胶原蛋白
胶原蛋白（英文名称：collagen；或称胶原）是由动物细胞外基质的纤维状结构蛋白质提取得到的不溶于水、可溶于稀酸、具有三螺旋结构的产物。胶原蛋白是一类哺乳动物细胞外基质中的主要结构蛋白，广泛地存在于皮肤、骨骼、肌肉等组织中，主要参与细胞的增殖、分化、迁移和信号传递等生理生化行为，对组织细胞等起着支撑、修复、保护的作用。
胶原蛋白，最早可追溯至公元前4000年的古埃及，金字塔中的皮胶制造技术壁画及动物胶残留物便是见证。19世纪初，“胶原蛋白” 这一名称首次于组织学著作中出现。19世纪下半叶，随着组织学快速发展，学者描述了胶原蛋白在人体内的分布情况。20世纪上半叶，众多科学家探索其结构与特性，萨迪科夫在1927年提出 “胶原酶”，还有学者明确了3股螺旋结构等，同年纳盖特首次用生化方法提取大鼠尾腱中的天然可溶性胶原蛋白。60年代，其在健康与疾病中的作用受广泛研究。1962年，来源于细菌的胶原酶逐渐进入人们的视野；1968年，拉撒路团队提取人粒细胞胶原酶。1975年，发现了人皮肤成纤维细胞产生胶原酶及可能的抑制剂。1976年，报道其分解代谢途径及相关抑制剂与激活剂，此后研究集中于胶原蛋白的类型、结构、代谢途径和功能等。1971年，发现基底膜的Ⅳ型胶原蛋白。1981年，揭示了胶原蛋白分子结构与超分子结构的独特性。80年代，已详细描述超12种胶原蛋白特征且仍在探索其他类型。进入21世纪，欧盟科学委员会确认其安全可食用，应用从材料拓展至多领域，水解后的胶原蛋白肽具保健功能，用于多种疾病治疗与皮肤改善等。
胶原蛋白是由3条α-链缠绕成的绳状三螺旋。3条α-链可以是相同的（同型三聚体），也可以是不同的（异型三聚体）。每一条α-链自身形成一个左螺旋，然后3条α-链进一步缠绕形成一个右旋的三重超螺旋结构。大多数商业胶原蛋白及其衍生产品都是从陆生动物（主要是牛和猪）的加工副产品中分离出来的，具有较好的生物相容性、易降解性和弱抗原性；除了陆生动物，水产动物也是胶原蛋白的重要来源，包括各种脊椎鱼类和无脊椎动物（海绵、水母、海参等）。由于胶原蛋白具有良好的生物学特性，其在组织工程、临床医学、食品工业、包装材料、化妆品、医学美容、生物材料以及医疗器械等方面都有着广泛的应用。
名称定义
胶原蛋白（英文名称：collagen；或称胶原）是由3条α-链缠绕成的绳状三螺旋。3条α-链可以是相同的（同型三聚体），也可以是不同的（异型三聚体）。每一条α-链自身形成一个左螺旋，然后3条α-链进一步缠绕形成一个右旋的三重超螺旋结构。
胶原蛋白是生物高分子材料，为动物结缔组织的主要成分，是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性 蛋白，占蛋白质总量的 30%左右。胶原蛋白是胶原纤维的主要组成成分，主要存在于动物皮肤、肌腱、韧带及其他结缔组织中。胶原蛋的生物学作用不仅限于作为支撑支架，人体的系统和器官的功能几乎都与胶原蛋白的结构有关。
来源
大多数商业胶原蛋白及其衍生产品都是从陆生动物（主要是牛和猪）的加工副产品中分离出来的，具有较好的生物相容性、易降解性和弱抗原性，因此已被广泛应用于食品、制药和化妆品等行业。牛的骨头和皮是胶原蛋白的主要来源之一，从水牛皮肤中提取到的胶原蛋白已应用于药物输送、伤口包扎和组织工程支架等方面，而牛骨胶原蛋白则可用于食品包装薄膜的制 备。此外，研究证明牛胶原蛋白水解物具有一定的抗菌、抗氧化和降血压活性。例如，Sullivan等研究发现牛肺胶原蛋白水解物具有抗炎药和抗氧化活性。胶原蛋白水解生成的胶原蛋白肽具有优良的生物活性。
除了陆生动物，水产动物也是胶原蛋白的重要来源，包括各种脊椎鱼类和无脊椎动物（海绵、水母、海参等）。这类胶原蛋白产量高，无传染牛海绵状脑病（BSE）、传染性海绵状脑病（TSE）、口蹄疫（FMD）等疾病的风险，没有宗教限制，污染物含量低，具有较弱的免疫原性和炎症反应，且适合于人体代谢。对于海洋和淡水中的鱼类，不同品种鱼类得到的胶原蛋白品质不同。根据生活环境，鱼类可以分为热水鱼、温水鱼、冷水鱼和冰水鱼四类。通常，热水鱼和温水鱼胶原蛋白的亚氨基酸（L-脯氨酸和L-羟脯氨酸）含量高于冷水鱼和冰水鱼。
另外，不同组织和不同方法提取的胶原蛋白的亚氨基酸的组成有所不同，例如，来自鳙鱼内部组织（鱼鳔和鱼骨）的亚氨基酸含量略高于其外部组织（鳍、鳞和鱼皮）亚氨基酸的含量。Chun等使用醋酸法热水法和氢氧化钠法从罗非鱼皮中提取的胶原蛋白显示出不同的分子质量和二级结构。此外，源于无脊椎动物的胶原蛋白具有很大的商业价值。海蜇胶原蛋白肽具有抗高血压活性，可作为活性成分应用于功能性食品中；海绵胶原蛋白具有潜在的止血作用，可以用作伤口敷料；海参体壁胃蛋白酶溶胶原蛋白，分子质量较小，含有丰富的亲水基团在化妆品配方中具有潜在的应用价值。从水产动物的各种加工副产物中提取胶原蛋白，不仅有助于减少蛋白资源浪费，减轻环境污染，而且可以实现低值水产品的高值化利用。
历史沿革
早期
胶原蛋白的出现最早可追溯到公元前4000年的古埃及，考古学家在金字塔中发现了皮胶制造技术的壁画以及动物胶残留物。
19世纪
19世纪初，“胶原蛋白”这一名词首次出现在组织学著作中。胶原蛋白，“Collagen”，源于希腊语“Kolla”和'Genos”，意为“胶水”和“形成”，是人及其他哺乳动物体内最丰富的蛋白质，广泛存在于动物界。19世纪下半叶，随着组织学的快速发展，学者们通过光学显微镜观察并描述了胶原蛋白在人体内的分布情况。
20世纪
20世纪上半叶，许多科学家开始探索胶原蛋白的结构和特性。萨迪科夫（Ssadikow）在1927年首次使用胶原酶“Collagenase”这一名词，其能够分离天然胶原蛋白和明胶。有学者用电子显微镜观察胶原蛋白，明确了胶原蛋白的3股螺旋结构和其他形态学细节。
研究皮革鞣制和明胶生产的化学家首次对胶原蛋白的氨基酸组成、水解抵抗力以及特殊机械性能等物理化学特征进行了描述。1927年，纳盖特（Nageotte）首次尝试用生化方法研究胶原蛋白，他用冷稀冰醋提取、分离出了大鼠尾腱中的天然可溶性胶原蛋白。
20世纪60年代，胶原蛋白在健康与疾病中的作用引起了科学家们的广泛研究。研究表明，人体的许多生理和病理状况都与胶原蛋白的溶解性有关。在生化和医学领域，人们使用萃取法获得胶原蛋白。同时，相关研究发现了胶原蛋白交联的形成与其萃取性有关，这一发现引起了学者们对胶原蛋白分子交联性质的大量研究。L-羟脯氨酸是胶原蛋白的特征氨基酸，含量约为10%，因此尿液中的羟脯氨酸含量可作为胶原蛋白代谢指数被广泛应用于临床实践。
20世纪70年代，人们开始将胶原蛋白当作一种单一蛋白质进行研究，随着不同类型的胶原蛋白逐渐被发现，其种类迅速增加。1962年，格罗斯（Gross）和拉皮尔（Lapiere）在描述脊椎动物胶原酶时，来源于细菌的胶原酶才逐渐进入人们的视野。1968年，拉撒路（Lazarus）研究团队从人的粒细胞中提取出一种胶原酶，可水解重组胶原蛋白纤维并降低胶原溶液的黏度。1975年，尤金（Eugene）等发现了人皮肤成纤维细胞会产生胶原酶，并报道了可能有胶原酶抑制剂的存在。
1976年，有学者报道了胶原蛋白分解可能参与的代谢途径以及胶原酶潜在的抑制剂和激活剂。此后，关于胶原蛋白的研究主要集中在胶原蛋白类型、分子和超分子结构、新陈代谢途径以及生物学功能等方面。1971年，克法利德斯（Kefalides）研究表明基底膜含有一种特定的Ⅳ型胶原蛋白。
1981年，库恩（Kuhn）和廷普尔（Timpl）等发现Ⅳ型胶原蛋白的分子结构和形成超分子结构的能力与其他胶原蛋白明显不同。对胶原蛋白合成过程中出现的前体形式的描述是20世纪70年代初的重要发现之一，之后的一系列研究阐明了胶原蛋白生物合成的复杂过程，在此基础上进行了L-脯氨酸和赖氨酸残基羟基化的药理学调节研究。20世纪80年代，已经描述了超过12种胶原蛋白的特征，其他类型的胶原蛋白也在不断地被研究和探索。
21世纪
进入21世纪，欧盟科学委员会首次确认胶原蛋白具有安全食用的性能，胶原蛋白的应用从材料拓展到了食品、医药、化妆品等多个领域。近年来，胶原蛋白在各行各业得到了广泛的应用。胶原蛋白水解得到的胶原蛋白肽具有良好的保健功能，如用于治疗骨质疏松症、动脉粥样硬化、高血压，改善皮肤状况、抗氧化等。
另外大量的胶原蛋白被用于皮革、医疗、组织工程、骨移植、化妆品、食品和制药等行业，也用于生产具有不同功能特性的明胶，如凝胶、乳化剂、增稠剂、稳定剂等。由于需求量的不断增长，胶原蛋白的产量日益增加，全球胶原蛋白市场规模也在不断扩大。
组成与类型
组成
氨基酸是组成胶原蛋白的基本结构单位，不同动物皮胶原蛋白氨基酸分子式及含量不同。胶原的组成与任何其他已知蛋白质不同，具有三个显著特征：一是甘氨酸、L-脯氨酸和L-羟脯氨酸残基含量特别高，所占比例大约分别为氨基酸残基的30%、10%和10%；二是胶原分子多肽链的排列结构具有规律性，基本顺序是 Gly-X-Y周期结构，通常X为脯氨酸（Pro）、Y为羟脯氨酸（Hyp）；三是脯氨酸和羟脯氨酸是胶原的特征氨基酸，只存在于胶原中，两者都是环状氨基酸，对胶原分子具有稳定作用，使胶原具有微弹性和拉伸强度。
类型
截止2022年，已经发现了29种不同的胶原蛋白。按照发现它们的顺序分别称之为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型胶原蛋白等。根据胶原蛋白在体内的分布情况，可将其分为间质胶原蛋白、基底膜胶原蛋白和外周胶原蛋白。根据这些胶原蛋白是否能形成纤维可分成两种类型：第一种类型是纤维胶原蛋白，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、V和Ⅺ型胶原蛋白；另一种是非纤维胶原蛋白，可以分为基底膜胶原蛋白、微纤维胶原蛋白、锚定胶原蛋白、六角网状胶原蛋白、三螺旋断裂的原纤维相关胶原蛋白、跨膜胶原蛋白、多重胶原蛋白等。其中，纤维胶原蛋白大约占胶原蛋白总量的90%，非纤维胶原蛋白中的α-链同时包括三螺旋结构域和非三螺旋结构域。
特征
免疫原性低
胶原蛋白结构重复率较高，相比于其他具有免疫性的蛋白质，胶原蛋白免疫原性更低。因为，胶原蛋白的主要免疫原性位点是在分子的C、N末端区域，该区域被称为端肽，是由短的、非螺旋氨基酸序列所组成。在胶原蛋白提取过程中，端肽会被选择性水解或者去除而失去活性，仅在胶原蛋白分子的三股螺旋结构内保留一些微弱的免疫原性。
可生物降解性
有机高分子化合物生物降解是指材料在生物体内，能够被酶或微生物促进降解，高分子主链断裂、分子量逐渐变小，最终成为单体或代谢产物。胶原蛋白紧密的螺旋结构使得大多数Caspase-3只能切断胶原蛋白的侧链，削弱胶原蛋白分子之间交联。胶原蛋白肽键只有在胶原酶作用下才会被破坏，人体内部组织中存在的胶原酶对促进胶原蛋白降解发挥很大作用。
生物相容性
胶原蛋白具有良好的亲和性，能够帮助细胞和组织维持正常的生理功能。同时，优良的亲和性有利于细胞外间质网络状构成，提高细胞黏结性，使得胶原蛋白具有一定修复作用。
促进细胞生长
胶原蛋白是细胞外间质的主要成分，也是细胞生长的良好培养基。在细胞的迁移、增殖过程中，胶原蛋白不仅提供营养基础，还起到支架作用。发现胶原蛋白能引导上皮细胞迁移到人体缺损区，从而促进角膜上皮损伤修复及细胞生长。同时，胶原蛋白的降解产生物能够被新生细胞利用，合成新的胶原蛋白，在细胞中起到连接作用。
止血性
胶原蛋白具有促进血小板凝聚和血浆结块功能。胶原蛋白纤维与血液接触后，血液中的血小板会与胶原蛋白纤维吸附在一起，发生凝聚反应，从而生成纤维蛋白，进而形成血栓，促进血浆结块达到阻止流血、促进凝血目的。
分类结构
胶原蛋白分子具有一级、二级、三级和四级结构。它的一级结构是由基因中不同的核苷酸序列决定的α-链的基本结构。二级结构指的是其三螺旋结构，即超螺旋体。三级结构指构成胶原蛋白分子的肽链主侧链间的空间排布及其形成的次级键。四级结构指的是胶原蛋白分子3条多肽链内部通过共价键交联形成整个胶原纤维的规则结构。
一级结构
α-链是构成胶原蛋白的基本单位，其由N端肽、螺旋结构域和C端肽3个部分构成。螺旋结构域的氨基酸序列是胶原分子的主要结构，其特征是Gly-X-Y重复序列，在X和Y位置占主导地位是L-脯氨酸（Pro）和L-羟脯氨酸（Hyp）。这两种氨基酸是胶原蛋白的特征氨基酸，通常只存在于胶原蛋白中，在其他蛋白质中非常少见。每一个α-链包含约1000个氨基酸，分子质量约为100ku。由于甘氨酸含量高，胶原蛋白的平均分子质量低于大多数蛋白质。每3个氨基酸残基中就有一个是甘氨酸（Gly），这是胶原蛋白超螺旋结构形成的关键。Gly是最小的氨基酸，只有一个氢原子侧链，可以在没有空间位阻的情况下成为超螺旋中心的一部分，从而使3条α-链紧密结合在一起，最终形成一个具有疏水核心的超螺旋。亚氨基酸的吡咯环所带来的构象限制进一步强化了超螺旋结构，Hyp与羟基形成的链间氢键对维持超螺旋结构也有一定的作用。
每条α-链的螺旋端部都有一个短肽段，即末端肽，为非螺旋结构。未端肽通常由赖氨酸（Lys）及羟赖氨酸（HyI）组成，且不包含Gly-X-Y重复序列。这个端肽的结构域决定了分子间的相互作用，有助于稳定正常的纤维组装。不同的胶原蛋白α-链的氨基酸序列不同。人的Ⅰ型胶原蛋白α-1链含有1464个氨基酸，羧基端由25个氨基酸残基组成，氨基端有16个氨基酸残基，甘氨酸含量为15.98%，L-脯氨酸19.35%。α-2链含有1366个氨基酸，其中甘氨酸16.78%，脯氨酸17.33%。胶原蛋白的C端前肽突变占总致病突变的概率为5%，该类型突变可以削弱胶原蛋白的聚集和折叠能力。α-1链中的甘氨酸被替代后，会影响三维螺旋结构的稳定性，形成致病因子。如果突变发生在α-1链羧基端附近，则会影响胶原单体和非胶原蛋白之间的相互作用。在α-2链中，甘氨酸替换基本是非致病的，但是，该链上有8个可致病的糖蛋白结合位点。
二级结构
蛋白质的二级结构指肽链主链的局部空间构成，主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。胶原蛋白的螺旋结构不同于普通的α-螺旋结构。其每条α-链均为左手螺旋，螺距为0.87nm，每圈有3.3个氨基酸，3条肽链相互缠绕形成一个长右手螺旋，螺距为9.6nm，每圈有3.6个氨基酸，形成了胶原分子特有的三螺旋结构。维持这种超螺旋结构的作用力主要是分子间相互作用及分子内的氢键。其中，分子内的氢键包括肽链的甘氨酸残基上的H与相邻肽链上的C=O基团之间形成的氢键，肽链上L-羟脯氨酸基团间所形成的氢键和肽链上的羟脯氨酸通过水分子在肽链内及肽链间形成的氢键。胶原蛋白的二级结构与它执行生物功能的能力直接相关。胶原蛋白的端肽可通过分子间的共价作用互相连接形成低聚物（二聚体、三聚体等），在胶原蛋白形成纤维结构的过程中起着重要的作用。4~8个胶原蛋白分子在截面上共价相连形成胶原原纤维的基本结构单位，这些基本结构单元（原纤维）交联形成典型的基质上皮、肌腱和骨骼。
三级结构
胶原蛋白的三级结构指其分子中肽链盘曲折叠形成的空间结构，除了主链的空间排布以外，还包括侧链的空间排布。胶原蛋白三螺旋结构通过肽链间次级键，如离子键氢键、范德华力的相互作用，以及胶原蛋白分子间和分子内存在的醇醛缩合交联、醛胺缩合交联和醇醛组氨酸的生物合成交联使肽键的链接更牢固，从而使胶原结构更稳定。研究表明，明胶与胶原蛋白有相似的类三螺旋结构，其主要也是依靠分子内氧键和氢键的水合作用维持类三螺旋结构的稳定性。Hyp和Pro的存在对明胶的结构和性质有着相当重要的作用，这是因为Pro中的一NH和Hyp中的一OH能与其他氨基酸侧链基团及水分子形成氢键，以此维持类三螺旋结构的稳定。
四级结构
蛋白质分子中每个具有三级结构的多肽链单位称为蛋白质的亚基或者原聚体，蛋白质的四级结构指各个亚基的空间排布，亚基之间的相互作用和重叠部分的布局。与其他蛋白质相比，胶原蛋白的四级结构是指胶原分子依靠氢键、离子键等作用，按一定的方式排列成稳定的胶原纤维。除氢键、离子键等作用外，胶原分子内部及分子之间的共价交联也使得其具有很好的物理化学稳定性。
胶原性质
胶原在绝干状态下硬而脆，相对密度为1.4，天然胶原的等电点为7.5~7.8，略偏碱性。
酸碱对胶原的作用
胶原肽链存在的酸碱性基团，在溶液中能和酸或碱结合，结合酸碱的量分别称为胶原的酸容量和碱容量。每克干胶原的酸容量为0.82~0.9mmol，碱容量为0.4~0.5mmol。碱或酸与胶原肽链上酸碱性基团结合后，胶原分子间及肽链间氢键、交联键将被打开，引起胶原纤维的膨胀。强酸、强碱长时间处理，胶原会因分子间交联键的破坏肽键水解而溶解，这种变化称胶解。海德曼等通过对酸溶和碱溶明胶的相对分子质量分布研究发现，酸对胶原的水解表现出更大的偶然性，酸法明胶的相对分子质量分布范围较碱法明胶宽得多。
盐对胶原的作用
不同的盐对胶原的作用差别很大，有的可以使胶原膨胀，有的则使胶原脱水、沉淀按照盐对胶原的不同作用，可以把盐分为以下三类：
① 使胶原极度膨胀的盐，如碘化物、钙盐、锂盐、柠檬酸镁等，膨胀作用使纤维缩短、变粗并引起胶原蛋白变性。
②）低浓度时有轻微的膨胀作用，高浓度时引起脱水的盐，Nacl是这类盐中的典型。这类盐对胶原蛋白的构象影响不大。
盐对胶原的膨胀作用、脱水作用的机理比较复杂。一般认为不同的盐对维持胶原构象的氢键和离子键具有不同的影响。胶原分子的螺旋构象以及维持构象的各种分子间作用力赋予胶原纤维不溶的性质。任何使胶原膨胀的盐类都可能同时具有两种作用，即降低分子的内聚作用（削弱、破坏化学键）并增加其亲溶剂性中性盐对胶原的盐效应在制革化学中具有重要意义。在浸水过程中多加入硫化钠，可以促进大理生皮的充水。碱膨胀后用（NH），SO，脱碱、消肿，利用的就是中性盐的脱水性：过量NaCl的加人，可以抑制浸酸过程中胶原纤维的剧烈膨胀以及由此而导致的过度水解。
酶对胶原的作用
天然胶原对酶有很强的抵抗力，这主要是胶原紧密的三股螺旋构象对肽链的保护作用。按照酶对胶原肽链的水解能力和方式，可以把酶分为以下四类：
①动物胶原酶（ 脊椎动物 collagenase），这是从动物胰脏中分离出来的，可以水解天然胶原的Caspase-3。动物胶原酶对天然胶原的水解作用仅仅发生在α链螺旋区的第775~776位 Gly-Leu之间，它可以从这里把α链切为两段，然后胶原自动变性，可被其他蛋白
酶水解。
② 胰蛋白酶（trypsin），主要来自动物胰脏。其对胶原的作用方式与动物胶原酶相似。水解部位位于动物胶原酶的相邻处，即第780~781位Arg-Gly之间。不同的是它对天然胶原的水解能力要比动物胶原酶低得多。
③作用于天然胶原非螺旋区段的Caspase-3，胃蛋白酶（pepsin）、木瓜蛋白酶（papain）胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）均可作用于天然胶原的非螺旋区段肽链，但对螺旋区一般无作用，上述酶因此被用于天然胶原的制备中。胃蛋白酶是酸性酶，在pH=1.5~2.0时具有最大活力。
④）细菌胶原酶（ bacterial collagenase），一般通过微生物发酵得到，它们对胶原肽链中所有的Gly-X-Y三肽敏感，可以从肽链的两端开始，把肽链水解成小片段直至Gly-X-Y三肽。细菌胶原酶只能水解胶原而不水解非胶原蛋白质。细菌胶原酶作用的最适pH为中性，并要求一定的Ca2+作激活剂。
胶原的湿热稳定性
溶液态胶原的变性温度为38~40℃，一旦变性，便形成明胶（鱼胶粉），黏度下降，并可溶于广泛范围的pH（1~13）的溶液中，这与普通蛋白质凝固的性质正好相反。若为胶原纤维（不溶性胶原），其热变性温度则高得多。当把皮胶原置于液体加热介质中进行升温时，某一温度下会发生突然的收缩变性（卷曲），这种产生热变性的温度称为收缩温度（Ts）。皮胶原热收缩温度随材料的来源而略有差异，一般为60℃~65℃。
收缩后的胶原纤维明显地变粗变短，强度大大降低，并表现出弹性。X射线衍射图像证实，此时胶原的天然构象已经崩溃，成为无规则卷曲。
胶原的热变性与氢键的破坏有关。对于胶原分子，维持构象稳定的作用力主要是链间氢键，而L-羟脯氨酸的羟基氢原子与主链上羰基氧原子之间形成的氢键具有重要意义。研究发现，胶原中羟L-脯氨酸的含量与胶原纤维的热收缩变性温度存在对应关系，羟脯氨酸含量高则热收缩变性温度也较高。
胶原分子间及链间的共价交联也能显著提高其湿热稳定性。制革鞣制可大大提高胶原的收缩温度，主要是由于在胶原纤维间引进了新的交联结构。收缩温度是制革过程中对胶原水解、变性程度和革的鞣制质量进行评价的重要指标。
生物合成
胶原蛋白的生物合成与其他分泌蛋白有许多相似之处。胶原蛋白的生物合成有两个显著特征：①需要合成前体；②涉及几个不同寻常的转译后修饰。胶原蛋白的合成是一个多阶段的、复杂的生物合成途径，它包括细胞内的加工和细胞外的修饰。
在胶原蛋白合成过程中，早期进行特定基因的转录和翻译。然后，翻译产物在细胞内进行加工，此过程包括前胶原α-链的合成，前胶原α-链的羟基化，前胶原α-链的糖基化和前胶原α-链的链接4个方面。在高度特异的酶催化下，前胶原多肽链经过大量共翻译和翻译后修饰形成了胶原蛋白的独特结构。胶原蛋白的生物合成比迄今为止检测到的任何其他蛋白质都涉及更广泛的翻译后酶反应。胶原蛋白中的L-羟脯氨酸、羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸都是脯氨酸和赖氨酸残基翻译后修饰的结果。此外，在前胶原肽延伸段中发现的链间二硫键也是翻译后修饰的结果，其中肽基脯氨酸经羟化转化为羟脯氨酸的过程对于将3个多肽链折叠成正确的三螺旋结构至关重要。
前胶原α-链的合成
胶原蛋白的前体形式称为前胶原，它与胶原蛋白的不同之处在于其分子的3条多肽链上包含额外的肽延伸。肽延伸对于多肽链的结合以及多肽折叠形成天然三螺旋构象是必不可少的。额外的肽延伸使前胶原比胶原蛋白更容易溶解，而前胶原的功能之一是作为一种“运输”形式，防止生物合成过程中纤维的过早形成。前胶原分子从细胞分泌出去后进行水解转化，在细胞外肽酶的催化作用下进行胶原分子正常的纤维聚合。
胶原蛋白基因的多样性
各种胶原分子不同程度的“翻译后”修饰可以解释不同胶原蛋白中L-羟脯氨酸、羟赖氨酸和糖基化羟赖氨酸含量的差异。多肽链中氨基酸的含量和分布差异等反映了结构基因的多样性。胶原蛋白基因，即COL，两个数字由一个字母“A”分开，第一个数字表示编码胶原蛋白的类型，第二个是链号。例如，COL2A1（NCBl gene ID：1280）是Ⅱ型胶原蛋白α1（Ⅱ）链的一个基因。胶原蛋白基因的大小从39000对（鸡的COL1A2）到18000对【人的COL1A1（NCBl gene ID：1277）】不等。与其他真核生物基因一样，胶原蛋白的结构基因由外显子和内含子组成，外显子由非编码的内含子隔开，其编码序列占据整个基因的10%~30%。此外，内含子具有相当大的可变性。
前胶原α-链的性质
前胶原多肽链的末端有肽延伸，因此初次合成的前胶原多肽链的分子质量比胶原蛋白链大40%。肽延伸又被称为信号肽、信号序列、前导肽；其氨基端氨基酸残基带正电荷，后接疏水氨基酸残基，整体结构类似于分泌蛋白的信号序列。在胶原蛋白合成过程中，负责分解信号肽的“信号肽酶”是一种非特异性酶，其可以水解多种蛋白质。肽延伸与α-多肽链之间没有特定的链接序列，但当肽延伸序列改变或非生理氨基酸掺入的情况下，信号肽的切割受阻，导致跨膜易位缺陷或膜释放受损，从而使蛋白质的生产受到抑制。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型前胶原肽延伸的氨基酸组成表明，与胶原蛋白相比，它们含有较少的甘氨酸，较少或不含L-羟脯氨酸和羟赖氨酸，较多酸性氨基酸和芳香族氨基酸。
前胶原α-链的羟基化修饰
前胶原α-链的羟基化修饰主要是指脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化。脯氨酸4-羟化酶（P4HA3，NCBl gene ID：2152）、脯氨酰3-羟化酶（P3H4，NCBl gene ID：10609）、赖氨酸羟化酶（LH，NCBl gene ID：5351），这3种特异性羟化酶分别是前胶原中4-羟基L-脯氨酸（HyP，NCBl gene lD：5251）、3-羟基脯氨酸（HyP，NCBl gene ID：5251）和羟赖氨酸（Hyl，NCBl gene ID：4145）形成所必需的。羟基化的产物几乎只存在于胶原蛋白中，羟基化不仅是胶原蛋白生物合成的独特特征，而且还可能是胶原蛋白形成过程中的关键调控步骤。
前胶原的非羟基化多肽链只有在24℃的低温下才能形成三螺旋结构，因此，正常体温条件下，肽链需要进行羟基化以保证螺旋结构的形成和稳定。脯氨酸4-羟化酶（EC1.14.11.2，前胶原-L-脯氨酸α-酮戊二酸4-双加氧酶）也称脯氨酸羟化酶，该酶催化多肽链中4位脯氨酸残基的羟化，这一过程对于三螺旋的形成和在生理条件下结构的稳定至关重要。脯氨酸羟基化反应需要α-酮戊二酸和O2以及Fe2+和维生素c两种辅助因子的参与：O2分子的一个原子氧化脱羧后的α-酮戊二酸，另一个原子并入L-羟脯氨酸残基中的羟基。
肽基羟化酶的反应机制。羟化酶活性位点包含由2个His残基和1个Asp残基配位的Fe2+，α-酮戊二酸与其结合可置换2个水分子；在肽的氨基端与酶进行结合时可置换第3个水分子；氧气参与底物结合过程，其形成的阴离子中间体会攻击α-酮戊二酸形成的环状过氧化物分子从而生成一个中间产物；随后，该中间产物坍塌导致形成了Fe5+配位化合物，其可从肽的氨基端中获取氢原子；最后肽氨基端自由基与Fe3+一OH复合物反应形成羟基化底物并使酶恢复到静止位置。
在脯氨酸4-羟化酶催化的羟化反应中，进行羟基化的残基必须位于肽段中，该酶不会羟化游离L-脯氨酸，其催化位置和所需的最小序列已经用合成底物进行了研究。前胶原中的L-羟脯氨酸残基位于甘氨酸残基之前，三肽Pro-Pro-Gly和Ala-Pro-Gly是羟基化作用最简单的底物，其他序列如Gly-Pro-Pro、Gly-Pro-Ala或Pro-Gly-Pro不会进行羟基化。基于这些发现，可推测脯氨酸4-羟化酶催化所需的最小序列为X-Pro-Gly，其中X位的氨基酸残基会对羟基化反应的进行产生一定影响。羟基化速度最快的是X位为脯氨酸的多肽；X位为丙氨酸时的羟化速度也很快。当X位为亮氨酸、精氨酸和缬氨酸时会降低反应速度，但不会抑制羟基化反应。X位为甘氨酸或肌氨酸的多肽不会发生羟基化。氨酸3-羟化酶（EC 1.14.11.7，前胶原L-脯氨酸α-酮戊二酸3-双加氧酶 ），相对分子质量约为160000，其第3位脯氨酸残基的羟基化需要出现多肽序列Pro-Hyp-Gly。赖氨酸羟化酶（EC 1.14.11.4，前胶原-赖氨酸2-氧谷氨酸4-二氧酶）是一种催化前胶原多肽链中合成羟赖氨酸的酶，属于糖蛋白。它的作用机制类似于脯氨酸羟化酶，并且需要相同的辅助因子参与。
前胶原α-链的糖基化修饰
羟赖氨酸残基的糖基化
哺乳动物的胶原蛋白中包含两种与羟赖氨酸相连的糖类单位：半乳糖和葡萄糖基半乳糖，碳水化合物单位与O-糖苷连接物附着在羟赖氨酸残基上。羟赖氨酸残基的糖基化由羟基糖半乳糖基转移酶【EC 2.4.1.50，尿苷二磷酸（UDP）-半乳糖-胶原半乳糖基转移酶】和半乳糖羟赖氨酰葡萄糖基转移酶（EC 2.4.1.66，UDP-葡萄糖-胶原-葡萄糖转移酶）两种特定酶催化。前者连接半乳糖，后者通过添加一个葡萄糖单位来延长碳水化合物结构。碳水化合物由相应的UDP糖苷提供。由于三螺旋结构的形成会完全阻止糖类的加入，所以糖基化反应发生在单链中。羟基糖半乳糖基转移酶比半乳糖羟赖氨酰葡萄糖基转移酶更具有底物特异性，转移酶的底物特异性反映了它们在胶原蛋白翻译后修饰中的不同作用位点。羟基赖氨酸仅由多肽链中的赖氨酸残基形成，只有在肽中才能作为糖基化的底物，游离羟基赖氨酸不能作为底物，因此长肽链比短肽链更易作为转移酶的底物。X-HyI-GIy的数量可作为糖基化反应进行的重要指标，X位的氨基酸残基种类也会对反应的进行产生一定影响。
肽基半乳糖羟赖氨酰葡萄糖基转移酶活性的最佳条件为pH7.0~7.4，每个分子可以结合两个Mn2+作为辅助因子，Fe2+和Co2+可以部分取代Mn2+，但是所需的钴离子浓度高于组织中的自然浓度。在高浓度的Mn2+下，该酶结合两个锰离子，然后结合UDP-葡萄糖。在体内，该酶结合一个锰离子、UDP葡萄糖，然后结合肽底物。产物以相反顺序释放，锰离子可以与酶结合进行另一个催化循环。糖基化是赖氨酸残基羟基化之后的生物合成阶段，糖基化在羟基化之后立即发生。多肽链在核糖体上组装，羟基化和糖基化在多肽链释放到粗糙内质网的腔内后进行，并以螺旋的形成结束。胶原蛋白的糖基化会影响纤维形成的直径。有迹象表明，糖基化调节了胶原酶降解胶原蛋白的易感性，并参与了前胶原在细胞外的运输。羟基赖氨酸糖苷的定位有助于角膜透明，同时，与糖类结合的羟基赖氨酸残基能够形成交联结构。
天冬酰胺残基的糖基化
胶原蛋白分子只含有与羟基赖氨酸残基结合的糖基化键，因此其在形成时会切除前胶原末端肽中的其他碳水化合物单位。天冬酰胺残基的糖基化作用存在于前胶原氨基和羧基末端肽中。寡聚糖链在脂质载体上合成，主要存在于Ⅰ型和Ⅲ型前胶原的羧基末端肽中，而Ⅱ型前胶原在两种末端肽中都含有寡聚糖链。葡萄糖、甘露糖和酰基葡萄糖等单糖可作为整体转移到前胶原上。在人的前α1（Ⅰ）和前α2（Ⅰ）链、鸡的前α2（Ⅰ）和前α1（Ⅲ）链的序列Asn-lle-Thr中存在糖基化的非洲天门冬酰胺残基，该序列也是小鸡前胶原α1（Ⅰ）链中寡聚糖的结合序列。
前胶原肽链转变为胶原蛋白
前胶原肽链的连接依赖二硫键，其主要存在于Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型胶原蛋白氨基端前肽和Ⅲ型胶原羧基端前肽，可为蛋白质结构的稳定提供共价键。在完成羟基化和糖基化后，前胶原肽链立即自发结合生成前胶原分子，这个过程不需要酶参与。随后前胶原分子在细胞外转化为胶原蛋白，此过程需要从分子的两端去除前肽（端肽），每种类型的前胶原分子至少需要前胶原N-Caspase-3和前胶原C-蛋白酶两种酶的参与。前胶原N-和C-蛋白酶属于内肽酶，需要Ca2+作为辅助因子才能获得最大活性。在中性pH条件下，前胶原N-和C-蛋白酶可能不会先裂解亚氨基或羧基未端前肽的必需序列，而且其在不同类型的胶原蛋白中进行前肽切除的作用效果不同。
超分子结构的形成
胶原蛋白能有序地自发组装并形成超分子结构。截至2022年，大多数的研究都集中在Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型胶原蛋白上，但一些非纤维类型的胶原蛋白也能以特定的方式形成三维网络结构。常见的胶原超分子结构有纤维束、胶原蛋白Ⅳ形成的四边形网络、胶原蛋白Ⅷ形成的六边形网络、胶原蛋白Ⅵ形成的串珠长丝䰶以及胶原蛋白Ⅶ形成的锚定纤维。研究纤维的生成机制可以在体内和体外两种情况下进行，体内系统比体外系统要复杂得多。在体外研究过程中，没有细胞和其他基质成分，使用纯化的胶原蛋白溶液进行操作。而在体内条件下，胶原蛋白分子由成纤维细胞有序沉积后以蛋白聚糖和结构糖蛋白的形式分泌到细胞外空间，通常，分泌的胶原蛋白不止一种。体内和体外原纤维形成系统之间还有另一个区别，体内的原纤维是连续分泌并从前胶原转化为胶原蛋白而形成的，而体外胶原蛋白分子是在组织中提取，并通过解聚成熟的交联蛋白得到的。纤维生成的动力学研究为超分子结构的形成提供了两种假设的模型。一个是成核和生长途径，临界数量的胶原分子形成了原子核，额外的分子积累（生长阶段）导致了原纤维的形成；另一个模型为多步骤组装过程，胶原单体聚集成中间体，然后形成大的原纤维。
胶原蛋白的共价交联
胶原蛋白成熟的基本现象是交联的形成和溶解性的降低，这一过程与胶原蛋白结构中共价键的形成有关。交联可以发生在分子内两个α-链之间，也可以是不同分子的链之间，这些交联过程分为可还原的和不可还原两种。交联的基本机制是由赖氨酸氧化酶催化赖氨酸或羟赖氨酸残基中的ε-氨基进行氧化脱氨化反应，这是交联形成的关键步骤。脱氨生成ε-醛基赖氨酸和ε-醛基羟赖氨酸，由此可以区分两种交联途径：一种基于醛基赖氨酸，另一种基于醛基羟赖氨酸，所形成的醛会进一步发生化学反应。
在过去10年中，已经确立了吡咯交联作为骨胶原中的成熟产物及其分子定位的突出地位。通常，醛基赖氨酸与醛基羟赖氨酸引发的两种基本途径分别出现在松散和僵硬的结缔组织中。历史研究发现，醛基赖氨酸途径更容易进行研究，因为最初形成的醛亚胺在低pH下会发生裂解，从而使得相关动物体内的胶原蛋白单体可以溶解在0.5mol/L的冰醋中，便于分析和研究。
对吡啶啉残基和胶原交联的研究中引入注意的发现是这些残基以及血液和尿液中含有这些残基的肽可以作为骨吸收和结缔组织降解的生物标志物。由于吡啶啉不能被代谢，所以它们在血液和尿液中的含量为胶原蛋白量提供了衡量标准，从而可以衡量胶原蛋白水解产生的组织数量。但是，单个细胞可以通过相同的加工酶和内质网途径合成多种胶原蛋白，所以交联化学变化似乎更具有组织特异性，而不是胶原类型特异性。
交联的基本途径主要由端肽和三螺旋结构域赖氨酸残基的羟基化模式调节。然而，交联赖氨酸残基周围的侧翼序列会影响随后的化学反应。例如，研究人员发现组氨酸的生物合成残基参与了皮肤Ⅰ型胶原蛋白中成熟三价交联的形成。α2（Ⅰ）链上的组氨酸（第3个胶原分子）与两个4D交错的胶原分子的醛基赖氨酸和羟赖氨酸残基之间形成邻位醛亚胺的交联反应。
功能与代谢
胶原蛋白在体内的分布
胶原蛋白是哺乳动物体内最丰富的蛋白质，占人体蛋白质总量的25%~30%。胶原蛋白在体内的分布是指其在组织和器官的定位及其胶原蛋白含量。每种胶原蛋白的序列、结构和功能各不相同，因此每种胶原蛋白在皮肤、骨骼、肌腱、血管系统或肌内结缔组织中的分布也不同，但是它们在相应的组织器官中都起到维持结构稳定性和完整性的作用。
在人体皮肤中，胶原蛋白约占总氮含量的75%。胶原蛋白相对含量最高的部位是肌腱，含量为85%。在人体内，皮肤、肌腱等组织中的胶原蛋白主要是Ⅰ型胶原蛋白。在所有结缔组织中，Ⅰ型胶原蛋白是主要的原纤维胶原蛋白，因为它可以在体外形成具有高抗拉强度和高稳定性的不溶性纤维，从而使其成为现代应用的主要纤维胶原蛋白。在软骨细胞中，胶原蛋白主要是Ⅱ型胶原蛋白；血管壁和子宫壁中含量较为丰富的是Ⅲ型胶原蛋白。Ⅳ型胶原蛋白属于基底膜胶原蛋白，其主要存在于基底膜上。V型胶原蛋白是细胞外周胶原蛋白，通常在结缔组织中存在较为丰富。
分类与功能
Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白在胶原蛋白中占比较高，其他类型的胶原蛋白占胶原蛋白总量的不到10%，但在组织中也起着重要作用。另外，胶原蛋白是结缔组织的主要组成部分，应充分考虑其生物学功能。同时，胶原蛋白也与细胞外基质的其他组分保持着紧密联系。
纤维胶原蛋白
纤维胶原蛋白包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、V、Ⅵ、XXⅣ、XXⅦ型胶原蛋白，其中Ⅰ型胶原蛋白是含量最丰富和研究最多的胶原蛋白，在骨骼有机质中含量高达90%以上，是肌腱、皮肤、韧带、角膜和许多间质结缔组织的主要胶原蛋白。在体内，Ⅰ型胶原蛋白的三股螺旋纤维主要掺入含有Ⅲ型胶原蛋白（在皮肤和网状纤维中）或V型胶原蛋白（在骨，腱，角膜中）的配位化合物中。Ⅰ型胶原蛋白具有拉伸刚度，在大多数器官中，特别是在肌腱和筋膜中广泛存在。而在骨骼中，Ⅰ型胶原蛋白则具有相当大的生物力学性能，尤其是在钙化后，与骨骼的承重、拉伸强度和扭转刚度性能密切相关。
Ⅱ型胶原蛋白是透明软骨的主要组成成分，约占透明软骨胶原蛋白总含量的80%，它也存在于玻璃体、角膜上皮、脊索、椎间盘髓核和胚胎上皮中。Ⅱ型胶原蛋白与Ⅰ型胶原蛋白是同型三聚体，其大小和生物力学性质相似。与Ⅰ型胶原蛋白相比，Ⅱ型胶原蛋白中的羟基赖氨酸、葡萄糖基和半乳糖基残基含量更高。Ⅱ型胶原蛋白的前体mRNA进行可变剪接导致产生ⅡA和ⅡB两种形式的α1（Ⅱ）链。ⅡA变体存在于软骨形成的前间充质、骨赘、软骨膜、椎骨和软骨形成性肿瘤中。相较于ⅡA变体，编码变体ⅡB的mRNA去除了编码N末端前肽中的球形结构域（富含半胱氨酸）中的第2个外显子，在成熟软骨中更具优势。从ⅡA到ⅡB的转变表明了Ⅱ型胶原蛋白在发育过程中的作用，ⅡB变体也成为成熟软骨的特征性标志。
Ⅲ型胶原蛋白广泛分布在Ⅰ型胶原蛋白组织中（除骨骼外），是肺、肝、真皮、脾脏和血管间质组织中网状纤维的重要成分。不仅如此，其在弹性组织中也很丰富。
V型和Ⅺ型胶原蛋白是拥有不同α-链（α1、α2、α3）的异源三聚体。值得注意的是，Ⅺ型胶原蛋白的α3链与Ⅱ型胶原的α1链拥有相同的编码基因，只是它们的糖基化和羟基化程度不同。在各种组织中存在不同类型的V型和Ⅺ型胶原蛋白链之间的组合，因此V型和Ⅺ型胶原在形成胶原原纤维的胶原分子中形成了一个亚科，它们与该家族的其他成员具有相似的生化特性和功能。V型胶原蛋白通常可以与Ⅰ型或Ⅲ型胶原蛋白组合生成异纤维，其组合有助于形成有机骨基质、角膜基质以及肌肉、肝、肺和胎盘的间质基质。Ⅺ与Ⅱ型胶原蛋白共同分布在关节软骨中。大量V和Ⅺ型胶原蛋白氨基末端的非胶原结构域在胶原分泌后仅进行了部分加工，将这些胶原蛋白掺入杂纤维可控制其组装，影响纤维直径。由于V和型胶原蛋白的三重螺旋结构域在组织中受到免疫掩盖，所以被认为它们位于原纤维的中心而不是其表面。因此，V型胶原蛋白可作为胶原原纤维的核心结构，Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白围绕该中心轴聚合。
三螺旋断裂的原纤维相关胶原蛋白
Ⅸ、Ⅻ、XⅣ、XⅥ、ⅪX和XX型胶原蛋白属于三螺旋断裂的原纤维相关胶原蛋白（FACITS），这些胶原蛋白是由短的非螺旋结构域中断的“胶原结构域”构成，并且它们的三聚体分子缔合在各种原纤维的表面。Ⅸ型与Ⅱ型胶原蛋白共同分布在软骨和玻璃体中，Ⅸ型胶原蛋白分子沿着Ⅱ型胶原原纤维的表面的反平行方向进行周期性排列，通过赖氨酸衍生的共价键与Ⅱ型胶原N端肽的交联而得以稳定。基于原纤维相关胶原蛋白的特殊分子结构，这些胶原蛋白在N端和C端都有非胶原的（NC）非三重螺旋结构域，并从羧基端开始命名NC1、NC2、NC3等。NC3结构域中的铰链区为氨基酸分子提供了灵活性，并且允许分子质量大且高度阳离子化的球状N末端结构域从原纤维中伸出，从而可与蛋白聚糖或其他基质成分相互作用。NC3结构域中α2（Ⅸ）链的丝氨酸残基可与硫酸软骨素侧链共价连接，也可与各种胶原纤维连接以及与细胞外基质分子相互作用，从而导致Ⅸ胶原蛋白的尺寸在不同组织中有所不同。XⅥ型胶原蛋白存在于透明软骨和皮肤中，与胶原蛋白的“Ⅱ型纤维”联系紧密。Ⅻ型和XⅣ型胶原蛋白在结构上相似，并且与Ⅸ型胶原蛋白具有相同的基因序列，这两种分子均可与皮肤、软骨膜、骨膜、肌腱肺、肝、胎盘和血管壁中的Ⅰ型胶原蛋白缔合或共定位。
微纤维胶原蛋白
Ⅵ型胶原蛋白是具有短三重螺旋结构域的异源三聚体，三条不同的α-链（α1、α2、α3）的球状未端较长。α3链存在较大的N和C末端球状结构域，其长度几乎是其他链的两倍。这些扩展域不仅在细胞内外都经历了可变剪接，而且还进行了大量的翻译后加工。初级原纤维在细胞内部组装成反平行的、重叠的二聚体，然后以平行的方式排列形成四聚体后分泌到细胞外基质中。Ⅵ型胶原四聚体聚集成的细丝几乎可以在所有结缔组织（骨骼除外）中形成独立的微原纤维网络。Ⅵ型胶原纤维在超微结构水平上以细丝、微纤维或具有110nm周期性微弱交叉带的节段出现，但并非所有的细丝都能代表Ⅵ型胶原。
六角网状胶原蛋白
X型和Ⅷ型胶原蛋白在结构上都属于短链胶原蛋白，具有长C未端和短N末端结构域，是同型三聚体胶原蛋白。X型胶原蛋白是胎儿和青少年生长板、肋骨和椎骨中肥大软骨的特征成分。在胎儿软骨中，X型胶原蛋白定位于细丝中，并与Ⅱ型原纤维的形成相关。编码X型胶原蛋白的基因，COL10A1基因（NCBl gene lD：1300）的突变会造成Schmid型干骺端软骨发育不良（SMCD）。该疾病可阻碍干骺端生长板的软骨内骨化，从而导致生长不足和短肢骨骼畸形。因此，X型胶原被认为参与了下部肥大区的钙化过程。体外实验表明，X型胶原蛋白可以组装成六边形网络。Ⅷ型胶原蛋白在结构上与X型胶原非常相似，但其分布与功能有所不同。这两种网络状胶原蛋白都是由内皮细胞产生，且以六边形晶体结构进行组装，分布于特定部位，如角膜的Descemet膜中。
基底膜胶原蛋白
Ⅳ型胶原蛋白是基底膜最重要的结构成分，它能将层粘连蛋白、乳蛋白原等成分整合到可见的二维稳定的超分子聚集体中。Ⅳ型胶原蛋白有3个结构域：N末端7S结构域，C末端球状结构域（NC1）和中央三螺旋部分。中央三螺旋结构中Gly-X-Y重复序列短时中断，从而使其三螺旋结构十分灵活。现已鉴定出六个亚基链，α1（Ⅳ）~α6（Ⅳ），其可缔合成3个不同的异三聚体分子。[α1（Ⅳ）]2α2（Ⅳ）是异三聚体的主要形式，其在大多数胚胎和成年基底膜中形成必不可少的网络，发生突变后具有胚胎致死性。α3（Ⅳ）α4（Ⅳ）α6（Ⅳ）异源三聚体对于肾小球和肺泡基底膜的稳定性和功能十分重要。此外，α5（Ⅳ）、α3（Ⅳ）或α4（Ⅳ）链的缺陷可导致各种形式的Alport综合征。
体内代谢
胶原蛋白的降解机制十分复杂，该机制对体内出现的各种胶原蛋白具有高度特异性。体内胶原蛋白比体外研究的胶原蛋白结构更加复杂。体内组织中的胶原纤维与蛋白聚糖和结构糖蛋白联系密切。在细胞外环境中，胶原蛋白降解的第一阶段是胶原蛋白结构的解聚以及与其他基质成分的分离，随后组织胶原酶会攻击分子的螺旋部分，从而降解解聚后的胶原蛋白；再经相对特异性的明胶酶和胶原肽酶作用生成胶原蛋白肽，从而进入血液系统进行下一步的代谢。
与代谢相关的潜在因素
1、基质金属蛋白酶
基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinase，MMPs）是在Zn2+、Ca2+的辅助下降解细胞外基质中各种蛋白质的水解酶。它在组织塑型、细胞外基质逆转和伤口修复过程中起重要作用。已经分离鉴定出的MMPs共有23种。MMP-1和MMP-13主要参与Ⅰ、Ⅲ型胶原分解代谢过程，并与腹壁切口疝、腹股沟疝以及复发疝的形成有关。MMP-1可降解并清除创伤边缘的无功能前胶原，为新生胶原纤维的更替释放空间；MMP-2主要降解Ⅳ型胶原及弹性蛋白，血清中MMP-2水平的升高会使结缔组织成分的分解加快；MMP-9主要降解Ⅳ、V、Ⅶ型胶原及α1抗胰蛋白酶，并能加强MMP-13的溶胶原功能：MMP-13主要参与术区切口后期愈合及其组织重构过程。
2、基质金属蛋白酶抑制因子
基质金属蛋白酶抑制因子（Tissue Inhibitors of Metalloproteinases，TIMPs）是特异性抑制MMPs的一种蛋白质，在维持胶原蛋白代谢平衡中有重要的作用。当MMPS过度降解组织中细胞外基质成分时，TIMPs大量分泌并与活化的MMPs按1:1进行结合，从而阻止MMPS与底物的结合，使MMPS失去活性，防止组织受到进一步损伤。TIMPS有4种亚型，即TIMP-1、2、3、4，其中TIMP-2是MMP-2的特异性抑制剂。据报道，成纤维细胞中TIMP-1与MMP-1处于正常水平时可维持胶原蛋白代谢平衡，继而有效预防紫外线对皮肤的损害。
3、结缔组织异常性疾病
研究证实，发育性髋关节发育不良的患儿长大后患腹股沟疝病的概率较健康男性儿童高5倍、女性儿童高3倍，腹主动脉瘤患者腹壁切口疝的发病率较健康人高9倍，盆腔脏器脱垂患者易产生食管裂孔疝和腹股沟疝的并发症，这表明疝与多种结缔组织异常的疾病有密切联系，而胶原蛋白代谢素乱与结缔组织渐进性耗尽有关，因此疝可能是全身胶原蛋白代谢紊乱的局部表现。
4、吸烟对胶原蛋白代谢的影响
烟草中一氧化碳、尼古丁等毒性成分会使组织缺氧，从而抑制胶原蛋白的合成代谢，继而导致胶原蛋白代谢紊乱。据报道，吸烟患者伤口中胶原蛋白聚集量少于非吸烟患者，即吸烟者伤口愈合比非吸烟者缓慢，而且吸烟患者腹股沟疝的复发率是非吸烟患者的2倍。吸烟者皮肤组织中的前胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ的含量低于非吸烟者，而MMP-8的含量高于非吸烟者，这些证据均表明吸烟者胶原蛋白代谢水平低于非吸烟者，吸烟人群更容易发生胶原蛋白代谢素乱，并可成为疝发生的高危人群。
5、年龄对胶原蛋白代谢的影响
随着年龄的增长，胶原蛋白代谢水平会明显下降。与年轻人相比，MMP-2、MMP-9在中老年患者皮肤中含量较多，而其抑制剂TIMP-1、TIMP-2含量较少。陈双等（2007）研究表明，正常成人腹股沟疝腹横筋膜中胶原蛋白含量会随着年龄增长而降低。此外，随着年龄增长，慢性咳、便秘、前列增生及长期排便困难等疾病会使腹腔压力增高，从而与胶原蛋白代谢素乱一起导致疝的诱发、恶化以及复发等问题。
6、性别对胶原蛋白代谢的影响
研究表明，老年男性术后发生腹部切口裂开的危险性是同龄女性的2倍，因为老年男性术后切口中胶原蛋白的沉积明显少于同龄女性。由于雌激素可维持组织中胶原蛋白的含量，所以绝经前的女性体内胶原蛋白含量多于男性。绝经后雌激素水平的降低会导致体内胶原蛋白代谢紊乱，继而造成胶原纤维结构松散、抗张能力减弱，因此绝经后女性患者急性创伤的修复与愈合相比于男性患者会延迟。
7、其他因素
除上述因素外，影响胶原蛋白代谢的潜在因素还有很多。Asling等（2009）指出可编码Ⅲ型胶原蛋白的COL3A1基因（NCBl gene ID：1281）与食管裂孔疝的形成有关此外，肥胖患者因肌肉薄弱、腹壁松弛度弱、腹腔压力过高和易发生切口感染等因素成为疝发生及复发的另外一个高危人群，这可能与胶原蛋白代谢素乱有关。维生素c和Fe2+是参与胶原蛋白纤维合成及成熟所必需的辅助因子，Zn2+、Ca2+参与MMPs降解胶原蛋白的过程，它们的缺乏会影响胶原蛋白代谢，继而导致疝的发生。
解聚作用
大部分的胶原蛋白分子呈螺旋构象，这种稳定结构对大多数组织蛋白酶有抵抗力。此外，胶原蛋白与蛋白聚糖的结合也是维持螺旋或超分子结构稳定性的重要因素，它也增加了胶原蛋白对蛋白水解酶的抗性。因此，人们通常认为胶原蛋白是一种可以抗大多数哺乳动物蛋白水解酶的蛋白质。直到1962年，研究者发现了蝌蚪尾中的胶原酶后，细菌胶原酶才成为已知的唯一能分解胶原蛋白分子的酶。同时，在某些病理生理条件下，如分娩后的子宫、患皮肤营养性溃疡或类风湿关节炎的情况下，可以观察到胶原蛋白在迅速消失。这些现象表明存在特定的且高度有效的胶原蛋白破坏机制。
一般情况下，胶原蛋白降解的第一步发生在细胞外。在实验过程中，各种酶都能够解聚胶原蛋白，但是这些酶在组织中的存在尚未完全确定。研究人员已经发现胃Caspase-3，胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，热溶素和弹性蛋白酶能够切割间质胶原的非螺旋末端区域。但是，这些酶（弹性蛋白酶除外）不太可能存在于组织中。胶原蛋白体内解聚主要依赖于中性pH活性酶，包括粒细胞弹性蛋白酶和一些表征较差的非特异性蛋白酶。但在一定的细胞周围空间中，低pH下的活性酶也可以促进胶原蛋白的解聚。在胶原快速分解的条件下，细胞的代谢产物，如DL-乳酸，可以酸化一些黏附于胶原结构的细胞的细胞膜和胶原纤维之间的空间，但是科学家们尚不确定在酸性pH下的活性硫醇蛋白酶是否参与细胞外空间胶原蛋白的解聚。此外，溶酶体酶，例如导管Caspase-3G、B、N、H和L，也可以裂解Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白末端区域，解聚胶原纤维。
前胶原的细胞内降解
细胞内降解，即新合成的蛋白质在从细胞中分泌之前发生的降解，是所有分泌蛋白的共同特征，发生于所有产生胶原蛋白的细胞中，已在多种细胞包括成纤维细胞、软骨细胞等及一些肿瘤细胞中证实，是细胞 “质量控制” 形式，可防分泌有缺陷的胶原蛋白。基于这个假设，细胞内降解分为两种模式：基础模式和增强模式。
这两个降解系统在功能上相互联系，在高尔基体水平，若降解的前胶原量增加，莫能菌素会抑制前胶原分泌，致与基础降解有关蛋白质积累，莫能菌素调节分泌和基础降解分支点在高尔基体；前胶原结构不稳定是溶酶体降解增强信号，溶酶体在增强降解中起重要作用。胰岛素可降低细胞内胶原蛋白降解，糖尿病动物胶原蛋白降解率显著增加。细胞内胶原蛋白降解能为调节细胞外空间基质中胶原含量提供重要机制，对响应细胞内外信号有重要作用。
生产与制备
提取方法
传统提取法
胶原传统的提取方法有热水浸提法、酸碱水解法和酶解法。热水浸提法以纯水作为溶剂，通常在高温（\u003e 150 ℃）和高压（25000 kPa）下进行。与化学水解法和酶水解法相比，热水浸提法环保，且操作工艺简单、经济、无毒且安全，是一种经济高效且可持续的提取技术。
在提取胶原蛋白的过程中应尽量保持其三螺旋结构完整。按提取方法可将胶原蛋白分为盐溶性、酸溶性和胃Caspase-3溶性胶原。盐溶性胶原蛋白是指在组织中新合成的不交联胶原蛋白，其可以用冷中性盐溶液提取，产量和纯度都很低。有机酸溶液不仅能溶解未交联的胶原蛋白，还能破坏胶原蛋白的一些链间交联，如可还原的醛缩交联，导致胶原蛋白在提取过程中进一步溶解。但是端肽的有限蛋白质水解（通过不可还原的三价键高度交联）不会影响三螺旋的结构完整性，因此对于一些难以通过酸溶提取的胶原，可以使用各种酶如胃蛋白酶来促进溶解。
除上述方法外，也可以通过破坏螺旋结构提取胶原蛋白，主要有以下4种方法：酸提取法、碱提取法、酶提取法和盐提取法。提取胶原蛋白的基本原理是利用不同介质溶液中离子向胶原分子结构中的内渗作用，从而使得胶原分子内外有渗透压差，继而使其进一步溶胀或者溶解，然后再用盐溶液（氯化钠或硫酸铵）对其进行盐析、沉淀、透析纯化，最终达到分离的目的。
酸提取法的原理是通过有机酸破坏胶原分子间的希夫碱和离子键，使得胶原纤维膨胀、溶解，最终把完全没有交联的蛋白质分子充分溶解出来，从而得到胶原蛋白。酸提取法中用的有机酸一般是0.05~0.5mo/L冰醋溶液或者0.15mo/L柠檬酸溶液，也可以使用DL-乳酸作为提取剂。研究发现用酸提取法得到的胶原蛋白可以较好地保留端肽成分，其二级结构也可以保持完整。
酸水解法通常以酸为介质（多为醋酸、盐酸、乳酸或柠檬酸），从动物组织（猪皮、牛皮、驴皮、鱼等）中提取胶原蛋白。
碱法提取是指利用特定浓度的碱在特定的外界条件下对胶原蛋白进行提取。碱水解法常以Ca(OH)2和氢氧化钠为溶剂，其蛋白提取得率低于酸水解法。然而，酸碱水解法都容易导致胶原活性丧失，污染环境。
碱处理法中常用的处理剂是氢氧化钠和碳酸钠，其中用氧化钠提取效果比较好，提取的速度也比较快。一般是把原料匀浆后，浸入碱液中进行溶胀，然后离心提取。但是碱提取法比较容易使胶原蛋白变性，导致胶原蛋白的二级结构遭到破坏，并且存在着消旋的风险，因此一般不采用。
酶解法则是利用胃蛋白酶、胰Caspase-3和木瓜蛋白酶等将胶原分子端肽间的共价键切除，促进胶原蛋白的溶出。其反应条件相对温和，不产生有毒物质，对胶原蛋白活性的破坏较小，被广泛应用于食品和制药行业。
酶提取法用一些蛋白酶，例如胶原酶、胃蛋白酶和木瓜蛋白酶等，对胶原进行水解，从而限制性地切除胶原分子中的端肽，最终得到不同的酶促溶性胶原蛋白。酶提取法中最常用的一种酶是胃蛋白酶。在实际实验操作中，大多数研究者采用酶与有机酸相互结合的方法来提取胶原蛋白，例如胃蛋白酶与冰醋结合。用酶提取法得到的胶原蛋白，其三螺旋结构能够保持完整。但胶原的酶解效果会受到很多因素的影响，主要包括酶的种类、加酶量、酶解温度、酶解时间、pH及料液比。
盐提取法是指用各种不同浓度和种类的盐在一定的环境条件下提取盐溶性胶原蛋白的方法。常用盐一般有氯化钠、氯化钾、乙酸钠、盐酸三羟甲基氨基甲烷等，其中氯化钠是最常用的。在实际操作中实验人员通常会使用一定浓度的氧化钠对得到的胶原蛋白上清液进行盐析处理，从而得到粗胶原蛋白。
化学合成法
传统提取法获得的胶原蛋白在某些生物材料应用中改性较差，易致病和产生免疫排异反应。近年来，合成化学的发展为这些问题提供解决方案。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。将Fe2+添加到三螺旋胶原相关肽（collagen-related 多肽, 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，但是合成的技术比较复杂，成本较高，且无生物活性，因此，仅限于实验室研究。
基因工程法
基因工程技术生产胶原蛋白又称为重组胶原蛋白，是指基于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。不仅规避了传统提取方法存在的风险，还提高了胶原蛋白的亲水性能。常用的宿主细胞包括大肠杆菌、酵母和转基因动植物，不同宿主表达系统有不同的特点。其中，动植物细胞的发酵培养难度大、纯化成本高，且产量低，不适宜于大规模生产，仅限于实验室研究。微生物培养及发酵成本较低，遗传背景清晰，操作性强，适宜工业化生产。
分离和纯化
截至2022年，常用于分离和浓缩蛋白质的几种主要技术有等电点沉淀法、超滤法、盐法、离子交换色谱、凝胶过滤法、亲和色谱法等。等电点沉淀法是利用不同蛋白质的等电点不同和蛋白质在等电点处的溶解度最低的原理进行胶原蛋白的分离纯化。但是，由于各种胶原蛋白的等电点相差不大且沉淀不完全，因此此法一般不单独使用。超滤可作为蛋白质分离纯化过程中的一步，主要用于蛋白质的回收、浓缩、脱盐和分级分离。
盐析法利用中性盐可以降低水活度，破坏蛋白质表面的水化层，从而使胶原蛋白暴露疏水性残基而发生聚集性沉淀。离子交换色谱是利用蛋白质或多肽分子与离子交换剂的静电作用，以适当的溶剂作为洗脱剂，使离子交换剂表面与带相同电荷的蛋白质或多肽分子进行交换，从而实现分离。凝胶过滤法是体积排阻色谱的一种，它是根据多孔凝胶固定相对不同体积和不同形状的分子有不同的排阻能力，从而实现对混合物的分离。凝胶过滤法是对胶原蛋白进行分级和测定胶原蛋白分子质量的好办法。亲和色谱是利用高分子化合物可以与相对应的配基进行特异性的可逆结合，从而实现胶原蛋白的分离。
胶原蛋白的应用
胶原蛋白因其生物相容性好、体内可降解、透水透气性好等特性，被广泛应用于3D打印、生物医学材料、美容和食品包装等行业，逐渐成为了一种新兴产业，具有发展潜力与市场前景。
创面愈合与组织修复
胶原蛋白作为细胞外基质的重要组成之一，能诱导上皮细胞增殖、分化和迁移。与生物合成敷料相比，胶原复合敷料与成纤维细胞相互作用形成创面收缩力，减少创面的粘连和收缩强度。制备了一种类人胶原蛋白-羧甲基壳聚糖（human-like collagen-carboxymethylated 几丁聚糖, HRC-CCS）皮肤支架水凝胶，具有良好的促进创面皮肤组织再生能力。合成了具有透气性、细菌阻隔性和止血活性的多功能聚乙烯醇/HRC/SA复合水凝胶，能促进全皮层创面愈合。以谷氨酰胺转氨酶作为交联剂形成透明质酸（hyaluronic acid, HA）、羧化壳聚糖和类人胶原蛋白的水凝胶混合敷料，可有效预防细菌感染，促进烧伤创面愈合。
胶原蛋白具有良好的生物相容性、可降解性及诱导成骨分化的作用，被用于骨缺损修复。使用胶原蛋白包埋聚乳酸制成了一种潜在的仿生聚合物3D骨支架，可作为骨组织工程应用材料。将胶原蛋白与羟基磷灰石复合成一种羟基磷灰石矿化胶原配位化合物，可用作骨传导涂层和支架。在齿科修复治疗中，将胶原蛋白填补到牙周骨质缺损部位，可加速牙周骨质增生和牙龈再生。
此外，鉴于生长因子在创面修复中具有重要的作用，利用基因工程技术设计和构建了一种包含天然Ⅰ型胶原蛋白的细胞粘附结构域新型的重组类胶原蛋白（recombinant human-source collagen, RHC），将RHC与表皮生长因子（epidermal growth factor, 西妥昔单抗）复合制成冻干敷料，不仅可以保持周围伤口湿润，还可以主动加速伤口愈合过程。
化妆品与医学美容
在美容领域，胶原蛋白具有营养性、保湿性、亲和性、修复性、低敏性、配伍性的特质，常被应用于面膜、乳霜、防晒霜等产品以及注射美容中。对于食品领域，胶原蛋白多用于胶原肠衣和食品包装膜的制作中；作为胶原肠衣，其口感好、耐高温、强度高，作为包装膜，其具有较好成膜性、阻气性，且相比非可食性包装膜更加环保。
富含胶原的组织表现出与年龄增长相关的一些生理变化，如动脉硬化、皮肤弹性变差、眼球晶体出现白内障、角膜透明度减小、骨关节灵活性降低等，尤其是皮肤日渐失去光泽、弹性，变得粗糙，甚至产生皱纹。随着年龄增长，人体内成纤维细胞合成胶原的能力下降，同时胶原的降解速度也趋慢，造成胶原的更新速度变慢，可溶性胶原逐渐减少，使胶原的荷水能力减弱、不能膨胀，形成无弹性的结缔组织，于是发生衰老，并逐渐发展。
因此，胶原蛋白被广泛开发成护肤产品配方。含胶原蛋白的护肤品与皮肤的亲和力强，具有保湿、柔软、抗氧化和紫外线防护等生物活性。在化妆品配方中常用的胶原蛋白为水解胶原蛋白及重组胶原蛋白，与天然胶原蛋白相比，水解胶原及重组胶原的分子量小，在中性条件下具有出色的溶解性、水结合和易渗入真皮的特性。在化妆品中添加时具有促进细胞粘附、组织胶原新生、修复受损皮肤的作用。在医学美容方面，胶原蛋白注射剂已广泛用于修复皮肤缺陷及皮下疾病。面部局部注射胶原蛋白可以达到面部轮廓矫正、皱纹、瘢痕修复等效果。
食品工业与包装材料
在食品工业中，食品包装材料需要排出氧气和控制水分迁移，在保持食品感官品质的同时，并防止脂肪氧化、变色和微生物侵入。胶原蛋白具有抗氧化活性，其水解物被用于抑制脂质过氧化，降低脂质过氧化对人体造成的影响，可用作薄膜和涂层等包装材料的开发。在保护、维持和延长食品保质期方面发挥了重要作用。
如明胶作为一种热变性胶原蛋白，被广泛用作食品添加剂、微胶囊化剂和可生物降解的包装材料。但其机械强度较差、吸湿性高，与高水分食品接触时易膨胀溶解，限制了其在食品包装中的直接应用。而通过化学或物理方法将明胶进行交联或与其他生物聚合物组合，可降低明胶链的流动性，提高其稳定性、耐水性、耐热性、阻隔性和机械性能。
生物医学材料
在生物医学方面，胶原蛋白具有良好的生物相容性、高渗透性、低抗原性和生物降解性，可以用作手术缝合线、止血材料、药物缓释剂、人体组织代替物等医学材料。
胶原作为生物医学材料具有以下优势：①低免疫源性：②与宿主细胞及组织之间有良好的协调性：③止血作用：④可生物降解性：⑤）物理机械性能高。因此，胶原在多个医疗领域获得了应用或取得了研究成果。
由胶原制成的手术缝合线既有与天然缝合线一样的高强度，又有可吸收性。使用时止血效果好，平滑而有弹性，且不易损伤机体。胶原具有突出的止血功能，可以作为凝血材料，如止血棉或止血无纺布。在人工皮肤、人工血管、人工食管、心脏瓣膜病，骨的修复和人工骨、角膜、神经修复、药物载体和固定化酶的载体等方面，胶原也获得了广泛应用。
胶原蛋白用于生物医学材料，无论组织类型如何，在选择用于组织工程的材料时，应考虑许多关键因素，如生物相容性、生物降解性、机械支撑性等，而这些功能的实现将决定支架是否适合用作模拟细胞天然生理环境的生物材料。胶原蛋白作为天然细胞外基质的主要结构成分，具有高生物相容性、生物降解性和延展性；但胶原蛋白通过自身形成的纤维状结构支架表现出较差的机械性能，因此需要对材料进行改性以达到最佳效果。
除二元混合物之外，胶原蛋白与多种不同聚合物制成的混合物也是新趋势。这种材料通常基于细胞、生物活性分子和材料的整合，能充当细胞外基质为组织提供结构支撑、组织再生、允许营养物质和气体的扩散，为细胞增殖提供所需的微环境。如胶原蛋白、透明质酸和壳聚糖三者复合可用于生产具有独特结构和机械特性的人造混合物。不同材料的复配及组合可达到性能互补的效应，而不同组分比例的调配可调控材料的性能，不仅能降低复合材料的生物降解作用，而且还能改变材料的力学性能、药物缓控释性能和抗菌性能等，这是未来胶原蛋白生物材料的重要发展方向之一。
医疗器械
在医疗器械中，胶原蛋白的主要用途包括创面愈合、皮肤修复、皮炎、湿疹、疮疡、口腔黏膜炎、口腔溃疡、疤痕及过敏性鼻炎等。随着胶原蛋白在医疗器械方面的广泛应用，2021年3月15日，中国国家药品监督管理局发布《重组胶原蛋白生物材料命名指导原则》规定重组胶原蛋白生物材料名称由核心词和特征词组成，按“特征词（如有）+核心词（A+B）”结构编制。为遵从该专业领域表达习惯，可将核心词“重组人胶原蛋白”“重组人源化胶原蛋白”“重组类胶原蛋白”的“重组”置于名称之首，例如：重组Ⅲ型人源化胶原蛋白溶液。2021年4月15日，中国国家药品监督管理局发布《重组胶原蛋白类医疗产品分类界定原则》明确规定重组胶原蛋白类产品的管理类别应当不低于第二类。胶原蛋白作为无源植入物，及产品可部分或全部被人吸收或用于体内的止血海绵或医用敷料时按Ⅲ类医疗器械管理。这标志着对于市场层面重组胶原蛋白的创新和应用，政策层面已显示出响应和规范举措。
3D打印技术
在3D打印方面，胶原蛋白凭借着低毒性、可体内降解等优势，逐渐成为3D生物打印原材料的优先选择。在生物医学领域中，胶原蛋白被广泛用于制备人工组织工程支架、可吸收手术缝合线、止血海绵、人工骨骼、人造皮肤、心脏瓣膜病等医用材料。
1、打印组织修复材料
3D生物打印技术可用于组织修复材料的打印，如皮肤、人工软骨等。胶原蛋白对上皮细胞起到增生修复的作用，有利于促进创面的愈合，可广泛应用于烧伤和创伤治疗。利用胶原蛋白为原料，逐层打印出仿皮层和真皮层的多层皮肤组织，并将打印成型的三维皮肤浸泡于培养基内，促进皮肤组织的成熟与分层。将细胞与胶原蛋白混合，打印出多层皮肤结构，细胞能够很好地进行增殖生长并形成连接。
2、打印组织替代物
胶原蛋白可作为多种组织替代物用于生物医学领域。有关数据显示，全球每70名角膜损伤患者中，只有1人有机会得到角膜移植，可供移植的角膜数量远不能满足患者需求。英国纽卡斯尔大学遗传医学研究所研究人员将胶原蛋白、海藻酸盐及人类角膜细胞混合制备为打印原材料，通过对患者眼睛进行扫描，得到角膜大小、形状等数据，利用3D打印技术打印出成型的人体角膜。
3、打印组织工程支架
生物支架是细胞黏附的基本框架，也是细胞增殖分化场所，在构建仿生组织和器官中起到重要作用。如利用自体软骨细胞移植治疗软骨损伤，既不易获得且容易造成二次伤害；如使用异体软骨移植，无法完全避免排斥反应，并且生物学性能、功能和正常软骨组织相比差距较大。将胶原蛋白作为主要原料打印出的组织工程支架，有利于细胞黏附，对细胞起到支撑保护作用，使得软骨损伤完全修复成为可能。
3D打印的支架原料大体来自两类：一类由人工合成的生物材料制成，主要包括聚乳酸、聚氨基酸、聚乙醇酸及聚偶磷氮；另一类来自动植物体内的天然生物材料，包括胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白和海藻酸盐。
明胶制造
明胶是部分降解的和松散的胶原。骨头和动物皮富含胶原蛋白，是制造明胶的主要原料。明胶具有许多优良的物理及化学性质，如形成可逆性凝胶、黏结性、表面活性等。它是一种重要的工业品，按照用途，可分为食用明胶、照相明胶和工业明胶。食用明胶除了可以直接食用外，还被广泛的用作食品凝胶剂、稳定剂、增稠剂、发泡剂、黏合剂等。照相明胶是电影胶片、底片和相纸的重要组成材料。明胶在医药方面的应用亦相当广泛，就药物制剂专业而言，用明胶制造胶囊、胶丸、“微型胶囊”，也可以在一些黏糊剂医学产品中作为增稠剂。因为它可以吸附本身质量5~10倍的水，因此在外科手术过程中可以用作海绵吸附血液。可以广泛降解（如长时间的加热）的明胶具有一定的黏性，这些降解的产物是生产动物胶水和黏合剂的基础：另外，栓剂、片剂、延效制剂等也常用明胶。
皮革和毛皮制造
动物皮主要由胶原纤维编织而成，是胶原纤维最集中分布的组织。动物皮蛋白的95%以上为胶原。胶原纤维具有很高的机械强度和热稳定性，耐化学试剂和微生物侵蚀。动物皮的粒面具有非常独特的天然纹路，有些动物还具有极丰富和美丽的毛皮，这些都赋予它们良好的耐用性、保暖性和观赏性。由于这些原因，动物皮很早就被人类用于皮革和毛皮制造。19世纪中叶铬鞣技术的出现标志着现代化制革工业的开始。随着化学工业、生物技术、机械制造等领域先进技术在皮革工业中的应用，制革工业的整体水平在不断提升。皮革和毛皮已成为重要的工业产品，被广泛用于服装、鞋类、沙发、汽车坐垫、箱包等消费品的加工制造。
发展趋势
基因调控，工程设计
胶原蛋白来源丰富，可以从不同的物种（如牛、猪、家禽和海洋生物）中提取。其中，牛胶原蛋白成本低且提取方便，因此使用最多。虽然海洋胶原蛋白具有较高的吸收率和生物利用度，但由于提取和制造成本高昂，技术尚不完善，无法实现工业化生产，其使用相对有限。此外，利用重组技术生产胶原蛋白也取得了长足的进步，但是截至2023年，制备的重组胶原蛋白的产量、羟脯氨酸羟化率、三螺旋结构特性及纯度仍有待提升和改进。随着第三次生物技术革命的合成生物学技术的发展，以“基因调控，工程设计”为核心，从胶原蛋白分子的定向设计、细胞工厂构建与适配调控等方面出发，通过设计、构建和调试优化突破自然进化的限制，实现人工设计指导下胶原蛋白的定量可控表达、功能定向强化以及规模化生产值得期待。
提高其生物学和机械性能
与大多数仿生材料的低生物活性相比，胶原蛋白具有良好的生物降解性和生物相容性，以及足够的可塑性，被广泛应用于食品、医疗用品、3D打印、化妆品等多个行业，且全球胶原蛋白市场仍在持续增长。然而，胶原蛋白是亲水性的，机械强度差，需要进行改性程序以改善最终应用的物理化学性能。基于胶原蛋白的仿生材料可以通过多种材料进行改性，以提高其生物学性能和机械性能。基于胶原蛋白的仿生材料通常为柔性水凝胶和刚性支架。虽然，这些胶原复合材料已经在体外用于多种组织修复，但是仍然缺乏完整的体内实验来验证这些材料的实用性。此外，要制造能够满足所有所需性能（包括孔隙率、孔径、生物相容性、机械完整性、结构稳定性）的复合材料用于组织修复与再生仍然是一个挑战。但随着生物打印技术、组织工程和仿生技术的发展，复合胶原基材料在组织工程领域的应用有望取得突破。
完善布局，拓展品类
此外，胶原蛋白作为皮肤中重要成分，凭借其良好的支撑、修复、保湿、美白等性能，在注射填充材料、功效性敷料、功效性护肤品及一般护肤品领域中扮演一个重要材料角色。其中，胶原蛋白有望凭借其支撑填充、修复、保湿及美白四重功效成为填充领域的重要材料之一。截至2023年，各胶原蛋白企业纷纷完善下游胶原蛋白产品布局，扩充产品管线和拓展品类，使胶原蛋白逐步从医用场景走向多场景，实现“严肃医疗-消费医疗-国产日化品牌”全覆盖。
重视物种溯源
尽管胶原蛋白的用途广泛，但仍面临着众多挑战。针对胶原蛋白进行物种及产地溯源很难实现，应加强对胶原蛋白进行产地和物种溯源的重视。对于3D打印领域，胶原蛋白本身还存在机械强度不足的问题，而水产胶原蛋白较陆生动物胶原蛋白热稳定差，变性温度低，打印过程中容易使材料性质发生变化。为了更好地发挥胶原蛋白，尤其水产胶原蛋白的应用潜力，应开展大量基础研究及临床试验，为其使用提供理论依据。此外，产品品类单一、产业链短使得胶原蛋白产品带来的经济效益低；科研领域的宣传科普不充分使得消费者对胶原蛋白的功效缺乏深入地了解；这些问题都或多或少制约着胶原蛋白在产业上的应用，需要进一步加强与完善。
参考资料
胶原蛋白.中国大百科全书.2024-11-25
胶原蛋白及其水解物.中国轻工业联合会.2024-11-25
国家药监局关于发布重组胶原蛋白生物材料命名指导原则的通告（2021年第21号）.国家药品监督管理局.2024-11-26
国家药监局发布重组胶原蛋白类医疗产品分类界定原则.中国食品药品网.2024-11-26
国家药监局关于发布重组胶原蛋白类医疗产品分类界定原则的通告（2021年第27号）.国家药品监督管理局.2024-11-26