コラーゲンは、人体および脊椎動物の主要な構造タンパク質であり、主に線維芽細胞によって合成されます。支持組織と結合組織の主要構成成分として、支持、保護、連結など多様な役割を果たします。人体には最大28種類の異なるサブタイプのコラーゲンが存在し、線維状コラーゲンと非線維状コラーゲンの2つに大別されます。構造分析によれば、線維状コラーゲンの高分子は3本のポリペプチド鎖が強く絡み合った三量体を形成し、さらに多数のコラーゲン三量体が互いに並んでより大きな線維を形成し架橋結合することで、最終産物は高い機械的強度を獲得します。コラーゲンが正常な三重らせん構造を保持することは、その物理化学的特性と生物学的活性の基礎です。この構造により、高い引張強度、生分解性、低抗原性、低刺激性、低細胞毒性といった特性に加え、人工臓器の骨格や創傷被覆材として使用した際の細胞増殖促進、細胞接着促進、新生細胞や組織と連携した創傷修復促進などの特性を発揮します。これらの特性から、コラーゲンは理想的な生体医用材料として、被覆材、人工臓器、再生医療、美容・化粧品などの分野で広範に応用されています。
コラーゲンは多様な優れた特性と用途を持つため、化粧品、健康食品、食品、医薬品など幅広い分野で活用されています。産業化されているコラーゲンの原料としては、豚皮、牛皮、牛骨、魚皮、魚鱗などの動物組織由来のものに加え、遺伝子工学技術の発展に伴い組換え型コラーゲンも登場しています。原料源が異なるコラーゲンは、アミノ酸組成、分子量、熱安定性、生物学的特性などに一定の差異があります。その中でも、組換えヒト型コラーゲンは人体のコラーゲンと同一の遺伝子配列を用いるため、ヒトとの相同性が高く、拒絶反応がなく、動物ウイルスのリスクも存在しないことから、動物由来コラーゲンに比べてより安全かつ信頼性が高く、生物活性および生体適合性にも優れています。
軟組織修復材料
コラーゲン材料は天然の多孔質ネットワーク構造を有しており、創傷部に接触すると速やかに血液を吸着して血小板凝集を促進するとともに、組織滲出液を吸収し、良好な創傷微小環境を形成して創傷治癒を促進します。現在、臨床で使用されているコラーゲン系軟組織修復製品は多数あり、主にコラーゲン製被覆材、硬膜（脊髄膜）パッチ、人工角膜、口腔用パッチ、ヘルニア用メッシュ、乳房整形用パッチなどがあります。
硬組織修復材料
骨組織の欠損や病変は臨床上よく見られる症状であり、自家骨の欠損が大きすぎる場合は自然治癒が不可能で、治療法としては主に自家骨移植、同種骨移植、人工骨移植があります。自家骨移植は供給量に限りがあり二次損傷を引き起こす可能性があり、同種骨移植には感染症リスクや免疫拒絶反応などがあるため、人工骨材料は広範な応用の可能性を秘めています。コラーゲンは天然骨組織の主要な有機成分であり、人工骨組織工学材料として広く応用されています。現在、臨床で使用されているコラーゲンベースの骨組織修復材料は、主にヒドロキシアパタイト、β-リン酸三カルシウム、バイオアクティブガラスとコラーゲンの複合体などであり、優れた生体適合性と分解性を有し、骨欠損部位を充填・修復して自家骨再生を誘導します。
薬物放出担体材料
コラーゲン材料の構造を制御することで薬物の徐放性を実現し、体内における薬物の作用時間を延長。これにより、より優れた薬物治療効果を得ることができます。
組織工学スキャフォールド
コラーゲンを組織工学スキャフォールド材料として使用する主な目的は、シード細胞に良好な生存空間と微小環境を提供することです。細胞は予め形成された三次元スキャフォールドに沿って増殖し、新たな細胞外マトリックスを分泌することで、最終的には体外である程度の形状と三次元構造を有する組織や器官を作製することが可能です。
3Dプリント技術原料
3Dプリント技術はバイオ医療分野で急速に発展しており、生体材料、細胞、成長因子などの全体の3D構造内での位置、組み合わせ、相互作用を精密に制御できるとともに、患者個別に合わせた医療機器の作製を可能にします。コラーゲンは、原料源が広範、構造が安定、他の材料との複合使用が可能といった利点を有することから、3Dプリントにおいて一般的に使用される原材料の一つとなっています。
止血材料
コラーゲンは止血材料としても使用可能です。血管内皮細胞下層は一連の細胞外マトリックスタンパク質で構成され、その中の線維性コラーゲンは血栓形成を誘導する主要なマトリックスタンパク質です。血管壁の内皮細胞が剥離してコラーゲンが血液に露出すると、流動する血液中の血小板は直ちにコラーゲン線維に吸着して凝集反応を起こし、血栓を形成します。コラーゲンは凝固第XII因子、凝固第XI因子および第V因子を活性化することで、血小板の凝固を促進します。止血剤として使用されるコラーゲンは、粉末状、シート状、スポンジ状など多様な物理的形態をとることができます。
