2013年8月 动物结缔组织中超分子胶原液晶结构研究进展 李莉莉1,陈露1,李霞1,孙鹏-23,郝娜1,蒋波1* (1.四川大学生物材料工程研究中心国家生物医学材料工程技术研究中心,成都610064; 2.四川大学原子核科学技术研究所教育部核技术重点实验室,成都610064 3.武警警官学院数学与物理学系,成都610213) 摘要:动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关,组织结构有序性在结缔组织发生过程中 尤为明显,结缔组织的胶原液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。本文以重 建胶原为基础分子,讨论了三螺旋结构对胶原分子组装液晶的影响,并分析了胶原分子液晶和超分子液晶结构 转变研究进展和形成的热、动力学条件。诱导胶原液晶形成是体外模拟细胞外基质构建的关键,为研究结缔组 织形态发生机制及病变模型建立了联系,也为仿生枃建组织工程支架提供有益信息。 关键词:胶原分子;嫡致有序;分子液晶;超分子液晶;结缔组织 引言 生物体内分子有序化是维持生命的基础。生物体的生长发育、肌体的新陈代谢、细胞的能量转换、信 息传递、物质传输等与液晶结构密切相关。在分子尺度上观察生物体结构时,发现生物分子在体内(水) 环境中,通过各种有序排列组合,构成了细胞、组织和器官的基本结构。细胞膜、视网膜、神经、表皮和肌 肉等组织显示出既有液体的流动性又类似晶体的有序性,就是由生物大分子(蛋白质、脂类、核酸、碳水化 合物等)在水环境中有序排列而形成的溶致液晶结构 构成脊椎动物结缔组织基本组分之一的胶原蛋白,在动物胚胎早期就已出现,在随后干细胞或细胞 分化、迁移及其组织发生、形成过程中,其结构变化有着极重要的作用。同时结缔组织疾病中主要的疾 病——胶原病的发生与胶原蛋白分子、超分子结构及组织形态密不可分。从结缔组织细胞分泌出胶原分 子到结缔组织完全形成,胶原液晶是这个长程有序自组装的中间过程[。体外模拟这个自组装过程是研 究结缔组织早期发生及病变过程的途径之一,也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 1动物结缔组织中超分子胶原液晶与形态 结缔组织是人体四大基本组织之一,具有连接、支持、保护、营养等多种功能。偏振光显微镜(PLM研究致 密结缔组织的结构发现,不同结缔组织不仅纤维(fber)直径不同,其组织特异性的超纤维结构( superfibrillar structure)与形态也不一样。图1a中角膜或鱼鳞胶原纤维以多层方式排列,每一层中所有纤维平行,相邻 层之间以一个不变的角度(通常为90°)周期性扭曲。整体结构类似层板,从斜切面观察呈一系列弧形结构。图 lb是从径向观察密质骨中骨单位的层板结构,层板以同轴的圆柱体排列,层纹线与层纹线之间呈现出螺旋状周 期性旋转。图lc中腱和韧带的胶原纤维为单轴取向,呈现出起伏和规则卷曲。图1d真皮组织中胶原纤 维形成一个复杂的局部有序三维网状结构[。由此可见结缔组织结构多样性源于胶原纤维的排列形式远程 起伏的程度及邻近纤维层间的夹角,并由此决定了不同的结缔组织宏观生物物理性能特点,如角膜的光学透 明口、骨抵抗负载的各向异性、肌腱的抗拉伸和剪切、真皮各向同性的弹性性能等等。 收稿:2013-01-22;修回:2013-05-21; 作者简介:李莉莉(1986),女,安徽省六安人,四川大学硕士研究生,主要从事组织工程及生物材料研究。E-mal: lilil 0509132@a126,c0m,Tel:18317056012; *通讯联系人,E-mail:jiang@scu.edu.cn;Tel:028-85415977 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net收稿：２０１３－０１－２２；修回：２０１３－０５－２１； 作者简介：李莉莉（１９８６），女，安 徽 省 六 安 人，四川大学硕士研究生，主要从事组织工程及生物材料研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｌｉ＿ ０５０９１３２＠１２６．ｃｏｍ，Ｔｅｌ：１８３１７０５６０１２； ＊ 通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｊｉａｎｇ＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；Ｔｅｌ：０２８－８５４１５９７７． 动物结缔组织中超分子胶原液晶结构研究进展 李莉莉１，陈 露１，李 霞１，孙 鹏１，２，３，郝 娜１，蒋 波１＊ （１．四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心，成都 ６１００６４； ２．四川大学原子核科学技术研究所 教育部核技术重点实验室，成都 ６１００６４； ３．武警警官学院 数学与物理学系，成都 ６１０２１３） 摘要：动物结缔组织的发生、发育及病变与结构和形态密切相关，组织结构有序性在结缔组织发生过程中 尤为明显，结缔组织的胶原液晶结构是胶原分子自组装得到胶原纤维或组织过程中的一个过渡态。本 文 以 重 建胶原为基础分子，讨论了三螺旋结构对胶原分子组装液晶的影响，并分析了胶原分子液晶和超分子液晶结构 转变研究进展和形成的热、动力学条件。诱导胶原液晶形成是体外模拟细胞外基质构建的关键，为研究结缔组 织形态发生机制及病变模型建立了联系，也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 关键词：胶原分子；熵致有序；分子液晶；超分子液晶；结缔组织 引言 生物体内分子有序化是维持生命的基础。生物体的生长发育、肌体的新陈代谢、细胞的能量转换、信 息传递、物质传输等与液晶结构密切相关。在分子尺度上观察生物体结构时，发现生物分子在体内（水） 环境中，通过各种有序排列组合，构成了细胞、组织和器官的基本结构。细胞膜、视网膜、神经、表皮和肌 肉等组织显示出既有液体的流动性又类似晶体的有序性，就是由生物大分子（蛋白质、脂类、核酸、碳水化 合物等）在水环境中有序排列而形成的溶致液晶结构。 构成脊椎动物结缔组织基本组分之一的胶原蛋白，在动物胚胎早期就已出现，在随后干细胞或细胞 分化、迁移及其组织发生、形成过程中，其结构变化有着极重要的作用。同时结缔组织疾病中主要的疾 病———胶原病的发生与胶原蛋白分子、超分子结构及组织形态密不可分。从结缔组织细胞分泌出胶原分 子到结缔组织完全形成，胶原液晶是这个长程有序自组装的中间过程［１］。体外模拟这个自组装过程是研 究结缔组织早期发生及病变过程的途径之一，也为仿生构建组织工程支架提供有益信息。 １ 动物结缔组织中超分子胶原液晶与形态 结缔组织是人体四大基本组织之一，具有连接、支持、保护、营养等多种功能。偏振光显微镜（ＰＬＭ）研究致 密结缔组织的结构发现，不同结缔组织不仅纤维（ｆｉｂｅｒ）直径不同，其组织特异性的超纤维结构（ｓｕｐｅｒ－ｆｉｂｒｉｌｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）与形态也不一样。图１ａ中角膜［２］或鱼鳞［３］胶原纤维以多层方式排列，每一层中所有纤维平行，相邻 层之间以一个不变的角度（通常为９０°）周期性扭曲。整体结构类似层板，从斜切面观察呈一系列弧形结构。图 １ｂ是从径向观察密质骨中骨单位的层板结构，层板以同轴的圆柱体排列，层纹线与层纹线之间呈现出螺旋状周 期性旋转［４］。图１ｃ中腱和韧带的胶原纤维为单轴取向，呈现出起伏和规则卷曲［５，６］。图１ｄ真皮组织中胶原纤 维形成一个复杂的局部有序三维网状结构［７］。由此可见结缔组织结构多样性源于胶原纤维的排列形式、远程 起伏的程度及邻近纤维层间的夹角，并由此决定了不同的结缔组织宏观生物物理性能特点，如角膜的光学透 明［２］、骨抵抗负载的各向异性［８］、肌腱的抗拉伸和剪切［９］、真皮各向同性的弹性性能等等。 · ６３ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月