明胶的改性及其在医药领域的应用（独家原创）

明胶的改性及其在医药领域的应用

张丹丹 1 ，叶海 2 ，平其能 1 * ，张灿 1 **

（1. 中国药科大学新药研究中心，江苏 南京 211198；2. 南京海融医药科技有限公司，江苏 南京 211198）

[ 摘要] 明胶是一种应用广泛的药用辅料，具有良好的成膜性、凝胶性、生物可降解性、生物相容性，但也存在一些不足，使其应用受限。通过改性改善明胶性能、获得新的性质，进一步拓宽该传统辅料的应用领域。综述明胶的改性方法、明胶及明胶替代材料的优缺点及其在医药领域的应用。

[ 关键词] 明胶；改性明胶；辅料；组织工程；药物递送

明胶来源于胶原，作为一种天然生物高分子材料，其具有生物可降解性、良好的生物相容性和凝胶性、低成本等优点，是在医药领域应用较为广泛的一种传统药用辅料。长期以来，明胶用作胶囊剂囊材，安全、有效；作为基质，应用于凝胶剂；作为载体，应用于基因、疫苗等药物的递药系统。但随着明胶的应用需求扩大，其缺点也越来越明显。例如，由于亚氨基、醛基等活性基团的存在，明胶产品在存储过程中易发生交联，影响产品效用；明胶凝固点较高、体内易降解、凝胶强度较低、机械性能差，无法满足组织工程、药物载体的要求。为进一步拓宽明胶的应用范围，更好地发挥明胶 —— 这一传统药用辅料的作用，研究者们通过对明胶进行改性，弥补其不足。本文对明胶的改性方法、明胶及改性明胶在医药领域的应用作一综述，为明胶进一步研究与应用提供参考。

1 明胶概述

明胶是由胶原经水解所得的变性产物，部分保留了胶原的三螺旋链结构。胶原来源于哺乳动物的骨、肌腱、皮（如猪皮、牛皮等）或海产品（如鱼皮等）、可食性昆虫（如瓜虫成虫、高粱虫成虫）；水不溶性胶原在水中加热（＞ 45 ℃）或化学预处理破坏其蛋白质结构，使其氢键和共价键断裂，胶原的三螺旋结构部分解旋为卷曲，得到亲水型明胶；根据水解 pH 值不同，明胶可分为 A 型明胶（等电点为 8 ~ 9 ）和 B 型明胶（等电点为 4 ~ 5 ）。

明胶是由多种氨基酸组成的多肽链，具有和胶原相同的重复序列 ——Gly-X-Y ，其中 Gly 为甘氨酸， X 、 Y 代表甘氨酸以外的任何一种氨基酸。以猪皮明胶为例，该明胶中含有 19 种氨基酸，人体 8 种必需氨基酸占 11.42% 。明胶链中脯氨酸和羟脯氨酸间的静电排斥作用促使链间形成左手 α - 螺旋，该螺旋结构对稳定明胶结构具有重要作用。此外，明胶分子链中还含有氨基、羧基、羟基等活性基团。

明胶具有两性电解质性质，在不同 pH 值下带有不同的电荷。在等电点处，明胶的黏度、凝胶性等性质均会发生明显变化。明胶在冷水中不溶，但可吸水膨胀并软化，溶胀后的明胶质量可增加 5 ~ 10 倍；温度达 35 ℃以上时，明胶在水中溶解，呈溶胶状态。明胶的种类不同，其水溶液的澄明度和颜色亦不相同。此外，明胶也可溶于甘油与水的热混合溶液、醋酸，不溶于乙醇（ 95% ）、三氯甲烷或乙醚等有机溶剂。明胶的性质主要有： 1 ）凝胶性，包括凝胶的形成、多肽链基团反应性、增稠作用和持水性； 2 ）明胶的表面特性，包括乳化性、起泡性和稳泡作用、黏附和凝聚、胶体保护和成膜性。因此，明胶广泛用于医药、食品、化妆品等多个领域。

2 明胶的改性

对胶原多肽链上的功能基团进行修饰可获得改性明胶，其凝胶性、防水性、热稳定性及机械性能均得到显著改善，应用不同的改性方法及材料，还可获得多种新功能。明胶改性方法分为物理改性、化学改性、共混改性。单一方法制得的改性明胶有时并不能满足需求，可综合运用多种方法实现明胶的改性，即复合改性。

2.1 物理改性

物理改性是通过改变明胶自身结构而改善其原有的某些性能，该过程不需任何添加剂，通过 γ 射线、紫外线照射的光化学交联和热交联等方法实现。物理改性既能有效改善明胶性能，又不引入其他毒性物质。

紫外线照射使明胶结构中的芳香族氨基酸残基（如酪氨酸、苯丙氨酸）产生自由基，这些自由基间相互反应，发生交联。 Otoni 等 用 UV-B 照射罗非鱼鱼皮明胶后，明胶的黏度增加，其凝胶强度和膜弹性也显著增强，这很大程度上改善了鱼皮明胶低凝胶性、低熔化温度等性质。但紫外线照射时间延长会导致明胶链的断裂，进而降低明胶的黏度。光化学交联明胶则在一定程度上改善了其凝胶强度等性质，但辐照后明胶的结构易被破坏，也不能有效改善明胶的热稳定性。

高温条件下，明胶链中氨基与羧基缩合，明胶发生交联。王昱琳等 在温度≥ 180 ℃条件下交联明胶，有效提高了明胶 / 铈（Ⅲ）纤维的抗水性和机械强度。相对低的温度则是明胶凝胶化所必需，该过程是一个先升温再降温的过程。 40 ℃下明胶水溶液呈溶胶状态，冷却过程中明胶结构发生由卷曲到螺旋的反转，部分恢复胶原的三螺旋结构，发生凝胶化，也称为明胶的复性。 Bigi 等 发现三螺旋结构的含量即复性程度越大，明胶的冻力值越大；而冻力值较小时，明胶膜较硬。故冻力值相对较大的明胶经改性后，可解决明胶用作生物材料所面临的诸多问题，如改善明胶膜的热稳定性及机械性能等。

2.2 化学改性

化学改性通常是明胶链中的功能基团与小分子化合反应或对其侧基修饰，还可利用自由基、离子与其发生加成或开环聚合反应，对明胶进行接枝制得改性明胶。化学改性法可分为 3 种：交联改性、侧链修饰、接枝共聚改性。

2.2.1 交联改性

交联改性是指通过化学试剂与明胶链上（明胶链端部和侧链）的活性基团反应生成新的化学键，实现明胶的改性。交联改性中应用较多的交联剂是醛类，如甲醛、戊二醛等，它们以共价键与明胶链中赖氨酸的 ε - 氨基反应形成 Schiff 碱结构，使明胶改性。然而从医药、食品安全方面考虑，研究者们更倾向于应用天然生物交联剂，如京尼平、天然酚类（如茶多酚、阿魏酸、咖啡酸）、天然多糖（透明质酸、改性阿拉伯胶）等，这些天然交联剂的结构中含有羧基、羟基，可直接或经氧化后与明胶链中的活性基团反应而实现明胶的改性。例如，阿魏酸和咖啡酸结构中含有羟基、羧基等基团， Araghi 等 以阿魏酸和咖啡酸 2 种酚为交联剂对鱼皮明胶进行改性，并对比了这 2 种酚对明胶膜性能的影响。结果显示，经咖啡酸改性后，鱼皮明胶膜的溶解性、氧渗透率、水蒸气透过率均显著降低；但经阿魏酸改性后，明胶膜的氧渗透率基本无变化。相比之下，咖啡酸更有助于提高可食性、可降解性包装膜的稳定性与安全性。透明质酸经氧化后，其结构中的醛基会优先与明胶链上的游离氨基反应，得到氧化透明质酸改性明胶，同时，又避免了明胶结构中游离氨基与羧基反应而产生的自交联。氧化透明质酸改性明胶在兔眼角膜处有良好的生物相容性，可作为眼部给药的微载体。同样地，阿拉伯树胶结构中的羟基经高碘酸钠氧化为醛基，醛基与明胶链上赖氨酸的氨基或羟胺发生 Schiff 碱反应，得到氧化阿拉伯胶改性明胶。该改性明胶的溶胀性能良好，利于细胞黏附和迁移，且无细胞毒性。

2.2.2 侧链修饰

明胶侧链上含有多种活性基团，如氨基、羧基、巯基、羟基、胍基等，利用小分子试剂与明胶侧链上某种活性基团反应，可实现对明胶侧链的修饰改性。微生物转谷氨酰胺酶（ microbial transglutaminase ， mTG ）可催化谷氨酰胺残基的 γ - 酰胺基和赖氨酸等残基的伯氨基间的酰胺转移反应，生成 ε - （ γ - 谷氨酰基）赖氨酸交联键，实现对明胶多肽链上 ε - 氨基的修饰，达到明胶改性的目的。明胶改性后， 95 ℃水浴可使 mTG 失活。 mTG 浓度高时，显著增加鱼皮明胶的热稳定性，但过多交联键的产生会导致凝胶断裂，故随 mTG 含量增加，改性明胶凝胶强度降低，机械性能有所下降，且酶催化改性的成本较高。果胶的加入可改善明胶膜的机械性能，带负电荷的果胶与酸化、正电荷的 A 型明胶通过静电络合作用形成复合物，高浓度的 mTG 催化复合物间的交联，获得改性鱼皮明胶。该改性明胶具有更好的热稳定性、流变性和凝胶性。

己酰基（ Hx ）氯化物通过与碱性明胶（ alkalinetreatedgelatin ， AlGltn ） 侧链上的游离氨基反应，实现对明胶侧链进行修饰，得到己酰基改性明胶（ HxAlGltn ）。在潮湿条件下， HxAlGltn 对猪肠黏膜及血管生长因子均具有良好的黏附作用，利于明胶在创伤修复中的应用。

2.2.3 接枝共聚改性

接枝共聚改性的基础是明胶链上的多种活性基团，利用自由基、离子与明胶链上的活性基团发生加成或开环聚合反应，对明胶进行接枝制得改性明胶。 Honda 等 利用表没食子儿茶素 -3- 没食子酸酯接枝共聚改性明胶，有效延缓明胶的降解，通过控制明胶的降解速度达到控制儿茶酚在体内释放的速度。碱性条件下，明胶侧链上的羧基与 4-(4,6- 二甲氧基三嗪 -2- 基 )-4- 甲基吗啉盐酸盐（ DMT-MM ）生成三嗪基中间物；该中间物连接明胶结构中的羟基或氨基及表没食子儿茶素 -3- 没食子酸酯中的羟基，在 N - 甲基吗啉的催化下，实现明胶的接枝共聚改性。

在分子链转换剂──碳链长度不同（ C2 ~ C6 ）的单巯基封端的烷基羧酸存在下， Luo 等 将 N - 异丙基丙烯酰胺和 2,2 ′- 偶氮二异丁腈通过自由基聚合反应合成侧链长度不同、每个侧链含单个羧基的聚 N - 异丙基丙烯酰胺（ PNIPAAm-COOH ）， 将 PNIPAAm-COOH 接枝到明胶链上，合成明胶 /PNIPAAm 接枝共聚物，获得改性明胶。该研究还发现， PNIPAAm-COOH 的侧链越长，其疏水性越强，明胶的降解速度随载体疏水性的增强而降低，单巯基封端的烷基羧酸可通过碳链的长度控制明胶载体的降解，进而控制药物的释放。

化学改性所使用的天然高分子材料中有些本身具有生物活性，如阿魏酸具有抗氧性、抗菌性、抗癌作用等，其与明胶间的相互作用使明胶性能得以改善且无细胞毒性。但改性完成后，阿魏酸等天然高分子是否仍具有生物活性，其生物活性是否会影响所载药物的治疗效果等，这些均有待进一步阐明。

2.3 共混改性

共混改性是指与明胶不发生反应的天然或合成高分子化合物和明胶混合组成复合物，其优点是既改善了明胶原有的性能，又可制得单一明胶不具备的多种性能的新材料。合成高分子化合物有聚膦腈、聚乙二醇、聚丙烯酰胺等。聚膦腈具有良好的生物相容性、机械性能，可生物降解且其降解速度可通过温度和 pH 调节。 Lin 等 用丙氨酸乙酯盐酸盐和甘氨酰乙酯取代聚膦腈的有机侧链，合成聚 膦腈。该聚 ( 氨基酸酯 ) 膦腈与明胶共混得到的纳米纤维综合了聚膦腈和明胶的优点：提高了聚 ( 氨基酸酯 ) 膦腈 / 明胶纳米纤维在水中的稳定性，改善了纯聚 膦腈纳米纤维的亲水性。

目前，研究较多的天然高分子化合物是多糖。人体细胞外基质主要由多糖和蛋白质组成，硫酸软骨素是糖胺聚糖（ glycosaminoglycans ， GAG ）的一种，其能显著影响细胞的增殖、迁移，促进创伤修复和组织再生。明胶是胶原水解物，是天然多肽。将明胶和糖胺聚糖共混得到明胶 /GAG 复合物（明胶 : GAG =85 : 15 ），再运用静电纺丝技术制备明胶 /GAG 纳米纤维。人真皮成纤维细胞可在明胶 /GAG 纳米纤维支架上黏附、增殖和扩散，明胶 /GAG 可作为一种新型生物材料应用于组织工程。

2.4 复合改性法

2.4.1 物理改性、化学改性和共混改性联合

单一方法制得的改性明胶有时并不能满足应用需求，研究者也倾向于综合运用多种方法实现明胶的改性。 Graulus 等 在明胶水凝胶的制备过程中综合运用物理改性和化学改性方法制备改性明胶。该研究首先以甲基丙烯酸为交联剂，在明胶链上引入甲基丙烯酰，确保明胶在 37 ℃下不溶解；再以碳二亚胺盐酸盐（ EDC ） / N - 羟基琥珀酰亚胺（ NHS ）活化海藻酸钠的羧基，将其转化为具有反应活性的酯基，与明胶结构中的游离氨基发生亲核加成反应，将海藻酸接枝到甲基丙烯酰改性明胶链；最后，用 250 ~ 450 nm 、辐射照度 10 mW · cm -2 的 UV-A 辐照 60 min 巩固化学交联。运用上述 3 种改性方法得到的明胶改性产物能确保明胶在体内不致溶解，并可通过二价离子的加入调节其储能模量。

Mizuta 等 通过烷基链长度为 C3 ~ C18 的脂肪酸氯化物的酰基与明胶链上氨基间的亲核取代反应，将疏水链引入明胶链，降低明胶的亲水性；疏水化的明胶与四臂聚乙二醇醚琥珀酰亚胺基戊二酸酯共混形成交联网络，制得手术密封剂。该密封剂的储能模量显著增大，且随烷基链长度的增加而增大，并能有效改善现有密封剂的不足 —— 在潮湿条件下密封效果下降。

2.4.2 增塑剂、乳化剂和共混或化学改性联合

增塑剂可增强明胶对水分的吸收，且可破坏明胶链间的氢键。增塑剂的加入可增强明胶膜的塑性，改变明胶膜的机械性能，弥补明胶膜易碎的不足。王丽媛等 发现，当增塑剂含量较低时，膜的吸水性较强，水蒸气透过率较低；当增塑剂含量达到一定程度时，增塑剂与明胶 / 壳聚糖间形成氢键，膜吸水性降低，水蒸气透过率增大；明胶 / 壳聚糖膜的断裂伸长率随增塑剂含量的增大而增大，其抗拉强度随增塑剂含量增大而减小。该研究还比较了甘油、山梨醇和丙二醇对明胶 / 壳聚糖膜的影响，发现当三者加入量相同时，甘油由于相对分子质量小、吸水性强，其对膜的增塑效果影响较为显著。 Liu 等以转谷氨酰胺酶（ transglutaminase ， TG ）催化修饰明胶侧链，再加入甘油以增加明胶膜网状结构中的网眼和明胶链中分子的流动性，获得改性明胶，其机械性能增强。然而， TG 会破坏明胶链的氢键而干扰其三螺旋结构的形成，阻碍明胶复性。此外，甘油也有阻碍明胶结构由无规卷曲到三螺旋转变的作用，一定程度上阻碍了明胶的复性。