殼聚糖基水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

安占超， 周 末， 金 政， 趙 凱,3

(1.黑龍江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 微生物黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學(xué)化學(xué)化工與材料學(xué)院， 哈爾濱 150080； 3.黑龍江凱正利華生物化工科技有限公司 研發(fā)部， 哈爾濱 150080)

0 引 言

皮膚是人體最大的器官，具有調(diào)節(jié)體液穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)體溫、抵御外來(lái)病原微生物入侵等生理功能[1]。因此，皮膚損傷勢(shì)必會(huì)引起人體或動(dòng)物的重大健康問(wèn)題。在正常情況下，人體可以通過(guò)一個(gè)復(fù)雜而有序的過(guò)程來(lái)修復(fù)創(chuàng)傷。創(chuàng)傷修復(fù)是一個(gè)需要多種不同類(lèi)型細(xì)胞參與的同步、精細(xì)調(diào)控和按照特定順序發(fā)生的復(fù)雜過(guò)程，需要有完整的止血和炎癥機(jī)制，且間充質(zhì)干細(xì)胞必須遷移到受損傷的區(qū)域并在損傷部位增殖產(chǎn)生新的組織。

傷口愈合的過(guò)程可以分為止血和凝血、炎癥期、增殖期和重塑期四個(gè)時(shí)間依賴(lài)性階段[2]，如圖1所示。人體可為傷口愈合各個(gè)階段提供所有的生理需求，除非有部分程度的皮膚功能缺陷或者嚴(yán)重創(chuàng)傷造成的大量體液流失。機(jī)體可以通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充水分、氧分和維持傷口周?chē)鷓H等防止病原微生物的入侵，促進(jìn)傷口愈合[3]。因此，性能優(yōu)異的傷口敷料的開(kāi)發(fā)對(duì)于加速傷口愈合至關(guān)重要。

圖1 正常傷口愈合的四個(gè)階段

1 傷口敷料

傷口敷料是包扎傷口的用品，用以覆蓋瘡口、傷口或其他損害的材料。傷口敷料的種類(lèi)很多，理想的傷口敷料應(yīng)滿足：維持創(chuàng)面的潮濕環(huán)境、促進(jìn)表皮遷移、促進(jìn)血管生成及防止細(xì)菌感染等[4]。目前，臨床上應(yīng)用的傷口敷料主要有傳統(tǒng)敷料和新型敷料。傳統(tǒng)敷料如無(wú)菌紗布、醫(yī)用脫脂棉等，只能起到簡(jiǎn)單的物理屏障作用，不能有效地促進(jìn)皮膚創(chuàng)面愈合，且傳統(tǒng)傷口敷料容易與傷口粘連，換藥時(shí)造成二次傷害，吸收組織滲出液的能力有限，而且在被組織滲出液浸透后基本失去了屏障的保護(hù)作用，造成外源性感染。根據(jù)敷料的結(jié)構(gòu)形式，新型敷料分為薄膜類(lèi)、泡沫類(lèi)、藻酸鹽類(lèi)、水膠體類(lèi)和水凝膠類(lèi)敷料等。新型傷口敷料可以維持傷口的相對(duì)濕度，使傷口既不會(huì)因?yàn)樗诌^(guò)多而引起感染，也不會(huì)因過(guò)度干燥造成粘連，因此，新型傷口敷料促進(jìn)傷口愈合的效果更理想。

2 殼聚糖水凝膠

水凝膠類(lèi)傷口敷料在新型傷口敷料中的應(yīng)用潛力和前景巨大。水凝膠是由親水聚合物組成的三維立體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它在吸收和保存水分的同時(shí)，不會(huì)失去其本身的三維結(jié)構(gòu)[5-7]。這種獨(dú)有的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證創(chuàng)面處能夠進(jìn)行良好的氣體和液體交換，保持創(chuàng)面的濕潤(rùn)，為創(chuàng)面愈合提供良好的環(huán)境；同時(shí)，水凝膠含水量在70%～90%，其作為傷口敷料不僅可為傷口處提供濕潤(rùn)的環(huán)境、促進(jìn)肉芽組織和上皮組織形成，而且其高含水量不會(huì)造成因傷口粘連導(dǎo)致的二次傷害。因此，這些特性使水凝膠成為傷口敷料的熱門(mén)材料。天然或合成的聚合物均可用于制備水凝膠，并呈現(xiàn)出不同的理化性質(zhì)。目前，已有多種天然聚合物被制成水凝膠，如藻酸鹽[8-9]、殼聚糖[10-11]、透明質(zhì)酸[12-13]、纖維素[14-15]、淀粉[16-17]和明膠[18-19]等。

殼聚糖是制備水凝膠的理想材料之一，它是一種從甲殼動(dòng)物和真菌細(xì)胞壁等提取的天然氨基多糖[20]，具有良好的生物相容性、生物降解性和廣譜抗菌性，而且安全無(wú)毒，在很多領(lǐng)域都備受關(guān)注，如生物醫(yī)藥、環(huán)保、紡織、組織工程、食品及化妝品等領(lǐng)域[21-22]。此外，研究表明，殼聚糖具有良好的止血性能和促進(jìn)傷口愈合的能力。目前，市面上已有多種以殼聚糖為原料的傷口敷料商品，如表1所示。因此，殼聚糖水凝膠被認(rèn)為是一種理想的新型傷口敷料。

表1 商品殼聚糖敷料及其性能

3 殼聚糖基水凝膠及其特性

殼聚糖水凝膠是一種較為理想的新型傷口敷料，但是殼聚糖水凝膠也有許多不足之處，如生物相容性和機(jī)械強(qiáng)度較差、成膠時(shí)間較長(zhǎng)、制備方法較為復(fù)雜等。通過(guò)對(duì)殼聚糖改性或者使殼聚糖與其他聚合物結(jié)合制備的殼聚糖基水凝膠能夠大大改善殼聚糖水凝膠的弊端。針對(duì)不同的制備原料或者為了實(shí)現(xiàn)水凝膠的不同功能，應(yīng)該選擇不同的殼聚糖基水凝膠制備方法。部分殼聚糖基水凝膠的類(lèi)型及其特性如表2所示。

表2 部分殼聚糖基水凝膠的類(lèi)型及其特性

3.1 殼聚糖基水凝膠的制備方法

水凝膠的許多性質(zhì)如自愈性、生物降解性、膨脹度和力學(xué)性能等都與制備方法有著密切的聯(lián)系。因此，對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域殼聚糖基水凝膠制備方法的選擇具有重要意義[20]。目前，殼聚糖水凝膠的制備方法有化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)方法。

化學(xué)交聯(lián)水凝膠是指聚合物的官能團(tuán)如-OH、-COOH和-NH2，通過(guò)共價(jià)連接方式與交聯(lián)劑反應(yīng)而形成，交聯(lián)劑是具有兩種以上反應(yīng)官能團(tuán)的化合物，能使聚合物之間交聯(lián)成鍵。制備殼聚糖基水凝膠最常用的交聯(lián)劑為戊二醛[34]、甲醛[35]、乙二醇二縮水甘油醚(EGDE)[36]和京尼平(Genipin)[37]等，這些交聯(lián)劑均已被證明可以與殼聚糖發(fā)生反應(yīng)；另外，通過(guò)共存光引發(fā)劑(如甲基丙烯酸酯或芳基疊氮化物改性的大分子單體)的光活化，也可以將多種天然和合成的大分子交聯(lián)形成水凝膠[38]。

殼聚糖可以通過(guò)疏水作用和聚電解質(zhì)絡(luò)合等物理交聯(lián)制備水凝膠。具有疏水性區(qū)域的聚合物可以在水性環(huán)境中通過(guò)反向熱凝膠化(也稱(chēng)“溶膠-凝膠”化學(xué))進(jìn)行交聯(lián)，疏水性鏈段通過(guò)聚合后接枝或直接合成嵌段共聚物的方法耦合到親水性聚合物中，產(chǎn)生具有兩親性的聚合物鏈段。這類(lèi)兩親性聚合物在低溫下具有水溶性，但隨著溫度升高，疏水性區(qū)域聚集，最大程度地減少了與水接觸的疏水性表面積。因此，發(fā)生凝膠化的溫度取決于聚合物濃度、疏水嵌段長(zhǎng)度和聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)[39]。殼聚糖基聚電解質(zhì)絡(luò)合水凝膠主要是通過(guò)殼聚糖的陽(yáng)離子氨基與另一種聚合物的陰離子基團(tuán)之間靜電相互作用形成的[40]。聚電解質(zhì)絡(luò)合(PEC)水凝膠是生物相容性聚合網(wǎng)絡(luò)，其溶脹性能好，近十年在藥物遞送系統(tǒng)等研究領(lǐng)域備受關(guān)注。盡管物理交聯(lián)能夠避免化學(xué)交聯(lián)劑所具有的毒性，并且通過(guò)物理交聯(lián)制備的水凝膠生物相容性更好、毒性更低甚至無(wú)毒，但物理交聯(lián)水凝膠的主要缺點(diǎn)是不穩(wěn)定、機(jī)械性能較差以及孔徑大小難以控制[41]。

3.2 殼聚糖基水凝膠的特性

3.2.1 抗菌性

細(xì)菌感染是傷口愈合過(guò)程的主要障礙[42]，受損組織失去保護(hù)屏障就容易受到大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和化膿鏈球菌等微生物的侵襲[43]。為了防止傷口感染，一般是在水凝膠中引入抗生素等抗菌劑，但這樣容易產(chǎn)生抗生素抗性。殼聚糖抗菌廣譜，其帶正電荷的官能團(tuán)可與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用，來(lái)破壞細(xì)胞膜導(dǎo)致細(xì)菌死亡[44]。Xue等制備了季銨化的殼聚糖-基質(zhì)膠-聚丙烯酰胺(QCS-M-PAM)水凝膠，該水凝膠具有抗菌、粘合、止血和傷口可視化特性[45]；Xie等用LiOH/脲溶劑合成了殼聚糖水凝膠，將還原性Ag納米顆粒摻入到殼聚糖水凝膠中，并評(píng)價(jià)了其抗菌能力及傷口愈合功效。結(jié)果表明，水凝膠對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌顯示出優(yōu)異的抗菌功效，并且其抗菌功效隨著AgNO3含量的增加而增加，同時(shí)還可以促進(jìn)傷口愈合[46]。

3.2.2 抗氧化性

持續(xù)的炎癥反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的活性氧(ROS)產(chǎn)生，當(dāng)其高于細(xì)胞的抗氧化能力時(shí)，會(huì)限制傷口的愈合。因此，必須控制傷口微環(huán)境中的ROS濃度，以克服氧化應(yīng)激造成的損傷。Fu等研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合了聚多巴胺納米顆粒(rPDA NPs)的氧化葡聚糖/殼聚糖雜化水凝膠能夠保護(hù)細(xì)胞免受外部氧化應(yīng)激和傷口免受感染，表現(xiàn)出極好的抗氧化特性，可以作為加速傷口愈合的有效敷料[47]；Zhao等開(kāi)發(fā)了基于季銨化殼聚糖-g-聚苯胺(QCSP)和苯甲醛基官能化聚(乙二醇)-聚-癸二酸甘油酯(PEGS-FA)的可注射導(dǎo)電的自修復(fù)水凝膠，該水凝膠顯示出了優(yōu)異的抗菌和抗氧化活性，促進(jìn)了傷口愈合[48]。

3.2.3 粘合性

水凝膠作為傷口敷料與組織整合時(shí)，粘合性能是考察標(biāo)準(zhǔn)之一。具有粘合性能的水凝膠對(duì)于傷口愈合非常重要，粘合性水凝膠通過(guò)在周?chē)M織和水凝膠的官能團(tuán)之間建立化學(xué)/物理聯(lián)系來(lái)充當(dāng)粘合劑、止血?jiǎng)┗蛎芊鈩垢鞣N組織粘合在一起，通過(guò)控制出血，防止氣體或液體從組織泄漏來(lái)促進(jìn)傷口愈合。殼聚糖基水凝膠是傷口愈合領(lǐng)域具有吸引力的粘合材料之一，通過(guò)對(duì)殼聚糖改性可以制備殼聚糖基粘性水凝膠，如接枝鄰苯二酚基團(tuán)或氫咖啡酸。Du等通過(guò)將疏水改性的殼聚糖乳酸酯與咖啡酸改性的殼聚糖整合制備了組織粘合性水凝膠，該水凝膠的高粘附性是由咖啡酸修飾的殼聚糖的反應(yīng)性鄰醌基團(tuán)與組織的胺或硫醇基團(tuán)之間的共價(jià)鍵介導(dǎo)的[49]。

3.2.4 抗炎特性

炎癥反應(yīng)是機(jī)體控制傷口感染的保護(hù)性反應(yīng)，長(zhǎng)期炎癥反應(yīng)可能會(huì)引起氧化應(yīng)激，導(dǎo)致機(jī)體自身組織受損，良好的傷口愈合水凝膠應(yīng)具有抗炎性。殼聚糖的抗炎特性是由于其結(jié)構(gòu)中的帶電部分能調(diào)節(jié)促炎反應(yīng)。Zhang等以鄰苯二酚官能化殼聚糖(CS-C)為聚合物基質(zhì)、牡蠣肽微球(OPM)為填充劑、β-甘油磷酸鈉(β-GP)為熱敏劑，制備了熱敏水凝膠CS-C/OPM/β-GP，通過(guò)小鼠皮膚創(chuàng)傷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該水凝膠不僅可以抑制多種炎癥細(xì)胞的聚集，而且可以加速膠原纖維和傷口新血管的生成[50]。

4 殼聚糖基水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

殼聚糖基水凝膠能提供濕潤(rùn)的傷口環(huán)境，避免傷口二次感染，吸收傷口滲出液，具有良好的生物相容性，誘導(dǎo)傷口快速愈合，防止疤痕產(chǎn)生。因此，殼聚糖基水凝膠被認(rèn)為是一種良好的傷口敷料。特別是改性殼聚糖和其他聚合物結(jié)合時(shí)，殼聚糖基水凝膠敷料具有更好的促進(jìn)傷口愈合作用。此外，殼聚糖基水凝膠可搭載生物活性物質(zhì)(藥物、抗原、抗體和生長(zhǎng)因子或干細(xì)胞等)，并在傷口處緩慢釋放[51]。

4.1 殼聚糖水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

甘油磷酸酯(Gp)是體內(nèi)天然存在的一種有機(jī)化合物，常常作為磷酸鹽的來(lái)源，其靜脈給藥已被美國(guó)食品藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)，主要用于治療磷代謝失衡。以殼聚糖為基礎(chǔ)制備的殼聚糖/β-Gp水凝膠體系具有良好的溫度敏感性，且是作為傷口敷料的理想材料之一[52-53]。

Yang等制備了熱敏殼聚糖/膠原蛋白/β-GP水凝膠，并將該水凝膠與三維間充質(zhì)干細(xì)胞(3D MSC)球體結(jié)合，通過(guò)增強(qiáng)血管化和分泌細(xì)胞因子來(lái)加速慢性傷口愈合。結(jié)果表明，該水凝膠可以提供有利于包封MSC的附著和增殖的環(huán)境，尤其是加速3D MSC球體的增殖和細(xì)胞因子分泌[54]；Zhou等制備了一種人類(lèi)臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞條件培養(yǎng)基(MSC-CM)/殼聚糖/膠原/β-GP溫敏水凝膠，并研究了該水凝膠對(duì)小鼠三級(jí)燒傷創(chuàng)面愈合的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MSC-CM /殼聚糖/膠原/β-GP水凝膠的應(yīng)用縮短了愈合時(shí)間，限制了炎癥區(qū)域擴(kuò)散，增強(qiáng)了再上皮化，較好地促進(jìn)了血管和肉芽組織的形成，減弱了纖維化和肥厚性瘢痕組織的形成，有效促進(jìn)了小鼠三級(jí)燒傷創(chuàng)面的愈合[55]。

4.2 改性殼聚糖基水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

雖然殼聚糖具有良好的生物相容性、抗菌性和止血性能等優(yōu)點(diǎn)，但是其在pH大于6條件下溶解性很差，這大大限制了殼聚糖的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域[56]。通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性，如羧甲基化改性和季銨化改性等，可以提高殼聚糖的溶解性、生物降解性和生物相容性，拓寬殼聚糖在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

N,N,N-三甲基殼聚糖、N-琥珀酰殼聚糖、N-羧甲基殼聚糖和羥基丁基殼聚糖等殼聚糖衍生物已被用于制備改性殼聚糖基水凝膠[57]。N-琥珀酰殼聚糖是由酰基引入殼聚糖而形成的一種含氨基、羥基和羧基的兩親性衍生物，改性后其保水性能更優(yōu)于殼聚糖，可用做傷口敷料治療傷口愈合。Straccia等合成了含微晶纖維素的N-琥珀酰殼聚糖/海藻酸鈉水凝膠，該水凝膠對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抗菌活性，并且溶脹性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，氣液通透性高，有利于在創(chuàng)面床內(nèi)保持濕潤(rùn)環(huán)境，促進(jìn)創(chuàng)面再生和上皮化[58]；Huang等合成的羧甲基/明膠水凝膠具有良好生物相容性，能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖和新生血管的生成，加快肉芽組織形成，促進(jìn)再上皮化，顯著促進(jìn)了大鼠全層皮膚缺損傷口愈合[59]；Lim等通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行羥基丁基化改性，研制了一種負(fù)載人血小板裂解物(HPL)的熱敏羥基丁基殼聚糖(HBC)熱敏水凝膠，該水凝膠能夠促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)的增殖和遷移，以及新血管的形成，同時(shí)該水凝膠還能緩釋生長(zhǎng)因子，明顯促進(jìn)了大鼠創(chuàng)面愈合[60]。

4.3 負(fù)載生長(zhǎng)因子的殼聚糖基水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

生長(zhǎng)因子具有誘導(dǎo)細(xì)胞遷移、增殖、分化和促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)合成的作用[61-62]，在促進(jìn)傷口愈合過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。然而，生長(zhǎng)因子直接應(yīng)用于創(chuàng)面具有一些局限性，因?yàn)閭诃h(huán)境中含有豐富的蛋白水解酶，在這種環(huán)境中生長(zhǎng)因子會(huì)迅速降解，導(dǎo)致生長(zhǎng)因子半衰期短，需反復(fù)使用；另外，由于傷口基質(zhì)隔離生長(zhǎng)因子，從而導(dǎo)致阻礙其與細(xì)胞表面受體結(jié)合[63]。因此，殼聚糖基水凝膠作為一種理想的生長(zhǎng)因子載體，已成為研究者們近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)。

5 展 望

隨著聚合物科學(xué)的發(fā)展，大量多功能聚合物納米生物材料應(yīng)運(yùn)而生。在近幾年研發(fā)的可生物降解聚合物生物材料中，殼聚糖基水凝膠因其成本低、資源可再生和生物相容性好等優(yōu)良性能備受關(guān)注。雖然許多研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖基水凝膠促進(jìn)傷口愈合效果良好，但是殼聚糖基水凝膠也有一些缺點(diǎn)，如機(jī)械性能較差和成膠時(shí)間不易控制等。因此，研制理想的殼聚糖基水凝膠傷口敷料也面臨著很多挑戰(zhàn)，如一些殼聚糖基水凝膠不能完全在體內(nèi)降解、許多殼聚糖基水凝膠制備原料具有一定的毒性等，所以制備安全無(wú)毒、高效的殼聚糖水凝膠傷口敷料也是研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。殼聚糖基水凝膠不僅可以負(fù)載生長(zhǎng)因子和抗菌藥物等生物活性物質(zhì)，而且還可以負(fù)載干細(xì)胞作為治療大面積皮膚缺損的傷口敷料。所以，殼聚糖基水凝膠傷口敷料開(kāi)發(fā)潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊，希望研究人員能夠盡快研制出安全、高效的殼聚糖基水凝膠傷口敷料，早日應(yīng)用于臨床。