殼聚糖為基質(zhì)傷口敷料的研究進(jìn)展

李玲,王蕾

(1.湖南科技學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院,湖南 永州 425199;2.海南熱帶海洋學(xué)院 理學(xué)院,海南 三亞 572022)

皮膚傷口治療是病人經(jīng)手術(shù),燒傷,機(jī)械損傷和糖尿病等并發(fā)癥后面臨的非常重要的一種治療。2015年,中國(guó)傷口敷料5大類的出口額為14.77億美元,世界傷口敷料出口總額的20.87%是中國(guó)傷口敷料。德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家為全球傷口敷料出口的前幾位,我國(guó)傷口敷料的出口還有較大的發(fā)展空間。2016年8月8日,國(guó)務(wù)院印發(fā)了《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。新規(guī)劃重點(diǎn)部署創(chuàng)新藥物開發(fā)、醫(yī)療器械國(guó)產(chǎn)化等任務(wù)。醫(yī)用傷口敷料屬于醫(yī)療器械中非常重要的部分,研究與開發(fā)新型傷口敷料具有重大的意義。

除感染和瘢痕之外,傷口愈合過程周期較長(zhǎng)并且復(fù)雜,大致分為三個(gè)階段。整個(gè)過程中,傷口敷料發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。首先,炎癥期首要的是止血,目前研究較多的多糖類止血材料主要有纖維素類、殼聚糖類、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸等[1]。其中,殼聚糖可以促進(jìn)凝血和血栓的形成[2-3],2002年,殼聚糖基止血材料HemCon通過了美國(guó)FDA的審批,并且受到軍方的青睞,很快地被制備并應(yīng)用于伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上[4]。其次,增生期主要是傷口的抑菌和新血管以及肉芽組織的形成,此過程中抑菌活性物質(zhì)和生長(zhǎng)因子發(fā)揮關(guān)鍵的作用。殼聚糖的抑菌活性較為明顯,尤其是改性之后的衍生物。生長(zhǎng)因子種類較多,與傷口愈合相關(guān)的有表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等,其中表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子使得內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞快速增殖,可促進(jìn)纖連蛋白合成、血管生成、纖維組織增生和膠原酶活性。創(chuàng)傷后,表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子的大量表達(dá)有助于傷口的早期上皮細(xì)胞增殖[5-8]。最后,瘢痕形成修復(fù)期主要包含傷口緊縮和上皮形成,其間上皮細(xì)胞沿著肉芽組織爬行,要保證平整潤(rùn)滑的肉芽表面,這就要求保持創(chuàng)口表面濕潤(rùn)的環(huán)境。瘢痕的形成通常是因?yàn)閭诟腥?皮脂不能有效保護(hù)新愈合皮膚和毛細(xì)血管缺少氧氣[9-10]。因此,傷口形成之后,應(yīng)該立即用敷料進(jìn)行覆蓋,快速止血,保證傷口處適度潮濕的環(huán)境,活性因子加快細(xì)胞的再生,抑制感染,減緩疼痛,準(zhǔn)許氣體交換和除掉大量的排出物,減少瘢痕,從而快速形成近似正常的皮膚[11]。

1 殼聚糖概述

殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物,是自然界中一種堿性氨基多糖,甲殼素是可以再生的生物大分子物質(zhì),在自然界中廣泛存在,是自然界中存在的數(shù)量?jī)H次于纖維素的第二大有機(jī)物,估計(jì)每年的生物合成量達(dá)100億t[12]。在以前的研究中,殼聚糖是一種來源廣泛、價(jià)格低廉、生物低毒性、細(xì)胞相容性、可降解性、抑菌的陽離子多糖[13],并以多種形式用于傷口愈合[14],在生物醫(yī)藥和組織工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[15]。殼聚糖為基質(zhì)的敷料用于傷口愈合,常見的類型有水凝膠類[16-17]、薄膜類、納米纖維類、支架類和海綿類等。本文綜述了以殼聚糖為基質(zhì)的水凝膠類、薄膜類、納米纖維類、海綿類、支架類促傷口愈合敷料。

2 殼聚糖用于水凝膠類敷料

隨著濕潤(rùn)傷口愈合的概念不斷發(fā)展,水凝膠類的傷口敷料表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)[14,18]。水凝膠可以保持傷口濕潤(rùn),利于傷口部位氣體交換[19],激活傷口的生物學(xué)活性,促進(jìn)細(xì)胞的增殖、滲透和形成血管,對(duì)組織再建和傷口愈合具有較好的活性[20-21]。目前水凝膠類的傷口敷料發(fā)展方向?yàn)橹苽淇勺⑸洳⒆晕倚迯?fù)的水凝膠敷料,從而滿足一些不規(guī)則傷口的用藥[22-23],武漢大學(xué)的Deng等制備了腺嘌呤修飾的殼聚糖水凝膠(AC)[24],顯示了良好的可注射和自我修復(fù)的性質(zhì)。對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌類細(xì)菌及白色念珠菌類真菌處理2 h之后,致死率分別為95.3%,97.4%和100%,對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(耐藥菌)處理2 h之后致死率高達(dá)98.1%。因腺嘌呤可以保護(hù)血細(xì)胞,AC水凝膠血液相容性較好,并且具有近似于止血海綿的活性。并且AC水凝膠具有促進(jìn)皮膚切口愈合的作用。組織學(xué)分析和免疫組化染色顯示,AC水凝膠處理后創(chuàng)面炎癥細(xì)胞減少,血管、膠原和上皮組織再生加快。因此,AC 水凝膠用于傷口愈合具有很大的潛力。

Hu等[25]制備了羧甲基殼聚糖(CMC)結(jié)合海藻酸(ALG)雙交聯(lián)水凝膠,鰲合Ca2+并負(fù)載表皮生長(zhǎng)因子(EGF)用于傷口愈合,研究表明當(dāng)CMC:ALG:Ca2+的質(zhì)量比為100∶4∶1.6時(shí)水凝膠具有最優(yōu)的應(yīng)變力;交聯(lián)水凝膠載體可以緩釋EGF,發(fā)揮更優(yōu)的促生長(zhǎng)活性;水凝膠對(duì)正常小鼠成纖維細(xì)胞幾乎沒有毒性,并且不會(huì)引發(fā)溶血反應(yīng);水凝膠負(fù)載EGF可以明顯地促進(jìn)傷口愈合,處理傷口之后,傷口部位出現(xiàn)新生的卵泡,皮脂腺和松散的角質(zhì)層。

Wang等制備了功能化氧化石墨烯偶聯(lián)殼聚糖水凝膠[26],具有優(yōu)良的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力;明顯降低了殼聚糖水凝膠的孔徑;生物相容性較好,有利于黏附和增殖成纖維細(xì)胞;并且顯著加速創(chuàng)面愈合,功能化氧化石墨烯偶聯(lián)殼聚糖水凝膠處理傷口21 d后的愈合率是92.2%,出現(xiàn)大量的肉芽組織和膠原纖維細(xì)胞。

Fatemeh等人合成了富含血小板纖維蛋白殼聚糖水凝膠(Gel-CH/CH-PRF)用于大鼠傷口愈合研究[27],殼聚糖明膠水凝膠包裹富含血小板纖維蛋白的殼聚糖納米顆粒,使其具有良好的溶脹性能、良好的孔隙率、適當(dāng)?shù)谋缺砻娣e、較高的創(chuàng)面分泌物吸收率和適當(dāng)?shù)恼羝麧B透率;結(jié)果顯示其顯著的抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng),并具有良好的抗氧化性能;Gel-CH/CH-PRF處理富傷口12 d后,傷口完全愈合,明顯優(yōu)于對(duì)照組,并且形成了大量新的肉芽組織。

北京理工大學(xué)的Zhao等制備了氧化海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖/Ag納米粒水凝膠[28],掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示水凝膠具有孔徑均一的多孔結(jié)構(gòu),對(duì)創(chuàng)面分泌物具有良好的吸收性能;水凝膠具有適宜的黏度使其可以填充在任何模型的傷口,并具有自愈合性能;水凝膠具有良好的細(xì)胞相容性,幾乎沒有溶血影響,并且不會(huì)抑制L929細(xì)胞生長(zhǎng);水凝膠中的Ag+具有一定的抑菌活性;這些優(yōu)良性質(zhì)使水凝膠明顯增強(qiáng)了電反應(yīng)細(xì)胞活性,在深層傷口治療中顯示出顯著的協(xié)同作用,并且水凝膠處理傷口14 d后上皮組織完全再生,膠原纖維清晰有序,膠原蛋白和血管分布相同于未受傷的皮膚。

3 殼聚糖用于薄膜類敷料

薄膜是傷口愈合的候選材料。其具有良好的生物可吸收性、黏附性和柔韌性[29]。并且薄膜具有適宜的強(qiáng)度,可以控制藥物的釋放[30-31]。殼聚糖薄膜比較薄并且彈性較好,可通過吸收傷口滲出物而迅速水化,在創(chuàng)面形成水凝膠[32]。

Yang等人的團(tuán)隊(duì)合成了殼聚糖/透明質(zhì)酸/普魯多糖復(fù)合薄膜用于傷口愈合[33-34],SEM圖像顯示薄膜具有三維腔體結(jié)構(gòu),能吸收大量的液體,有效地維持創(chuàng)面濕潤(rùn)環(huán)境;薄膜溶血率僅為2.5%,對(duì)正常皮膚安全;薄膜對(duì)革蘭氏陰性菌具有良好的抑制活性;薄膜處理傷口21 d后完全愈合,相對(duì)市售創(chuàng)可貼具有更好的促傷口愈合活性;組織切片結(jié)果顯示薄膜組處理傷口21 d之后,創(chuàng)口表面形成完整的表皮層,接近于正常的表皮形態(tài),說明薄膜可以有效地避免疤痕。

由于天然聚合物機(jī)械強(qiáng)度不夠,Panchal等采用溶劑鑄造法制備了殼聚糖-聚乙烯醇-吉尼平交聯(lián)薄膜[35],交聯(lián)薄膜的抗拉伸強(qiáng)度提高了67.2%,使其更適用于一些不可避免被磨損的傷口;交聯(lián)薄膜具有優(yōu)良的吸水性能,并且吸水之后形態(tài)穩(wěn)定,沒有破裂的跡象;交聯(lián)薄膜處理傷口18 d之后,創(chuàng)面的愈合率達(dá)到95%,成纖維細(xì)胞和血管生成率明顯優(yōu)于對(duì)照組。

Ahmady等選用電噴霧法準(zhǔn)備負(fù)載百里酚的海藻酸鹽微粒,并將其納入殼聚糖-明膠薄膜中制備復(fù)合膜[36],復(fù)合薄膜的24 h吸水率受親水性的海藻酸鹽和疏水性的百里酚共同影響為161.75%,而釋放實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示百里酚在20 h內(nèi)持續(xù)不斷釋放,所以復(fù)合薄膜的吸水率可能會(huì)進(jìn)一步增加,并且復(fù)合薄膜在168 h內(nèi)緩釋百里酚保證了其在傷口部位7 d內(nèi)百里酚的持續(xù)供應(yīng);復(fù)合膜在24 h對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率分別為50%和99%,具有長(zhǎng)期抑菌的傾向,并且具有良好的細(xì)胞相容性,對(duì)L929細(xì)胞無毒性;復(fù)合膜處理傷口21 d后,傷口幾乎完全愈合,組織切片實(shí)驗(yàn)顯示復(fù)合膜可顯著促進(jìn)皮膚上皮化、膠原沉積和誘導(dǎo)皮膚再生。

D’souza等制備了聚乙烯醇/殼聚糖/白芨莖提取物復(fù)合薄膜用于傷口愈合敷料的研究[37],SEM圖像結(jié)果顯示白芨莖提取物的加入可以增加復(fù)合膜的相容性,薄膜光滑均勻,具有更好的柔韌性;復(fù)合膜的水蒸氣透過率為46.42～78.95 g/(m2·h),對(duì)照傷口皮膚水蒸氣透過率需求來看,滿足水蒸氣透過需求;復(fù)合膜能有效地抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的生長(zhǎng);復(fù)合膜對(duì)蛋白質(zhì)變性的抑制率為81.5%,具有優(yōu)良的抗炎活性,并且復(fù)合膜顯示了良好的細(xì)胞相容性和無毒性;傷口愈合結(jié)果顯示創(chuàng)面愈合明顯(96.5%),黏附明顯。

4 殼聚糖用于納米纖維類敷料

納米纖維在傷口愈合領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景,纖維結(jié)構(gòu)不僅允許簡(jiǎn)單地添加生物活性化合物,并且結(jié)構(gòu)類似于生物體細(xì)胞外基質(zhì)的天然納米結(jié)構(gòu),因此為傷口部位提供3D的環(huán)境,非常利于細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖[38-39]。殼聚糖納米纖維具有高比表面積、高孔隙率和多尺度孔徑分布等特點(diǎn),另外殼聚糖納米纖維是隨機(jī)排列的纖維結(jié)構(gòu),可以通過物理化學(xué)等方法進(jìn)一步交聯(lián),提供良好的吸水性,穩(wěn)定性,力學(xué)性能和生物相容性[40]。

Kharat等制備了殼聚糖/聚氧乙烯靜電紡納米纖維負(fù)載金盞菊提取物用于傷口愈合的研究[41],隨著納米纖維中金盞菊提取物濃度的增加,其直徑逐漸降低,這將有利于增加比表面積,增加與細(xì)胞的接觸;加入金盞菊提取物明顯降低了纖維之間的纏繞,納米纖維的延展性顯著增強(qiáng),使其更趨向于正常皮膚的性能;因?yàn)榻鸨K菊提取物親水性的多酚結(jié)構(gòu),殼聚糖/聚氧乙烯/金盞菊提取物納米纖維的吸水率為151.6%,與水的接觸角僅為29.2°;納米纖維明顯地抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng),并且具有良好的組織相容性;在處理傷口14 d之后,傷口閉合指數(shù)為87.5%,傷口部位形成新的上皮組織,并且類似于正常的皮膚結(jié)構(gòu)。

Wang等制備了殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維負(fù)載硝普鈉摻雜普魯士藍(lán)納米顆粒和I型膠原蛋白釋放一氧化氮(NO)用于大鼠傷口愈合[42],結(jié)果顯示納米纖維不會(huì)抑制L929細(xì)胞的生長(zhǎng),并且NO的釋放可能會(huì)促進(jìn)纖維細(xì)胞的增殖;由于殼聚糖和聚乙烯醇的親水基團(tuán)的存在,納米纖維幾乎沒有溶血性能;紅外照射納米纖維之后能有效地殺滅金黃色葡萄球菌和大腸桿菌;復(fù)合納米纖維和紅外照射共同處理傷口部位10 d之后,創(chuàng)面愈合接近100%,具有優(yōu)異的促傷口愈合活性,并且創(chuàng)面形成新的皮膚類似于正常皮膚,且傷口處理未對(duì)正常組織和器官產(chǎn)生急性毒性。

Naeimi等制備了殼聚糖/聚乙烯醇負(fù)載蜂蜜和荊芥納米纖維用于促進(jìn)燒傷部位傷口愈合[43],蜂蜜和荊芥增強(qiáng)了納米纖維的抗氧化和抑菌的活性;創(chuàng)面閉合率實(shí)驗(yàn)顯示符合納米纖維的傷口閉合率明顯高于對(duì)照組,并且未出現(xiàn)臨床用傷口抑菌劑磺胺嘧啶銀的不良副作用;在復(fù)合納米纖維處理傷口21 d之后,處于增殖期的傷口出現(xiàn)高密度新生血管,肉芽形成和膠原蛋白沉積,納米纖維類似于細(xì)胞外基質(zhì)的形態(tài)賦予了其促進(jìn)細(xì)胞黏附、遷移和增殖的活性。

Tien等采用高通量溶液吹絲法制備了高脫乙酰度殼聚糖納米纖維用于促進(jìn)傷口愈合[44],在納米纖維中加入聚環(huán)氧乙烷增加了納米纖維的直徑,隨后溶解除去聚環(huán)氧乙烷增強(qiáng)殼聚糖納米纖維的機(jī)械強(qiáng)度;納米纖維具有良好的抗拉伸強(qiáng)度滿足傷口敷料的需求;細(xì)胞外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示殼聚糖納米纖維幾乎沒有毒性,并且有高度的細(xì)胞相容性;在細(xì)胞培養(yǎng)基中優(yōu)良的分泌創(chuàng)面愈合相關(guān)蛋白,是一種很有前途的創(chuàng)面愈合敷料。

Li等從美洲大蠊提取殘余物中提取不同分子量的殼聚糖,并制備了殼聚糖/聚乙烯醇/聚氧乙烯納米纖維用于傷口愈合的研究[45],SEM圖像顯示納米纖維直徑小且均勻,殼聚糖、聚乙烯醇、聚氧乙烯的質(zhì)量比例為1.5∶6.0∶0.5時(shí)達(dá)到最優(yōu)值;聚氧乙烯的加入會(huì)增強(qiáng)聚合物之間的氫鍵相互作用,抗拉伸強(qiáng)度為18.3 MPa,斷裂拉伸率為29.6%,滿足傷口敷料的要求;納米纖維孵育大腸桿菌和金黃色葡萄球菌12 h之后幾乎完全抑制細(xì)菌生長(zhǎng),抑菌效果顯著;納米纖維處理大鼠傷口12 d之后,傷口幾乎完全愈合,傷口組織出現(xiàn)成纖維細(xì)胞增生,膠原沉積,毛囊和皮脂腺再生,具有類似正常皮膚的結(jié)構(gòu)。

5 殼聚糖用于其他類敷料

殼聚糖類的傷口敷料結(jié)構(gòu)除了上述的水凝膠類、薄膜類、納米纖維類之外,還有一些其他形態(tài)的敷料,例如海綿類、支架類等。

暨南大學(xué)的陳潔等制備了羧甲基殼聚糖/氧化葡甘聚糖/三七總皂苷復(fù)合海綿用于傷口愈合[46],復(fù)合海綿孔隙分布均勻飽滿,便于三七皂苷的附著;三七皂苷的親水性明顯增加了復(fù)合海綿的吸水性和蒸汽透過率;表皮成纖維細(xì)胞黏附在海綿上,附著3 d的增殖率高達(dá)95%;復(fù)合海綿顯著地抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長(zhǎng),說明其作為傷口愈合材料具有一定的潛力。高文彪等報(bào)道了膠原/殼聚糖止血敷料以支架形態(tài)做醫(yī)用材料[47],膠原/殼聚糖具有優(yōu)良的止血性能,明顯地促進(jìn)傷口愈合,并可以防止術(shù)后的粘連。

6 結(jié)論

殼聚糖是具有良好生物活性的堿性多糖,促使其一直以來在傷口敷料領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置。殼聚糖上活性基團(tuán)氨基和羥基的存在保證了其可以進(jìn)行多種形式的修飾改造從而展現(xiàn)出不同的形態(tài)。目前用于傷口愈合的敷料常見的有水凝膠,薄膜,納米纖維,海綿,支架等類型,殼聚糖經(jīng)過改造均可以制備出相應(yīng)形態(tài)的傷口敷料,顯示出優(yōu)良的形態(tài),抑菌活性和促傷口愈合活性。但是各種類型的敷料并非完美的傷口敷料,水凝膠類傷口敷料中含有一定的液體,所以對(duì)大量的傷口滲出物不能及時(shí)有效的吸收,不利于傷口快速愈合。薄膜類傷口敷料通常易脆,機(jī)械強(qiáng)度不夠,不利于均勻穩(wěn)定地敷在創(chuàng)面部位。納米纖維因其巨大的比表面積,與傷口部位的成纖維細(xì)胞接觸很多,可能會(huì)導(dǎo)致傷口的粘連。因此,上述幾種類型的殼聚糖傷口敷料需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化,來滿足傷口愈合過程的各項(xiàng)要求。