功能性水凝膠材料在慢性難愈性傷口的應(yīng)用進展*

李嘉煒，黃瀟楠

（首都師范大學(xué)化學(xué)系，北京 100048）

0 引 言

慢性難愈性傷口，是指病因不明確、致傷因素多而復(fù)雜、愈合緩慢和治療超過4 周尚無明顯愈合傾向的傷口［1］.慢性難愈性傷口會影響病人原發(fā)疾病的治療，提升部分疾病的5 年致死率，降低患者的生活品質(zhì).影響傷口愈合的主要原因有：傷口愈合環(huán)境不佳，細菌感染和炎癥持續(xù)時間較長［2］.當前，糖尿病、鼻咽癌、肝癌和結(jié)腸癌等疾病高發(fā)，其并發(fā)癥慢性難愈性傷口發(fā)病率也逐年提高，為了提升患者的生活品質(zhì)，開發(fā)促傷口愈合材料在臨床上具有重要意義.目前，促傷口愈合材料主要包括：水凝膠、繃帶、海綿和藥物粉末等，其中水凝膠材料因有助于控制出血，還有助于保持傷口濕潤，廣泛應(yīng)用在傷口愈合中.

水凝膠是一種由高分子和水分子構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，包括天然水凝膠和合成水凝膠，前者由于其良好的生物相容性和部分水凝膠本身所具有的止血、促進組織再生等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，如口腔材料、組織工程支架和傷口敷料等.近5 年來，水凝膠在生物醫(yī)用方向得到了廣泛應(yīng)用，如：均聚物水凝膠、共聚物水凝膠等作為醫(yī)用水凝膠，在組織工程再生、口腔醫(yī)藥、抗凍耐熱水材料和電子皮膚等方面均有應(yīng)用［3］；水凝膠敷料在添加其他功能性物質(zhì)后，可具備止血、抗菌和消炎等功效，在創(chuàng)面愈合中可發(fā)揮重要作用［4］.慢性難愈性傷口大多不發(fā)生出血行為，主要表現(xiàn)為傷口易細菌感染和炎癥持續(xù)時間長，因此，若設(shè)計和制備出具有抗菌、消炎、輔助殺傷癌細胞和激活免疫抗癌反應(yīng)等作用的多功能水凝膠，將對慢性難愈性傷口的治療起到顯著促進作用.本文分別對不同種類的天然高分子水凝膠，以及在常規(guī)水凝膠基礎(chǔ)上，進一步增加水凝膠功能性的多功能型天然水凝膠在慢性難愈性傷口中的應(yīng)用進行綜述，以期對促傷口愈合水凝膠材料的發(fā)展提供依據(jù).

1 傷口愈合生理機制

傷口愈合分為止血、炎癥、增殖和重塑4 個階段［5］，每個階段并不是完全獨立的，而是同時進行的（圖1）.止血期，內(nèi)血管會形成血栓并分泌多種因子，為隨后包括炎癥在內(nèi)的治愈階段奠定了基礎(chǔ)［6］；炎癥期，炎癥細胞（如中性粒細胞）滲入創(chuàng)面，導(dǎo)致液體積聚和腫脹［7-8］；增殖期，形成組織肉芽，收縮創(chuàng)面以及生成血管［9］；重塑期，成纖維細胞和巨噬細胞通過細胞凋亡而被替代，肉芽組織中的Ⅲ型膠原蛋白隨著時間逐漸被Ⅰ型膠原蛋白取代，皮膚纖維網(wǎng)絡(luò)會逐漸加強［10］.以上4 個時期，均可設(shè)計促傷口愈合水凝膠材料，增加1 個或者多個時期的傷口愈合速率.

圖1 傷口愈合機制

2 水凝膠的制備

水凝膠是由高分子形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由水分子填充支撐大分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此，水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備過程主要是如何交聯(lián)三維分子網(wǎng)絡(luò).分子網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)包括物理交聯(lián)法和化學(xué)交聯(lián)法.

2.1 物理交聯(lián)法

物理交聯(lián)法主要通過分子間作用力進行交聯(lián)，如：靜電/離子相互作用、疏水作用、結(jié)晶和氫鍵等［11］.劉捷等［12］利用結(jié)晶原理，在去離子水和不同濃度二甲基亞砜（DMSO）溶液中，通過冷凍-解凍法制備了明膠/聚乙烯醇水凝膠和純聚乙烯醇水凝膠；Henna 等［13］利用氫鍵作用制備了聚乙烯基己內(nèi)酰胺/聚乙二醇水凝膠；劉子杰等［14］采用微波輔助技術(shù)合成了木薯淀粉/丙烯酸的水凝膠.由于物理交聯(lián)法制備的水凝膠是通過分子間作用力形成，往往可以發(fā)生從溶膠到凝膠的可逆轉(zhuǎn)變.因此，該方法形成的水凝膠的特點是可逆性.

2.2 化學(xué)交聯(lián)法

化學(xué)交聯(lián)法是通過化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵完成凝膠的交聯(lián)，主要包括：（1）單體和交聯(lián)劑在自由基聚合過程中形成交聯(lián)，在合成過程中加入含有2 個雙鍵的交聯(lián)劑，引發(fā)劑分解產(chǎn)生活性自由基，通過與單體的聚合，形成三位網(wǎng)絡(luò)聚合物［15］.如黃婧欣等［16］以甲基丙烯酸羥乙酯和N，N-二乙基丙烯酰胺為凝膠單體，通過自由基聚合反應(yīng)合成了溫敏型多孔水凝膠.（2）高分子之間加入雙官能團化合物進行交聯(lián)，如醛介導(dǎo)交聯(lián)，含有多個醛基的化合物和具有羥基、胺和酰肼基團的水溶性聚合物之間能夠發(fā)生交聯(lián)［11］. Ying 等［17］通過醛介導(dǎo)交聯(lián)法，以戊二醛為交聯(lián)劑制得了聚乙烯醇（PVA）水凝膠.（3）小分子之間的縮合反應(yīng)，含有多羥基或胺基的化合物可與羧酸或衍生物之間形成體型聚合物完成交聯(lián)，如聚酯和聚酰胺［18-19］.化學(xué)交聯(lián)的水凝膠由于通過化學(xué)鍵完成交聯(lián)，因此，水凝膠轉(zhuǎn)變具有不可逆性.

3 天然高分子水凝膠材料

天然高分子材料具有良好的生物相容性和可降解性，因此，在臨床應(yīng)用方面，與人工合成高分子水凝膠相比，天然高分子水凝膠具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢.目前，在促傷口愈合材料方面，天然高分子材料主要包括殼聚糖、海藻酸鈉、纖維素和蠶絲蛋白等，均可被制備成各種材料應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域.由于分子結(jié)構(gòu)的不同，這4 種天然高分子材料的可降解性和生物應(yīng)用性能也不同，在傷口愈合領(lǐng)域具有各自不同的特點.

3.1 殼聚糖水凝膠

殼聚糖是一種天然生物多聚糖，由氨基葡萄糖與N-乙酰氨基葡萄糖單元組成，本身具有抗氧化、抗菌、抗凝血和抗腫瘤等活性［20］.殼聚糖高分子化合物具有許多高活性功能基團，有類似于抗生素的特性，同時可以誘導(dǎo)自然血液凝固，刺激膠原蛋白沉積和成纖維細胞增殖［21］.將殼聚糖活性功能基團與金屬離子、納米顆粒和生物活性玻璃等結(jié)合，可以開發(fā)具有不同功能的殼聚糖水凝膠. Cao 等［22］利用羧甲基殼聚糖與有促傷口愈合性能的金屬離子Fe3+/Al3+，制備了一類具有可注射性和多響應(yīng)性的新型自修復(fù)水凝膠（圖2），由于金屬離子可以螯合殼聚糖上的羧基形成動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該水凝膠表現(xiàn)出自修復(fù)、自適應(yīng)和熱響應(yīng)能力，可以明顯加速皮膚組織的再生和創(chuàng)面閉合；Sudheesh 等［23］利用ZnO 的良好抗菌消炎能力，在殼聚糖中摻雜了ZnO，制備的殼聚糖/納米ZnO 復(fù)合水凝膠繃帶，存在相互連接的孔隙，有助于吸收大量傷口滲出液，同時提高抗菌能力，大大提升了水凝膠的促傷口愈合能力，在臨床上有潛在的應(yīng)用價值；Ngoc 等［24］將蘆丁偶聯(lián)到殼聚糖基水凝膠中，制得一種用于皮膚傷口的可注射傷口敷料，除了殼聚糖本身對傷口愈合的生物活性外，蘆丁的結(jié)合也促進傷口愈合過程的加速，同時因為蘆丁的加入，殼聚糖形成凝膠的時間也大大縮短.

圖2 羧甲基殼聚糖-Fe3+/Al3+水凝膠的結(jié)構(gòu)［22］

3.2 海藻酸鈉水凝膠

海藻酸鈉是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取碘和甘露醇之后的副產(chǎn)物，由β-D-甘露糖醛酸（G）和α-L-古洛糖醛酸（M）分子以一定比例的GM、MM和GG 片段組成的共聚物［25］.由于含有大量的羧基，海藻酸鈉很容易被Ca2+、Zn2+等金屬離子交聯(lián)從而形成水凝膠. Urzedo 等［26］基于細菌很難對2 種納米粒子同時產(chǎn)生抗性的原理，利用NO 和Ag 納米粒子作用機制的多樣性，將S-亞硝基-巰基琥珀酸（NO 供體）和Ag 納米粒子同時摻入海藻酸鹽水凝膠中（圖3），得到了抗菌作用和促進傷口愈合加強的高分子水凝膠；Wu 和Li［27］利用生物活性玻璃中釋放的Ca2+可以進一步交聯(lián)水凝膠和其他被釋放的離子可以促進傷口部位的血管化和肉芽組織形成的特點，將生物活性玻璃摻入殼聚糖/海藻酸鈉水凝膠中，得到了殼聚糖/海藻酸鈉/生物活性玻璃水凝膠，證實極大地提高了水凝膠的機械穩(wěn)定性、抗菌特性；Xu等［28］利用海藻酸鹽和殼聚糖，制備了一種用于角膜堿燒傷后角膜緣干細胞移植的新型原位水凝膠，該水凝膠可以在角膜的堿燒傷傷口上快速完成傷口組織重建，同時被證明具有良好的生物相容性.

圖3 S-亞硝基-巰基琥珀酸/Ag 納米粒子/海藻酸鈉水凝膠示意［26］

3.3 纖維素水凝膠

纖維素是自然界中含量豐富的一類天然雜多糖，具有可再生、生物相容性好和可生物降解等特點，其相對成本低廉，在水凝膠材料的制備領(lǐng)域受到關(guān)注［29］. Basu 等［30］利用具備一定的促傷口愈合能力的Ca2+作為交聯(lián)劑，將納米原纖化纖維素（NFC）制備成NFC 水凝膠，其能夠支持成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞的增殖，同時不會引起局部組織效應(yīng)，且Ca2+交聯(lián)后的NFC 水凝膠機械性能和創(chuàng)面愈合能力均得到提高；Abhishek 等［31］將具有抗菌、抗氧化和抗炎作用的姜黃素和Ag 納米顆粒加載到具有濕潤傷口愈合特性的細菌纖維素水凝膠中，不但提高了細胞的相容性，還可對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和念珠菌3 種常見的傷口感染病原微生物表現(xiàn)出抗菌活性，從而使得化膿性傷口得到快速愈合；Asabuwa 等［32］利用明膠上的氨基和氧化角叉菜膠中的羧基形成酰亞胺鍵，得到一種新型與細菌纖維素的原纖維互穿的弱半透明水凝膠（圖4），該凝膠具有自抗菌特性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌具有生長抑制能力，可加快傷口的愈合速度.

圖4 明膠/角叉菜膠/細菌纖維素水凝膠示意［32］

3.4 蠶絲蛋白水凝膠

蠶絲蛋白也叫絲素蛋白，是一種從家蠶蠶絲中提取的豐富、廉價且可持續(xù)的天然材料，具有優(yōu)秀的生物相容性和生物降解性［33］，多用于制備可注射水凝膠. Jing 等［34］開發(fā)了一種用蠶絲蛋白和單寧酸復(fù)合的水凝膠，其具有凝膠時間短、凝膠濃度低、黏附性好、剪切稀化和自恢復(fù)性能等優(yōu)點，且具有顯著的生物活性、抗菌和抗氧化活性，有利于促進傷口愈合；Ding 等［35］設(shè)計了一款負載具有誘導(dǎo)血管形成的去鐵胺/蠶絲蛋白水凝膠，該水凝膠可維持去鐵胺持續(xù)釋放超過40 d，體外細胞研究表明，載有去鐵胺的水凝膠能調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的遷移和基因表達，并且可調(diào)節(jié)巨噬細胞的炎癥行為，從而使得包載去鐵胺的蠶絲蛋白具有促傷口愈合能力；Pang 等［36］將蠶絲蛋白和復(fù)合了Cu2+的硼硅酸鹽交聯(lián)形成水凝膠，之后在蠶絲蛋白分子上添加了甲基丙烯酰氧基，得到了機械強度高、可抑制細菌黏附和生長、能夠調(diào)節(jié)巨噬細胞的炎癥反應(yīng)的水凝膠.

綜上所述，現(xiàn)有的天然高分子水凝膠通過添加金屬離子、小分子藥物或者納米功能材料，能夠達到所需的抗菌、抗炎癥和促進組織再生等基本功能，從而促進傷口愈合.天然高分子水凝膠因具備良好的生物相容性、生物降解性及結(jié)構(gòu)可修飾性，在未來也會有越來越多的水凝膠材料應(yīng)用到傷口敷料、組織工程等方面，但單一組分的天然高分子水凝膠仍無法兼?zhèn)涮烊唤M織在生物響應(yīng)、物質(zhì)傳輸?shù)缺姸喾矫娴耐暾δ?，因而在實際應(yīng)用中有一定的局限性.所以開發(fā)復(fù)合型多功能促傷口愈合水凝膠是水凝膠材料的發(fā)展方向.

4 復(fù)合型多功能促傷口愈合水凝膠

抗菌、消炎是目前大部分促傷口愈合水凝膠的基本功能，針對癌性和糖尿病壞疽等傷口，還需在原有水凝膠材料的基礎(chǔ)上加入光敏劑或者光熱材料，得到具有光動力學(xué)療法和光熱療法水凝膠，以促進特殊傷口的愈合.

4.1 光動力學(xué)療法水凝膠

光動力學(xué)療法是通過光敏劑吸收一定波長的光并傳遞給周圍的分子，從而產(chǎn)生活性氧（ROS），ROS 進一步引起癌細胞或細菌氧化應(yīng)激的過程，因為其具有毒性低、可重復(fù)使用和治療時間短等優(yōu)點，該類型水凝膠被應(yīng)用到癌癥治療、傷口愈合等方面［37］. Rojas 等［38］將蠶絲蛋白水凝膠作為基質(zhì)，在其中加入了5-（4-氨基苯基）-10，15，20-3-（4-磺基苯基）卟啉三鈉（一種光敏劑），得到卟啉/蠶絲蛋白水凝膠，其在用紅光照射時能更有效地產(chǎn)生ROS，以促進傷口附近細菌的凋亡，加快傷口愈合的速度；Mao 等［39］將Ag/Ag@AgCl/ZnO 混合納米結(jié)構(gòu)嵌入纖維素水凝膠中（圖5），利用Ag/Ag@AgCl 納米結(jié)構(gòu)增強了ZnO 的光催化和抗菌活性，得到的水凝膠可通過產(chǎn)生的ROS 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌起到抑制作用，同時釋放Ag+和Zn2+刺激免疫功能產(chǎn)生大量白細胞和中性粒細胞，從而產(chǎn)生協(xié)同抗菌作用，加速傷口愈合；Hu 等［40］設(shè)計了殼聚糖和光敏劑二氫卟酚e6（Ce6）復(fù)合的光響應(yīng)多功能納米凝膠，并向其中加入了Mg/表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）復(fù)合物，其可在激光照射下快速釋放Mg2+，有效加速了傷口愈合，同時產(chǎn)生的ROS 能夠破壞細菌的膜結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致細菌死亡，實現(xiàn)了高效抗菌.

圖5 Ag/Ag@AgCl/ZnO 纖維素水凝膠作用示意［39］

利用光動力學(xué)療法對傷口進行抗菌方面的治療已經(jīng)被證實是十分有效的，但目前存在的問題是在治療過程中所產(chǎn)生的ROS 也會引起正常細胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)致中性粒細胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物等不良反應(yīng)，因此，還需進一步研究找到解決策略.

4.2 光熱療法水凝膠

光熱療法是使用光熱材料在傷口部位富集，通過紅外光照射，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而快速升高創(chuàng)傷區(qū)域的溫度，促使細胞凋亡［41］.該法得到的光熱療法水凝膠具有毒性小、操作簡便、恢復(fù)快等優(yōu)勢，因此在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到極大關(guān)注. Wang 等［42］將能夠吸收近紅外光的共軛聚合物（PTDBD）結(jié)合到熱敏殼聚糖的水凝膠中，合成的水凝膠可以在近紅外激光（808 nm）照射下，通過局部熱療立即治療感染部位，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和耐藥菌顯示出廣泛的抗菌活性，同時可以促進癌性傷口愈合；Kong 等［43］將CuS 納米粒子添加到N-羧乙基殼聚糖和氧化海藻酸鈉水凝膠中，再加入金屬離子，與光熱材料協(xié)同作用，得到CuS 納米粒子水凝膠在近紅外光照射下，具有抗菌作用和光熱效應(yīng)，同時還可以釋放Cu2+以促進傷口的組織再生；Huang 等［44］在甲基丙烯酸酯改性明膠/透明質(zhì)酸接枝多巴胺，同時在水凝膠中加入功能化的氧化石墨烯納米載體與NO 供體，將光熱材料和氣體療法相結(jié)合，可在全層皮膚修復(fù)小鼠模型中改善膠原沉積和血管生成，并促進癌性傷口愈合（圖6）；Zhao 等［45］設(shè)計并開發(fā)了多重響應(yīng)纖維素納米原纖維水凝膠敷料，使用接枝有pH 敏感的末端氨基超支化多胺，并加載了溫度敏感的聚N-異丙基丙烯酰胺和具有光熱效應(yīng)的吲哚菁綠，得到超支化結(jié)構(gòu)的納米腔水凝膠，既賦予了敷料對藥物的高負載能力，又協(xié)同結(jié)合了光熱療法和化學(xué)療法在內(nèi)的多種治療策略，實現(xiàn)了對傷口愈合的高效治療.

圖6 CuNPs 水凝膠作用示意［44］

通過上述關(guān)于光動力學(xué)療法和光熱療法水凝膠在傷口愈合方面的應(yīng)用實例，可知光動力學(xué)和光熱效應(yīng)對于細菌的抑制效果很好，未來在傷口愈合方面仍有很大的發(fā)展前景.或可將光動力學(xué)試劑和光熱材料與其他材料結(jié)合，從而形成生物相容性更好、促傷口愈合更快的新型水凝膠材料.

5 結(jié)束語

天然水凝膠具有良好的力學(xué)強度和優(yōu)異的生物相容性，在創(chuàng)面敷料領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用.本文對水凝膠的制備方法，4 種常用的天然高分子水凝膠材料在傷口愈合方面的應(yīng)用，以及新型促傷口愈合水凝膠的研究進展進行了綜述.水凝膠材料由原來的單一原材料發(fā)展到多種原材料相互作用，功能也從單一功能向多功能協(xié)同作用發(fā)展.因此，研發(fā)針對大多數(shù)慢性難愈性傷口的多功能型促傷口愈合水凝膠是未來的趨勢.