殼聚糖理化、生物學特性及其產品安全性的研究進展

趙玉娟，肖桂勇，黃 琳，田月潔，趙 燕

(1山東省藥品不良反應監測中心，濟南250013;2山東大學材料與工程學院;3國家藥品不良反應監測中心)

殼聚糖是從甲殼類動物中提取的惟一一種被廣泛應用于生物醫學工程領域的聚陽離子堿性多糖，其蘊藏量在自然界天然有機高分子物質中占第二位，僅次于纖維素［1］。殼聚糖在人體內可發生生物降解，降解產物不在體內積蓄，且無毒性、無刺激性及抗原免疫性，通常被認為具有良好的生物相容性［2，3］。近十年來國內外對殼聚糖性能及產品的開發研究愈發深入廣泛。目前，日本和美國已大規模生產殼聚糖，我國也將有關研究列入國家高技術研究發展計劃(863計劃)［4］。殼聚糖具有眾多生理活性，如抗菌、降血脂、降膽固醇、止血、促愈、抗氧化、提高免疫力等，基于此而生產和應用的殼聚糖類產品種類繁多，如外科手術可吸收縫合線、醫用敷料、止血材料、硬組織修復材料以及藥物控制釋放材料［5～8］等。隨著殼聚糖類醫療器械臨床使用的增多，其導致的不良事件數量也逐年增多，且并不局限于Ⅲ類高風險品種。現將殼聚糖的理化、生物學特性及其使用過程中出現的不良事件綜述如下。

1 殼聚糖基本結構及理化特性

1.1 基本結構 殼聚糖是甲殼素脫乙酰基后生成的產物，一般而言，乙酰基脫去50%以上即可稱之為殼聚糖，或者說能在1%乙酸或1%鹽酸中溶解1%的脫乙酰甲殼素即為殼聚糖。殼聚糖是由2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖和少量的2-乙酰氨基-2-脫氧--D-葡萄糖單元通過 -1，4糖苷連接而成的高分子聚合物［5～8］。殼聚糖分子結構與纖維素相似，僅在纖維素分子的C2位連接上了氨基或乙酰氨基，是一種線性氨基多糖。正是由于殼聚糖所特有的氨基基團，使其具備了許多獨特的性質。殼聚糖在體內可降解成寡聚糖，然后進一步水解，通過代謝可轉化成糖蛋白并以多種方式代謝并排泄［8，9］。

1.2 理化特性 殼聚糖外觀呈是白色或淡黃色半透明片狀或粉末狀固體，無味、無臭、無毒性，略有珍珠光澤。殼聚糖的pKa值為5.5～6.5，大約在185℃分解，可溶于稀有機酸和部分無機酸(鹽酸)，但不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸和草酸等。在酸性條件下，殼聚糖氨基質子化后可溶于水，且帶正電荷，具有凝膠型和成膜性［10］。脫乙酰度和平均分子量是評價殼聚糖性能的兩個主要指標，這兩個指數的變化和差異是殼聚糖性能多樣性的基礎。另一個重要的質量指標是黏度，不同黏度的產品有不同的用途，商品殼聚糖視其用途不同有三種不同的黏度，高黏度產品黏度0.7～1 Pa·s，中黏度產品黏度0.25～0.65 Pa·s，低黏度產品黏度﹤ 0.25 Pa·s。

殼聚糖含有游離氨基，由于分子中C2位上的氨基反應活性大于羥基，易發生化學反應。殼聚糖在較溫和的條件下能夠發生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、羥基化、酯化、氧化還原、縮合和絡合等多種化學反應，形成不同結構、溶解性和生物活性不同的衍生物，從而拓寬了殼聚糖的應用領域［11］。

2 殼聚糖的生物相容性和生物安全性

2.1 生物相容性 殼聚糖雖然通常被認為具有良好的生物相容性，但是這樣的說法并不確切。根據殼聚糖在醫學中的應用目的不同，與人體直接相接處的部位不同，其生物相容性也有不同的呈現，分別有組織相容性、血液相容性和力學相容性［12］。一般生物相容性是殼聚糖類產品生物安全性的直接反映，需考慮其潛在的生物學危害，以便進行風險控制。

2.1.1 組織相容性 殼聚糖的組織相容性是指殼聚糖與生物體組織，如骨骼、牙齒、內部器官、肌肉、肌腱、皮膚等的相互適應性。即當殼聚糖進入心血管系統以外的組織和器官時，組織對殼聚糖的反應和殼聚糖在周圍組織作用下持續保持有效生物功能的能力。由于殼聚糖本身的結構和特性，表現為與組織良好的相互作用，其組織相容性非常優良，這也是殼聚糖具有良好生物相容性的原因。殼聚糖及其衍生物的組織相容性不僅優良，而且還表現一定的生理活性，如提高免疫活性［13，14］、抗腫瘤特性［15，16］、抗菌活性［17，18］、促進組織愈合和修復的特性［19，20］、可生物降解性［21］。

2.1.2 血液相容性 殼聚糖血液相容性是指當殼聚糖與血液直接接觸時，血液對殼聚糖產生的反應和殼聚糖在血液中持續保持有效生物功能的能力。良好的血液相容性應該表現為與血液接觸后，不引起血漿蛋白的變性，不破壞血液的有效成分，不導致溶血、血液的凝固和血栓的形成。而單純的殼聚糖本身具有促凝血作用，所以血液相容性很差，常常作為一種很好的止血材料在體外使用。目前認為殼聚糖的止血與它和血液中帶負電荷的紅細胞、白細胞、血小板等相結合，形成細胞栓子或凝血栓產生凝血作用相關［22，23］。脫乙酰度、分子量和外觀形態是影響殼聚糖止血效果的主要因素。衍生或與其他材料復合，可進一步提高材料的凝血等生物、理化性能。

2.1.3 力學相容性 力學相容性是指生物材料與人體組織在力學性能上的匹配。對于植入體內承受負荷，甚至要求具有彈性形變等力學性能的材料，其力學性能要能夠和植入部位的組織相適應或相匹配。用于人體的生物材料或多或少要承受一定的負荷，同時與周圍組織發生協同作用，實現一定的生物機械功能，在這個過程中生物材料會與周圍組織產生相互作用，所以與周圍組織在力學性能上相互匹配是保證發揮其生物機械功能的基礎。由于殼聚糖具有和纖維素類似的大分子鏈結構，剛性很強，所以有較高的強度和模量，力學性能良好。另外，還可以通過化學方法調節其分子量來獲得與人體不同部位組織的強度相匹配的改性殼聚糖衍生物，以滿足臨床要求的需要。

2.2 生物安全性 殼聚糖是一種生物可降解的天然多糖，其結構與細菌細胞壁上的肽聚糖類似，可被體內的溶菌酶及水解酶等降解成葡萄糖胺或殼寡糖［24］。殼聚糖在動物體內的降解是一個緩慢長期的過程，尤其是脫乙酰度和分子量越高，其在體內存在時間越長，對機體的影響越持久。作為包含有生物信息的天然高分子材料，殼聚糖及其衍生物兼具生物相容性和生物可降解性，可被生物內的溶菌酶分解，應用于相關的醫藥領域時其安全性較其它合成材料更為可靠。然而隨著殼聚糖類產品的開發和廣泛應用，殼聚糖的生物安全性也越來越被人們所重視。殼聚糖的生物安全性一般從急性毒性和長期毒性、細胞毒性和局部反應等幾方面來考慮和評價。

2.2.1 急性毒性和長期毒性 殼聚糖的急性毒性和長期毒性一般較低，但由于其性質、給藥途徑和劑量及實驗動物種類的差異，臨床毒性反應也有顯著不同。已有研究證明當小鼠腹腔連續持續注射大劑量殼聚糖后，會出現體質量下降，憔悴，毛發豎立，口和眼周圍脫毛，外耳、口和眼瞼水腫，畏光，腸系膜巨噬細胞增生等不良反應。皮下注射過多殼聚糖會使小鼠注射部位腫脹［25］。給兔靜脈注射劑量為50 mg/(kg·d)的殼聚糖，持續注射10 d，有兔死亡現象［26］。給狗注射劑量分別為 0、10、30、50、100、150、200 mg/(kg·od)的殼聚糖，持續注射 1個月。30 mg/(kg·d)組出現短時憔悴和食欲減退，50 mg/(kgod)起該副作用持續存在，150 mg/(kg·d)組出現嚴重的呼吸困難及死亡。50 mg/(kg·d)起出現白細胞、乳酸脫氫酶和肌氨酸激酶的上升，出現嚴重肺炎導致死亡的情況［27］。

2.2.2 細胞毒性 殼聚糖與細胞膜成分之一的黏多糖具有相似的結構特點，且其為陽離子多糖，可與細胞表面帶負電荷的基團發生非特異性吸附，因而具有優異的細胞相容性。殼聚糖具有良好的細胞相容性，對人成纖維細胞、內皮細胞、平滑肌細胞、人皮膚成纖維細胞均有良好的親和力，并無細胞毒性［28］。通過對豬髂動脈內皮細胞的研究可知，殼聚糖可促進內皮細胞增殖和遷移，細胞相容性良好［29］。

2.2.3 局部反應 殼聚糖溶液連續涂敷于家兔的完整皮膚和破損皮膚上7 d，未見明顯紅斑、水腫等刺激癥狀發生，說明殼聚糖對家兔皮膚無刺激和過敏反應［30］。Rao 等［31］用兔進行了殼聚糖 (126 kDa)膜的熱原實驗、眼刺激實驗和肌肉內植入實驗，用豚鼠進行了皮膚刺激實驗，結果顯示殼聚糖無熱原性，對眼、皮膚無任何毒性作用，肌肉內植入無不良反應。殼聚糖膜植入小鼠股部肌肉后，局部未見充血和水腫，組織在植入早期處于慢性炎癥反應期，但隨著殼聚糖的分解，組織反應逐步減輕，無其他明顯不良反應［32］。商旭敏等［33］研究了殼聚糖膜在兔眼鞏膜瓣下的降解、眼組織病理學變化、眼刺激反應及眼內壓變化，結果未見兔眼角膜渾濁或虹膜充血腫脹，提示殼聚糖膜對兔眼無刺激性，局部組織有短期炎癥反應，但無明顯纖維組織增生，降眼壓效果滿意，因此殼聚糖膜有良好的眼組織相容性。

3 我國常見殼聚糖醫療產品分類

我國從20世紀90年代初期開始廣泛研究和開發殼聚糖類產品，從國家食品藥品監督管理總局網站中進行數據查詢，共檢索到目前我國殼聚糖類醫療器械產品80個。按照產品功效、產品形態和管理類別不同，這些殼聚糖類醫療器械產品科分為:

3.1 按照產品功效分類 按照殼聚糖類產品的不同用途，可分為防粘連隔離膜、促傷口愈合產品、治療皮膚病產品、口腔用械、婦科用械、痔瘡用械和護臍帶。

3.2 按照產品形態分類 按照殼聚糖類產品表現出的不同理化特性和形態，可分為液體、粉末、海綿體、水性凝膠、無紡布和可吸收止血非織布。

3.3 按照管理類別分類 按照醫療器械管理類別，殼聚糖類產品分I類、II類、III類醫療器械［34］。其中Ⅰ類醫療器械1個，為殼聚糖創口貼;Ⅱ類醫療器械75個;Ⅲ類醫療器械4個，為醫用可降解防術后粘連殼聚糖、殼聚糖基可吸收止血非織布、醫用防粘連改性殼聚糖。Ⅲ類殼聚糖類醫療器械為防粘連隔離產品，一般置入體內，形成一層膜狀結構，附著于組織器官之間，從而達到生物隔離作用。此類殼聚糖產品于置放后逐步降解，不凝結成團形成異物危害患者健康，且能促進傷口愈合，預防因手術引起的有害粘連。

4 國內殼聚糖醫療器械產品的質量標準對比

由于殼聚糖所具有的良好的細胞相容性、組織相容性和生物可降解性，還有廣譜抗菌、抗感染和很強的凝血作用，以及促進傷口愈合、調節血脂和降低膽固醇、增強免疫和抗腫瘤等多種生理活性作，殼聚糖及其衍生物已經在生物醫用材料方面獲得了從作為受損傷組織修復、輔助或暫時替代材料的一次性醫療用品到活性物質控制釋放材料，從細胞培養基到組織工程材料的廣泛用。近年開發的殼聚糖基生物醫藥產品形式主要有粉末狀、顆粒狀、海綿狀、薄膜狀、水凝膠、非織布等多種劑型，其應用范疇也較廣泛，涵蓋了從體外到體內、從創面敷料到功能性組織再生支架等多種產品。

4.1 國內醫療器械產品標準 目前，適用于國內醫療器械產品的質量標準大部分都是參照國際標準(ISO)來制定的。例如，國內對醫療器械生物學評價的標準GB 16886-2011，2005，2003，2007等基本是參照國際標準ISO 10993來制定的;YY/T0771-2009主要參考ISO 22442-2007中的要求來制定，等等。

4.2 國內殼聚糖醫療器械產品標準 雖然殼聚糖基生物醫藥產品的成果轉化已初具規模，但是開發一種質量穩定、品質良好、結構與功能清晰且應用機制明確、作用和副反應確切的產品卻很困難，其原因是多方面的，其中保證產品生產全過程的有效控制及高質量標準是最重要的兩方面。目前我國尚缺乏殼聚糖產品質量標準的國際通用要求和統一注冊標準，各地審批過程中對于關鍵質控項目、檢驗方法等要求不一。如熱原的去除、有關副產物的分離、蛋白質的去除、過濾除菌的技術參數、滅菌方式和時間對產品質量的影響等。位曉娟等［11］參考相關國際標準(ISO 10993、ISO 22442-2007)、文獻以及法律法規，結合在醫用殼聚糖研發、標準化及產業化領域的經驗，認為應從如下方面考慮制定殼聚糖產品的質量標準。

4.2.1 物質本身的結構和性質 先驗證其成分是否為殼聚糖并確定其純度，在高純度的前提下再對其特定結構進行表征，如脫乙酰度、分子量及其分布、結晶度等。常用的相關檢測項目有顏色反應鑒定、紅外光譜檢測、微分熱失重分析、核磁共振光譜檢測、元素分析、分子量及其分布等。這些檢測項目旨在確定產品中是否含有殼聚糖成分及其結構，不僅可以區分其他多糖，還可直接反映產品行使功能的結構基礎。

4.2.2 雜質控制 雜質不僅嚴重影響產品質量，而且是風險控制的關鍵。殼聚糖產品雜質主要有兩大類:一類是殼聚糖本身伴隨的雜質，另一類是生產過程中添入的雜質。前者可通過紫外吸收、不溶物檢測、渾濁度、蛋白質及其他有機物含量或光譜學手段等檢測予以分析，后者則主要通過工藝中應用的化學試劑、加工助劑或交聯劑，建立相關物質殘留、滅菌劑殘留等檢測項目進行控制。

4.2.3 生物相容性 生物相容性是殼聚糖產品生物安全性的直接反映，需考慮所有潛在的生物學危害，以便進行風險控制。殼聚糖產品的生物相容性評價一般需考慮其體外細胞毒性、皮膚刺激性、致敏性、急性全身毒性等常規檢測項目，其他檢測項目則可根據原料的最終用途予以增減。例如，若制備的產品可能與血液接觸，應考慮進行溶血試驗;若制備的產品與黏膜、眼睛等接觸，可增加黏膜刺激或眼內刺激試驗;若制備的產品為中期或長期植入物，則應進行亞慢性/慢性全身毒性、體內降解性、遺傳毒性等試驗。

5 殼聚糖產品不良事件發生情況

5.1 殼聚糖類醫療器械不良事件文獻情況 殼聚糖類醫療器械在給人們對于疾病的預防、診斷治療和康復帶來便利的同時，也存在一定的潛在風險。隨著殼聚糖類醫療器械的臨床使用的增多，其不良事件數量也逐年增多。通過搜索中國知網、萬方數據庫、中國(CNKI)學術文獻總庫、Elsevier、Springer、Web of Knowledge等多個國內外數據庫可知，國內殼聚糖醫療器械不良事件文獻3篇，共報道不良事件69例，國外未見殼聚糖醫療器械相關不良事件報道文獻。2005年10月，湘雅醫院感染控制中心報道的文獻《少數腹腔手術患者出現結膜炎與0409081批次術爾泰有關》中提到，13例普通外科及婦科腹腔鏡手術后出現眼結合膜充血表現。經排查分析，考慮此次手術腹腔手術患者出現結膜炎原因與0409081批次術爾泰有關。術爾泰為醫用高分子液體材料，由殼聚糖制成，屬大分子生物膠溶液。此批次術爾泰中大分子量物質過多，推測為大分子物質引起的過敏反應所致［35］。2005年，鄭風軍等［36］在文獻《婦產科術后群發球結膜充血的原因分析》報道，浙江省臺州市第一人民醫院報道23例婦產科手術后出現結膜充血不良事件，原因與術爾泰(羧氨基葡聚多糖鈉生物膠體液)有關。林紅宇［37］在文獻《殼聚糖膜劑致眼結膜充血不良事件分析》中報道，2008年8月14日至9月1日期間，肇慶市某醫院33例術后患者出現雙眼結膜充血的突發性群體不良事件，患者年齡24～48歲，女性29例、男性2例，其中婦科24例、產科7例、普通外科2例。經用藥關聯性分析調查患者所使用的藥品和藥械制品，排除藥品與術后患者眼結膜充血的可能性，結果發現醫療產品"醫用可降解防術后粘連殼聚糖膜劑"與眼結膜充血存在明顯關聯性。該起眼結膜充血突發性群體不良事件為殼聚糖膜劑所致。

5.2 殼聚糖類醫療器械不良事件報道情況 2008年，國家藥品不良反應監測中心對殼聚糖類手術防粘連產品的可疑不良事件發布了報告，我國食品藥品監督管理局網站也發布通知［38］:根據可疑不良事件調查和質量體系檢查的情況，責令山東賽克賽斯藥業科技有限公司和煙臺萬利醫用品有限公司停產整改并從原料、工藝過程控制、最終產品、產品有效性等方面開展企業再評價研究;根據對殼聚糖類手術防粘連產品生產企業質量體系檢查的情況，責令北京百利康生化有限公司、上海其勝生物制劑有限公司、杭州協合醫療用品有限公司和石家莊億生堂醫用品有限公司4家企業暫停銷售、召回產品，并停產整改。國家食品藥品監督管理局與2009年5月，解除對山東賽克賽斯藥業和煙臺萬利醫用品有限公司的禁產令;2009年3月恢復北京百利康生化有限公司等4家企業的生產。

2010年1月1日～2013年10月31日，國家藥品不良反應監測中心共收到殼聚糖類產品可疑醫療器械不良事件171例。其中嚴重傷害報告41例(占24.0%)，其他報告 130 例(占 76.0%)，無死亡事件報告。在171份報告中，6 864醫用衛生材料及敷料的報告數最多，有169份。傷口愈合、婦科用及護臍帶的殼聚糖類產品報告有116份。

經搜索美國FDA官方網站多種數據庫，未發現美國市場有殼聚糖醫療器械的不良事件報道及召回信息。

6 小結和展望

盡管殼聚糖在醫療領域表現出巨大的優勢和便利性，且近年來對于殼聚糖類產品的研究和應用已取得較大進展。另外，殼聚糖基生物醫藥產品的成果轉化已初具規模。但開發一種質量穩定、品質良好、結構與功能清晰且應用機制明確、作用和不良反應確切的產品卻很困難，其原因是多方面的，其中保證產品生產全過程的有效控制及高質量標準是最重要的兩方面。然而，目前我國尚缺乏殼聚糖產品質量標準的國際通用要求和統一注冊標準，各地審批過程中對于關鍵質控項目、檢驗方法等要求不一。因此，當務之急是在國家層面上，盡快制定符合殼聚糖醫療器械研發、生產、應用、監測的統一標準，以便能規范國內殼聚糖醫療器械在臨床上的應用。但同時也應理性對待殼聚糖類醫療器械在臨床使用過程中出現的不良事件。對于殼聚糖應用的范圍、療效的確認應慎之又慎。對于殼聚糖類產品可能存在的風險因素，如原材料的控制、工藝流程的控制、產品注冊標準和審批尺度、產品說明書、臨床使用中出現的各種問題應加以重視，客觀科學的提出解決方案，在保證產品安全性的前提下最大程度發揮殼聚糖本身獨特的生物性能。

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