天然多糖及其衍生物在生物材料領域內的應用

姜富馨

(天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387)

天然多糖類物質是一類非常重要的天然高分子物質，廣泛存在于動物、植物、海藻等有機體中。本文中主要介紹幾種常見的天然多糖類物質：殼聚糖、海藻酸鹽、葡聚糖，因其優異的性能而成為新型天然醫用生物材料并廣泛用于多種領域。

1 常見的幾種天然多糖

1.1 殼聚糖

殼聚糖是一種天然的線性半結晶多糖，由甲殼素的部分脫乙酰作用制備而成[1]；其分子中的伯羥基、仲羥基以及伯胺基能夠被化學修飾，從而滿足相應的使用場合[2]；它優異的抗微生物和抗炎特性，使其成為促進傷口愈合的極佳選擇[3]。在陽離子非病毒載體中，殼聚糖及其衍生物所攜帶的正電荷可以與帶負電荷的核酸相互作用形成復合物，從而保護縮合的核酸免于酶促降解，有效提高基因遞送和轉染效率[4-5]。

1.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種天然陰離子聚合物，從褐色海藻中提取，由于其良好的生物相容性、生物可降解性、低細胞毒性以及良好膠凝能力、非抗原性、粘膜粘附等優勢，成為傷口敷料[6]、組織工程[7]和凝膠-膠粘劑[8]等生物醫學應用過程中的理想選擇。此外，海藻酸鈉能夠與Ca2+發生交聯，為實現藥物遞送提供優良的載體選擇[9-10]。

1.3 葡聚糖

葡聚糖是一種具有高水溶性的支鏈多糖，廣泛用于食品和醫藥領域[11]。葡聚糖能夠減少炎癥反應、減少血管血栓形成和預防缺血[12]。它也可以作為一種溫和的活性氧清除劑，減少器官移植灌注過程中過多的血小板活化[13]。此外，從工程學的角度來看，葡聚糖可用作保護和改善基體材料生物相容性的涂層材料，也可以被化學修飾，并用于形成水凝膠[14]或納米顆粒[15]。

2 天然多糖類物質作為生物材料的應用

2.1 天然多糖類物質在組織工程和再生醫學的應用

組織工程已成為修復受損組織或器官的一種新的研究領域，聚合物支架必須滿足以下條件：①高孔隙率，具有足夠的表面積和孔徑分布；②生物降解速率與新組織再生速率匹配；③較好的結構完整性，以防止支架在新組織形成過程中全部塌陷。多糖基支架應用領域涵蓋了骨骼、軟骨和皮膚組織再生等[16]。最近，Sharma,C等利用明膠、海藻酸鹽、殼聚糖和納米羥基磷灰石制備出新型納米生物復合支架，這一支架在生理條件下顯示出極好的機械穩定性，體外細胞培養研究表明，成骨細胞能夠在支架上良好的生存[17]。此外，Ghaffari,R等利用分子間離子相互作用和氫鍵將葡聚糖與納米β-磷酸三鈣顆粒結合形成多孔雜化水凝膠，隨后制備成可用于骨組織工程中的支架[18]。隨著3D打印技術的不斷完善，研究人員著眼于利用該技術對生物支架進行優化，提高了綜合力學性能、改善了空隙率、實現了連通孔的定向排列。目前，這些優化的生物支架被廣泛用于身體內的許多系統[19]。

2.2 天然多糖類物質在傷口愈合和傷口敷料中的應用

傷口愈合涉及分子和細胞活動的一系列程序化步驟，這些階段與細胞外基質的形成，可溶性介質以及實質細胞的遷移有關[20]。近年來，研究發現具有所需物理和化學性質的可生物降解材料能夠加速傷口愈合，天然多糖被認為是潛在的傷口處理助劑。Wang等開發了一種由殼聚糖、明膠和蜂蜜組成的水凝膠片，用于燒傷傷口敷料，這一敷料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌菌株具有100%抗菌功效，能夠在短時間內實現傷口收縮，與此同時，這些凝膠對皮膚和身體無毒且無刺激性[21]。He等利用靜電紡絲技術，將聚己內酯和季銨化殼聚糖-聚苯胺接枝聚合物混合溶液制得成納米纖維膜，該膜具備類似于軟組織的機械性能、清除自由基的能力、抗菌性能和生物相容性[22]。最近，Liu等開發了一種用于控制局部區域出血的乙醛葡聚糖海綿，它能夠快速阻塞傷口、止血、降低溶血作用、毒性小、可生物降解、對皮膚無刺激，是有應用前景的快速止血敷料[23]。此外，Li等將鄰苯二酚改性的聚賴氨酸和氧化葡聚糖作為天然聚合物的主鏈，并通過希夫氏堿性動態鍵和鄰苯二酚-Fe配位動態鍵原位交聯，形成具有較高的機械強度和粘合強度生物粘合劑，同時保持了快速解離和良好的自愈能力，該生物粘合劑在處理皮膚傷口方面顯示出巨大的潛力[24]。

2.3 天然多糖類物質在化學藥物輸送系統中的應用

如何將治療分子遞送到特定靶位一直是制約致病治療效果的主要問題。常規的藥物遞送系統存在一些局限性，例如不良的生物分布、較差的有效性、酸水解、較短的生物學半衰期、副作用以及不良的藥代動力學[25]。天然多糖具有多種優異性能，使其成為藥物輸送系統中合適的候選材料[26]。研究人員通過利用三聚磷酸鈉作為溶液交聯劑，將帶正電的殼聚糖和帶負電的棕櫚酸結合，開發了新型的自組裝納米載體，這一兩親性殼聚糖納米載體可在不同pH值和藥物濃度下受控釋放[27]。Hou等基于葡聚糖的兩親性聚合物(Dex-DOCA)，提出了一種紫杉醇和水飛薊賓共輸送的聯合療法，在酸性內涵體/溶酶體模擬環境中，載藥納米顆粒以預期的劑量比有效地、同步地排出了兩種藥物，從而獲得最佳的協同抗腫瘤效果[28]。Zeng等通過乙縮醛或酯鍵合成吲哚美辛-葡聚糖接枝共聚物，隨后利用其包載阿霉素形成前藥膠束；pH敏感的前藥膠束具有長期的血液循環穩定性和較高的腫瘤蓄積性，從而減少了副作用并提高了生物利用度[29]。

2.4 天然多糖類物質在基因療法中的應用

基因治療的定義是將外來基因組物質引入宿主細胞，從而產生治療益處的過程。與基于蛋白質的藥物的直接給藥相比，基因治療具有很多優勢：更高的生物利用度、高特異性、更低的全身毒性、體內穩定性好、肝和腎清除率降低、長期療效好以及較低的制造成本[30]。基因治療成功的關鍵點在于基因轉染的效率。目前用于基因傳遞的兩種主要方法是：病毒載體和非病毒載體，鑒于病毒載體臨床使用中的關鍵安全性問題，研究人員著眼于開發非病毒載體，可生物降解的天然多糖作為賦形劑發揮重要作用[31]。海藻酸鹽衍生的多功能碳量子點具有很強的凝聚pDNA的能力，它能通過小窩蛋白和網格蛋白介導的內吞途徑被細胞攝取，具有較高的轉染效率和可忽略的毒性[32]。Liu等利用乙醇胺功能化的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯與功能化的葡聚糖-量子點制備一種新的納米雜交體，它能夠作為安全有效的基因載體。這一納米雜交體兼具響應微環境刺激和優異的基因轉染性能；同時，可以實時跟蹤基因的遞送過程，并實現治療過程的可視化，應用前景明朗[33]。

3 總結與展望

就自然界的可持續性而言，天然多糖的豐富性降低了其作為生物材料的經濟成本。由于其生物相容性，無毒性和非免疫原性，在過去的幾十年中已變得非常重要。這些天然多糖帶有可以在溫和條件下修飾的活性官能團，能夠應對各種生物醫學應用的需求。基于天然多糖的生物支架通過刺激特定的細胞反應而提供與活體組織極為相似的結構，成為了一種非常有前途的材料。此外，由于它們與細胞外基質的相似性，天然多糖還可以減少慢性炎癥或免疫反應。但是它也存在某些關鍵缺點，如難以用單獨化學官能團實現降解速率、機械性能和化學性質的可控調節，所以，它們仍需要被進行設計。因此，多糖復合材料受到了更多的關注，并進行了廣泛的研究以實現某種高級的特定功能。然而，迄今為止，對基于天然多糖及其衍生物的生物材料的體內研究是有限的，未來的研究應集中在評估這些生物材料在應用于體內治療時的生物活性以及毒性，以使其在早日應用于臨床。