一、膠原蛋白行業(yè)概況

膠原（Collagen）一詞源自古希臘，大約在1865年前后首次出現(xiàn)，它是人體含量最為豐富的蛋白質(zhì)。膠原廣泛分布于人體的多種結(jié)締組織，例如皮膚、軟骨、骨骼、肌腱、韌帶、角膜、器官被膜以及硬腦膜等。在正常人體中，約90%的膠原集中在皮膚和骨骼中。

圖 1 膠原蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

作為一種新興的生物材料，重組膠原蛋白憑借其卓越的生物相容性、較低的免疫原性以及精準(zhǔn)可控的結(jié)構(gòu)，在醫(yī)療、美容和功能性食品等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。隨著基因工程、合成生物學(xué)以及發(fā)酵技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，重組膠原蛋白的產(chǎn)能和質(zhì)量都得到了顯著提高，為其在多元化市場(chǎng)中的進(jìn)一步推廣筑牢了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)Grand View Research報(bào)告，2019年中國(guó)膠原蛋白的市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)至9.83億美元，約占全球市場(chǎng)的6.40%；而到2027年，中國(guó)膠原蛋白的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到15.76億美元，約占全球市場(chǎng)的6.96%，2016-2027年年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.54%，高于全球的5.42%的市場(chǎng)增速。

圖2 ?2016-2027年膠原在全應(yīng)用領(lǐng)域中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模情況

數(shù)據(jù)來(lái)源：Grand View Research

二、重組膠原蛋白種類(lèi)

膠原蛋白依據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能可以分為多種類(lèi)型，主要包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型及Ⅴ型膠原蛋白等。

表1 主要類(lèi)型的膠原蛋白

從來(lái)源角度分類(lèi)，膠原蛋白主要分為兩大類(lèi)：動(dòng)物源膠原蛋白和重組膠原蛋白。盡管植物來(lái)源的類(lèi)似膠原蛋白物質(zhì)近年來(lái)引起了關(guān)注，但嚴(yán)格意義上講，植物并不含有真正的膠原蛋白。通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)，可以從植物中提取與膠原蛋白相似的蛋白質(zhì)和多肽。

當(dāng)前市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的膠原蛋白來(lái)源于動(dòng)物，包括哺乳動(dòng)物（如牛、豬）和海洋生物（如魚(yú)）的皮膚、骨骼及軟骨。牛源膠原蛋白因其富含Ⅰ型膠原蛋白而被廣泛應(yīng)用于皮膚護(hù)理和骨骼健康產(chǎn)品中。由于其結(jié)構(gòu)與人類(lèi)膠原蛋白高度相似且成本相對(duì)較低，豬源膠原蛋白在生物醫(yī)用材料和保養(yǎng)品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

另一方面，重組膠原蛋白是利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)的一種新型膠原蛋白。該過(guò)程涉及將人類(lèi)或其他物種的膠原蛋白基因插入微生物或動(dòng)物細(xì)胞中，并通過(guò)發(fā)酵和提純步驟獲得產(chǎn)物。這種方法生產(chǎn)的膠原蛋白具有高純度、結(jié)構(gòu)可控、無(wú)致敏性和病原體風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于不依賴(lài)于動(dòng)物來(lái)源，重組膠原蛋白被視為更加環(huán)保和可持續(xù)的選擇。  

隨著重組膠原蛋白高純度和精確可控性的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，重組膠原蛋白正成為未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵方向。根據(jù)國(guó)家重組膠原蛋白生物材料命名指導(dǎo)原則，這類(lèi)膠原蛋白進(jìn)一步細(xì)分為重組人膠原蛋白、重組人源膠原蛋白和重組類(lèi)膠原蛋白。

圖3 重組膠原蛋白分類(lèi)及應(yīng)用

重組膠原蛋白在生物活性、生物相容性、低免疫原性、減少病原體漏檢風(fēng)險(xiǎn)、水溶性以及無(wú)細(xì)胞毒性等方面，相較于傳統(tǒng)動(dòng)物來(lái)源的膠原蛋白展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

從安全性的角度來(lái)看，傳統(tǒng)動(dòng)物源膠原蛋白由于其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與人體存在差異，可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，從而帶來(lái)一定的過(guò)敏風(fēng)險(xiǎn)。與此相反，重組膠原蛋白通過(guò)基因工程技術(shù)從細(xì)胞培養(yǎng)中提。淌艿窖細(xì)窨刂疲芄揮行П苊獠≡邐廴鏡姆縵。此外，傳統(tǒng)動(dòng)物提取方法受限于原料質(zhì)量和提取工藝，難以確保純度和質(zhì)量的一致性。而重組膠原蛋白則可以通過(guò)精確控制氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)，并利用發(fā)酵和純化工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)還能進(jìn)一步加工和優(yōu)化以滿(mǎn)足不同需求。

值得注意的是，重組膠原蛋白的變性溫度高達(dá)72℃，遠(yuǎn)高于動(dòng)物源膠原蛋白的40℃，這使得它在運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，無(wú)論是從安全性還是從實(shí)用性的角度考慮，重組膠原蛋白都展示了其超越傳統(tǒng)動(dòng)物來(lái)源膠原蛋白的卓越性能。這種新型膠原蛋白不僅提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也為用戶(hù)提供了更安全的選擇。

表2 動(dòng)物源膠原蛋白與重組膠原蛋白多維度對(duì)比

隨著膠原蛋白來(lái)源和生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，重組膠原蛋白憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為醫(yī)療、美容等高要求領(lǐng)域的首選材料。未來(lái)，隨著規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，重組膠原蛋白有望在更多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，推動(dòng)整個(gè)膠原蛋白產(chǎn)業(yè)朝著更安全、更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

三、重組膠原蛋白的生產(chǎn)

3.1 重組膠原蛋白產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程

3.1.1重組膠原蛋白主要產(chǎn)品的通用生產(chǎn)工藝流程：

膠原蛋白依據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能可以分為多種類(lèi)型，主要包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型及Ⅴ型膠原蛋白等。

3.1.2 重組Ⅲ型人源化膠原蛋白凍干纖維的生產(chǎn)工藝流程：

注：以上工藝僅供參考，具體生產(chǎn)以實(shí)際工藝為準(zhǔn)

重組膠原蛋白產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程是將基因工程技術(shù)與生物化學(xué)工藝相結(jié)合，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的膠原蛋白產(chǎn)品。整個(gè)過(guò)程始于選擇合適的表達(dá)系統(tǒng)，常用的宿主細(xì)胞包括大腸桿菌、酵母菌等。首先，通過(guò)基因工程手段，將編碼目標(biāo)膠原蛋白的基因片段插入到載體中，并將其導(dǎo)入選定的宿主細(xì)胞內(nèi)。隨后，在優(yōu)化后的發(fā)酵條件下培養(yǎng)這些轉(zhuǎn)化細(xì)胞，使其大量表達(dá)目標(biāo)蛋白質(zhì)。

在成功完成發(fā)酵步驟后，需要進(jìn)行細(xì)胞破碎和初步純化，目的是釋放并分離出所表達(dá)的膠原蛋白。這通常涉及到離心、過(guò)濾等方法以及親和層析等手段來(lái)去除雜質(zhì)，提純目標(biāo)產(chǎn)物。接下來(lái)的重要步驟是復(fù)性處理，旨在恢復(fù)膠原蛋白的天然三維結(jié)構(gòu)，這對(duì)于保持其生物活性至關(guān)重要。

緊隨發(fā)酵過(guò)程后的純化步驟通常會(huì)產(chǎn)生多種雜質(zhì)，包括宿主蛋白、核酸和內(nèi)毒素等。在蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)蛋白酶酶解后，不僅會(huì)降解成多肽，還會(huì)生成多種氨基酸和小分子蛋白，形成復(fù)雜的混合物。這些雜質(zhì)不僅會(huì)影響產(chǎn)品的純度，還可能對(duì)最終產(chǎn)品的安全性和功能產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，優(yōu)化純化過(guò)程至關(guān)重要，不僅要有效去除雜質(zhì)如宿主蛋白、核酸和內(nèi)毒素，還要盡量保留目標(biāo)蛋白質(zhì)的完整性和活性。通過(guò)精細(xì)調(diào)整各純化步驟，可以實(shí)現(xiàn)更高的純度和回收率，確保最終產(chǎn)品的安全性和功能性符合高標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)的要求。這種方法不僅能提升產(chǎn)品質(zhì)量，還能增強(qiáng)生產(chǎn)效率，為廣泛應(yīng)用提供可靠保障。

為了獲得高純度、高活性和高產(chǎn)量的重組膠原蛋白樣品，必須在深入了解其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用多種分離和純化方法。一般步驟包括：首先使用鹽析、等電點(diǎn)沉淀及超濾等技術(shù)去除大分子雜質(zhì)，隨后通過(guò)離子交換層析、凝膠過(guò)濾和高效液相色譜（HPLC）等技術(shù)進(jìn)行逐級(jí)純化，從而獲得成分單一且活性較高的產(chǎn)品。

最終，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)檢程序，包括純度檢測(cè)、功能性測(cè)試等，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，本文涉及的流程只是提供了一個(gè)基本框架，具體操作條件如發(fā)酵參數(shù)、純化策略等應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這種靈活性使得重組膠原蛋白能夠在多種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，例如醫(yī)療、化妝品等領(lǐng)域。通過(guò)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

四、銀河集團(tuán)科技分離純化解決方案

重組膠原蛋白的純化是生物制造鏈條中決定產(chǎn)品效能與臨床應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心目標(biāo)在于通過(guò)精密分離技術(shù)獲取高純度、高活性的功能性膠原蛋白。重組表達(dá)體系中宿主殘留蛋白、核酸、內(nèi)毒素等雜質(zhì)的去除，可顯著降低免疫原性風(fēng)險(xiǎn)，確保生物安全性符合醫(yī)療器械及藥品監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，純化工藝需精準(zhǔn)保留膠原蛋白特有的三螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是支撐細(xì)胞黏附、促創(chuàng)面修復(fù)及誘導(dǎo)組織再生等生物功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。

在醫(yī)用領(lǐng)域，純度不足可能導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降或引發(fā)炎癥反應(yīng)，而過(guò)度純化則易破壞天然構(gòu)象，因此需通過(guò)多模態(tài)層析技術(shù)實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)靶向清除與活性結(jié)構(gòu)協(xié)同保護(hù)。隨著再生醫(yī)學(xué)需求增長(zhǎng)，高效純化工藝的突破不僅能提升重組膠原蛋白的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化效率，更能推動(dòng)其在組織工程支架、藥物緩釋載體等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，為生物材料創(chuàng)新提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

下面以常規(guī)重組膠原蛋白的生產(chǎn)工藝流程為例，分享銀河集團(tuán)科技在重組膠原蛋白產(chǎn)品領(lǐng)域整體分離純化解決方案。

分離純化環(huán)節(jié)：

Bio-Lab?實(shí)驗(yàn)室層析系統(tǒng)

Bio-Pro層析系統(tǒng)&層析柱

離子交換層析：選擇性去除宿主細(xì)胞殘留蛋白（HCP）、核酸等雜質(zhì)，利用目標(biāo)蛋白與雜質(zhì)的電荷差異實(shí)現(xiàn)初步純化。

分子篩層析：按分子量分級(jí)分離，精準(zhǔn)截留具有生物活性的三聚體膠原結(jié)構(gòu)，剔除未正確折疊的單體或聚合體。

親和層析：針對(duì)重組蛋白的特異性標(biāo)簽（如His標(biāo)簽），通過(guò)配體-受體結(jié)合機(jī)制實(shí)現(xiàn)高選擇性富集，顯著提升產(chǎn)物純度。

除菌過(guò)濾：

實(shí)驗(yàn)室級(jí)自動(dòng)切向流過(guò)濾系統(tǒng)

Bio-TFF 自動(dòng)切向流過(guò)濾系統(tǒng)

深度雜質(zhì)清除：采用納米級(jí)過(guò)濾膜截留潛在病毒顆粒，結(jié)合特異性吸附樹(shù)脂降低內(nèi)毒素水平，確保生物安全性。

小結(jié)

重組膠原蛋白的研究始于對(duì)其分子結(jié)構(gòu)的深入解析，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，科學(xué)家們成功克隆了膠原蛋白基因，并在不同表達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行了表達(dá)嘗試。從早期的微生物系統(tǒng)到后來(lái)的哺乳動(dòng)物和植物細(xì)胞系統(tǒng)，再到純化工藝的顯著提升，這些技術(shù)進(jìn)展為重組膠原蛋白的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近年來(lái)，合成生物學(xué)的引入更是為重組膠原蛋白技術(shù)帶來(lái)了革命性突破，提高了生產(chǎn)效率和純度，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

在重組膠原蛋白的制備過(guò)程中，目的基因設(shè)計(jì)、表達(dá)體系構(gòu)建、發(fā)酵以及純化等環(huán)節(jié)均面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。通過(guò)優(yōu)化目的基因設(shè)計(jì)，科學(xué)家們成功提高了重組膠原蛋白的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了其生物活性。在表達(dá)體系構(gòu)建和發(fā)酵純化環(huán)節(jié)，技術(shù)的不斷迭代創(chuàng)新使得生產(chǎn)效率和產(chǎn)能得到了顯著提升，成本也有望進(jìn)一步降低。這些技術(shù)突破不僅解決了當(dāng)前生產(chǎn)中的難題，還為未來(lái)更大規(guī)模的應(yīng)用提供了可能。