胶原蛋白分子由两端两个非螺旋区域和中间三螺旋区域组成，胶原蛋白三螺旋（三级结构）具有由三个平行的α多肽链（二级结构）组成的卷曲螺旋结构，这些链以规则的螺旋形式相互缠绕，形成约30万g/mol分子量，长280 nm，直径1.4 nm的绳状结构²。相邻链中甘氨酸之间的分子内氢键稳定三螺旋。羟脯氨酸残基的羟基也形成氢键并稳定三螺旋。部分胶原蛋白三螺旋结构是由3条相同的α链组成，称为同源三聚体型（II/III型胶原蛋白）。三螺旋序列由Gly-X-Y 重复序列组成，X 和 Y 通常分别是脯氨酸和 4-羟基脯氨酸。

图 胶原蛋白结构³

至今已发现 28 种类型（如下表所示），而根据胶原蛋白所形成具有不同活性的形态结构可将胶原蛋白类型大致分为纤维性胶原蛋白 （I、II、III、V、XI、XXI、XXVII型）与非纤维性胶原蛋白（IV、VI、VII、VIII、IX、XII、XIII、XIV、XV、XVI、XVII、XVIII、XIX、XX、XXI、XXII、XXIII、XXIV、XXV、XXVI、XXVII、XXVIII型）。

非纤维性胶原蛋白可分为网状胶原蛋白、珠状丝状胶原蛋白、锚定纤维蛋白 、 膜蛋白以及 multiplexins 胶原蛋白。

纤维性胶原蛋白中I型、II型、III型胶原蛋白占人体胶原蛋白的80%～90%，I型胶原蛋白作为人体中最常见的胶原蛋白，主要分布在皮肤、肌腱和骨骼中，II型主要分布在软骨中，III型主要分布在皮肤和血管系统中⁴。

图 胶原蛋白类型、分布及功能⁵

胶原分子的各个肽链的遗传信息由信使RNA (mRNA)将编码蛋白所需的信息转录到核糖体(ribosome)，在核糖体上合成1 000多个氨基酸残基的肽链，肽链转入内质网(endoplasmic reticulum, ER)中进行羟基化和糖基化修饰。

(1) 羟基化修饰：在内质网中，肽链由脯氨酸、赖氨酸残基经脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylase)和赖氨酸羟化酶(lysyl hydroxylase)催化生成，羟化作用对三股螺旋的坚固性有重要作用，羟化不足的肽链在体温下不能形成坚固的三股螺旋，因而不能分泌至细胞外。

(2) 糖基化修饰：在内质网中，肽链由半乳糖基转移酶及葡萄糖基转移酶催化将糖基连于5-羟赖氨酸残基上形成，该修饰有利于纤维的定向排列。经羟基化和糖基化修饰后的溶胶原蛋白，可形成三股螺旋前胶原而分泌至细胞外。

三股螺旋前胶原分泌到细胞外的溶胶原经内切酶作用后，水解N-末端和C-末端的附加肽链，形成原胶原蛋白，原胶原分子可在中性pH条件下，借分子间各部分不同电荷的相互吸引而自动聚合成胶原纤维，该聚合不稳定，需由赖氨酸氧化酶(lysyl oxidase)催化，将赖氨酸转变为醛赖氨酸(allysine) ε-醛赖氨酸后，首先与α-肽链上ε赖氨酸醛缩合生成ε-醛赖氨酸醛酸(allysine aldol)，然后与组氨酸反应生成醇醛组氨酸(aldol histidine)，后者再与5-羟赖氨酸进行醛胺缩合形成席夫碱结构可使4条α-肽链间共价交联，使得胶原微纤维的张力加强，韧性增大，溶解度降低，最终形成不溶性的胶原纤维。

胶原蛋白良好的生物相容性广泛应用与生物医学中，目前胶原材料来源大致分为四种，组织提取，或者是从体外生长的人类或动物细胞中提取，或是通过重组表达或直接肽合成来生产的所应用的胶原材料。

（1）组织提取法：

哺乳动物皮肤和肌腱组织（源自猪、牛和羊）是 I 型胶原蛋白的主要来源，而 II 型胶原蛋白主要从牛、猪和鸡的软骨组织中提取。由于受口蹄疫、疯牛病等的影响，人们已开始采用鱼鳞、鱼骨、鱼皮作为制备胶原蛋白的原料。水产品加工副产物约30 %为鱼皮和鱼骨，其胶原含量很高，且与陆生动物来源的胶原蛋白相比，水产胶原蛋白安全性更高。此外，人们也开始研究从其他富含胶原蛋白的加工副产物中提取胶原蛋白，包括鸡蛋膜、鸡皮、牛蛙皮及兔⁷。

胶原蛋白的提取原理是通过改变外界环境（温度、盐浓度、pH），使不同特性的胶原蛋白从原料中分离出来。根据原料的不同，胶原蛋白的提取方法多种多样，主要包括热水法、酸法、碱法、酶法和盐法等。进来研究人员为了在提取过程中为了得到更高的胶原蛋白提取率，同时保证胶原蛋白结构完整且应用性良好，通常采用一系列的复合方法来提取胶原蛋白。   

组织提取法的局限性⁸：

(i)胶原蛋白结构破坏。提取过程可能会破坏胶原蛋白结构的完整性，并导致色氨酸、丝氨酸和酪氨酸的破坏。

(ii)胶原蛋白产品批次间差异性大。由于组织原料来源的年龄、品系等差异性，造成不同批次提取的胶原蛋白产品间存在明显的差异性。

(iii)疾病传播风险。在使用牛胶原蛋白时，可能存在疯牛病和口蹄疫等人畜共患疾病的传播风险。

（2）化学合成胶原蛋白

Gómez-Guillén⁹等利用三螺旋倾向自组装技术模拟天然胶原蛋白结构和热行为产生原纤维，通过调节氨基酸组成、温度和溶剂来控制胶原蛋白的稳定性和自组装长度。Falk¹⁰将Fe2+添加到三螺旋胶原相关肽(collagen-related peptide, CRP)的溶液中触发自组装成形态多样的原纤维。化学合成法产生的三螺旋胶原蛋白，虽然解决了免疫排异和病毒隐患的问题，但仍然存在一下局限性：

(i) 序列长度短。目前，化学合成法制备的胶原蛋白，其长度通常不超过10 nm。难以实现全长胶原蛋白的制备。

(ii) 成本高，产量小。化学合成胶原蛋白使用的氨基酸单体具有复杂的保护基，此类试剂通常价格昂贵，造成合成成本高，且难以实现大规模生产。

(iii) 有机溶剂残留。化学合成胶原蛋白的过程中会大量使用 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二氯甲烷(DCM)等有机溶剂，容易造成有机试剂的残留并引起生物毒性。

（3）重组胶原蛋白

重组胶原蛋白是指利用基因工程技术生产胶原蛋白，将人胶原蛋白的特征和主要功能域重新优化设计基因序列，然后通过选用各种宿主细胞，如转基因鼠、昆虫、转基因蚕、转基因烟草、大肠杆菌、酵母等生产重组人源胶原蛋白。该技术生产的胶原蛋白具有安全性高、批次稳定、组分单一、活性高、无免疫排异等优点。下文将以重组胶原蛋白介绍目前的行业现状。