羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖復(fù)合海綿的制備與性能評價

李 潔，許楗楨#，胡 萍，雷琪琪，張文檸，敖寧建,2*

(1.暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632；2.廣東省教育廳生物材料重點實驗室，廣東 廣州 510632)

人體最大的器官——皮膚，它能最大程度地保護人體免受病原體及疾病的侵害，防止體液流失[1]。皮膚受傷經(jīng)6周無法治愈可能會受到病原菌的感染形成微生物膜[2]，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槁詡赱3]。皮膚慢性傷口是一項重要的醫(yī)療保健問題[4]，以糖尿病足潰瘍?yōu)榈湫痛怼?jù)報道[5]，約25%的糖尿病患者會患上足潰瘍。導(dǎo)致皮膚慢性傷口的因素很多，主要有微生物感染、循環(huán)障礙、糖尿病和外傷瘢痕等[6]。理想的傷口敷料不僅需要保持傷口透氣、濕潤且能抵抗微生物[7]，還可通過提高細(xì)胞增殖來增強人體的再生能力[8]。

魔芋葡甘聚糖(KGM)分子量較小、溶解度較大[9]，還具有生物安全性、凝膠性、生物相容性、保水性、生物可降解性等優(yōu)良性能[10]，且高碘酸鈉氧化的KGM避免了常用氧化法的缺點[11-12]。羧甲基殼聚糖(CMCS)無定型，易溶于任何pH值的水溶液中[13]，且具有保濕、免疫原性低、生物降解速度快、抗氧化劑、抗微生物等優(yōu)異特性[14-15]。

目前，國內(nèi)關(guān)于氧化魔芋葡甘聚糖(OKGM)的研究較少。因此，作者設(shè)計并研制一種新型醫(yī)用敷料的初形——羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖(CMCS/OKGM)復(fù)合海綿，通過吸水率、孔隙率、透氣率、對NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響、抗菌能力、急性全身毒性等測試來評價復(fù)合海綿的性能。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

SPF級KM小鼠，廣州江高文毅公司。

魔芋葡甘聚糖(KGM，純度≥95%)，湖北強森魔芋科技有限公司；羧甲基殼聚糖(CMCS，取代度≥80%)、氘代水(D2O)，上海麥克林生化科技公司；高碘酸鈉，分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠；溴化鉀，光譜純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；PBS緩沖液，武漢普諾賽生命科技有限公司；CCK-8 試劑盒，上海貝博生物科技有限公司。

LGJ-12型真空冷凍干燥機，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；Lab Serv K3型酶標(biāo)儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；Tensor27型傅立葉紅外光譜儀、Bruker AV 500MHz型核磁共振波譜儀，德國Bruker公司；EVO MA 15型掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司；101-1型恒溫鼓風(fēng)干燥箱，金壇華龍實驗儀器廠。

1.2 氧化魔芋葡甘聚糖的制備

稱取5.0 g KGM，置于500 mL去離子水中，攪拌至均一體系；加入6.0 g高碘酸鈉，持續(xù)攪拌下于暗環(huán)境、30 ℃水浴24 h；再加入2 mL乙二醇，反應(yīng)2 h以除去過量的高碘酸鈉；然后將混合液旋轉(zhuǎn)濃縮至溶液總體積的1/3；透析72 h后，取上清液，離心，旋轉(zhuǎn)，干燥，研磨成粉末狀，即得OKGM。

1.3 氧化魔芋葡甘聚糖的結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 FTIR分析

以溴化鉀壓片為背景掃描；取少量KGM粉末和OKGM粉末，采用壓片法按1∶100的比例分別與溴化鉀混合研磨，制成片劑，通過傅立葉紅外光譜儀進行FTIR測試。

1.3.21HNMR分析

稱取一定量的KGM和OKGM，按10∶1(mg∶L)的比例分別溶解在D2O中，完全溶解后，用移液管移取適量溶液于干凈的核磁管中，通過核磁共振波譜儀進行1HNMR測試。

1.4 羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖復(fù)合海綿的制備

稱取一定量CMCS粉末，溶于去離子水中，配制成質(zhì)量濃度為5%的CMCS溶液；稱取一定量OKGM粉末，溶于去離子水中，配制成質(zhì)量濃度為5%的OKGM溶液，靜置脫泡。將上述兩種溶液分別按配比(CMCS與OKGM的體積比)10∶0、8∶2、5∶5、2∶8混合，加入2%(以混合體系質(zhì)量計)的甘油，攪拌均勻，倒入干凈的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿中，靜置30 min進行交聯(lián)反應(yīng)；反應(yīng)完畢，用保鮮膜蓋住培養(yǎng)皿以密封，置于4 ℃冰箱中1 h，再置于-30 ℃冰箱中過夜；經(jīng)冷凍干燥，即得4種不同配比的CMCS/OKGM復(fù)合海綿，分別記為CMCS/OKGM-0、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8，CMCS/OKGM-0即為CMCS海綿。

1.5 羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖復(fù)合海綿的結(jié)構(gòu)表征

1.5.1 FTIR分析

對CMCS/OKGM復(fù)合海綿進行FTIR測試，分析其化學(xué)鍵的變化情況。以溴化鉀壓片為背景掃描；將CMCS/OKGM復(fù)合海綿進行充分干燥處理后，用研缽將其研成粉末，并采用壓片法按1∶99的比例與溴化鉀混合研磨，制成片劑，通過傅立葉紅外光譜儀進行FTIR測試。

1.5.2 SEM分析

將4種不同配比的復(fù)合海綿用手術(shù)刀裁剪成5 mm×5 mm×2.5 mm(厚)的塊狀，用導(dǎo)電膠將其固定在銅板上，送樣，通過掃描電子顯微鏡測試復(fù)合海綿的微觀形態(tài)。

1.6 羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖復(fù)合海綿的性能評價

1.6.1 吸水率測定

將4種不同配比的復(fù)合海綿切成相同大小的矩形條，于60 ℃干燥箱中烘干至恒重，待其冷卻至室溫后稱重(W0，g)；隨后置于100 mL生理鹽水中浸泡3 min，靜置于潔凈斜臺上瀝干水分，用濾紙吸干表面多余的水分后稱重(W1，g)。每組實驗平行測定3次，取平均值，按式(1)計算吸水率(W，%)：

(1)

1.6.2 孔隙率測定

采用稱重法測定孔隙率。在200 mL燒杯中裝滿水，稱重(M1，g)；倒掉一部分水后放入一定量(M，g)復(fù)合海綿，待復(fù)合海綿充滿水后補足水稱重(M2，g)；將復(fù)合海綿從燒杯中取出，對剩余水分和燒杯再進行稱重(M3，g)。每組實驗平行測定3次，取平均值，按式(2)計算孔隙率(P，%)：

(2)

1.6.3 透氣率測定

將4種不同配比的復(fù)合海綿置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，烘干至恒重；同時將30 mL蒸餾水放入細(xì)口瓶中后稱重；在瓶口涂滿凡士林，將恒重復(fù)合海綿放在瓶口處(注意將瓶口周圍用密封條密封)；24 h后取出復(fù)合海綿，再次稱量細(xì)口瓶與蒸餾水總質(zhì)量。每組設(shè)3個平行，每個平行測定3次，取平均值，按式(3)計算透氣率(ε，g·cm-3·h-1)：

(3)

式中：m1、m2分別為透氣前后細(xì)口瓶與蒸餾水的總質(zhì)量，g；t為測試時間，h；r為細(xì)口瓶的半徑，cm；h為復(fù)合海綿的厚度，cm。

1.6.4 對NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響

慢性傷口敷料必須具備的功能是增強表皮成纖維細(xì)胞的增殖，從而加快慢性傷口的愈合速度。因此，通常以成纖維細(xì)胞的增殖情況作為判斷傷口敷料的有效性依據(jù)[16]。以KM小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(NIH-3T3)為研究對象，按照GB/T 16886.5-2003《醫(yī)療器械生物學(xué)評價》第5部分[17]，采用CCK-8試劑盒測試4種不同配比的復(fù)合海綿中NIH-3T3細(xì)胞的增殖情況[16]。NIH-3T3細(xì)胞液為培養(yǎng)24 h、48 h、72 h的細(xì)胞液，用酶標(biāo)儀測定450 nm處吸光度(OD)，按式(4)計算細(xì)胞生長速率(G)：

(4)

1.6.5 抗菌能力測試

以革蘭氏陰性菌大腸桿菌(Escherichiacoli)和革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)為供試菌，采用抑菌圈法測試CMCS海綿及CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的抗菌能力。樣品量5 mg，24 h后觀察抑菌效果，用高清設(shè)備拍照記錄。

1.6.6 急性全身毒性測試

遲立超課題組[18]曾研究過CMCS的毒性，認(rèn)為CMCS擁有比殼聚糖更好的生物安全性。本研究按照GB/T 16886.11-2011《醫(yī)療器械生物學(xué)評價》第11部分[19]，采用腹腔注射法測試CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的生物安全性。將CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿浸提液分離純化，按50 mL·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)劑量將0.9%的復(fù)合海綿浸提液注射到KM小鼠腹腔中，以注射生理鹽水作為對照，分別在注射后第1 d、第3 d和第7 d記錄KM小鼠的體重、運動量、食物攝入、腸蠕動、呼吸頻率、健康狀況等。若KM小鼠在注射后7 d內(nèi)生理活動正常，沒有中毒或死亡且體重稍有增長，則判定CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有生物安全性。

1.7 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 19.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。實驗數(shù)據(jù)全部按均值±標(biāo)準(zhǔn)差進行處理，并且使用方差的單因素分析來檢驗數(shù)據(jù)組間差異的顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析(圖1)

從圖1a可以看出，KGM在3 415 cm-1處有一個強而寬的吸收峰，為多糖結(jié)構(gòu)的-OH吸收峰；1 735 cm-1處為乙酰基的C=O吸收峰；1 653 cm-1處為水分子的面內(nèi)吸收峰[20]。OKGM在1 693 cm-1處有一個新的吸收峰，為醛基吸收峰，證明了氧化反應(yīng)的發(fā)生[16]。KGM 880 cm-1處和OKGM 886 cm-1處為β-D-糖苷鍵結(jié)構(gòu)的吸收峰，證明了KGM的主鏈結(jié)構(gòu)在氧化過程中沒有改變[16]。

從圖1b可以看出，CMCS/OKGM復(fù)合海綿在1 030 cm-1處有一個一級醇羥基吸收峰，而在1 693 cm-1處的醛基吸收峰消失，證明CMCS上的氨基和OKGM上的醛基發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)；CMCS、CMCS/OKGM、OKGM均在3 200～3 500 cm-1處存在多糖結(jié)構(gòu)的-OH吸收峰，其中CMCS/OKGM的吸收峰向右移動并且信號增強，表明CMCS上的氨基已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且很可能兩者同時產(chǎn)生氫鍵。

圖1 KGM、OKGM、CMCS、CMCS/OKGM的FTIR圖譜

2.2 1HNMR分析(圖2)

圖2 KGM、OKGM的1HNMR圖譜

從圖2可以看出，由于中性體系的影響，δ8.40～δ9.40處烯醇CH的質(zhì)子信號小到幾乎看不到，故看到KGM分子中沒有醛基。此外，在OKGM的1HNMR中，與水化醛基和聚縮醛連接的醛基的質(zhì)子顯示為δ4.65～δ5.50之間的信號；而在KGM的1HNMR中，醚鍵的質(zhì)子顯示為δ2.20和δ3.70，這表明OKGM通過半縮醛和縮醛在分子間和分子內(nèi)發(fā)生交聯(lián)。從理論上來看，高碘酸鹽氧化可使KGM的鄰位羥基斷裂，形成雙醛衍生物OKGM。假設(shè)每個α-乙二醇基團消耗一分子高碘酸鹽，使得KGM氧化以獲得理論上的氧化度，那么，OKGM實際醛含量表明氧化度為(17.20±0.21)%[18]。而本研究中實際OKGM的氧化度為烯醇CH的質(zhì)子與醚鍵所連的質(zhì)子之比(即取代度)，用MestReNova軟件對相應(yīng)峰面積積分，計算得到OKGM的實際氧化度為27%，較KGM大幅提高。其氧化以后，CMCS上的氨基和OKGM上的醛基發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。

2.3 SEM分析(圖3)

a～d:CMCS、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8

從圖3可以看到，CMCS海綿的孔洞形狀扁平內(nèi)陷、不夠飽滿(圖3a)，導(dǎo)致其回彈性很差，機械性能一般；而在加入OKGM后(圖3b、c、d)，OKGM與CMCS發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，且隨著OKGM添加量的增加，復(fù)合海綿的交聯(lián)度相應(yīng)增大，孔洞越來越密集、分布均勻且飽滿。表明，OKGM的加入大大改善了CMCS海綿的內(nèi)部微觀孔洞結(jié)構(gòu)，故初步判定所制備的CMCS/OKGM復(fù)合海綿具有優(yōu)異的吸水率、孔隙率和透氣率等性能。

2.4 吸水率分析(圖4)

圖4 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的吸水率

從圖4可以看出，CMCS海綿具有較好的吸水性，吸水率高達180%；當(dāng)加入OKGM后，由于交聯(lián)度的影響，復(fù)合海綿吸水率隨OKGM添加量的增加先升高后降低，在CMCS與OKGM配比達到5∶5時，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的吸水率達到最高，為270%。因此，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿擁有更優(yōu)異的吸水率。

2.5 孔隙率分析(圖5)

圖5 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的孔隙率

從圖5可以看出，4種海綿的孔隙率均超過92%，且隨著OKGM添加量的增加，孔隙率先升高后降低。這是因為，OKGM作為交聯(lián)劑加入到CMCS體系中形成了復(fù)合海綿的孔洞結(jié)構(gòu)，孔隙率相比于CMCS海綿有所升高；但隨著體系交聯(lián)度的繼續(xù)增大，復(fù)合海綿的孔洞越來越密集，孔隙率反而下降。CMCS、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8海綿的孔隙率分別為93.34%、97.19%、95.45%、94.48%，其中CMCS/OKGM-2復(fù)合海綿的孔隙率最高，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿次之。

2.6 透氣率分析(圖6)

圖6 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的透氣率

從圖6可以看到，透氣率與孔隙率的變化趨勢相似，均表現(xiàn)為隨OKGM添加量的增加先升高后降低，CMCS/OKGM-2復(fù)合海綿的透氣率最高，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿次之。這是因為，與CMCS海綿相比，加入OKGM后，CMCS/OKGM復(fù)合海綿的孔洞結(jié)構(gòu)顯著增加，導(dǎo)致透氣率明顯升高[16]，在CMCS與OKGM配比達到8∶2時，透氣率達到最高；但隨著OKGM添加量的繼續(xù)增加，交聯(lián)度會繼續(xù)增大，復(fù)合海綿的孔洞越來越密集，透氣率相應(yīng)降低。因此，CMCS/OKGM-2和CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿能確保傷口處的氣體交換，有利于傷口愈合[16]。

2.7 對NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響(圖7)

圖7 CMCS/OKGM復(fù)合海綿對NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響

從圖7可以看到，培養(yǎng)24 h、48 h、72 h的NIH-3T3細(xì)胞在CMCS/OKGM-2和CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿中的增殖率均超過了90%，且高于在CMCS海綿中的增殖率；但是在CMCS/OKGM-8復(fù)合海綿中的增殖率明顯降低，甚至低于在CMCS海綿中的增殖率。這是因為，OKGM的加入有利于NIH-3T3細(xì)胞活性的提高，但當(dāng)OKGM添加量過多時，未交聯(lián)的OKGM保留在培養(yǎng)基中，破壞了營養(yǎng)液的平衡，NIH-3T3細(xì)胞活性略有下降，導(dǎo)致增殖率下降。當(dāng)CMCS與OKGM配比為5∶5時，所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿最有利于NIH-3T3細(xì)胞的增殖[16]，能促進表皮細(xì)胞增殖，使傷口愈合。

2.8 抗菌能力分析(圖8)

A、A1為CMCS海綿；B、B1為CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿

從圖8可以看出，所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出明顯的抗菌能力，抑菌圈直徑均大于7 mm。表明，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有較好的抗菌性能，符合醫(yī)用傷口敷料的基本要求。

2.9 急性全身毒性分析

腹腔注射CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿浸提液后，第1 d、第3 d、第7 d測試的KM小鼠體重見表1。

表1 KM小鼠的急性全身毒性試驗體重變化

從表1可知，第1 d，CMCS/OKGM-5組和生理鹽水組的KM小鼠體重差別不大；第3 d、第7 d，兩組的KM小鼠體重逐漸增加，這與復(fù)合海綿對NIH-3T3細(xì)胞增殖影響的結(jié)論一致：CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿對NIH-3T3細(xì)胞的增殖效果最佳。表明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有較好的生物安全性，但相比于生理鹽水組，CMCS/OKGM-5組的KM小鼠體重增幅小些，說明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿有略微毒性。

2.10 外觀形貌分析(圖9)

a.外觀 b.向內(nèi)彎曲 c.向外彎曲

從圖9可以看出，CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的表面蓬松且凹凸不平(圖9a)，可有效覆蓋創(chuàng)面；CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有很好的柔韌性(圖9b、c)，可適用于關(guān)節(jié)處創(chuàng)面的粘附，并且其厚度適中，其間有均勻分布的蓬松小孔，有助于研發(fā)后期的載藥性復(fù)合海綿敷料。

2.11 討論

皮膚慢性傷口以糖尿病足潰瘍?yōu)榈湫痛韀3]，通常是由于組織水腫、炎癥、傷口不易愈合、傷口面積大所致，滲液形成的不良微生物膜會很大程度地阻礙慢性傷口愈合，還會干擾生長因子、阻礙藥物作用并且會加重創(chuàng)面及周邊的炎癥反應(yīng)。一旦出現(xiàn)皮膚缺損，傷口就開始感染、化膿，接著病變成反復(fù)性傷口——“潰瘍”，即使經(jīng)過長時間治療也不易愈合，甚至還會惡性發(fā)展為壞疽(足病)而導(dǎo)致截肢[21]。臨床上對于糖尿病足潰瘍的治療手段比較復(fù)雜，帶給患者生理及心理上的極大病痛和生活困擾[22]。故針對糖尿病足潰瘍這類慢性傷口，醫(yī)用敷料必須具有良好的透氣性、吸液性、無毒、抗菌性，能作為緩釋藥物載體且可促進細(xì)胞增殖，能保持在對創(chuàng)面有利的濕潤環(huán)境下吸收更多的不良滲液，減少微生物所致的感染及炎癥反應(yīng)。

本研究選用的CMCS、OKGM是天然生物材料，有著較高的生物相容性。研究表明，CMCS在細(xì)胞間相互作用使細(xì)胞增殖，從而達到傷口愈合的目的[23-24]。在結(jié)構(gòu)性能方面，CMCS/OKGM復(fù)合海綿有分布均勻的孔洞結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合海綿擁有優(yōu)良的吸水率、孔隙率及透氣率，有利于吸收傷口滲液并且保持傷口處的氣體交換，避免了滲液積留在傷口表面給不良微生物創(chuàng)造生長環(huán)境造成感染，從而保證傷口愈合的環(huán)境[25]，符合醫(yī)用級傷口敷料標(biāo)準(zhǔn)。在抗菌方面，CMCS表現(xiàn)出很強的抗菌性[26]，本研究也證明了所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有優(yōu)異的抗菌能力。在細(xì)胞增殖方面，由于CMCS的兩性電解質(zhì)特性使得成纖維細(xì)胞能夠很好地貼附材料生長[27]，極大地促進NIH-3T3細(xì)胞增殖，使得慢性傷口能很好地愈合，NIH-3T3細(xì)胞增殖影響試驗與急性全身毒性試驗結(jié)果也表明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿有極好的生物安全性。

CMCS/OKGM復(fù)合海綿可以負(fù)載不同的藥物成分來加速傷口愈合，具有很大的開發(fā)潛力和臨床價值。本研究運用SPSS 19.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計學(xué)結(jié)果P<0.05，具有統(tǒng)計學(xué)意義，數(shù)據(jù)有效。本研究未對傷口止血進行探討，有待進一步完善。

3 結(jié)論

采用高碘酸鈉氧化制備OKGM，再按5∶5的體積比將質(zhì)量濃度均為5%的CMCS溶液和OKGM溶液混合，加入2%的甘油作為塑化劑，以冷凍干燥法制得CMCS/OKGM復(fù)合海綿。該復(fù)合海綿具有良好的吸水率、孔隙率、透氣率、抗菌活性、生物安全性且能促進表皮細(xì)胞增殖，是優(yōu)良的醫(yī)用慢性傷口敷料基礎(chǔ)底料。