
2022年1月

第一章 绪论 001
第一节　胶原 002
第二节　胶原的制备与合成 003
第三节　胶原的应用 006
第四节　技术展望 007
参考文献 013

第二章 胶原的特征与类型 015
第一节　胶原的氨基酸构成 016
第二节　胶原的结构 021
一、一级结构 021
二、二级结构 022
三、三级结构 022
四、四级结构 023
第三节　胶原的类型与分组 025
一、胶原的类型 025
二、胶原的分组 035
参考文献 041

第三章 胶原的合成降解、性质与分析鉴定 045
第一节　胶原的生物合成与降解 046
一、胶原的生物合成 046
二、胶原的生物降解 050
第二节　胶原的性质 053
一、胶原的物理性质 053
二、胶原的化学性质 063
三、胶原的生物学性质 069
第三节　胶原的定量分析与鉴定 070
一、胶原的定量分析方法 070
二、组织中胶原的定量分析方法 073
三、可溶胶原的鉴定 074
参考文献 079

第四章 重组胶原蛋白概述 081
第一节　重组胶原蛋白的发展 082
第二节　重组胶原蛋白的分类 085
第三节　重组胶原蛋白的特点 088
第四节　重组胶原蛋白的表征 089
一、重组胶原蛋白的理化性质表征 089
二、重组胶原蛋白的结构表征 090
参考文献 094

第五章 原核体系重组胶原蛋白的生物制造 097
第一节　重组类人胶原蛋白细胞工厂的构建 098
一、重组类人胶原蛋白表达系统的构建 099
二、ptsG基因敲除对表达重组类人胶原蛋白CF-5的影响 103
三、分子伴侣对表达重组类人胶原蛋白CF-5的影响 113
第二节　重组类人胶原蛋白的发酵调控与过程优化 116
一、菌株BL21 CF-5生长和表达过程的优化 116
二、重组类人胶原蛋白的高密度发酵研究 130
第三节　重组类人胶原蛋白的分离与纯化 149
一、重组类人胶原蛋白的粗提 149
二、重组类人胶原蛋白的纯化 156
三、重组类人胶原蛋白CF-5内毒素的去除 163
参考文献 171

第六章 真核体系重组胶原蛋白的生物制造 175
第一节　重组人胶原蛋白细胞工厂的构建 176
一、重组人胶原蛋白基因序列的特征 176
二、重组人胶原蛋白表达系统的构建 178
三、重组人胶原蛋白的羟基化修饰 179
四、重组人胶原蛋白表达菌株的摇瓶优化 183
第二节　重组人胶原蛋白的发酵调控与过程优化 188
一、重组人胶原蛋白高密度发酵工艺研究 188
二、重组人胶原蛋白发酵动力学建模 191
第三节　重组人胶原蛋白的分离纯化 198
一、重组人Ⅰ型胶原蛋白α1链的分离纯化 199
二、重组人Ⅲ型胶原蛋白α1链的分离纯化 201
参考文献 205

第七章 重组胶原蛋白理化性质及生物学性质表征 207
第一节　重组胶原蛋白的理化性质 208
一、原核体系表达的重组胶原蛋白的理化性质 208
二、真核体系表达的重组胶原蛋白的理化性质 211
第二节　重组胶原蛋白的生物学性质 215
一、重组胶原蛋白的生物学活性 215
二、重组胶原蛋白对皮肤疾病的作用 222
三、重组胶原蛋白与金属元素的螯合性质 228
参考文献 235

第八章 重组胶原蛋白材料构建技术 239
第一节　重组胶原蛋白交联方法 240
一、物理交联法 240
二、化学交联法 242
三、生物交联法 247
四、重组胶原蛋白交联度的评价方法 249
第二节　重组胶原蛋白定点化学修饰方法 251
一、氨基酸定点修饰 251
二、其他官能团定点修饰 252
第三节　重组胶原蛋白材料制备技术 254
一、重组胶原蛋白水凝胶材料制备技术 254
二、重组胶原蛋白海绵材料制备技术 256
三、重组胶原蛋白纤维材料制备技术 258
四、重组胶原蛋白薄膜材料制备技术 263
五、重组胶原蛋白微球与颗粒材料制备技术 263
六、重组胶原蛋白涂覆材料制备技术 265
七、其他胶原蛋白材料制备方法 269
第四节　重组胶原蛋白材料灭菌技术 271
一、物理灭菌方法 271
二、化学和其他灭菌方法 272
三、朊病毒的灭活 273
参考文献 273

第九章 重组胶原基生物医用材料 279
第一节　重组胶原蛋白水凝胶材料 280
一、创伤修复水凝胶材料 281
二、组织填充水凝胶材料 291
第二节　重组胶原蛋白骨修复材料 309
一、硬骨修复材料 309
二、软骨修复材料 316
第三节　重组胶原蛋白血管支架材料 322
第四节　重组胶原蛋白皮肤支架材料 327
第五节　重组胶原蛋白止血材料 333
参考文献 336

索引 340