智能型水凝膠用于皮膚燒傷治療的研究進展

陳晶晶，馮高科，陳璽宇，陳 濤，蔣學俊

(武漢大學人民醫院心血管內科 武漢大學心血管病研究所 心血管病湖北省重點實驗室， 武漢 430060)

皮膚是人體最大的器官，也是人體的首要防線。大部分情況下，皮膚損傷后的再生并不困難，通過一系列重疊過程，包括最初的免疫反應、組織重塑、細胞增殖和成熟而再生[1]。但當損傷廣泛并深入到真皮層或亞真皮層,如深Ⅱ度燒傷或Ⅲ度燒傷，會導致皮膚再生困難。傷口愈合緩慢、感染、疼痛以及增生性瘢痕是燒傷管理和研究的主要難題[2]。全球范圍內，每年因嚴重燒傷而需要治療的人數超過1 100萬，燒傷在人體最常見的外傷損傷中位居第4位[3]。局部和全層燒傷治療的金標準是早期切除壞死組織，然后進行自體皮膚移植，這需要從患者未受傷的供體部位向傷口部位移植健康皮膚，但供體皮膚是有限的，且供體部位愈合緩慢，并伴有瘢痕和色素沉著。雖然自體移植物可被切割成網狀以增加移植物的可用表面積，但修整過程損害了原始移植物的質量，且受體區域以不規則的網狀圖案愈合，影響了皮膚美觀，并可導致嚴重的瘢痕。智能型水凝膠因其良好的生物相容性和環境響應性在燒傷治療領域引起了廣泛關注和研究。現就多糖類衍生物、聚乙二醇類嵌段共聚物及兩性離子聚合物等智能型水凝膠在皮膚燒傷治療中的研究進展進行綜述。

1 水凝膠的定義及其性能

水凝膠是一種由親水性聚合物鏈交聯形成的三維交聯網絡結構，因生物相容性以及結構上與原生細胞外基質相似而被廣泛研究。研究證明，水凝膠作為生物相容性材料在治療領域具有廣泛的應用前景[4-5]。水凝膠可吸收傷口滲出液，促進成纖維細胞增殖和角質形成細胞遷移，這是創面完全上皮化的必要條件。此外，水凝膠的致密網孔(溶脹狀態大小為100 nm)能防止細菌到達傷口，同時能有效運送生物活性分子(如抗菌劑和藥物等)到創面上。這種生物活性分子在凝膠過程中易被截留在聚合物網絡中，在水凝膠吸收滲出物和膨脹時逐漸釋放到傷口上。水凝膠特有的、可調的力學性能也為適應不同部位的創面提供了適宜的彈性和柔韌性[6]。

2 智能型水凝膠與燒傷

相對于傳統水凝膠，智能型水凝膠可以響應特定的環境刺激，如溫度、pH值、光和電等，這種針對生理變量而發生變化的智能行為使其在燒傷治療領域具有廣泛的應用前景。近幾年用于皮膚燒傷治療的智能型水凝膠有多糖類衍生物(殼聚糖、葡聚糖、普魯蘭多糖以及纖維素系列如甲基纖維素、細菌纖維素等)、聚乙二醇類嵌段共聚物以及兩性離子聚合物高分子材料等。

2.1多糖類衍生物-殼聚糖基水凝膠 殼聚糖是一種由氨基葡萄糖與乙酰氨基葡萄糖單體通過β-糖苷鍵連接的共多聚體，可增強細胞的免疫反應，促進免疫調節。殼聚糖能誘導局部巨噬細胞增殖、活化，促進肉芽組織形成，炎細胞遷移以及早期傷口愈合，并刺激細胞外基質膠原纖維重塑[7]。殼聚糖基水凝膠具有良好的生物相容性、生物降解性、低毒性、無抗原性、抗微生物活性、凝血和止血作用以及獨特的物理特征(如親水性、功能性氨基酸基團和一個陽離子凈電荷)，使其成為智能化運載某些活性物質(如抗菌劑、生長因子和干細胞等)的完美工具[7-9]。

Miguel等[10]制備的溫敏性殼聚糖-瓊脂糖水凝膠敷料為燒傷創面提供了一個理想的愈合環境，其促進了創面真皮形成和再上皮化，保持創面濕潤，傷口部位無細菌感染。提示溫敏性殼聚糖-瓊脂糖水凝膠敷料具有抗菌活性，可避免創面延遲愈合或不愈合。另有研究采用冷機械法制備了3種濃度的(25%，50%，75%)的蜂蜜-殼聚糖水凝膠，結果發現，75%的蜂蜜-殼聚糖水凝膠具有最大的抗菌性能和促傷口愈合作用，其治療燙傷的效果最好，表現為表皮組織再生和新生毛細血管形成[11]。該研究表明，蜂蜜-殼聚糖基水凝膠在傷口愈合中起著積極的調節作用，75%的蜂蜜-殼聚糖水凝膠傷口敷料不僅為創面愈合提供了清潔濕潤的環境，也有助于組織再生和恢復[11]。這種廉價、無毒、高效的天然蜂蜜-殼聚糖水凝膠緩釋系統更具臨床實用性。國內也有研究者制備了殼聚糖-角蛋白/氧化銀納米復合水凝膠繃帶用于燙傷大鼠的治療，結果顯示，該復合材料具有良好的拉伸強度、抗菌活性、持續溶脹性以及生物降解性，可加速皮膚細胞結構的恢復，促進創面愈合[12]。還有學者發現，海洋肽-殼聚糖水凝膠也顯示出抗菌活性，可促進細胞增殖和遷移，明顯縮短創面愈合時間，有助于燒傷愈合[13]。

2.2多糖類衍生物-葡聚糖水凝膠 葡聚糖是由數個葡萄糖分子經葡聚糖蔗糖酶作用生成的同多糖，是細菌性多糖之一，又稱右旋糖酐。葡聚糖可增強皮膚自身的免疫保護功能，高效修護皮膚。血管生成和新生血管形成是深部燒傷創面愈合的決定因素。Sun等[14]研究證實，在小鼠Ⅲ度燙傷模型中植入脫細胞(即不加入額外的生長因子、細胞因子或細胞)的葡聚糖水凝膠可促進新生血管形成和皮膚再生。研究發現，葡聚糖水凝膠支架在燙傷初期能促進早期炎性細胞浸潤，然后迅速降解，促進血管生成細胞進入傷口；治療第21天，用水凝膠處理的燒傷創面形成了一個具有毛囊和皮脂腺的成熟上皮結構；經過5周的治療，可見新生毛發生長，表皮形態和厚度與正常小鼠皮膚相似[14]。隨后Shen等[15]研究了葡聚糖水凝膠對豬深度燒傷創面愈合的作用及機制，首先該水凝膠可促進初始炎癥反應,持續刺激肉芽組織內的新生血管；其次是有效的血管消退，促進再生愈合過程。葡聚糖水凝膠可顯著提高創面愈合質量，減少植皮事故，為臨床研究提供依據。

2.3多糖類衍生物-普魯蘭多糖 目前，皮膚替代物已被廣泛用于燒傷和慢性皮膚創傷的治療，但其還存在感染、免疫排斥、不能重建皮膚附屬器官以及成本高等問題[16]。普魯蘭多糖是一種相對廉價的微生物多糖，其在自然界中可被微生物降解利用，不污染環境，被譽為無公害塑料。普魯蘭多糖無毒、無免疫原性、無誘變，具有良好的抗氧化能力，因而被認為是一種理想的復合皮膚替代物。明膠是一種不可逆轉的膠原蛋白水解形式，被廣泛用于水凝膠中。Nicholas等[17]采用溶劑澆鑄法和冷凍干燥法將普魯蘭多糖與明膠結合，制造了一種新型廉價的水凝膠——第一代普魯蘭-明膠水凝膠，再用體外培養的人成纖維細胞和角質形成細胞建立蜂窩狀雙層皮膚替代物，并在皮膚缺損的裸鼠模型中進行體內和體外動物實驗，結果顯示，蜂窩狀普魯蘭-明膠水凝膠結合成纖維細胞和角質形成細胞所形成的這種雙層皮膚替代物，具備良好的力學性能和細胞活性以及增殖、分化能力，可促進肌膚再生，加速燒傷和慢性傷口等高炎癥性傷口的愈合過程。

2.4多糖類衍生物-纖維素及其衍生物 纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，是世界上蘊藏量最豐富的天然高分子化合物。纖維素及其衍生物的研究成果為高分子物理學及化學學科的創立、發展以及豐富做出了重大貢獻。甲基纖維素(methylcellulose，MC)是一種水溶性纖維素衍生物，以往被用作黏合劑、保水劑、油漆以及食品增稠劑。通過調節分子量、取代度、濃度以及添加電解質等可控制MC的溶膠-凝膠轉變。MC在取代度為1.7～2.0時，通過疏水作用在水溶液溫度上升時引起可逆的溶膠-凝膠轉變，這為制備溫度敏感型MC水凝膠提供了必要條件[18]。最近Kim等[19]使用一步法合成了含氧化銀納米顆粒的溫敏型MC水凝膠，分別用搖瓶法和燒傷創面實驗檢測其在大鼠燒傷模型中的抗菌活性和傷口愈合效果。結果顯示，含氧化銀納米顆粒的MC水凝膠具有良好的抗菌活性和燒傷創面愈合效果[19]。這種具有溫度響應性的MC水凝膠作為一種可用于創傷再生的可注射水凝膠具有巨大的潛力。

相對于植物產生的天然纖維素，細菌纖維素(bacterial cellulose，BC)具有較強的持水能力、較高的生物相容性、良好的生物可降解性、生物合成時的可調控性以及超精細網狀結構，以上特性提示其在燒傷領域具有巨大的應用前景[20]。既往研究顯示了基于BC的傷口愈合材料的有效性，如采用BC-殼聚糖膜制作的傷口敷料較醫用Tegaderm透明敷料表現出顯著的上皮化速度和促皮膚再生作用[21]。有研究者從腐爛的蘋果中分離出醋酸菌A10，制備了細菌纖維素膜，其通過調節血管生成和結締組織形成加速燒傷創面的愈合過程[22]。隨著研究的深入，有研究者利用微波輻射合成了以BC和聚丙烯酰胺為材料的水凝膠微粒，并驗證了其作為局部燒傷創面覆蓋材料的可行性。研究表明，該水凝膠微粒是非細胞毒性的，可促進傷口愈合，無局部炎癥反應跡象[23]。Mohamad等[24]利用電子束輻照合成了BC/丙烯酸水凝膠，并應用于大鼠燒傷創面。結果發現，BC/丙烯酸水凝膠通過促進新生血管形成、再上皮化以及成纖維細胞增殖，加速創面愈合。在此基礎上，該團隊在BC/丙烯酸水凝膠中加入了人表皮角質形成細胞和真皮成纖維細胞發現，該水凝膠具有良好的細胞附著性，保持了細胞的遷移能力，并允許細胞轉移[24]。動物實驗發現，加載細胞的BC/丙烯酸水凝膠加速了燒傷創面的愈合，提示其在燒傷敷料和細胞載體方面具有廣闊的應用前景[25-26]。

2.5聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)類嵌段共聚物 PEG水凝膠作為一種水溶性高分子,因具有良好的生物相容性、對水和離子的高滲透性以及可調的力學性能，在組織工程、藥物緩釋等方面顯示出廣泛的應用潛能[27-29]。根據疏水性脂肪族多酯類的不同而分類的各種PEG類嵌段共聚物如聚乳酸羥基乙酸-PEG-聚乳酸羥基乙酸嵌段共聚物、PEG-聚三甲基碳酸酯嵌段共聚物、甲氧基聚乙二醇-聚己內酯-聚乳酸三嵌段共聚物等均無毒或具有低毒性、可降解、生物相容性較好，如聚乳酸羥基乙酸-PEG-聚乳酸羥基乙酸嵌段共聚物可作為藥物載體承載多肽類及蛋白質類藥物，使多肽類及蛋白類藥物更具穩定性和溶解性[30]。

刃厚皮片移植(split thickness skin grafts，STSG)治療深度燒傷雖然可使創面愈合，但由于所用刃厚皮真皮結構較薄，常造成植皮區域愈合后出現瘢痕和攣縮。Burmeister等[31]研究了聚乙二醇纖維蛋白水凝膠(polyethylene glycol fibrin hydrogel,FPEG)搭載脂肪干細胞(adipose-derived stem cells，ASCs)輔助治療深度燒傷網狀刃厚皮片移植術(mesh split thickness skin grafts，mSTSG)后瘢痕攣縮的可行性和安全性。該研究以深Ⅱ度燙傷豬為實驗動物，常規行清創術，術后4 d按創面處理術式將實驗動物分為STSG組、mSTSG組、搭載脂肪干細胞(劑量遞增)的mSTSG+FPEG組，研究發現，搭載脂肪干細胞的mSTSG+FPEG組可促進新生血管形成，且呈劑量依賴性，并最大限度地減少患者供皮數量，加速患者創面愈合，改善深度燙傷患者的預后。Konieczynska等[32]開發了一種可按需溶解的PEG基水凝膠敷料用于Ⅱ度燒傷的治療，其由樹枝狀大分子單體賴氨酸和PEG交聯聚合、以N-羥基琥珀酰亞胺封端而成，該敷料采用密封傷口設計，可防御細菌感染，并可按需溶解，防止更換敷料所致的二次創傷，為更有效地治療Ⅱ度燒傷提供了基礎。然而更深入的研究表明，相對于PEG或PEG聚合物，具有pH值敏感性的兩性離子聚合物具有更廣泛的應用潛力[33]。

2.6兩性離子聚合物及其水凝膠 兩性離子聚合物是指大分子鏈上同時帶有陰、陽離子基團的聚合物。兩性離子聚合物具備眾多特性如反聚電解質效應、pH值敏感性、等電點現象、擠出效應等。根據陰、陽離子基團所處的位置，兩性離子聚合物可以分為polyampholyte類和甜菜堿類，后者大致上可以分為羰基甜菜堿、磺基甜菜堿以及磷基甜菜堿3種，其中磺基甜菜堿具有良好的化學和熱穩定性、相等數目的季銨陽離子和磺酸鹽陰離子，水化能力強不易受溶液pH值影響。Wu等[33]合成了硫酸化的兩性離子聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠用于小鼠創面，結果發現，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠能夠促進細胞增殖，上調生長因子分泌，激活巨噬細胞從M1到M2的極化。此外，在傷口愈合的過程中，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠可減少親炎性因子(腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β和誘導型一氧化氮合酶)，從而促進傷口創面愈合[33]。

3 結 語

一個理想的燒傷敷料應:①符合傷口的不規則形狀；②具有良好的彈性；③能吸收傷口滲出液，保持傷口濕潤；④減少傷口換藥時的創傷；⑤具有良好的生物相容性；⑥具有屏障作用，保護傷口免受感染。各種智能型水凝膠因具有較好的環境響應性、細胞黏附性、生物相容性、低毒環保等特點，在燒傷領域顯示出巨大的應用前景，但目前智能型水凝膠的開發及應用尚處于基礎階段，大多局限于動物實驗，仍需進行不斷的探索和實踐，從而使智能型水凝膠能夠更廣泛地應用于燒傷治療領域。