范代娣等

第一章 緒論 001
第一節膠原 002
第二節膠原的製備與合成 003
第三節膠原的應用 006
第四節技術展望 007
參考文獻 013

第二章 膠原的特徵與類型 015
第一節膠原的氨基酸構成 016
第二節膠原的結構 021
一、一級結構 021
二、二級結構 022
三、三級結構 022
四、四級結構 023
第三節膠原的類型與分組 025
一、膠原的類型 025
二、膠原的分組 035
參考文獻 041

第三章 膠原的合成降解、性質與分析鑒定 045
第一節膠原的生物合成與降解 046
一、膠原的生物合成 046
二、膠原的生物降解 050
第二節膠原的性質 053
一、膠原的物理性質 053
二、膠原的化學性質 063
三、膠原的生物學性質 069
第三節膠原的定量分析與鑒定 070
一、膠原的定量分析方法 070
二、組織中膠原的定量分析方法 073
三、可溶膠原的鑒定 074
參考文獻 079

第四章 重組膠原蛋白概述 081
第一節重組膠原蛋白的發展 082
第二節重組膠原蛋白的分類 085
第三節重組膠原蛋白的特點 088
第四節重組膠原蛋白的表徵 089
一、重組膠原蛋白的理化性質表徵 089
二、重組膠原蛋白的結構表徵 090
參考文獻 094

第五章 原核體系重組膠原蛋白的生物製造 097
第一節重組類人膠原蛋白細胞工廠的構建 098
一、重組類人膠原蛋白表達系統的構建 099
二、ptsG基因敲除對表達重組類人膠原蛋白CF-5的影響 103
三、分子伴侶對表達重組類人膠原蛋白CF-5的影響 113
第二節重組類人膠原蛋白的發酵調控與過程優化 116
一、菌株BL21 CF-5生長和表達過程的優化 116
二、重組類人膠原蛋白的高密度發酵研究 130
第三節重組類人膠原蛋白的分離與純化 149
一、重組類人膠原蛋白的粗提 149
二、重組類人膠原蛋白的純化 156
三、重組類人膠原蛋白CF-5內毒素的去除 163
參考文獻 171

第六章 真核體系重組膠原蛋白的生物製造 175
第一節重組人膠原蛋白細胞工廠的構建 176
一、重組人膠原蛋白基因序列的特徵 176
二、重組人膠原蛋白表達系統的構建 178
三、重組人膠原蛋白的羥基化修飾 179
四、重組人膠原蛋白表達菌株的搖瓶優化 183
第二節重組人膠原蛋白的發酵調控與過程優化 188
一、重組人膠原蛋白高密度發酵工藝研究 188
二、重組人膠原蛋白發酵動力學建模 191
第三節重組人膠原蛋白的分離純化 198
一、重組人Ⅰ型膠原蛋白α1鏈的分離純化 199
二、重組人Ⅲ型膠原蛋白α1鏈的分離純化 201
參考文獻 205

第七章 重組膠原蛋白理化性質及生物學性質表徵 207
第一節重組膠原蛋白的理化性質 208
一、原核體系表達的重組膠原蛋白的理化性質 208
二、真核體系表達的重組膠原蛋白的理化性質 211
第二節重組膠原蛋白的生物學性質 215
一、重組膠原蛋白的生物學活性 215
二、重組膠原蛋白對皮膚疾病的作用 222
三、重組膠原蛋白與金屬元素的螯合性質 228
參考文獻 235

第八章 重組膠原蛋白材料構建技術 239
第一節重組膠原蛋白交聯方法 240
一、物理交聯法 240
二、化學交聯法 242
三、生物交聯法 247
四、重組膠原蛋白交聯度的評價方法 249
第二節重組膠原蛋白定點化學修飾方法 251
一、氨基酸定點修飾 251
二、其他官能團定點修飾 252
第三節重組膠原蛋白材料製備技術 254
一、重組膠原蛋白水凝膠材料製備技術 254
二、重組膠原蛋白海綿材料製備技術 256
三、重組膠原蛋白纖維材料製備技術 258
四、重組膠原蛋白薄膜材料製備技術 263
五、重組膠原蛋白微球與顆粒材料製備技術 263
六、重組膠原蛋白塗覆材料製備技術 265
七、其他膠原蛋白材料製備方法 269
第四節重組膠原蛋白材料滅菌技術 271
一、物理滅菌方法 271
二、化學和其他滅菌方法 272
三、朊病毒的滅活 273
參考文獻 273

第九章 重組膠原基生物醫用材料 279
第一節重組膠原蛋白水凝膠材料 280
一、創傷修復水凝膠材料 281
二、組織填充水凝膠材料 291
第二節重組膠原蛋白骨修復材料 309
一、硬骨修復材料 309
二、軟骨修復材料 316
第三節重組膠原蛋白血管支架材料 322
第四節重組膠原蛋白皮膚支架材料 327
第五節重組膠原蛋白止血材料 333
參考文獻 336
索引 340

自然界中蘊藏著極為豐富的生物大分子物質，它們是自然界賦予人類非常重要的物質資源和寶貴財富。其中蛋白質材料，例如膠原蛋白、蛛絲蛋白、蠶絲蛋白、貽貝蛋白、彈性蛋白等，由於其獨特的材料特性，近年來受到國內外研究者的廣泛關注。蛋白質材料最基本的特點是具備良好的生物相容性和可降解特性，此外許多蛋白質功能材料還具備低毒性、抗菌性等多功能特性，對它們的使用早就不僅僅局限於衣食住行等日常生活方面。隨著科學技術的進步，蛋白質功能材料的應用獲得越來越多的關注，在醫藥和軍事等領域的應用價值巨大，是一類具有極大發展潛力的天然大分子材料。

膠原蛋白（collagen）是發現最早、含量最豐富的一類細胞外基質蛋白，廣泛地存在於人與動物皮膚、肌肉、骨骼及內臟中，對維護細胞、組織和器官的正常生理功能和修復損傷有重要作用。膠原蛋白因其具有優異的理化性質、生物學功效性和生物相容性、可生物降解等特性，在食品、化妝品、營養保健等領域已廣泛應用。

動物源膠原蛋白提取普遍存在諸多問題，如無法消除瘋牛病、豬瘟疫、禽流感等病毒隱患，人膠原蛋白（來自人胎盤、骨等）提取過程也無法消除肝炎、愛滋病等傳染危險，存在組織源膠原來源等問題，同時它們的水溶性差、產品批次品質不均一、生物功效不穩定等問題也都直接限制了膠原蛋白潛在用途的開發。因此如何大量製備這些性能優異的膠原蛋白材料，一直是生物工程和材料工程交叉領域的熱點問題。隨著基因編輯技術和合成生物學的快速發展，膠原蛋白的高效生產與合成有了新途徑，並且這些新技術可以賦予重組膠原蛋白更優異的穩定性、親水性和生物相容性。隨著生物醫學工程、材料科學的快速發展，以膠原作為基本原材料，與其他材料協同開發出具有更優異新特性和新功能的複合材料，可以滿足其在組織工程、生物醫用材料、生物醫學工程等領域的需求。

本分冊介紹了作者團隊近年來在重組膠原蛋白細胞工廠構建、製備、表徵和應用基礎等方面的研究，著重介紹了重組膠原材料的綠色製造工藝、功效研究及其潛在醫用材料的構建技術和應用基礎研究。由於重組技術可以構建眾多膠原蛋白分子及其類似物，受篇幅所限，文中僅對幾種重組膠原蛋白進行示例說明，主要以一種重組類人膠原蛋白和重組人Ⅰ、Ⅲ型膠原天然序列α1鏈為例。本書由西北大學範代娣等著，全書由範代娣負責編寫框架並統稿。本書共分為九章，第一章是緒論，重點論述膠原材料的發展、製備、應用及新技術的優勢，由範代娣和傅容湛共同撰寫；第二章和第三章重點介紹膠原的特徵與類型，膠原的合成降解、性質與分析鑒定，由範代娣和王盼共同撰寫；第四章～第六章重點介紹重組膠原蛋白的發展、分類、特點、表徵及生物製造過程，由範代娣和王盼共同撰寫；第七章是重組膠原蛋白理化性質及生物學性質表徵，由範代娣和傅容湛共同撰寫；第八章和第九章重點介紹重組膠原材料的構建方法及重組膠原在生物醫用材料中的應用，由傅容湛和劉彥楠共同撰寫。在撰寫過程中得到了眾多同事、朋友的支持和幫助，在此一併表示感謝。

本分冊是國家技術發明獎二等獎“類人膠原蛋白生物材料的創制及應用”、中國專利金獎“一種類人膠原蛋白及其生產方法”、國家重點研發計畫“人造蛋白質合成的細胞設計構建及應用”（2019YFA0905200）、國家“863計畫”“膠原蛋白生物助劑的發酵合成與酶法修飾及水解研究”（2014AA022108）、國家“863計畫”“重組類人膠原蛋白Ⅱ可降解材料製造關鍵技術及應用”（2006AA02Z246）、國家發展和改革委員會高技術產業發展專案計畫“基因工程技術生產類人膠原蛋白生物材料技術產業化示範工程”［（2004）2075］、國家自然科學基金重點項目“多糖/蛋白基自修復高強韌水凝膠構建的化工基礎”（21838009）、陝西省科學技術獎一等獎“新型膠原蛋白生物材料關鍵生產技術與應用”、陝西省科學技術獎一等獎“全長人膠原蛋白的發酵合成及應用”、中國石油和化學工業聯合會技術發明獎一等獎“系列新型濕性修復敷料的研製與應用”、 陝西省專利獎一等獎“一株高效表達類人膠原蛋白的ptsG基因敲除重組菌及其構建方法和蛋白表達”等多項成果的結晶。本書由西北大學“雙一流”建設項目資助。在此衷心感謝國家自然科學基金委、科技部、國家發改委、西北大學等的大力支持。

儘管作者力圖在本書內容選擇和寫作主線上充分考慮不同學科之間的平衡，但是由於膠原蛋白的基礎和應用研究涉及知識面廣，書中難免存在疏漏和不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。

著者
2022年1月