第一節(jié) 膠原蛋白市場現(xiàn)狀分析及預測

2003年我國年需膠原蛋白2000噸左右，但已知國內(nèi)實際生產(chǎn)能力僅為500噸左右，其余全部依賴進口。

2005年我國膠原蛋白年需求量在3000噸以上，每年以20%的速度增長。有關資料顯示，當前及未來今后幾年，將是中國膠原蛋白工業(yè)發(fā)展的最好時機，展現(xiàn)全新發(fā)展格局。

隨著我國科學技術的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和生活質(zhì)量的普遍提高，人們崇尚綠色、回歸自然的意識的加強，以膠原蛋白為原料和添加劑的化妝品、食品將會受到人們的歡迎，這是因為膠原蛋白具有特殊的化學組成及結(jié)構，天然蛋白具有合成高分子材料不可比擬的生物相容性和生物降解性。

隨著對膠原蛋白的進一步研究，人們的生活中將會越來越多的接觸到含有膠原蛋白的產(chǎn)品。預計到2010年我國膠原蛋白市場年需求量將達到8000噸左右。作為膠原蛋白產(chǎn)品的高端產(chǎn)品，在國內(nèi)尚未出現(xiàn)；其發(fā)展空間巨大；在保健、化妝品、醫(yī)藥、食品領域發(fā)展?jié)摿薮?，估計有幾十億的市場潛力，并且增長迅速。

第二節(jié) 膠原蛋白產(chǎn)品產(chǎn)量分析及預測

2003-2010年我國膠原蛋白市場產(chǎn)量分析及預測表

單位：噸

2003-2010年我國膠原蛋白市場產(chǎn)量分析及預測圖

單位：噸

第三節(jié) 膠原蛋白市場需求分析及預測

一、膠原蛋白在醫(yī)藥中的應用

膠原蛋白具有重要的生物學性質(zhì)—力學性能高、促進細胞生長、止血、生物相容性和生物降解性,多年來一直促使許多研究者設想制備膠原蛋白基生物材料。然而直到近20a,隨著膠原蛋白化學的發(fā)展,人們對膠原蛋白的結(jié)構和性質(zhì)有了更為清楚的認識,這種設想才得以變?yōu)楝F(xiàn)實?，F(xiàn)在,膠原蛋白在醫(yī)學材料中的應用展示出令人鼓舞的發(fā)展前景。

1、膠原蛋白作為生物材料的特點

1）低免疫原性

膠原蛋白的抗原性相當?shù)?在1954年以前,甚至認為膠原蛋白不具有抗原性。最近的研究表明,膠原蛋白有3種類型的抗原因子:第1類是由膠原蛋白肽鏈非螺旋的端肽引起的;第2類是由膠原蛋白三股螺旋的構象引起的;第3類是由α鏈螺旋區(qū)的氨基酸順序引起的。

第2類抗原因子僅存在于天然膠原蛋白分子中,第3類只出現(xiàn)在變性膠原蛋白中,而第1類抗原因子在天然和變性膠原蛋白中均存在。20世紀90年代以來,人們發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原蛋白的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型Ⅵ型膠原蛋白低得多,其組織膠原蛋白的端肽的免疫原性比螺旋微區(qū)以及其它微區(qū)都要強。

因而,在制備可溶性膠原蛋白醫(yī)用產(chǎn)品時,應除去膠原蛋白的端肽;但應用于組織基的膠原蛋白材料,則應保留端肽,目的是保存交聯(lián)位點,賦予組織材料所需要的完整結(jié)構。研究發(fā)現(xiàn)用戊二醛交聯(lián),可部分降低膠原蛋白材料的免疫原性。

2）細胞-基質(zhì)間的相互作用

膠原蛋白基材料與宿主細胞及組織之間良好的相互作用,并成為細胞與組織正常生理功能的一部分。膠原蛋白基材料除了可增加細胞的粘結(jié)外,還能改善細胞的生長、分化和移動。膠原蛋白作為細胞外間質(zhì)的主要成分,與其他成分以特定的形式排列結(jié)合,形成細胞外間質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構。這種結(jié)構對細胞起到錨定和支持作用,并為細胞的增殖生長提供適當?shù)奈h(huán)境。在生理或病理機制的調(diào)控下,膠原蛋白有機地參與細胞遷移和代謝,從而使細胞更準確地發(fā)揮其功能。

3）與血小板的相互作用

膠原蛋白使血小板凝聚的能力似乎來源于游離的氨基,尤其是賴氨酸側(cè)鏈氨基,因此,封閉膠原蛋白側(cè)鏈羧基,不會造成凝聚能力的明顯下降,不過會減弱膠原蛋白促使血漿結(jié)塊的作用。膠原蛋白的天然結(jié)構,尤其是足夠發(fā)達的四級結(jié)構,是膠原蛋白具有凝聚能力的基礎。

膠原蛋白對血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制備凝血材料,比如膠原蛋白/殼聚糖復合膜的止血性能比明膠等一般材料好得多。

4）纖維的再形成性

經(jīng)純化的可溶性膠原蛋白,可在體外再次形成與天然膠原蛋白纖維相似的有序纖維結(jié)構。在制備可溶性膠原蛋白時,雖然已通過酶的作用除去了膠原蛋白分子的端肽,但可溶性膠原蛋白在體外的再形成過程仍然存在?？扇苄阅z原蛋白其免疫原性被大大減弱,又能形成纖維,獲得與原有結(jié)構相似的堆砌,從而有利于細胞-基質(zhì)間相互作用的過程。利用其這一性質(zhì),可制成適合于移植用的膏狀注射物或海綿等。

5）機械性能

膠原蛋白纖維具有很高的機械強度的重要原因在于膠原蛋白的交聯(lián)。膠原蛋白分子間和分子內(nèi)有次級鍵:氫鍵對維持膠原蛋白的構象起重要作用,而分子內(nèi)和分子間的共價交聯(lián),是賦予膠原蛋白高度化學和物理穩(wěn)定性的一個重要因素,這種交聯(lián)方式有3種:酰胺縮合、羥醛縮合、羥醛組氨酸交聯(lián)。膠原蛋白分子間的側(cè)向交聯(lián)表現(xiàn)出高強度的力學行為。

研究表明:在按四分之一錯列排布的原膠原蛋白分子的頭、尾部重疊區(qū)段,通過賴氨酸或羥賴氨酸形成共價交聯(lián),分別在氮端尾肽的第9個殘基位置(N9)和碳端尾肽的第17個殘基位置(C17)。以這種方式交聯(lián)起來的原膠原蛋白分子,可以形成很長的具有很好的機械強度的原纖維。制備過程中盡可能保留蛋白多糖,以維持膠原蛋白固有的卷曲。膠原蛋白的這種結(jié)構有利于組織在受到外力作用時能量的耗散,避免其破裂。

6）生物可降解性

天然膠原蛋白緊密的螺旋結(jié)構使得大多數(shù)蛋白酶只能打斷膠原蛋白側(cè)鏈,削弱膠原蛋白分子的交聯(lián)。而膠原蛋白肽鍵只有在膠原蛋白酶的水解作用下,才會被打斷。

膠原蛋白肽鏈的斷裂造成其螺旋結(jié)構的破壞,這樣膠原蛋白就可以被蛋白酶徹底水解。膠原蛋白的生物降解性可以通過在膠原蛋白分子側(cè)鏈之間產(chǎn)生交聯(lián)來減小或抑制。鞣制就是起到這樣的作用。生物材料最常用的鞣制劑是戊二醛,其無毒、鞣性持久。

2、膠原蛋白在生物、醫(yī)學上的應用

1）膠原蛋白基生物材料的應用

(1)心臟瓣膜

目前已發(fā)展的有2類:一類是機械瓣膜,一類是生物瓣膜。用膠原蛋白基材料制作成的生物瓣膜的缺點是植入人體后會產(chǎn)生鈣化,一般在前10a使用期內(nèi)性能良好?，F(xiàn)在,材料科學家正竭力合成新的醫(yī)用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術,減輕患者痛苦，市場需求巨大。

(2)血管修復

由于心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。應用生物組織基心血管裝置的主要優(yōu)勢,是直徑小于5mm的心血管置換器。與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件,并且膠原蛋白基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長,而不需要高密度孔結(jié)構,以及可與天然血管在物理性質(zhì)上較好的匹配等優(yōu)點，市場空間廣闊。

(3)可溶性膠原蛋白

可溶性膠原蛋白在適當?shù)木彌_液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。其對軟組織的擴增、恢復,特別是對矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管包括肌聲帶的修復、牙周方面的治療。

(4)創(chuàng)傷、燒傷修復材料

膠原蛋白敷料有多種形式,如膜扁、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,并吸收創(chuàng)傷滲出液,可與宿主細胞外基質(zhì)相互作用,以促進細胞在新結(jié)締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導分化及成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創(chuàng)傷修復。

(5)膠原蛋白止血劑

膠原蛋白與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關聯(lián)的一系列過程的進行,從而可迅速凝血。作為止血劑使用的膠原蛋白,可以是粉狀、扁狀及海綿狀等多種物理形態(tài)。與膠原蛋白類止血材料相競爭的有纖維素、明膠和纖維衍生物,后者優(yōu)勢是價格較低,但是膠原蛋白的止血效果更好。

(6)明膠

膠原蛋白經(jīng)溫和水解而產(chǎn)生肽鍵的不可逆斷裂后,所得的主要產(chǎn)物是明膠。

最近的研究表明:明膠特別是水解明膠,對多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、皮膚搔癢、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。在治療中水解明膠無刺激性和副作用,它能滋潤皮膚、修補和促進傷口愈合。此外,它在內(nèi)科病學中也有用武之地,對慢性胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。

(7)人工皮膚

眾所周知,第一個面市的組織工程材料的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應用方面最為成功的組織工程材料。國內(nèi)在這方面有較多的研究 ,其一般方法是:先從某種含有膠原蛋白的原料中提取膠原蛋白,經(jīng)過酶消化、純化,制成膠原蛋白的分散液,再向其中加入其它物質(zhì)(一般是殼聚糖或高分子物質(zhì)等),均勻混合制成膠原蛋白膜。必要時,還可以用甲醛進行交聯(lián)。Yan2nas等人報道了在氣相醛介質(zhì)中,膠原蛋白與糖胺聚糖交聯(lián),制備分子量Mc為800～60000的膠原蛋白糖胺聚糖材料的方法。由這種材料制造的人造皮膚,比其它方法制備的同類材料的長期貯存更穩(wěn)定。

(8)固定化酶載體和膠囊

膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應基團,如羥基、羧基和氨基等,易于吸收和結(jié)合多種酶和細胞,實現(xiàn)固定化,它具有與酶和細胞親合性好、適應性強的特點。另外膠原蛋白是一種成膜性好的物質(zhì),并具有生物相容性,在體內(nèi)可被逐步吸收,因此,膠原蛋白固定化酶特別適合于人工應用材料。

膠原蛋白在醫(yī)藥工業(yè)中的另一重要用途是基于膠原蛋白微囊包封的藥物輸送系統(tǒng)。微囊包封就是把細小顆粒獨立包裹上保護性的涂層。涂層起到分離、貯存和運輸?shù)淖饔?以便被包裹物在預定的條件下釋放出來,從而起到控制或緩釋的效果。釋放的條件取決于濕度、pH、化學結(jié)合作用,釋放的機理與保護層的構造有關,如膜的過濾性、腐蝕、破裂等。微膠囊的直徑一般在3～800μm之間,核的重量占10%～90%。被包裹的核材料種類很多,包括粘合劑、農(nóng)藥、活細胞、香水、藥劑和墨水等。膠囊外殼材料多數(shù)為有機聚合物,也有的采用脂類和蠟。現(xiàn)在,以明膠改性聚合物制造控制藥物釋放的微球和微膠囊正越來越常見。

(9)膠原蛋白膜

膠原蛋白不僅可以保護和促進角膜上皮細胞的生長,而且還可作為“藥膜”,使在結(jié)膜囊內(nèi)的藥物逐漸釋放入眼內(nèi),從而在短時間內(nèi)在眼內(nèi)達到較高濃度,并維持較長時間,還可減少藥物的毒性,具有廣闊的發(fā)展前景。

盡管膠原蛋白以其優(yōu)良的性質(zhì)得到重視,但其不可避免的弱點也限制了它的應用。如膠原蛋白具有天然材料共有的弱點:物理機械性能差,其生物降解性在某些應用上也是一個弱點。而合成材料盡管其力學性能良好并且性能穩(wěn)定,但生物相容性普遍較差。因此產(chǎn)生了“復合材料”的概念,即制備膠原蛋白-高分子復合材料,使其同時具有2種材料的共同優(yōu)點,取長補短,從而向?qū)崿F(xiàn)發(fā)展“理想”的生物材料的目標邁進了一步,并將為醫(yī)用生物材料的變革性發(fā)展提供廣闊的前景。

二、我國膠原蛋白市場需求量分析及預測

2003-2010年我國膠原蛋白市場需求量分析及預測表

單位：噸

2003-2010年我國膠原蛋白市場需求量分析及預測圖

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