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这篇综述聚焦 I 型胶原蛋白（Coll-I）水凝胶，探讨从提取到性能优化的全过程。研究其来源、提取方法等对凝胶化及性能的影响，为设计用于组织工程和再生医学（TERM）的优化水凝胶提供指导，极具科研参考价值。
I 型胶原蛋白（Coll-I）水凝胶的研究进展
I 型胶原蛋白（Coll-I）作为动物体内最丰富的细胞外基质（ECM）蛋白，在化妆品和医学领域应用广泛，尤其在组织工程和再生医学（TERM）中潜力巨大。它可从多种动物源提取，其水凝胶能模拟 ECM 环境，且给药方式微创。然而，Coll-I 水凝胶机械性能差限制了其应用 ，因此深入研究其开发过程中的各参数及相互关系至关重要。
Coll-I 的提取
在近期研究中，水生非哺乳动物（主要是鱼类）成为 Coll-I 的主要研究来源（占 76%），其次是哺乳动物（占 19%），皮肤则是最常被研究的组织来源。提取 Coll-I 主要有三个步骤：预提取、提取和分离 / 纯化。
- 预提取：需用碱性溶液（如 NaOH）去除非胶原蛋白，用酸溶液对矿化组织进行脱钙，还要对皮肤等组织进行脱脂和脱色处理。但使用 NaOH 时需谨慎，因其可能水解胶原蛋白。
- 提取：常用酸溶液或胃蛋白酶进行提取。酸性提取常用醋酸、乳酸、柠檬酸等，其中醋酸最常用；胃蛋白酶提取则更适用于哺乳动物。此外，加热、超声和微波等物理处理可辅助提取。
- 分离 / 纯化：通过调节 pH 至 Coll-I 的等电点（IP）进行等电沉淀，或添加盐进行盐析反应，再通过透析去除盐分，最后过滤并冻干得到干燥样品。
Coll-I 的氨基酸（AA）组成受动物类型、组织和提取方法影响。例如，水生动物源的 Coll-I 中甘氨酸（Gly）平均含量为 33 ± 1%，与哺乳动物的 32 ± 1% 无显著差异；但水生动物源的平均亚氨基酸（脯氨酸 Pro 和羟脯氨酸 Hyp）含量（19 ± 2%）显著低于哺乳动物（21 ± 4%）。不同鱼类组织的 AA 组成也有显著差异，且提取方法会改变 AA 组成，如胃蛋白酶提取会使 Asp、Phe 和 Tyr 含量降低 。同时，Coll-I 提取产率因动物类型、物种和组织类型而异，胃蛋白酶提取法通常比酸性提取法产率更高。
ExtColl-I 的溶解和凝胶化
制备仅由提取的 Coll-I（ExtColl-I）组成的水凝胶，主要步骤包括在水性介质中溶解 ExtColl-I、调节 pH 和温度以促进凝胶化。
- pH 的影响：pH 是影响 ExtColl-I 溶解的关键因素。在较低 pH 值下，Coll-I 分子的胺和羧基质子化，净电荷为正，更易溶解；在较高 pH 值下，这些基团去质子化，净电荷为负，溶解度降低。在等电点（IP）时，Coll-I 溶解度最低，更易聚集形成凝胶。不同 ExtColl-I 样品的 IP 值不同，通常在 6 - 7 左右，且受提取方法和动物来源等因素影响。例如，酸性提取的 Coll-I 比胃蛋白酶提取的 IP 值低，且酶解时间会使 Coll-I 的 IP 值降低。虽然 IP 是形成水凝胶的理想 pH 值，但在 TERM 应用中，常选择生理 pH（7.4）。
- 离子强度的影响：在模拟生理条件下制备 ExtColl-I 水凝胶时，电解质会影响其溶解度。低浓度盐溶液（如 1 - 3 wt% 的 NaCl 溶液）会因盐溶效应使溶解度略有增加，而高浓度盐溶液（如 3 wt% 或 0.4 mol/L 的 NaCl 溶液）会因盐析效应使溶解度降低 。不同动物组织和物种的 ExtColl-I 在不同盐浓度下的溶解度变化不同，如黑鳍礁鲨皮肤的 ExtColl-I 在 NaCl 浓度超过 2 M 时溶解度降低，而胃蛋白酶提取的 Coll-I 在 NaCl 浓度高达 3 M 时仍能保持溶解度。
- 温度的影响：温度对 Coll-I 的溶解和凝胶化也很关键。溶解和调节预凝胶 pH 时通常在低温下进行，以防止 Coll-I 变性和过早凝胶化。如果加热达到或超过 ExtColl-I 的变性温度（Td），蛋白质的三级结构会部分或完全丧失，影响水凝胶的结构。Td与 Pro 羟化为 Hyp 的程度有关，Pro 羟化程度越高，Td越高。Td还因动物和组织类型而异，如冷水鱼的 ExtColl-I 的Td低于热水鱼。
- 凝胶化动力学的影响因素：动物组织、pH、离子强度等多个参数会影响 ExtColl-I 水凝胶的凝胶化动力学。例如，动物类型和年龄会影响凝胶化，年轻和年老动物的 ExtColl-I 纤维重聚能力较差；酸性提取的 Coll-I 比胃蛋白酶提取的 Coll-I 凝胶化更快，可能与端肽的保留有关；较高的聚合物浓度和接近 IP 的 pH 值有利于纤维重聚，促进凝胶化；此外，温度接近人体温度（37°C）时，Coll-I 可形成水凝胶，且生理温度的微小变化也会影响凝胶化。
- 对机械和生物性能的影响：评估 Coll-I 水凝胶的机械和生物性能对其在特定组织中的应用至关重要。水凝胶的机械性能可通过弹性模量、储能模量（G）和复数模量（G?）等指标评估，这些模量越大，水凝胶越硬。水凝胶的生物性能可通过体外和体内测试评估，如评估细胞形态、粘附、迁移、增殖、活力和代谢等。Coll-I 的来源（动物类型和组织）、提取方法以及 ExtColl-I 的物理化学特性会影响水凝胶的机械性能和生物响应，但目前对这些影响的理解还有限。例如，Coll-I 的来源会导致水凝胶硬度和细胞增殖性能不同，提取过程中去除的端肽可影响水凝胶的抗性和细胞粘附、增殖环境，Coll-I 浓度与水凝胶机械性能的关系可能非线性，pH 也会影响水凝胶的硬度和细胞在其中的生存情况。
增强 ExtColl-I 水凝胶的结构性能
可通过交联聚合物链、与其他聚合物共混、添加纳米或微粒形成复合材料这三种主要技术来提高和调节 ExtColl-I 水凝胶的硬度。
- 交联：Coll-I 交联是连接 Coll-I 的 AA 侧链和链末端的基团，或添加分子通过建立分子间力（如氢键、偶极 - 偶极相互作用）或形成化学键（共价键）来加强胶原蛋白蛋白链和纤维之间的相互作用。常见的交联剂有有机交联剂和光化学交联剂。有机交联剂如碳二亚胺、醛、环氧化物等，可与 Coll-I 中的特定基团反应；光化学交联剂可使 ExtColl-I 产生对 UV 光反应的双键，形成共价键，且 Coll-I 自身的芳香侧链在 UV 辐射下也可形成自由基，导致分子间交联 。交联可提高水凝胶的硬度，但可能影响其生物性能，如戊二醛（GT）虽能提高 Coll-I 水凝胶的压缩模量，但具有细胞毒性，抑制 GT 可降低细胞毒性；光化学交联中，UV 功率和曝光时间会影响交联密度，进而影响水凝胶的硬度和细胞增殖。
- 共混：ExtColl-I 可与水溶性聚合物（通常是天然聚合物）共混，如明胶、结冷胶、丝素蛋白、透明质酸、壳聚糖、琼脂糖、海藻酸盐和纤维素基聚合物等。共混的一般步骤包括溶解聚合物、混合、调节 pH 和温度。共混可改善 Coll-I 水凝胶的机械和生物性能，如壳聚糖与 Coll-I 共混可提高热机械性能和细胞活力，海藻酸盐与 Coll-I 共混可调节水凝胶的机械性能并影响神经元细胞的基因表达 。
- 复合：可向 ExtColl-I 预凝胶组合物中添加颗粒（如金属纳米颗粒、氧化物、层状固体、碳质材料和聚合物颗粒）形成复合水凝胶。颗粒的掺入方法有将干燥的 ExtColl-I 溶解在颗粒悬浮液中、将干燥颗粒添加到 Coll-I 溶液中、混合 Coll-I 溶液和颗粒悬浮液、原位生成颗粒等。颗粒的均匀分散很重要，可采用超声处理等物理方法辅助。复合水凝胶可获得独特的性能，如磷灰石颗粒可使水凝胶变硬，羟基磷灰石颗粒可促进干细胞的成骨分化，银纳米颗粒可使水凝胶具有抗菌性能等。
结论与展望
本研究全面回顾了从动物源选择到 Coll-I 水凝胶性能调节的整个过程，确定了胶原来源、提取方法、氨基酸组成、等电点、介质离子强度和温度等关键参数，这些参数影响 Coll-I 的加工和水凝胶性能，且相互关联 。目前，文献中很少有研究将 Coll-I 的提取和凝胶化与水凝胶的机械和生物性能联系起来，未来需要更多从提取到水凝胶开发和验证的完整研究，以克服样本差异和方法学限制，精确调节 Coll-I 水凝胶的性能，满足 TERM 应用的需求。
