魚鱗作為多功能生物材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

白景文 劉麗麗 朱華

摘要 魚鱗是一種天然可再生的生物復(fù)合材料，主要由膠原蛋白和羥基磷灰石組成。魚鱗和以魚鱗為主要基質(zhì)的生物復(fù)合材料因其具有良好的生物相容性、生物降解性、多活性基團(tuán)、分級結(jié)構(gòu)、高韌性等性能，在生物填料、重金屬離子吸附、醫(yī)療衛(wèi)生和電子領(lǐng)域顯示出諸多優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。將魚鱗轉(zhuǎn)化為功能材料，可以避免資源浪費，實現(xiàn)魚鱗的商業(yè)價值。介紹了魚鱗的結(jié)構(gòu)以及以魚鱗為主要基質(zhì)的衍生功能材料，列舉了在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，為魚鱗及其衍生物的應(yīng)用研究提供參考方向。

關(guān)鍵詞 魚鱗；膠原蛋白；生物材料；應(yīng)用

中圖分類號 TS254.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）03-0006-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.002

Research Progress in the Application of Fish Scales as Multifunctional Biomaterials

Abstract Fish scale is a natural renewable biological composite material， mainly composed of collagen and hydroxyapatite. Due to their good biocompatibility， biodegradability， multi-active groups， hierarchical structure， high toughness and other properties， fish scales and biocomposites based on fish scales have shown many advantages in the fields of biological fillers， heavy metal ion adsorption， medical and health care and electronics， and have broad application prospects. Converting fish scales into functional materials can avoid waste of resources and realize the commercial value of fish scales. This paper introduces the structure of fish scales and the derivative functional materials with fish scales as the main matrix， lists the application in production and life， and provides a reference direction for the application research of fish scales and their derivatives.

Key words Fish scale;Collagen;Biomaterial;Application

魚鱗由許多物質(zhì)組成，其中包括41%～45%的有機成分（膠原蛋白、脂肪、卵磷脂、維生素等），38%～46%的無機成分（缺鈣的羥基磷灰石、磷酸鈣等）和鎂、鐵 、鈣、鋅等微量元素［1-2］。鱗片通常呈現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)，硬度從外層到內(nèi)層逐漸降低，外層是礦化度較高的“限制層”，內(nèi)層由膠原蛋白纖維組成［3］。這種剛性與柔性相結(jié)合的天然盔甲，使得魚類能夠在水中靈活迅速地移動，又能夠保護(hù)自身免受外界病原菌侵害與天敵撕咬。

魚鱗通常被認(rèn)為是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)與食品加工（魚罐頭、生魚片、腌漬魚等）環(huán)節(jié)的廢棄物。據(jù)報道，全世界每年有720～1 200萬t的魚類廢棄物，但是目前并沒有妥善的方法處理魚鱗廢棄物，填埋處置可能會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，后續(xù)的處理又會導(dǎo)致資源浪費［4］。因此，將魚鱗轉(zhuǎn)化為功能材料（羥基磷灰石、膠原蛋白、殼聚糖等）［5］可以大幅度地減少對環(huán)境的污染，帶來額外的商業(yè)價值。

1 魚鱗的應(yīng)用

魚鱗作為一種天然的可再生資源，是一種簡單易得的生物材料。因此，許多學(xué)者致力于提高魚鱗的商業(yè)價值，在魚鱗的加工和轉(zhuǎn)化的過程中發(fā)掘其潛在應(yīng)用，如作為骨組織工程材料、生物填料、化學(xué)染料和重金屬離子生物吸附、催化劑和新能源材料等。

1.1 骨組織工程材料

魚鱗中含有Cl-、F-等陰離子和Al3+、Sr2+、Zn2+、Mg2+、Na+、K+等陽離子化合物作為微量元素，可提高骨組織修復(fù)的生物學(xué)能力，具有較高的生物醫(yī)學(xué)價值［6］。天然或人工合成的鱗片因與人體骨頭、牙齒結(jié)構(gòu)相似而被廣泛用作骨組織工程材料［7］。目前，有學(xué)者將小鼠胚胎成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）接種到處理過的鯽魚（Carassius auratus）魚鱗中，發(fā)現(xiàn)魚鱗不僅與MC3T3-E1細(xì)胞具有良好的生物相容性，而且魚鱗的微結(jié)構(gòu)還可以引導(dǎo)細(xì)胞沿通道增殖和擴散［8］。將新鮮草魚（Ctenopharyngodon idella）鱗片去細(xì)胞化制備了一種生物可吸收的骨針，脫細(xì)胞的處理增加了生物相容性。在處理后的鱗片上體外培養(yǎng)成肌細(xì)胞的細(xì)胞系（C2C12），細(xì)胞繁殖和遷移情況良好。脫細(xì)胞鱗片制成的骨針可加快新西蘭兔股骨骨折的愈合程度。植入骨釘56 d后，骨釘與周圍骨組織融合并逐漸在骨板周圍形成了新的細(xì)胞外基質(zhì)［9］。此外，魚鱗還可以與其他高分子材料結(jié)合制備復(fù)合支架應(yīng)用于骨組織工程。Kara等［10］利用實驗室混合器將大西洋鯛（Sparus aurata）鱗片破碎，在24孔板中將魚鱗破碎物與高分子3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物混合，-78 ℃下冷凍24 h，成功制備出了三維毛狀納米纖維作為骨填充的復(fù)合支架，這種復(fù)合支架不僅具有較高的孔隙率，而且魚鱗的加入顯著提高了支架的力學(xué)能力、生物礦化傾向、細(xì)胞活力和堿性磷酸酶活性，顯著促進(jìn)了MG-63細(xì)胞I型膠原纖維的表達(dá)，具有治療骨組織損傷的能力。

Han等［11］選擇魚鱗作為肌腱的損傷修復(fù)的生物材料，成功解決了肌腱修復(fù)過程中支架機械強度不足的問題。同時魚鱗經(jīng)過碳酸鈣納米顆粒修飾之后，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和肌腱干細(xì)胞等多種類型細(xì)胞表現(xiàn)出不同程度的生物活性。更重要的是，這種復(fù)合材料在體內(nèi)促進(jìn)了肌腱與骨之間組織的修復(fù)，表明鈣離子和硅離子的結(jié)合能夠?qū)切迯?fù)產(chǎn)生積極的效應(yīng)。魚鱗和生物活性離子結(jié)合代表了一類用于組織修復(fù)的新型高性能生物材料。

1.2 生物添加材料

魚鱗的轉(zhuǎn)化不僅可以生產(chǎn)出更輕便的復(fù)合材料，而且添加魚鱗后的復(fù)合物性能會發(fā)生改變，實現(xiàn)廢棄魚鱗的商業(yè)價值［12］。Chiarathanakirt等［13］分別在500 ℃下煅燒5 h與700 ℃下煅燒3 h這2種條件下處理魚鱗，得到2種性質(zhì)不同的魚鱗粉末，發(fā)現(xiàn)后者具有較高的鈣含量和較低的蛋白質(zhì)含量。將其加入淀粉泡沫中，得到了更加膨脹的淀粉泡沫，并且淀粉泡沫最大載荷下的彎曲應(yīng)力由1.03 MPa增加到1.54 MPa。添加魚鱗粉末有助于提高淀粉泡沫材料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用價值。魚鱗在造紙印刷行業(yè)中也日益受到關(guān)注，在印刷工藝中的一項參數(shù)就是其亮度。魚鱗粉的加入可改善紙張黃化的現(xiàn)象，使其更加明亮［14］。

南亞野鯪（Labeo catla）的魚鱗可用作聚丙烯材料的增強劑［15］。添加魚鱗后，復(fù)合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和熱變形溫度均有所下降，但抵抗形變的能力顯著提高。隨著鱗片含量的增加，復(fù)合材料的抗彎曲強度、密度和硬度均有所提高。這些結(jié)果表明，魚鱗與聚丙烯結(jié)合的復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)良的機械性能，它可以成為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛在替代生物材料［14］。此外，魚鱗作為天然生物材料填充到環(huán)氧基復(fù)合材料中可以提高其拉伸強度，增加聚丙烯的生物降解率，降低環(huán)氧基材料的磨損率［16-17］。

1.3 生物吸附劑

魚鱗是一種天然的、可降解的，環(huán)境友好型生物材料。魚鱗主要成分是膠原纖維和羥基磷灰石，對重金屬和染料具有一定的吸附性能，是一種潛在的生物吸附劑。魚鱗的吸附性能與其化學(xué)官能團(tuán)密切相關(guān)，如羥基、磷酸鹽、酰胺和碳酸鹽基團(tuán)等，這些官能團(tuán)對不同染料具有不同的結(jié)合能力［18］。將活化后的魚鱗粉用于鉻（Ⅲ）離子的去除試驗發(fā)現(xiàn)，活化魚鱗粉0.8 g、溶液pH 5.0、接觸時間90 min、初始鉻（Ⅲ）離子濃度150 mg/L條件下，魚鱗對鉻（Ⅲ）離子的吸附量可達(dá)到99.75%［19］。將魚鱗與鹽酸水熱共混處理后得到的生物吸附劑表現(xiàn)出了良好的金屬離子吸附能力，對沉積物中的鉛離子和鎘離子固定率可達(dá)80%。此方法制得的生物吸附劑價格低廉并且效果顯著，在去除鉛離子和鎘離子方面具有很好的應(yīng)用前景［20］。細(xì)長兔脂鯉（Leporinus elongatus）和巴西小沙丁魚（Sardinella brasiliensis）的魚鱗被用作生物吸附劑，實現(xiàn)了對陰離子染料雷馬素的吸附回收［18，21］。大洋鱸（Sebastes marinus）的鱗片不僅能夠吸附重金屬離子和有毒染料，還能夠有效地吸附和回收海洋工業(yè)廢水中的蝦青素等天然成分［22］。南亞野鯪鱗片能夠有效地吸附孔雀石綠染料，并且生物吸附動力學(xué)分析顯示魚鱗對孔雀石綠染料的吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)，這表明吸附過程主要是由化學(xué)反應(yīng)控制，更有利于人為控制，吸附效果更好更穩(wěn)定［23］。

1.4 催化劑和能源材料

Ho等［24］進(jìn)行了以魚鱗與二氧化鈦（TiO2）的復(fù)合材料作為光催化劑在太陽光的照射下降解甲基橙的研究。通過溶膠-凝膠法制備了復(fù)合材料，在二氧化鈦與魚鱗的質(zhì)量比為90∶10的情況下復(fù)合材料對甲基橙的降解效果明顯，這表明復(fù)合物對甲基橙的光催化降解具有協(xié)同作用。人們受到魚鱗分級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，以魚鱗作為載體，合成含氮的分層多孔碳作為催化劑用于納米鉑（Pt）的氧化還原反應(yīng)。由于魚鱗基分層多孔碳具有較高的BET比表面積（BET surface area）和含氮的層狀多孔結(jié)構(gòu)，在氧化還原反應(yīng)中具有較高的電流密度和較低的通過電位，加快了反應(yīng)的進(jìn)行［25］。

綠色二次電池作為一種高效清潔的新能源，越來越受到人們的關(guān)注。鋰硫電池作為下一代能源電池之一，具有優(yōu)良的理論比容量、較高的能量儲存密度和環(huán)境友好等優(yōu)點。含氮的魚鱗層級碳結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和海綿狀結(jié)構(gòu)，在離子液體電解質(zhì)和常規(guī)介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，是大容量鋰電池負(fù)極的優(yōu)質(zhì)材料。脫鈣、碳化和KOH活化處理過后的魚鱗復(fù)合物提高了電化學(xué)性能，海綿狀結(jié)構(gòu)給電解液提供了足夠的容納空間，還促進(jìn)了電解液的滲透性，加快了鋰離子在鋰硫電池中的快速移動［26］。因此，這種復(fù)合材料有可能成為鋰硫電池材料發(fā)展的新趨勢。

2 魚鱗羥基磷灰石的應(yīng)用

從魚鱗、蛋殼、動物骨頭等天然物質(zhì)提取的羥基磷灰石與人工合成的相比具有相容性好、安全、成本低等特點。將清理干凈的魚鱗用1%的蛋白酶在最適pH和溫度條件下水解2.5 h，干燥后800 ℃煅燒4.0 h，得到粒狀納米羥基磷灰石，高溫煅燒后孔隙率和表面粗糙程度增加。此方法制備的材料能夠促進(jìn)MG-63細(xì)胞的成骨分化和礦化［27］。利用離子液體預(yù)處理技術(shù)將鯉魚（Cyprinus carpio）鱗片溶于1-丁基-3-甲基咪唑乙酸鹽離子液體中，經(jīng)過一系列處理成功提取出羥基磷灰石。電鏡掃描結(jié)果顯示提取的羥基磷灰石顆粒具有不同的形態(tài)，能量色散X射線光譜儀分析顯示鈣磷比為1.60，對人類胚胎腎細(xì)胞和表皮樣癌細(xì)胞系顯示出良好的生物相容性［4］。

2.1 骨修復(fù)材料

Mondal等［28］對南亞野鯪的鱗片進(jìn)行化學(xué)處理合成羥基磷灰石，發(fā)現(xiàn)南亞野鯪鱗片合成的羥基磷灰石與純的羥基磷灰石結(jié)構(gòu)相似，表現(xiàn)出良好的孔隙率與支撐強度，這種結(jié)構(gòu)有利于體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和生物流體的運輸并具有良好的骨傳導(dǎo)性。生物細(xì)胞毒性分析和MTT法（MTT assay）結(jié)果表明，以魚鱗為來源的羥基磷灰石顆粒對小鼠巨噬細(xì)胞RAW細(xì)胞無細(xì)胞毒作用。組織學(xué)分析表明，羥基磷灰石顆粒對細(xì)胞有浸潤和整合作用，具有良好的生物活性。有利于細(xì)胞在羥基磷灰石表面的黏附和增殖。羥基磷灰石表現(xiàn)出的生物相容性、骨相似性、生物活性以及非生物毒性等特點，在骨組織工程中備受關(guān)注。魚鱗中提取的羥基磷灰石還能夠與其他高分子材料結(jié)合，從而賦予骨支架新的功能。從淡水魚湄公河原鲃（Probarbus jullieni）的鱗片中提取出富含礦物離子的羥基磷灰石，并與聚乳酸/殼聚糖相互結(jié)合，制備出具有良好力學(xué)性能和微孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合支架。體外試驗表明，UMR-106細(xì)胞貼合情況良好，能夠在復(fù)合支架表面增殖，并能夠提高細(xì)胞活力和堿性磷酸酶生物活性［29］。Deb等［30］用NaOH溶液處理南亞野鯪的鱗片后，在1 000 ℃下煅燒3 h，最后采用溶劑澆鑄技術(shù)成功制備出了羥基磷灰石/聚乙二醇復(fù)合骨支架。經(jīng)過力學(xué)測試和電子顯微鏡掃描分析顯示，該復(fù)合支架具有一定的機械性能和多孔結(jié)構(gòu)，孔徑超過100 μm，這種結(jié)構(gòu)適合骨細(xì)胞生長。所研制的支架有希望應(yīng)用于組織工程和骨折治療方面。

2.2 牙周修復(fù)材料

納米羥基磷灰石在牙釉質(zhì)和牙周組織再生等方面具有潛在的應(yīng)用前景。通過在靜電紡絲納米纖維支架中加入納米生物玻璃和納米羥基磷灰石等納米生物顆粒，可以非常接近地模仿骨骼的細(xì)胞外基質(zhì)。這種支架能夠吸附蛋白質(zhì)，人牙周韌帶成纖維細(xì)胞和人骨肉瘤細(xì)胞能夠很好地在支架上吸附和增殖［31］。Wijedasa等［32］分別從大西洋鮭（Salmo salar）和西大西洋笛鯛（Lutjanus campechanus）的鱗片中提取出羥基磷灰石，并將其與功能性納米肽纖維混合，制備出了一種新的肽基牙周組織再生復(fù)合支架。2種不同魚類鱗片的羥基磷灰石制成的支架均能支持細(xì)胞增殖和牙周成纖維細(xì)胞的形成。體外試驗表明，羥基磷灰石支架形成所使用的鱗片類型對支架的力學(xué)性能以及細(xì)胞的分化能力起著關(guān)鍵作用，來自鮭魚鱗片的羥基磷灰石衍生支架表現(xiàn)出了較高的機械強度和抵抗形變的能力，而鯛魚鱗片的羥基磷灰石支架中的細(xì)胞排列更加有序，更有利于成骨細(xì)胞的分化和細(xì)胞簇的形成。因此，2種支架特別是基于鯛魚鱗片的支架可能具有用于牙周組織再生的屬性［32］。

3 魚鱗膠原蛋白的應(yīng)用

膠原，特別是I型膠原作為細(xì)胞外基質(zhì)，在細(xì)胞黏附、增殖和細(xì)胞生長等方面發(fā)揮重要作用。由于魚鱗膠原蛋白含量較高，來源途徑較多，且人畜共患病風(fēng)險低，魚鱗膠原蛋白已經(jīng)成為哺乳動物膠原蛋白合適的替代品［33-34］。魚鱗中的I型膠原纖維通常由4個相同的亞基組成包括β鏈、γ鏈和2個α鏈（α1和α2），肽鏈之間通過氫鍵、共價鍵、范德華力相互結(jié)合形成右旋超螺旋結(jié)構(gòu)［35］。I型膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特征是三肽序列（Gly-Xaa-Yaa）n，其中的X和Y分別被脯氨酸（Pro）和羥脯氨酸（Hyp）攝取。I型膠原蛋白的變形溫度與Hyp的含量有關(guān)，Hyp的含量越高，膠原蛋白的穩(wěn)定性就越高［36］。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性還與魚體的生理溫度有關(guān)，熱帶魚類的膠原蛋白會具有更高的熱穩(wěn)定性［37］。膠原蛋白是動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最豐富的蛋白質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和藥物應(yīng)用。目前，I型膠原蛋白的主要來源是牛或豬的真皮，但由于瘋牛病和口蹄疫等疾病的存在，以此為來源的膠原蛋白和膠原蛋白衍生產(chǎn)品存在風(fēng)險，這限制了膠原蛋白的開發(fā)與應(yīng)用。來源于南亞野鯪鱗片的膠原蛋白變性溫度為36.5 ℃，這與哺乳動物膠原蛋白的變性溫度接近，表明魚鱗可以代替哺乳動物真皮成為更可靠的膠原蛋白來源［38］。I型膠原蛋白已經(jīng)廣泛應(yīng)用于角膜組織工程、藥物運輸、皮膚組織再生等材料的應(yīng)用研究。

3.1 角膜組織工程

角膜是一種再生能力有限的組織。當(dāng)角膜受損或病變時，角膜移植是最常見的醫(yī)學(xué)治療方法。目前，人類供體組織是角膜代替的唯一來源，但供體數(shù)量稀少。所以開發(fā)角膜替代的人工材料是極其重要的。角膜基質(zhì)由多層組成，各層膠原纖維排列緊密，相互平行，相鄰的兩層膠原纖維取向呈正交結(jié)構(gòu)。這種高度有序的結(jié)構(gòu)為角膜基質(zhì)的強度和透明度提供了重要貢獻(xiàn)。有學(xué)者在硬骨魚類魚鱗上發(fā)現(xiàn)了類似排列的膠原纖維，這為魚鱗膠原在角膜工程的應(yīng)用中提供了理論依據(jù)［39］。此外，魚鱗具有很強的再生能力和較低的人畜共患病風(fēng)險，是最有希望的代替角膜基質(zhì)的生物材料。魚鱗膠原蛋白具有良好的生物相容性、透明性和機械強度，在角膜工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力［40］。將廢棄的魚鱗進(jìn)行脫細(xì)胞、脫鈣處理制成膠原支架。通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)魚鱗仍然能夠保持天然的三維結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)有利于氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，因此可以實現(xiàn)高密度的細(xì)胞接種和鋪展［41］。van Essen等［42］利用脫細(xì)胞和脫鈣的羅非魚（Oreochromis mossambicus）魚鱗成功制備了膠原基質(zhì)支架用于角膜組織工程。體外試驗表明，魚鱗膠原基質(zhì)對人體角膜上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞無細(xì)胞毒性，還能夠促進(jìn)細(xì)胞黏附分子的表達(dá)。在大鼠皮下植入此角膜基質(zhì)不會引起炎癥或致敏反應(yīng)。魚鱗膠原基質(zhì)支架植入兔角膜后，可保持兔角膜透明，表皮健康，無免疫排斥反應(yīng)，并且無降解跡象，符合角膜重建的基本條件。魚鱗膠原基質(zhì)支架對人角膜內(nèi)皮細(xì)胞無明顯細(xì)胞毒性，能夠維持人角膜內(nèi)皮細(xì)胞的正常形態(tài)。因此，魚鱗衍生膠原支架因其良好的生物相容性可能成為一種很有潛力的角膜組織工程材料［43］。

3.2 軟組織工程材料

膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)的主要蛋白成分，具有較高的親水性和抵抗原型等特點［44］。I型膠原蛋白可通過RGD序列（RGD sequence）肽結(jié)構(gòu)與細(xì)胞膜上的受體相結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖。此前的研究中，分別使用豬皮膠原蛋白和魚鱗膠原蛋白開發(fā)了多孔支架，2種支架都對成纖維細(xì)胞無毒性。相比于凡士林紗布處理組，2種膠原蛋白支架對燒傷傷口的治療效果更好，治療過后在傷口周圍沒有觀察到疤痕，并且魚鱗膠原支架有更高吸水性透氣性，可以提供濕潤的創(chuàng)面愈合環(huán)境，有利于傷口恢復(fù)［45］。Shalaby等［35］從新鮮海魚鱗片中提取膠原蛋白，除去非膠原蛋白和色素物質(zhì)。通過抗菌試驗發(fā)現(xiàn)魚鱗I型膠原蛋白對金黃色葡萄球菌（ATCC 25，923）、變異鏈球菌（ATCC 5175）、大腸桿菌（ATCC 25，922）和枯草芽孢桿菌（ATCC 6633）有明顯抑制作用，對傷口愈合有積極作用。Pal等［46］從麥瑞加拉鯪魚（Cirrhinus cirrhosus）鱗片中成功提取了酸溶性和胃蛋白酶溶性的I型膠原蛋白，它們由2條不同的α鏈（α1和α2）組成，其變性溫度接近哺乳動物膠原蛋白變性溫度，能夠促進(jìn)細(xì)胞生長和增殖，并能迅速愈合皮膚傷口。

目前，基于魚鱗膠原蛋白的支架在組織再生和皮膚傷口愈合方面有實驗性的研究，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。有學(xué)者對I型膠原蛋白進(jìn)行甲基化修飾和1，4-丁二醇二縮水甘油醚（BDE）交聯(lián)程序來改善魚鱗的膠原蛋白的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠提高支架機械穩(wěn)定性和降解穩(wěn)定性。小鼠體內(nèi)試驗表明，改性后膠原蛋白支架對細(xì)胞、血管和淋巴管具有良好的浸潤作用［47］。此外，魚鱗膠原支架經(jīng)常與羥丙基甲基纖維素［48］、羧甲基瓜爾膠［49］和硬皮豆提取物［50］等多種合成或天然材料相結(jié)合用于皮膚傷口愈合。將魚鱗膠原蛋白和氨基化羧甲基瓜爾膠通過非共價離子和化學(xué)交聯(lián)結(jié)合制備的復(fù)合膜表現(xiàn)出良好的機械性能、抗溶脹性、生物相容性，對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有明顯的抑制作用［50］。魚鱗膠原蛋白的開發(fā)與利用在軟組織工程中顯示出很好的應(yīng)用前景。

3.3 藥物傳遞系統(tǒng)

魚鱗膠原蛋白是一種重要的結(jié)構(gòu)蛋白。由于其可靠性、可降解性和細(xì)胞黏附性，常被用作醫(yī)用組織再生的基質(zhì)材料或作為藥物載體用于藥物輸送系統(tǒng)［51］。Pathan等［48］將魚鱗膠原蛋白與羥丙基甲基纖維素混合制備納米水凝膠作為藥物遞送的載體，可顯著延長藥物釋放時間，提高生物利用度，從而提高藥效，促進(jìn)傷口愈合。此外，魚鱗膠原蛋白常被制成海綿或薄膜狀的傷口敷料用于負(fù)載莫匹羅星、頭孢他啶等抗菌藥物。抗菌試驗結(jié)果顯示，對金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等微生物能做到持續(xù)抑制，從而預(yù)防皮膚傷口感染［49-50］。

相比于口服給藥，經(jīng)皮給藥有著可持續(xù)性和可控性等優(yōu)點，同時避免了腸道代謝，具有更好地順應(yīng)性。微針技術(shù)已成為一種高效、持久的藥物運輸手段，在傳統(tǒng)經(jīng)皮給藥的方式中具有巨大的應(yīng)用潛力。有學(xué)者以魚鱗膠原蛋白為基礎(chǔ)，經(jīng)低溫壓制法制備的水凝膠微針能夠承受0.136 N的作用力，足以穿透皮膚。微針在磷酸鹽緩沖溶液中的溶脹率為3400%，24 h內(nèi)藥物的釋放率為34.5%［52］。目前，魚鱗膠原蛋白制備的可降解微針可應(yīng)用于阿司匹林、利多卡因等藥物的經(jīng)皮輸送。魚鱗生物聚合物微針可通過本身的自黏特性提供黏附性能，促進(jìn)阿司匹林利多卡因等親脂藥物在皮膚中的滲透［51-53］。

4 魚鱗衍生的其他生物材料

甲殼素是自然界中天然存在的多糖物質(zhì)，主要存在于甲殼動物（如蟹、蝦等）的外骨骼中，也存在于各種昆蟲、蠕蟲、真菌和蘑菇中。甲殼素是由β-（1-4）糖苷鍵連接的N-乙酰-D-葡糖胺的聚合物，由于活性基團(tuán)的存在，吸附容量高，具有抗菌活性，是生物技術(shù)工業(yè)和組織工程的潛在生物材料。甲殼素還具有良好的生物相容性、生物降解性、生物可吸收性、低免疫原性和促進(jìn)傷口愈合等特點［54-55］。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰衍生物。含有游離氨基酸的殼聚糖常被用作化學(xué)廢水處理、食品工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的黏合劑、膠凝劑、增稠劑和穩(wěn)定劑［54］。魚鱗作為一種天然物質(zhì)，也可以用于提取甲殼素和殼聚糖等活性物質(zhì)。Kumari等［54］利用稀鹽酸和氫氧化鈉對南亞野鯪的鱗片進(jìn)行脫礦、脫色和脫乙?；瘸Ｒ?guī)處理，成功得到了甲殼素和殼聚糖等物質(zhì)。Rumengan等［55］將鸚嘴魚（Chlorurus sordidus）和紫紅笛鯛（Lutjanus argentimaculatus）的鱗片進(jìn)行煮沸處理，發(fā)現(xiàn)2種魚鱗中甲殼素的含量高達(dá)45%和33%，紅外光譜分析進(jìn)一步表明提取物為典型的海洋甲殼素。

此外，Karimzadeh［56］利用氯化十六烷基吡啶陽離子鹽從庫圖擬鯉（Rutilus frisii kuum）魚鱗中提取出了糖胺聚糖化合物，其抗凝血性能與人工合成的抗凝血化合物（如肝素）相似。糖胺聚糖的提取率約為23.8 mg/g?？鼓钚越Y(jié)果表明，魚鱗中提取的糖胺聚糖通過活化部分凝血活酶從而延長人體血漿的凝血時間。

5 展望

魚鱗具有高度有序的層次結(jié)構(gòu)，包括有機膠原、多肽、甲殼素和無機羥基磷灰石等生物化合物，可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、化工等行業(yè)。魚鱗表面的微圖案結(jié)構(gòu)作為一種外在的機械載荷，適合刺激細(xì)胞的各種行為，包括細(xì)胞的遷移、增殖和分化，可用于皮膚傷口處理、角膜移植和治療骨折等方面。同時，高度有序的層次結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能，使其成為新型生物防護(hù)裝備發(fā)展的理想選擇。通過對魚鱗膠原纖維拉伸、分離、重定向、分層、扭轉(zhuǎn)、剪切、斷裂等多種變形機制的深入挖掘，可為設(shè)計輕巧、靈活、足夠柔性的“裝甲”提供啟發(fā)。與哺乳動物源性膠原相比，魚鱗源性膠原及其衍生物表現(xiàn)出低熔點、高黏度、高透明度等獨特的性質(zhì)。因此，魚鱗膠原蛋白及其衍生物作為增稠劑、乳化劑、澄清劑、穩(wěn)定劑和保濕劑在食品加工和化妝品行業(yè)表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。此外，魚鱗膠原蛋白及其衍生物具有低抗原性、良好的生物相容性和可降解性，可促進(jìn)細(xì)胞黏附和增殖，為其在傷口敷料、止血劑軟組織再生、角膜修復(fù)等方面的應(yīng)用提供了巨大的前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ CHINH N T，MANH V Q，TRUNG V Q，et al.Characterization of collagen derived from tropical freshwater carp fish scale wastes and its amino acid sequence［J］.Natural product communications，2019，14（7）：1-40.

［2］ HOL M，KALVODA J，NOVKOV H，et al.Possibilities of LA-ICP-MS technique for the spatial elemental analysis of the recent fish scales：Line scan vs.depth profiling［J］.Applied surface science，2011，257（6）：1932-1940.

［3］ ZHU D J，ORTEGA C F，MOTAMEDI R，et al.Structure and mechanical performance of a "modern" fish scale［J］.Advanced engineering materials，2012，14（4）：B185-B194.

［4］ MUHAMMAD N，GAO Y N，IQBAL F，et al.Extraction of biocompatible hydroxyapatite from fish scales using novel approach of ionic liquid pretreatment［J］.Separation and purification technology，2016，161：129-135.

［5］ MUSLIM T，RAHMAN M H，BEGUM H A，et al.Chitosan and carboxymethyl chitosan from fish scales of Labeo rohita［J］.Dhaka University journal of science，2013，61（1）：145-148.

［6］ PALMER L C，NEWCOMB C J，KALTZ S R，et al.Biomimetic systems for hydroxyapatite mineralization inspired by bone and enamel［J］.Chemical reviews，2008，108（11）：4754-4783.

［7］ IKOMA T，KOBAYASHI H，TANAKA J，et al.Microstructure，mechanical，and biomimetic properties of fish scales from Pagrus major［J］.Journal of structural biology，2003，142（3）：327-333.

［8］ FANG Z，WANG Y K，F(xiàn)ENG Q L，et al.Hierarchical structure and cytocompatibility of fish scales from Carassius auratus［J］.Materials science & engineering：C，2014，43（10）：145-152.

［9］ CHOU C H，CHEN Y G，LIN C C，et al.Bioabsorbable fish scale for the internal fixation of fracture：A preliminary study［J］.Tissue engineering part A，2014，20（17/18）：2493-2502.

［10］ KARA A，GUNES O C，ALBAYRAK A Z，et al.Fish scale/poly（3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate）nanofibrous composite scaffolds for bone regeneration［J］.Journal of biomaterials applications，2020，34（9）：1201-1215.

［11］ HAN F，LI T，LI M M，et al.Nano-calcium silicate mineralized fish scale scaffolds for enhancing tendon-bone healing［J］.Bioactive materials，2023，20：29-40.

［12］ SATAPATHY A，PATNAIK A，PRADHAN M K.A study on processing，characterization and erosion behavior of fish（Labeo-rohita）scale filled epoxy matrix composites［J］.Materials & design，2009，30（7）：2359-2371.

［13］ CHIARATHANAKRIT C，RIYAJAN S A，KAEWTATIP K.Transforming fish scale waste into an efficient filler for starch foam［J］.Carbohydrate polymers，2018，188：48-53.

［14］ URAL E，KANDIRMAZ E A.Potential of fish scales as a filling material in surface coating of cellulosic paper［J］.Journal of applied biomaterials & functional materials，2018，16（1）：23-27.

［15］ ARADHYULA T V，BIAN D，REDDY A B，et al.Compounding and the mechanical properties of catla fish scales reinforced-polypropylene composite-from biowaste to biomaterial［J］.Advanced composite materials，2020，29（2）：115-128.

［16］ NOURBAKHSH A，ASHORI A，TABRIZI A K.Characterization and biodegradability of polypropylene composites using agricultural residues and waste fish［J］.Composites part B：Engineering，2014，56：279-283.

［17］ BABU K R，JAYAKUMAR V，BHARATHIRAJA G，et al.Experimental investigation of fish scale reinforced polymer composite［J］.Materials today：Proceedings，2020，22（3）：416-418.

［18］ VIEIRA E F S，CESTARI A R，CARVALHO W A，et al.The use of freshwater fish scale of the species Leporinus elongatus as adsorbent for anionic dyes［J］.Journal of thermal analysis & calorimetry，2012，109（3）：1407-1412.

［19］ TESHALE F，KARTHIKEYAN R，SAHU O.Synthesized bioadsorbent from fish scale for chromium（III）removal［J］.Micron，2020，130：1-15.

［20］ PAL D，MAITI S K.An approach to counter sediment toxicity by immobilization of heavy metals using waste fish scale derived biosorbent［J］.Ecotoxicology and environmental safety，2020，187：1-8.

［21］ NIERO G，CORRA A X R，TRIERWEILER G，et al.Using modified fish scale waste from Sardinella brasiliensis as a low-cost adsorbent to remove dyes from textile effluents［J］.Journal of environmental science and health，part A，2019，54（11）：1083-1090.

［22］ STEPNOWSKI P，OLAFSSON G，HELGASON H，et al.Recovery of astaxanthin from seafood wastewater utilizing fish scales waste［J］.Chemosphere，2004，54（3）：413-417.

［23］ CHOWDHURY S，DAS SAHA P，GHOSH U.Fish（Labeo rohita）scales as potential low-cost biosorbent for removal of malachite green from aqueous solutions［J］.Bioremediation journal，2012，16（4）：235-242.

［24］ HO L N，ONG S A，OSMAN H，et al.Enhanced photocatalytic activity of fish scale loaded TiO2 composites under solar light irradiation［J］.Journal of environmental sciences，2012，24（6）：1142-1148.

［25］ LIU H J，CAO Y L，WANG F，et al.Nitrogen-doped hierarchical lamellar porous carbon synthesized from the fish scale as support material for platinum nanoparticle electrocatalyst toward the oxygen reduction reaction［J］.ACS applied materials & interfaces，2014，6（2）：819-825.

［26］ SELVAMANI V，RAVIKUMAR R，SURYANARAYANAN V，et al.Fish scale derived nitrogen doped hierarchical porous carbon-a high rate performing anode for lithium ion cell［J］.Electrochimica acta，2015，182：1-10.

［27］ HUANG Y C，HSIAO P C，CHAI H J.Hydroxyapatite extracted from fish scale：Effects on MG63 osteoblast-like cells［J］.Ceramics international，2011，37（6）：1825-1831.

［28］ MONDAL S，MONDAL A，MANDAL N，et al.Physico-chemical characterization and biological response of Labeo rohita-derived hydroxyapatite scaffold［J］.Bioprocess and biosystems engineering，2014，37（7）：1233-1240.

［29］ PON-ON W，SUNTORNSARATOON P，CHAROENPHANDHU N，et al.Synthesis and investigations of mineral ions-loaded apatite from fish scale and PLA/chitosan composite for bone scaffolds［J］.Materials Letters，2018，221：143-146.

［30］ DEB P，DEOGHARE A B，BARUA E.Poly ethylene glycol/fish scale-derived hydroxyapatite composite porous scaffold for bone tissue engineering［J］.IOP conference series：Materials science and engineering，2018，377：1-5.

［31］ SHALUMON K T，SOWMYA S，SATHISH D，et al.Effect of incorporation of nanoscale bioactive glass and hydroxyapatite in PCL/chitosan nanofibers for bone and periodontal tissue engineering［J］.Journal of biomedical nanotechnology，2013，9（3）：430-440.

［32］ WIJEDASA N P，BROAS S M，DASO R E，et al.Varying fish scale derived hydroxyapatite bound hybrid peptide nanofiber scaffolds for potential applications in periodontal tissue regeneration［J］.Materials science and engineering：C，2020，109：1-12.

［33］ NORRIS W D，STEELE J G，JOHNSON G，et al.Serum enhancement of human endothelial cell attachment to and spreading on collagens I and IV does not require serum fibronectin or vitronectin［J］.Journal of cell science，1990，95（Pt2）：255-262.

［34］ TERADA M，IZUMI K，OHNUKI H，et al.Construction and characterization of a tissue-engineered oral mucosa equivalent based on a chitosan-fish scale collagen composite［J］.Journal of biomedical materials research part B applied biomaterials，2012，100B：1792-1802.

［35］ SHALABY M，AGWA M，SAEED H，et al.Fish scale collagen preparation，characterization and its application in wound healing［J］.Journal of polymers and the environment，2020，28（1）：166-178.

［36］ SUTHERLAND T D，PENG Y Y，TRUEMAN H E，et al.A new class of animal collagen masquerading as an insect silk［J］.Scientific reports，2013，3：1-6.

［37］ PRIVALOV P L.Stability of proteins：Proteins which do not present a single cooperative system［J］.Advances in protein chemistry，1982，35：1-104.

［38］ PATI F，ADHIKARI B，DHARA S.Isolation and characterization of fish scale collagen of higher thermal stability［J］.Bioresource technology，2010，101（10）：3737-3742.

［39］ TAKAGI Y，URA K.Teleost fish scales：A unique biological model for the fabrication of materials for corneal stroma regeneration［J］.Journal of nanoscience and nanotechnology，2007，7（3）：757-762.

［40］ HSUEH Y J，MA D H K，MA K S C，et al.Extracellular matrix protein coating of processed fish scales improves human corneal endothelial cell adhesion and proliferation［J］.Translational vision science & technology，2019，8（3）：1-15.

［41］ LIN C C，RITCH R，LIN S M，et al.A new fish scale-derived scaffold for corneal regeneration［J］.Eur Cell Mater，2010，19：50-57.

［42］ VAN ESSEN T H，VAN ZIJL L，POSSEMIERS T，et al.Biocompatibility of a fish scale-derived artificial cornea：Cytotoxicity，cellular adhesion and phenotype，and in vivo immunogenicity.Biomaterials，2016，81：36-45.

［43］ PAREKH M，VAN DEN BOGERD B，ZAKARIA N，et al.Fish scale-derived scaffolds for culturing human corneal endothelial cells［J］.Stem cells international，2018，2018：1-11.

［44］ HUANG S，F(xiàn)U X B.Naturally derived materials-based cell and drug delivery systems in skin regeneration［J］.Journal of controlled release，2010，142（2）：149-159.

［45］ SHI Y F，ZHANG H J，ZHANG X，et al.A comparative study of two porous sponge scaffolds prepared by collagen derived from porcine skin and fish scales as burn wound dressings in a rabbit model［J］.Regenerative biomaterials，2020，7（1）：63-70.

［46］ PAL P，SRIVAS P K，DADHICH P，et al.Accelerating full thickness wound healing using collagen sponge of mrigal fish（Cirrhinus cirrhosus）scale origin［J］.International journal of biological macromolecules，2016，93：1507-1518.

［47］ WANG J K，YEO K P，CHUN Y Y，et al.Fish scale-derived collagen patch promotes growth of blood and lymphatic vessels in vivo［J］.Acta biomaterialia，2017，63：246-260.

［48］ PATHAN I B，MUNDE S J，SHELKE S，et al.Curcumin loaded fish scale collagen-HPMC nanogel for wound healing application：Ex-vivo and in-vivo evaluation［J］.International journal of polymeric materials and polymeric biomaterials，2019，68（4）：165-174.

［49］ JANA P，MITRA T，SELVARAJ T K R，et al.Preparation of guar gum scaffold film grafted with ethylenediamine and fish scale collagen，cross-linked with ceftazidime for wound healing application［J］.Carbohydrate polymers，2016，153：573-581.

［50］ MUTHUKUMAR T，PRABU P，GHOSH K，et al.Fish scale collagen sponge incorporated with Macrotyloma uniflorum plant extract as a possible wound/burn dressing material［J］.Colloids & surfaces B biointerfaces，2014，113：207-212.

［51］ OLATUNJI O，OLUBOWALE M，OKEREKE C.Microneedle-assisted transdermal delivery of acetylsalicylic acid（aspirin）from biopolymer films extracted from fish scales［J］.Polymer bulletin，2018，75（9）：4103-4115.

［52］ OLATUNJI O，DENLOYE A.Production of hydrogel microneedles from fish scale biopolymer［J］.Journal of polymers and the environment，2019，27（6）：1252-1258.

［53］ MEDHI P，OLATUNJI O，NAYAK A，et al.Lidocaine-loaded fish scale-nanocellulose biopolymer composite microneedles［J］.AAPS PharmSciTech，2017，18（5）：1488-1494.

［54］ KUMARI S，RATH P K.Extraction and characterization of chitin and chitosan from（Labeo rohit）fish scales［J］.Procedia materials science，2014，6：482-489.

［55］ RUMENGAN I F M，SUPTIJAH P，WULLUR S，et al.Characterization of chitin extracted from fish scales of marine fish species purchased from local markets in North Sulawesi，Indonesia［J］.IOP conference series：Earth and environmental science，2017，89：1-5.

［56］ KARIMZADEH K.Anticoagulant effects of glycosaminoglycan extracted from fish scales［J］.International journal of basic science in medicine，2018，3（2）：72-77.