量身定制明胶：新型反应器系统实现生物聚合物改性的规模化生产

Process 2026-06-25

无论是生物打印、伤口敷料还是诊断应用，改性明胶都可以针对多种应用场景完成定向性能优化。目前，弗劳恩霍夫IGB已经为此开发出一套自动化、可重复的生产工艺，首次在公斤级生产规模下实现了稳定一致的材料品质。

明胶不止用于维持橡皮糖、奶油布丁和软胶囊的形态。得益于它可以形成连续、力学性能稳定的薄膜，这种生物聚合物在涂层领域也广受青睐——例如用于纺织品、纸张或感光胶片的涂布，作为颜料和功能化学品的载体存在。这种天然蛋白本身还具备优异的生物相容性，因此也适用于化妆品和医疗领域，可作为活性成分或染料的载体，也可加工为可溶胀的伤口敷料。

在1升反应器中，单批次即可生产100克改性明胶，生产过程可重现，产品质量完全稳定一致。（图片：弗劳恩霍夫IGB）

但在多数应用场景中，都需要对明胶的材料性能做针对性调整，3D生物打印就是典型例子。明胶的凝胶行为具有温度依赖性：仅在较高温度下保持流动性，在生理条件下却无法维持形态稳定。针对这类需求，弗劳恩霍夫界面技术与生物工程研究所IGB通过化学改性反应，根据具体应用要求优化明胶的性能。

“针对生物打印应用，我们通过改性明胶，同时精准调控生物墨水的性能，以及打印完成后结构的稳定性，”弗劳恩霍夫IGB生物制造与材料开发部门负责人Achim Weber博士解释道。除了凝胶点、熔融点以及对应的凝胶行为外，研究人员还可以根据具体应用需求，调整这种生物聚合物的粘度、溶解性与电荷特性。

Part1 灵活的功能化改性模块化体系

在生物打印应用中，研究人员优先选用甲基丙烯酸酐对明胶进行改性处理，使明胶获得光交联能力。“甲基丙烯酰化明胶既保留了天然明胶本身的生物相容性，又具备紫外照射下可固化的特性，”负责在实验室开展并监控化学改性过程的Melanie Dettling介绍道。改性明胶完成打印后，可在光引发剂作用下经紫外照射交联形成固态水凝胶。该材料可模拟细胞天然的细胞外基质（ECM），作为结构支撑支架，促进细胞黏附、生长与分化，进而引导新组织生成。

这类改性明胶曾在欧盟TriAnkle项目中投入应用，与胶原蛋白及改性胶原蛋白配合使用，作为定制化细胞和生长因子载体系统。针对踝关节缺损个性化植入物的临床前研究结果显示，该体系可显著增强肌腱和软骨组织的再生能力，减少炎症反应，加快愈合速度。

根据具体应用需求，研究人员也可通过其他功能化改性实现预期目标。“举例来说，我们可以在生物聚合物中引入巯基，通过‘点击化学反应’完成交联，”Dettling解释道。也就是说，交联可通过多种路径实现：紫外光化学交联、热交联或是化学反应交联。

依托灵活的模块化体系，研究人员还成功提升了明胶的正电荷特性。在即时检测（Point-of-Care）快检产品中，这种阳离子化明胶水凝胶已被成功用于包埋关键反应组分，固定带负电的目标检测分子。

Part2 可实现规模化生产的自动化反应器系统

为测试优化后材料的性能，来自科研与工业领域的合作伙伴通常需要较大用量的功能性生物聚合物。为实现功能性明胶的规模化、可重现生产，弗劳恩霍夫IGB的材料开发团队现已在自动化反应器系统中搭建了全新的工艺流程。

在自动化反应器内，所有相关工艺参数都按照自定义标准操作规程（SOP）完成系统化采集与调控，范围覆盖温度、甲基丙烯酸酐等试剂的进料速率，到pH值和氢氧化钠溶液补加量等各个环节。Dettling的研究证实，在1升反应器中，明胶最终的甲基丙烯酰化程度与进料溶液中甲基丙烯酸酐的过量程度呈线性关系——这一结论在手动烧瓶制备工艺中，无法得到如此清晰明确的验证。

“如今，我们可以在1升反应器中可重复地制备出100克改性明胶，且批次间质量完全一致，”Dettling说。目前，这位应用化学家正将标准化工艺转移至5升和10升反应器，验证进一步放大生产规模时，材料性能仍能保持可重现性。在分批式（Batch）工艺中，单批次即可生产最高达一公斤的功能性明胶。

Part3 可比、可得、可用：面向工业与科研的样品级产量

自动化工艺控制让我们能够在标准化工艺条件下完成不同的化学功能化改性，进而可以直接对比不同改性方式带来的效果差异。

“现在我们可以明确将材料性能的差异归因于对应的化学改性，排除了性能差异来自不同生产条件的可能，”Dettling解释道。本次工艺制备的材料会向企业与科研合作伙伴开放样品申请用于测试。合作伙伴无需自行开发或搭建放大生产工艺，即可直接测试材料性能、评估应用可行性、开展验证研究，有效推进自身的产品开发进程。

Part4 不止于明胶：定制化生物聚合物开发平台

“改性明胶既可以作为水凝胶、载体材料，或是生物医学系统、个人护理产品中的结构支撑组分，也可用于需要特定相互作用、阻隔性或粘附性能的功能性材料与涂层，”Weber表示。这类应用还包括对制备可重复性、材料及表面性能可控性有明确要求的体外测试系统与微流控诊断平台。

弗劳恩霍夫IGB采用的这套工艺理念并不局限于明胶。事实上，借助这套工艺，其他具备良好化学改性潜力的生物基聚合物，同样可以实现材料性能的定向调控，例如胶原蛋白、壳聚糖、菊粉和透明质酸——无论是用于可控释放包封，还是用于涂层领域，都可以实现。

责任编辑：邵丽竹

审　　核：何发