殼聚糖-氧化石墨烯復合水凝膠在骨缺損中的應用*

王雅倩,洪瑩瑩,周小莉,宋健,詹玉林△

(1.上海海洋大學 水產科學國家級實驗教學示范中心，上海 201306；2.上海海洋大學 科學技術部海洋生物科學國際聯合研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學 農業部淡水水產種質資源重點實驗室，上海 201306；4.上海中醫藥大學健康醫學院，上海201203；5.上海健康醫學院附屬第六人民醫院東院骨科，上海 201306)

1 引 言

在骨科疾病中，因創傷、腫瘤切除等原因造成的骨缺損是臨床上一個比較棘手的問題，目前采用可生物降解的生物醫用材料結合抗炎、抗菌的藥物或生長因子促進成骨細胞的生長，最終可達到治愈骨缺損的目的。應用于骨組織中的生物醫用材料除可生物降解外，還應具有一定的機械性、低毒性和良好的生物相容性。水凝膠是一種交聯的三維(3D)網絡狀聚合物,含有高密度的親水基團，對水的親合力較好，能夠吸收數倍的水而不解體，可以加固骨缺損部位，并可作為傳遞治療劑和藥物的載體，具有顯著的膨脹、滲透和易于調節等特性[1-2]。目前合成水凝膠的聚合物有殼聚糖、海藻酸鈉、羧甲基纖維素、明膠、聚乙烯醇、透明質酸鈉、普魯蘭多糖和葡聚糖等，基于殼聚糖的水凝膠因具有良好的生物可降解性，已廣泛應用于骨組織工程中。目前，殼聚糖及其復合物已在神經修復[3]、傷口愈合[4]、組織工程和藥物運輸等方面取得很大的進展。我們在此主要綜述了殼聚糖和氧化石墨烯以及其衍生物在骨缺損中應用的研究進展。

2 殼聚糖的結構和特點

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由甲殼素經脫乙酰作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。甲殼素廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等甲殼動物的外殼以及真菌的細胞壁中，價格低廉，獲取方便[5]。殼聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性以及抗菌、抗氧化、低毒性等特點[6-7]。但在作為骨修復材料時，單一的殼聚糖具有機械強度差和溶脹率高的缺點[8]，存在一定的局限性。因此，目前通常使用殼聚糖與天然的聚合物、無機材料以及生物陶瓷等復合形成骨修復材料，以彌補其機械強度上的缺點。

3 氧化石墨烯的結構和特點

氧化石墨烯是通過強氧化劑改性石墨烯得到，它的每一層均由羥基和環氧官能團組成，邊緣由羧基組成，這些含氧官能團使氧化石墨烯有利于提高水凝膠的機械強度和親水性[9-14]。氧化石墨烯可通過疏水靜電相互作用與蛋白質相互作用的能力[15]增強生物相容性，以適合在體內的應用。它還具有較高的機械強度和導電性[11]，在骨組織的應用中具有獨特優勢。氧化石墨烯具有大的特殊表面積，氫鍵與吸附物的靜電相互作用[16-17]等特點，均有利于藥物的轉載，并且其在水和其他水性介質中的優異分散性以及制作簡單，在藥物輸送和組織工程等生物醫學領域發揮著獨特作用。

4 殼聚糖/氧化石墨烯及復合物水凝膠材料在骨缺損中的應用

4.1 水凝膠的結構與特點

水凝膠是一類獨特的材料，由高分子鏈通過物理、離子或官能團相互作用交聯而成，形成能夠吸收數倍水而不會崩解的3D網絡結構[18-19]，并且可以向不同類型的細胞傳遞物理和化學信號，指導細胞的行為，如細胞粘附、增殖、遷移和分化[20-22]。通常使用京尼平、β-甘油磷酸鈉、戊二醛等化學交聯劑幫助形成水凝膠，其中較多戊二醛的使用對人體有一定的毒性，京尼平是傳統中藥杜仲的提取物，是一種天然的交聯劑，具有低毒性、交聯能力強等特點，但成膠時間過長。β-甘油磷酸鈉主要應用于溫敏性水凝膠的制作[23-25]，它可以與殼聚糖在生理溫度(37℃)下短時間內形成水凝膠，是基于天然聚合物的水凝膠，與基于電學或pH的交聯水凝膠相比，殼聚糖/β-甘油磷酸鈉水凝膠對周圍組織無潛在的不利影響[26-27]。

4.2 單純的殼聚糖/氧化石墨烯復合水凝膠

殼聚糖是一種含有胺和羥基官能團的陽離子生物聚合物，具有良好的凝膠和成膜能力，無毒性和高PH敏感性，是用作智能藥物遞送系統的天然材料[28]。氧化石墨烯是一種陰離子化合物，可與殼聚糖通過靜電相互作用形成水凝膠聚合物，氧化石墨烯的加入有效提高了復合水凝膠的孔隙率、機械強度和導電性等。Saravanana等[29]制備了含有氧化石墨烯的殼聚糖/β-甘油磷酸鈉溫敏性水凝膠，并評估了其對骨缺損再生的潛力，實驗表明即使加入氧化石墨烯，水凝膠仍然保持其熱敏性和注射性能，且加入氧化石墨烯顯著提高了蛋白質的吸附和膨脹能力，還控制了合成水凝膠的降解行為，并且水凝膠與骨髓間充質干細胞生物相容性好。Mahboubeh等[30]制成了殼聚糖/氧化石墨烯水凝膠，并分析其對神經細胞黏附和增殖率的影響。結果表明，氧化石墨烯的加入不僅改變了水凝膠的孔隙結構，而且提高了水凝膠的機械強度。此外，氧化石墨烯的加入使神經細胞的生長速度提高了20%，這是由于氧化石墨烯的加入，顯著提高了水凝膠的孔隙率和褶皺程度，為細胞的粘附和增殖提供了足夠的空間。但是單純的殼聚糖/氧化石墨烯水凝膠在許多方面還存在不足，如成膠時間過長、無法達到理想的凝膠效果和降解速度過快等，在以后的研究中可以通過嘗試構成一些三相復合水凝膠或控制交聯劑的用量等來進一步優化。

4.3 殼聚糖、氧化石墨烯和金屬離子復合水凝膠

金屬離子尤其是銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、銅(Cu)[31]等，具有抗菌活性高、低毒、化學穩定性好、耐高溫等特點，這些金屬離子與天然或合成的生物聚合物結合后可應用于骨組織工程，研究表明微量金屬離子的加入有效改善了材料的機械性能和生物活性。Ramesh等[32]成功合成了可注射鋅摻雜殼聚糖溫敏水凝膠，實驗表明鋅離子的加入增加了水凝膠的抗菌特性，且可以促進成骨細胞分化。Rasoulzadehzali等[33]研究了pH值為1.2和6.8時，含有不同量的氧化石墨烯/銀離子納米雜化顆粒的裝載阿霉素的殼聚糖/氧化石墨烯/銀離子納米復合材料珠的藥物釋放行為,結果表明隨著氧化石墨烯/銀離子納米雜化顆粒含量的增加，阿霉素的初始爆發釋放顯著降低，且銀離子的加入也有效提高了材料的抗菌性。Shi等[34]描述了一種利用鈣離子相互作用制備新型羧甲基殼聚糖-氧化石墨烯復合粒子，將水凝膠復合材料在水中混合，然后滴入氯化鈣溶液中固化水凝膠微粒，微粒的平均尺寸是275 μm，鈣離子的加入使該水凝膠吸附阿霉素、牛血清白蛋白等多種藥物的效率提高，最高載藥量達到(0.45±0.19) mg/mg，且緩釋效果良好。金屬離子的加入不僅降低了藥物的初始爆發，增加了凝膠的孔隙率，而且還結合了金屬離子的抗菌抗炎的優勢，增加了復合水凝膠的抗菌效果，可以更好地治療和修復由革蘭氏陽性菌引起的骨感染和骨缺損。

4.4 殼聚糖、氧化石墨烯和無機材料復合水凝膠

人體骨骼由30%的有機物質(主要是膠原蛋白)和70%的無機物質組成，無機物質主要是羥基磷灰石，是一種磷酸鈣，具有良好的骨傳導性和無毒性，被認為是應用于骨組織中的理想材料，但由于羥基磷灰石固有的脆性和非常緩慢的降解速度，在制成水凝膠時受到了嚴格的限制[35]。Yu等[36]通過使用交聯劑京尼平(GNP)和還原劑抗壞血酸鈉(NaVC)制成的殼聚糖/氧化石墨烯/羥基磷灰石三維水凝膠，既有氧化石墨烯的致密定向微觀結構和高機械強度，也有羥基磷灰石的固定能力和高孔隙率，這種三維結構增加了藥物的裝載量和細胞的附著面積，有利于細胞的附著和增殖。二氧化硅材料具有生物相容性好、比表面積大、孔隙大、載藥量大、表面改性良好等[37]優點，還可以和混合物中的聚合物基體形成緊密的界面，現已成為藥物輸送系統的潛在候選材料。Khoee等[38]合成了一種用于阿霉素傳輸系統的pH反應殼聚糖包裹氧化石墨烯多孔二氧化硅納米顆粒，對不同pH條件下的載藥率和藥物釋放特性進行了表征分析，發現在較低的pH值下，阿霉素的累積釋放量大于生理pH值，二氧化硅的加入增加了阿霉素的裝載，延長了藥物的緩釋時間。不僅如此，殼聚糖/氧化石墨烯還可與來源廣泛的海藻酸鈉以及膠原、透明質酸等結合，協同三者特性以獲取理化性質和載藥性質更加優異的復合水凝膠材料。

5 總結與展望

臨床上應用于骨組織工程的材料除了要具有良好的生物相容性、體內可降解以及低毒性外，還應具有良好的骨傳導性和機械性能，有利于自體骨的緊密結合。殼聚糖與氧化石墨烯形成的復合水凝膠不但具有良好的生物相容性、生物可降解性、低毒性，而且具有一定的機械性能、孔隙大小均勻和表面積大等特點，有利于成骨細胞的粘附和增殖以及較高的載藥能力，可用于親水和疏水性藥物的裝載。在骨缺損和骨修復的治療中，殼聚糖/氧化石墨烯水凝膠還存在一些短板，如交聯劑β-甘油磷酸鈉、戊二醛的過多使用對周圍組織有一定毒性，以及成膠時間過長、無理想的抗菌抗炎效果和藥物初始突釋等。隨著生物醫學工程的發展，逐漸使用的三相復合水凝膠使之兼具三者的優點，以達到更好的臨床效果。

綜上所述，復合水凝膠今后可從以下幾個方面開展研究：(1)選擇無毒或低毒的交聯劑以減少材料的細胞毒性，以及如何降低成膠時間。(2)深入分析殼聚糖/氧化石墨烯的混合比例對藥物負載率、釋放率以及對細胞增殖分化的影響，選擇最優比；(3)優化水凝膠的制作方法，以實現低成本、大規模的制作。期待在不久的將來，殼聚糖/氧化石墨烯復合水凝膠能夠早日應用到骨修復和骨缺損的臨床治療方面。