人发角蛋白生物材料的研究与应用进展
李健，高景恒

【关键词】人发角蛋白；植入性材料；生物材料；组织工程；细胞外基质
    人发角蛋白生物材料是一种优秀的无抗原材料，组织相容性好，应用范围广泛，在美容整形界及组织工程学领域逐步得到重视。目前，国内外已开展大量关于人发角蛋白生物材料的基础研究及动物试验研究，在制造各种植入性材料、创面覆盖材料、组织工程学框架材料、修复神经缺损、修复肌腱、韧带缺损、软组织填充等方面取得了令人瞩目的成果，并已逐步应用于临床。

植入性材料概述

    植入体在美容整形外科中又称组织代用品，广泛地应用于组织缺损的修复、面型和体型的改善以及皱纹的填充。近年由于组织工程学研究方面的突破，使得人造活体组织的研究得到发展，可将无活力的植入体或组织代用品改造成有活力的人体组织。在此过程中，植入体或组织代用品又称细胞外基质，属于组织工程学的框架材料，是组织工程学发展过程中不可缺少的研究对象。
    目前作为组织框架材料的植入体可分为3种：①可降解的（可吸收的）植入体/细胞外基质，又称暂时性植入体；②不可降解的（不可吸收的）植入体/细胞外基质，亦称持久性植入体；③半持久性植入体，指可吸收的细胞外基质，同时在吸收过程中可刺激周围组织，引起适当的组织增生，以达到组织填充的效果。
    目前主要的植入性材料约166种，可注射的产品达60余种，其中有代表性的除胶原外，尚有各种透明质酸（又称玻尿酸）、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯酰胺水凝胶、膨体聚四氟乙烯（PTFE）、硅胶等等。首先出现的组织工程学半持久性填充物是Alloderm，包括脱细胞的真皮基质、薄膜基质（Foscian）、体外扩增培养的自体成纤维细胞（Isolagen）、可注射用脱细胞真皮基质（CYMETRATM，也称Micronized AllodermTM）、注射用人皮肤脱细胞细胞外基质（Dermaloge）等。但是，考虑到生物相容性、生物降解性、免疫原性等多方面的问题，每种材料都有其局限性，例如：硅胶假体植入人体后会产生较厚的纤维包膜，从而影响到植入体的手感和形态；医用胶原和透明质酸凝胶具有很强的抗原性，易被人体吸收；PMMA存在诱发组织肉芽肿的危险等。目前，采用消除胶原中的端肽/终末肽（telopeptide/terminal telopeptide）,使其成为无端肽的胶原（atelopeptide collagen），从而改善胶原的免疫原性。临床上急切需要一种供源丰富、生物相容好而且不被机体免疫排斥的优质医学生物材料，人发角蛋白以其自身独有的诸多优点很可能成为符合上述条件的新一代组织代用品材料。

人发角蛋白的特性

1、人发的结构和成分
    毛发来自于角化上皮组织，是皮肤细胞定向分化的一种终末形式。从横断面来看，人发由外到内可分为表皮层、皮质层和髓质层三层。表皮层是由许多细小的鳞片（又称毛鳞片）重叠而成，属于保护层；皮质层被毛小皮覆盖，由成束的角蛋白构成，是头发最主要的部分，决定头发的弹性、强度与屈曲性；毛髓质则是头发的中心部分。人类毛发主要成分为含硫较多的角质蛋白，其肽链间存在着广泛而紧密的交联，呈现高度的空间稳定性，对理、化因素的影响有着高度的抵抗力，性质稳定，不易被组织迅速吸收降解。

2、人发角蛋白的无抗原性
    人发角蛋白是人类毛发的主要成分，很久以来人们普遍认为其对组织来讲是一种异物，这种误解源于一个常见的临床现象：向内生长的毛发会导致皮肤的局部炎症反应，有时甚至形成脓肿。然而现在已经证实这种炎症反应与毛发本身及人发角蛋白分子无关；另外临床上报道患者自身毛发因意外埋藏于软组织内多年，软组织周围并未出现瘢痕组织；1996 年，阎瑞常和肖霞将人发与丝线、尼龙线和无损伤线进行对照，用于缝合动物伤口，结果发现人发组的愈合最好，瘢痕形成少；1997 年，K Garbis 和T Peter 将一小团鼠毛置入大鼠皮下，以研究毛发作为填充材料在整形外科的可行性；近年的研究发现，人发角蛋白在促进真皮组织再生及烧伤创面愈合中都起到积极的作用；临床上还有学者将人发制成团块后植入面部软组织内填补组织缺损；另外，人发角蛋白作为细胞生长的支架，以及作为人工腱修复人体肌腱、韧带缺损及周围神经损伤临床应用成功的报道。这些都已表明毛发作为医用生物材料具有良好的组织相容性。此外，大量细胞学研究和动物模型试验也证实，角蛋白并不被机体免疫系统识别（不引起体内淋巴细胞增殖），而且不会干扰正常的机体免疫应答（不影响活化T淋巴细胞的正常增殖）。越来越多的证据揭示了一个重要的概念：角蛋白不会被免疫系统识别为异物，具有独特的无抗原特性，是一种优秀的组织相容性蛋白 。
    人发角蛋白加工原料来源于人体自身，而且纯化后的样本不含细胞成分，植入人体后不会激发机体免疫反应，组织相容性极好。此外，某些角蛋白还具有神奇的分子间自我重组功能，能够自发形成三维立体网状结构，这种分子间自我重组是从纳米级构建成微米级结构，最终形成一种均匀、多孔的复杂结构体，它具有诱导组织生长的作用。人发角蛋白还促进多种创伤修复细胞（包括血管内皮细胞、角化细胞和成纤维细胞等）聚集的功能，这一点与我们在天然细胞外基质中观察到的细胞聚集作用极其相似；另外，人发角蛋白性质稳定，耐酸碱，具有降低局部胶原蛋白降解和诱导自体成纤维细胞分泌Ⅰ型胶原蛋白的潜能；取材容易，对供体无损伤，可反复取材。利用角蛋白的上述诸多特点，我们可以制造出各种优质的生物植入性材料，将其广泛应用于皮肤烧伤创面的修复、神经再生的诱导、骨损伤后的骨移植，以及制造各种人工植入性材料的内容物及外囊、注射用软组织填充物等。

3、人发角蛋白生物材料的临床应用
    1）制作无抗原角蛋白软组织填充材料整形医师一直在寻找一种理想的软组织填充材料来矫正软组织缺损等，曾使用过油剂、石蜡、自体脂肪、硅凝胶及水凝胶等各种材料，但都存在不同方面的缺陷，应用上受到限制。现在使用较多的注射物是牛真皮胶原蛋白，它属于异种蛋白，具有强烈的抗原性，会被免疫系统攻击，导致异种胶原蛋白吸收，所以需要反复注射，而且患者可能出现过敏反应和少见的自身免疫疾病；较新的一种永久性软组织填充材料叫做“Bioplastique”已经投放各国市场，不幸的是这种聚合物材料只能注射到皮下组织内，而不能注入真皮，因为其成分为固体硅胶微粒(直径100～400μm)混合在聚乙烯吡咯烷酮(polyvivylpyrrolidone PVP)或称聚烯吡酮(Povidone)液体中，这些微粒太大，无法直接注入真皮内，应用受限。加工后的人发角蛋白微粒从0.5～500.0μm不等，经过滤可以得到足够小的角蛋白颗粒悬浮成注射凝胶，能够直接注入真皮层，并且其注入机体后性质稳定，生物相容性好，无毒性，不易被吸收降解，无迁移倾向，且原料充足，取材时对供体无伤害，是理想的注射填充材料。
    2）制作软组织植入体、复合植入体以及植入体外膜人发角蛋白粉剂可直接制作成各种形状的植入体，方法是将固态粉剂压制成想要的形状，然后加热，通过蒸汽高压将其融合成整块的一体，实现了固态植入体的制备。此外，还可以将人发角蛋白与其他组织相容性材料混合来制作植入体，或者将人发角蛋白生物材料制成外膜，包裹在其他组织相容性材料的外面，使人体组织与其他相容性材料之间形成一个无抗原界面，用以减轻植入体的组织反应。所使用的组织相容性材料可以从高密度聚乙烯（HDPE）、硅胶、聚四氟乙烯（Teflon.RTM.）、氧化铝、氧化锗、羟基磷灰石等材料中选择。混合制成的复合植入体是将上面列举的某种聚合物与5%～60％的人发角蛋白粉剂均匀混合，并通过冷却而固化成型。而复合植入体的角蛋白外膜则是靠喷涂或在预先制备的角蛋白混悬液中浸蘸后再加热使之黏附形成无抗原角蛋白外膜。
    3）其他方面的应用角蛋白人工腱多年前就已经用于修复人体肌腱、韧带损伤，角蛋白可促进自体肌腱的生长，且无抗原性、无组织刺激性、不产生影响日后功能的粘连，其临床应用已取得相当的效果。此外，角蛋白生物材料制成的无抗原植入体及复合植入体外膜还有望应用于修复骨、软骨损伤，或用来进行颌面部重建及关节置换。

4、总结与展望
    人发角蛋白作为一种生物材料越来越受到美容整形界及组织工程学研究领域的重视。它是一种优秀的无抗原生物材料，具有良好的组织相容性，不引起免疫排斥反应，也不干扰正常的机体免疫应答，适用于制造各种软组织植入体或复合植入体的外膜及内容物等，也可以制成软组织注射填充材料。特别是角蛋白具有促进创伤修复和刺激成纤维细胞分泌胶原的功能，可以制成组织工程学框架材料或组织修复诱导剂，用来修复神经缺损，治疗经久不愈的创面，修复缺损的肌腱、韧带，甚至骨、软骨及关节。其应用前景极其广泛，有很大的市场发展空间。目前，国内外许多研究机构都在致力于角蛋白生物材料的产品开发，许多研究成果已成功申请了专利，另有部分产品通过了某些地区和国家的相关部门批准，进入临床应用阶段。相信在不远的将来会出现更多样、更优秀的角蛋白生物材料制品应用于临床。为美容整形行业及组织工程学领域带来新的技术革新。

注：本文节选自《中国美容整形外科杂志》2009年3月第20卷第3期