壳聚糖理化、生物学特性及其产品安全性的研究进展

赵玉娟，肖桂勇，黄 琳，田月洁，赵 燕

(1山东省药品不良反应监测中心，济南250013;2山东大学材料与工程学院;3国家药品不良反应监测中心)

壳聚糖是从甲壳类动物中提取的惟一一种被广泛应用于生物医学工程领域的聚阳离子碱性多糖，其蕴藏量在自然界天然有机高分子物质中占第二位，仅次于纤维素［1］。壳聚糖在人体内可发生生物降解，降解产物不在体内积蓄，且无毒性、无刺激性及抗原免疫性，通常被认为具有良好的生物相容性［2，3］。近十年来国内外对壳聚糖性能及产品的开发研究愈发深入广泛。目前，日本和美国已大规模生产壳聚糖，我国也将有关研究列入国家高技术研究发展计划(863计划)［4］。壳聚糖具有众多生理活性，如抗菌、降血脂、降胆固醇、止血、促愈、抗氧化、提高免疫力等，基于此而生产和应用的壳聚糖类产品种类繁多，如外科手术可吸收缝合线、医用敷料、止血材料、硬组织修复材料以及药物控制释放材料［5～8］等。随着壳聚糖类医疗器械临床使用的增多，其导致的不良事件数量也逐年增多，且并不局限于Ⅲ类高风险品种。现将壳聚糖的理化、生物学特性及其使用过程中出现的不良事件综述如下。

1 壳聚糖基本结构及理化特性

1.1 基本结构 壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后生成的产物，一般而言，乙酰基脱去50%以上即可称之为壳聚糖，或者说能在1%乙酸或1%盐酸中溶解1%的脱乙酰甲壳素即为壳聚糖。壳聚糖是由2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖和少量的2-乙酰氨基-2-脱氧--D-葡萄糖单元通过 -1，4糖苷连接而成的高分子聚合物［5～8］。壳聚糖分子结构与纤维素相似，仅在纤维素分子的C2位连接上了氨基或乙酰氨基，是一种线性氨基多糖。正是由于壳聚糖所特有的氨基基团，使其具备了许多独特的性质。壳聚糖在体内可降解成寡聚糖，然后进一步水解，通过代谢可转化成糖蛋白并以多种方式代谢并排泄［8，9］。

1.2 理化特性 壳聚糖外观呈是白色或淡黄色半透明片状或粉末状固体，无味、无臭、无毒性，略有珍珠光泽。壳聚糖的pKa值为5.5～6.5，大约在185℃分解，可溶于稀有机酸和部分无机酸(盐酸)，但不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸和草酸等。在酸性条件下，壳聚糖氨基质子化后可溶于水，且带正电荷，具有凝胶型和成膜性［10］。脱乙酰度和平均分子量是评价壳聚糖性能的两个主要指标，这两个指数的变化和差异是壳聚糖性能多样性的基础。另一个重要的质量指标是黏度，不同黏度的产品有不同的用途，商品壳聚糖视其用途不同有三种不同的黏度，高黏度产品黏度0.7～1 Pa·s，中黏度产品黏度0.25～0.65 Pa·s，低黏度产品黏度﹤ 0.25 Pa·s。

壳聚糖含有游离氨基，由于分子中C2位上的氨基反应活性大于羟基，易发生化学反应。壳聚糖在较温和的条件下能够发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、羟基化、酯化、氧化还原、缩合和络合等多种化学反应，形成不同结构、溶解性和生物活性不同的衍生物，从而拓宽了壳聚糖的应用领域［11］。

2 壳聚糖的生物相容性和生物安全性

2.1 生物相容性 壳聚糖虽然通常被认为具有良好的生物相容性，但是这样的说法并不确切。根据壳聚糖在医学中的应用目的不同，与人体直接相接处的部位不同，其生物相容性也有不同的呈现，分别有组织相容性、血液相容性和力学相容性［12］。一般生物相容性是壳聚糖类产品生物安全性的直接反映，需考虑其潜在的生物学危害，以便进行风险控制。

2.1.1 组织相容性 壳聚糖的组织相容性是指壳聚糖与生物体组织，如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应性。即当壳聚糖进入心血管系统以外的组织和器官时，组织对壳聚糖的反应和壳聚糖在周围组织作用下持续保持有效生物功能的能力。由于壳聚糖本身的结构和特性，表现为与组织良好的相互作用，其组织相容性非常优良，这也是壳聚糖具有良好生物相容性的原因。壳聚糖及其衍生物的组织相容性不仅优良，而且还表现一定的生理活性，如提高免疫活性［13，14］、抗肿瘤特性［15，16］、抗菌活性［17，18］、促进组织愈合和修复的特性［19，20］、可生物降解性［21］。

2.1.2 血液相容性 壳聚糖血液相容性是指当壳聚糖与血液直接接触时，血液对壳聚糖产生的反应和壳聚糖在血液中持续保持有效生物功能的能力。良好的血液相容性应该表现为与血液接触后，不引起血浆蛋白的变性，不破坏血液的有效成分，不导致溶血、血液的凝固和血栓的形成。而单纯的壳聚糖本身具有促凝血作用，所以血液相容性很差，常常作为一种很好的止血材料在体外使用。目前认为壳聚糖的止血与它和血液中带负电荷的红细胞、白细胞、血小板等相结合，形成细胞栓子或凝血栓产生凝血作用相关［22，23］。脱乙酰度、分子量和外观形态是影响壳聚糖止血效果的主要因素。衍生或与其他材料复合，可进一步提高材料的凝血等生物、理化性能。

2.1.3 力学相容性 力学相容性是指生物材料与人体组织在力学性能上的匹配。对于植入体内承受负荷，甚至要求具有弹性形变等力学性能的材料，其力学性能要能够和植入部位的组织相适应或相匹配。用于人体的生物材料或多或少要承受一定的负荷，同时与周围组织发生协同作用，实现一定的生物机械功能，在这个过程中生物材料会与周围组织产生相互作用，所以与周围组织在力学性能上相互匹配是保证发挥其生物机械功能的基础。由于壳聚糖具有和纤维素类似的大分子链结构，刚性很强，所以有较高的强度和模量，力学性能良好。另外，还可以通过化学方法调节其分子量来获得与人体不同部位组织的强度相匹配的改性壳聚糖衍生物，以满足临床要求的需要。

2.2 生物安全性 壳聚糖是一种生物可降解的天然多糖，其结构与细菌细胞壁上的肽聚糖类似，可被体内的溶菌酶及水解酶等降解成葡萄糖胺或壳寡糖［24］。壳聚糖在动物体内的降解是一个缓慢长期的过程，尤其是脱乙酰度和分子量越高，其在体内存在时间越长，对机体的影响越持久。作为包含有生物信息的天然高分子材料，壳聚糖及其衍生物兼具生物相容性和生物可降解性，可被生物内的溶菌酶分解，应用于相关的医药领域时其安全性较其它合成材料更为可靠。然而随着壳聚糖类产品的开发和广泛应用，壳聚糖的生物安全性也越来越被人们所重视。壳聚糖的生物安全性一般从急性毒性和长期毒性、细胞毒性和局部反应等几方面来考虑和评价。

2.2.1 急性毒性和长期毒性 壳聚糖的急性毒性和长期毒性一般较低，但由于其性质、给药途径和剂量及实验动物种类的差异，临床毒性反应也有显著不同。已有研究证明当小鼠腹腔连续持续注射大剂量壳聚糖后，会出现体质量下降，憔悴，毛发竖立，口和眼周围脱毛，外耳、口和眼睑水肿，畏光，肠系膜巨噬细胞增生等不良反应。皮下注射过多壳聚糖会使小鼠注射部位肿胀［25］。给兔静脉注射剂量为50 mg/(kg·d)的壳聚糖，持续注射10 d，有兔死亡现象［26］。给狗注射剂量分别为 0、10、30、50、100、150、200 mg/(kg·od)的壳聚糖，持续注射 1个月。30 mg/(kg·d)组出现短时憔悴和食欲减退，50 mg/(kgod)起该副作用持续存在，150 mg/(kg·d)组出现严重的呼吸困难及死亡。50 mg/(kg·d)起出现白细胞、乳酸脱氢酶和肌氨酸激酶的上升，出现严重肺炎导致死亡的情况［27］。

2.2.2 细胞毒性 壳聚糖与细胞膜成分之一的黏多糖具有相似的结构特点，且其为阳离子多糖，可与细胞表面带负电荷的基团发生非特异性吸附，因而具有优异的细胞相容性。壳聚糖具有良好的细胞相容性，对人成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、人皮肤成纤维细胞均有良好的亲和力，并无细胞毒性［28］。通过对猪髂动脉内皮细胞的研究可知，壳聚糖可促进内皮细胞增殖和迁移，细胞相容性良好［29］。

2.2.3 局部反应 壳聚糖溶液连续涂敷于家兔的完整皮肤和破损皮肤上7 d，未见明显红斑、水肿等刺激症状发生，说明壳聚糖对家兔皮肤无刺激和过敏反应［30］。Rao 等［31］用兔进行了壳聚糖 (126 kDa)膜的热原实验、眼刺激实验和肌肉内植入实验，用豚鼠进行了皮肤刺激实验，结果显示壳聚糖无热原性，对眼、皮肤无任何毒性作用，肌肉内植入无不良反应。壳聚糖膜植入小鼠股部肌肉后，局部未见充血和水肿，组织在植入早期处于慢性炎症反应期，但随着壳聚糖的分解，组织反应逐步减轻，无其他明显不良反应［32］。商旭敏等［33］研究了壳聚糖膜在兔眼巩膜瓣下的降解、眼组织病理学变化、眼刺激反应及眼内压变化，结果未见兔眼角膜浑浊或虹膜充血肿胀，提示壳聚糖膜对兔眼无刺激性，局部组织有短期炎症反应，但无明显纤维组织增生，降眼压效果满意，因此壳聚糖膜有良好的眼组织相容性。

3 我国常见壳聚糖医疗产品分类

我国从20世纪90年代初期开始广泛研究和开发壳聚糖类产品，从国家食品药品监督管理总局网站中进行数据查询，共检索到目前我国壳聚糖类医疗器械产品80个。按照产品功效、产品形态和管理类别不同，这些壳聚糖类医疗器械产品科分为:

3.1 按照产品功效分类 按照壳聚糖类产品的不同用途，可分为防粘连隔离膜、促伤口愈合产品、治疗皮肤病产品、口腔用械、妇科用械、痔疮用械和护脐带。

3.2 按照产品形态分类 按照壳聚糖类产品表现出的不同理化特性和形态，可分为液体、粉末、海绵体、水性凝胶、无纺布和可吸收止血非织布。

3.3 按照管理类别分类 按照医疗器械管理类别，壳聚糖类产品分I类、II类、III类医疗器械［34］。其中Ⅰ类医疗器械1个，为壳聚糖创口贴;Ⅱ类医疗器械75个;Ⅲ类医疗器械4个，为医用可降解防术后粘连壳聚糖、壳聚糖基可吸收止血非织布、医用防粘连改性壳聚糖。Ⅲ类壳聚糖类医疗器械为防粘连隔离产品，一般置入体内，形成一层膜状结构，附着于组织器官之间，从而达到生物隔离作用。此类壳聚糖产品于置放后逐步降解，不凝结成团形成异物危害患者健康，且能促进伤口愈合，预防因手术引起的有害粘连。

4 国内壳聚糖医疗器械产品的质量标准对比

由于壳聚糖所具有的良好的细胞相容性、组织相容性和生物可降解性，还有广谱抗菌、抗感染和很强的凝血作用，以及促进伤口愈合、调节血脂和降低胆固醇、增强免疫和抗肿瘤等多种生理活性作，壳聚糖及其衍生物已经在生物医用材料方面获得了从作为受损伤组织修复、辅助或暂时替代材料的一次性医疗用品到活性物质控制释放材料，从细胞培养基到组织工程材料的广泛用。近年开发的壳聚糖基生物医药产品形式主要有粉末状、颗粒状、海绵状、薄膜状、水凝胶、非织布等多种剂型，其应用范畴也较广泛，涵盖了从体外到体内、从创面敷料到功能性组织再生支架等多种产品。

4.1 国内医疗器械产品标准 目前，适用于国内医疗器械产品的质量标准大部分都是参照国际标准(ISO)来制定的。例如，国内对医疗器械生物学评价的标准GB 16886-2011，2005，2003，2007等基本是参照国际标准ISO 10993来制定的;YY/T0771-2009主要参考ISO 22442-2007中的要求来制定，等等。

4.2 国内壳聚糖医疗器械产品标准 虽然壳聚糖基生物医药产品的成果转化已初具规模，但是开发一种质量稳定、品质良好、结构与功能清晰且应用机制明确、作用和副反应确切的产品却很困难，其原因是多方面的，其中保证产品生产全过程的有效控制及高质量标准是最重要的两方面。目前我国尚缺乏壳聚糖产品质量标准的国际通用要求和统一注册标准，各地审批过程中对于关键质控项目、检验方法等要求不一。如热原的去除、有关副产物的分离、蛋白质的去除、过滤除菌的技术参数、灭菌方式和时间对产品质量的影响等。位晓娟等［11］参考相关国际标准(ISO 10993、ISO 22442-2007)、文献以及法律法规，结合在医用壳聚糖研发、标准化及产业化领域的经验，认为应从如下方面考虑制定壳聚糖产品的质量标准。

4.2.1 物质本身的结构和性质 先验证其成分是否为壳聚糖并确定其纯度，在高纯度的前提下再对其特定结构进行表征，如脱乙酰度、分子量及其分布、结晶度等。常用的相关检测项目有颜色反应鉴定、红外光谱检测、微分热失重分析、核磁共振光谱检测、元素分析、分子量及其分布等。这些检测项目旨在确定产品中是否含有壳聚糖成分及其结构，不仅可以区分其他多糖，还可直接反映产品行使功能的结构基础。

4.2.2 杂质控制 杂质不仅严重影响产品质量，而且是风险控制的关键。壳聚糖产品杂质主要有两大类:一类是壳聚糖本身伴随的杂质，另一类是生产过程中添入的杂质。前者可通过紫外吸收、不溶物检测、浑浊度、蛋白质及其他有机物含量或光谱学手段等检测予以分析，后者则主要通过工艺中应用的化学试剂、加工助剂或交联剂，建立相关物质残留、灭菌剂残留等检测项目进行控制。

4.2.3 生物相容性 生物相容性是壳聚糖产品生物安全性的直接反映，需考虑所有潜在的生物学危害，以便进行风险控制。壳聚糖产品的生物相容性评价一般需考虑其体外细胞毒性、皮肤刺激性、致敏性、急性全身毒性等常规检测项目，其他检测项目则可根据原料的最终用途予以增减。例如，若制备的产品可能与血液接触，应考虑进行溶血试验;若制备的产品与黏膜、眼睛等接触，可增加黏膜刺激或眼内刺激试验;若制备的产品为中期或长期植入物，则应进行亚慢性/慢性全身毒性、体内降解性、遗传毒性等试验。

5 壳聚糖产品不良事件发生情况

5.1 壳聚糖类医疗器械不良事件文献情况 壳聚糖类医疗器械在给人们对于疾病的预防、诊断治疗和康复带来便利的同时，也存在一定的潜在风险。随着壳聚糖类医疗器械的临床使用的增多，其不良事件数量也逐年增多。通过搜索中国知网、万方数据库、中国(CNKI)学术文献总库、Elsevier、Springer、Web of Knowledge等多个国内外数据库可知，国内壳聚糖医疗器械不良事件文献3篇，共报道不良事件69例，国外未见壳聚糖医疗器械相关不良事件报道文献。2005年10月，湘雅医院感染控制中心报道的文献《少数腹腔手术患者出现结膜炎与0409081批次术尔泰有关》中提到，13例普通外科及妇科腹腔镜手术后出现眼结合膜充血表现。经排查分析，考虑此次手术腹腔手术患者出现结膜炎原因与0409081批次术尔泰有关。术尔泰为医用高分子液体材料，由壳聚糖制成，属大分子生物胶溶液。此批次术尔泰中大分子量物质过多，推测为大分子物质引起的过敏反应所致［35］。2005年，郑风军等［36］在文献《妇产科术后群发球结膜充血的原因分析》报道，浙江省台州市第一人民医院报道23例妇产科手术后出现结膜充血不良事件，原因与术尔泰(羧氨基葡聚多糖钠生物胶体液)有关。林红宇［37］在文献《壳聚糖膜剂致眼结膜充血不良事件分析》中报道，2008年8月14日至9月1日期间，肇庆市某医院33例术后患者出现双眼结膜充血的突发性群体不良事件，患者年龄24～48岁，女性29例、男性2例，其中妇科24例、产科7例、普通外科2例。经用药关联性分析调查患者所使用的药品和药械制品，排除药品与术后患者眼结膜充血的可能性，结果发现医疗产品"医用可降解防术后粘连壳聚糖膜剂"与眼结膜充血存在明显关联性。该起眼结膜充血突发性群体不良事件为壳聚糖膜剂所致。

5.2 壳聚糖类医疗器械不良事件报道情况 2008年，国家药品不良反应监测中心对壳聚糖类手术防粘连产品的可疑不良事件发布了报告，我国食品药品监督管理局网站也发布通知［38］:根据可疑不良事件调查和质量体系检查的情况，责令山东赛克赛斯药业科技有限公司和烟台万利医用品有限公司停产整改并从原料、工艺过程控制、最终产品、产品有效性等方面开展企业再评价研究;根据对壳聚糖类手术防粘连产品生产企业质量体系检查的情况，责令北京百利康生化有限公司、上海其胜生物制剂有限公司、杭州协合医疗用品有限公司和石家庄亿生堂医用品有限公司4家企业暂停销售、召回产品，并停产整改。国家食品药品监督管理局与2009年5月，解除对山东赛克赛斯药业和烟台万利医用品有限公司的禁产令;2009年3月恢复北京百利康生化有限公司等4家企业的生产。

2010年1月1日～2013年10月31日，国家药品不良反应监测中心共收到壳聚糖类产品可疑医疗器械不良事件171例。其中严重伤害报告41例(占24.0%)，其他报告 130 例(占 76.0%)，无死亡事件报告。在171份报告中，6 864医用卫生材料及敷料的报告数最多，有169份。伤口愈合、妇科用及护脐带的壳聚糖类产品报告有116份。

经搜索美国FDA官方网站多种数据库，未发现美国市场有壳聚糖医疗器械的不良事件报道及召回信息。

6 小结和展望

尽管壳聚糖在医疗领域表现出巨大的优势和便利性，且近年来对于壳聚糖类产品的研究和应用已取得较大进展。另外，壳聚糖基生物医药产品的成果转化已初具规模。但开发一种质量稳定、品质良好、结构与功能清晰且应用机制明确、作用和不良反应确切的产品却很困难，其原因是多方面的，其中保证产品生产全过程的有效控制及高质量标准是最重要的两方面。然而，目前我国尚缺乏壳聚糖产品质量标准的国际通用要求和统一注册标准，各地审批过程中对于关键质控项目、检验方法等要求不一。因此，当务之急是在国家层面上，尽快制定符合壳聚糖医疗器械研发、生产、应用、监测的统一标准，以便能规范国内壳聚糖医疗器械在临床上的应用。但同时也应理性对待壳聚糖类医疗器械在临床使用过程中出现的不良事件。对于壳聚糖应用的范围、疗效的确认应慎之又慎。对于壳聚糖类产品可能存在的风险因素，如原材料的控制、工艺流程的控制、产品注册标准和审批尺度、产品说明书、临床使用中出现的各种问题应加以重视，客观科学的提出解决方案，在保证产品安全性的前提下最大程度发挥壳聚糖本身独特的生物性能。

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