壳聚糖生物敷料的研究现状及其发展前景

陈丽嫚 汪 涛

(西南大学纺织服装学院，重庆 400716)

壳聚糖生物敷料的研究现状及其发展前景

陈丽嫚*汪 涛

(西南大学纺织服装学院，重庆 400716)

文章通过简要介绍壳聚糖的优良特性，综述了壳聚糖在创伤敷料方面的研究进展，指出了不同类型壳聚糖敷料的制备方法及其优缺点。简要分析了当前的市场环境，表明壳聚糖敷料具有广阔的应用前景。

壳聚糖；敷料；类型；前景

壳聚糖是一种天然的多糖，具有良好的抗菌、止血及易成型等特性，使其成为生物医用材料中最常用的天然高分子材料，目前被广泛用于人体组织工程，如人造皮肤、神经、软骨和骨头及伤口愈合修复，而创伤敷料是壳聚糖最有应用前景的方向之一[1]。壳聚糖常被制成纤维网、薄膜、水凝胶、支架和海绵等形态的敷料[2]，可广泛应用于治疗由手术、意外伤害、战争等造成的创伤，具有重要的应用价值。

1 壳聚糖的优良特性

壳聚糖具有许多优良特性，因此使其成为制备创伤敷料的首选材料。①止血性。壳聚糖是一种阳离子碱性多糖，能吸附阴离子的红细胞而使其发生聚集，也会促进血小板黏附与聚集，从而实现止血作用；②抗菌性。壳聚糖对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有一定的抑制和杀灭作用，可以防止伤口感染和恶化；③保湿性。由于自身的高亲水性，壳聚糖具有极强的保湿能力，能在患处产生舒适的湿润感和柔和的触感；④促愈性。壳聚糖具有良好的生物相容性，为皮肤细胞的生长提供了有利的环境，可以趋化和活化巨噬细胞，促使中性粒细胞启动愈合过程，并能诱捕生长因子加速愈合；⑤成型性。壳聚糖易成型，能与许多高分子化合物共混制成多种形态，常见的如纤维、膜、水凝胶、海绵、支架以及微球等，形成多种用途。

2 壳聚糖生物敷料的类型

2.1 膜敷料

膜敷料一般用于组织生长阶段，促进细胞的分化增殖。膜敷料一般通过溶液浇铸法干燥成膜，但为了改善其机械性能，常与其他物质共混成膜。Ma[3]在壳聚糖溶液中加入甲壳素纳米颗粒，在60℃下蒸发干燥3h，制成较粗糙的膜。膜的强度和断裂伸长都有明显提高，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌也有明显的抑制作用，但亲水性有所降低。D.Archana[4]将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和壳聚糖(CS)共混，添加纳米银粒子，浇铸后室温干燥成膜。膜的强度较随着纳米银含量的增加，强度逐渐升高到最大值35.98 MPa。同时，膜的吸水性在600%以上，但随着银粒子含量的增加呈下降趋势，超过7h后由于PVP溶于水而明显下降。膜的抗菌性由于纳米银的加入显著增强，但细胞毒性也增加了。

浇铸干燥成膜往往耗时长，而长时间的干燥会使孔结构塌陷，壳聚糖膜变得硬实、致密，影响了敷料的触感和吸湿透气性。同时，浇铸法又是伴随着大量有机试剂的使用，大多数有机试剂有毒，且回收利用率较低，造成环境污染。因而，出现了一些新的研究方法对此进行改善。一种方法是将膜制成双层结构，接触皮肤的一层是柔软多孔的海绵层，触感舒适，吸收渗液能力强；外面的一层则是紧密的皮层，起到物理防护和阻挡细菌的作用。Han[5]将藻酸盐、甘油、盐酸环丙沙星、氯化钙混合后在40℃下干燥24h，再加入壳聚糖溶液，继续在40℃下干燥，制得双层结构膜。唐川[6]通过冷冻干燥法制备多孔层，通过浇铸法制备致密层，再将两层膜机械组合在一起形成双层结构膜，并将磺胺嘧啶银负载在双层膜上以增强抗菌性。另一种方法是超临界流体，此法仍以混合为主，以临界流体为辅助方法，制备多孔膜。Morgado[7]将PVA和壳聚糖混合放到高压容器中，以CO2和乙醇混合气为流体，改变降压速度制备不同结构的膜。10min的孔结构分布均匀，紧密层较大，断裂伸长率为200%以上，拉伸强度也达到应用标准。具有良好的生物相容性，无毒、无刺激性，无过敏性，无红肿、红疹症状。

膜的制备中使用交联剂，污染环境，大多有机试剂低毒性，不符合“绿色”生物敷料的要求。干燥法耗能较多，耗时较长，不经济。而超临界流体法，可以缩短制备时间，利用废弃的CO2，降低温室效应。

2.2 凝胶敷料

凝胶性质稳定，与细胞基质类似，不仅可以为伤口创造湿润的愈合环境，而且可以吸附伤口渗透液。同时，凝胶的多孔三维结构有利于携带氧气运输养料和代谢产物，促进组织生长。因此，凝胶敷料被广泛应用到创伤修复方面，比如三度烧伤、真皮组织修复等。Sung[8]将壳聚糖和聚乙烯醇，以冷冻干燥-解冻循环进行交联制备凝胶。随着壳聚糖含量的增加，凝胶孔尺寸增大，拉伸强力和杨氏模量都降低，拉伸断裂率基本不变，而吸水性和透气性提高，为创伤创造良好的愈合环境。Li[9]以甲基丙烯酸乙二醇丙烯酸酯与壳聚糖为原料加入助光剂后，形成三维多孔连续结构的凝胶。凝胶中含有32.43%的自由水，具有良好的保湿性，但随着pH升高，凝胶的膨胀比降低。凝胶无毒，可以促进细胞生长。He[10]将甲基丙酸缩水甘油酯、壳聚糖、不饱和精氨酸和助光剂混合，制备出的凝胶也具有三维多孔连续结构，随着pH升高，凝胶的膨胀比也降低。同时，随着不饱和精氨酸含量的增加，孔结构变小，网状结构变的紧密，凝胶的硬度也会增加。Murakami[11]将藻酸盐、岩藻多糖和壳聚糖混合，经交联剂作用后生成凝胶。将凝胶放入培养基中进行测试，吸水后凝胶不会浸软，18h后吸水值保持不变。复合凝胶无毒，可以促进真皮创伤愈合，7d发现肉芽组织。

此外，改善凝胶的凝胶的微观结构、表面形态及其机械性质也是凝胶敷料的一个研究热点。改善的主要方法是交联，交联可以使凝胶的网状结构变得更紧密，使其机械性质提升。交联法主要包括光交联和化学交联。光交联需要额外的设备及紫外光的安全问题，使得光交联在临床应用方面受到限制。而化学交联法是利用官能团之间的可控反应进行合成制备凝胶，具有良好的发展前景。Ahameda[12]将再生纤维素和壳聚糖混合，以正大霉素为交联剂，制备凝胶。结果表明壳聚糖含量在20%、再生纤维素含量在1%时，凝胶的机械性能最好，加入纳米Ag后，机械性能进一步提高，抗菌性、伤口愈合性也有一定程度的提高。壳聚糖衍生物的优良抗菌性及易溶解性，使其得到广泛的应用。Zhang[13]利用水溶性羧甲基壳聚糖和苯胺五聚体以戊二醛为交联剂进行反应，制备多孔导电型水凝胶。结果表明，随着苯胺五聚体含量的增加，凝胶的储存模量逐渐降低，膨胀比下降，但随着交联剂含量的增加，凝胶的机械性质增强。凝胶可以促进细胞的分化增殖，具有良好的抗菌性、低毒性。常用的交联剂有戊二醛、乙二醛、甲醛等，但是这些有机化学试剂基本上都有毒性，存在损害生物材料生物相容性的可能，不符合“绿色”敷料的要求。目前，研究者致力寻求低毒性的交联剂，比如京尼平(GP)，它不仅具有低毒性，而且具有抗炎的作用，是一种良好的交联剂。Gao[14]利用京尼平对壳聚糖进行交联，形成蜂窝状的多孔结构凝胶。凝胶的弹性模量在1 000～3 000Pa，粘性模量在3～20Pa，适合作为敷料。为了避免有机试剂的使用，研究者利用壳聚糖的正电性制备敷料。Tsao[15]利用壳聚糖正电性及谷氨酸的负电性制备成三维网状结构的凝胶。随着络合物生成的程度的加大，孔尺寸减小，压缩模量增大，透气率降低，也降解速率降低。当络合程度相同时，随谷氨酸含量的增加，透气率升高，降解速率加快。凝胶可以促进伤口愈合，其粘附性比纯壳聚糖凝胶好，无二次伤害。综上，凝胶保湿性较好，可以促进伤口愈合，有较多的优点，其缺点却很少提到。

2.3 温敏敷料

温敏敷料即敷料对温度的变化有灵敏的响应。近年来，为了修复某些特定部位或是特定形状的创伤，需要制备与之相符的敷料，温敏敷料成为研究热点。

温敏敷料中反相温敏凝胶最为突出，即当温度升高时溶液变为凝胶，主要包括异丙基丙烯酰胺共聚物(PNIPA)、嵌段聚合物和多糖/盐体系。但前两种体系都存在一定的问题，如嵌段聚合物体系制备工艺复杂、成本较高、纯度较低等；异丙基丙烯酰胺共聚物体系常使用交联剂，生物相容性较差，不符合理想敷料的应用条件。从研究现状看，最具应用前景的是多糖/盐体系，该类温敏材料制备工艺简单，成本低，材料的生物相容性和生物毒性已被验证。多糖/盐体系以甘油磷酸盐为主要代表。Ruel-Gariépy[16]研究了 CS/GP 温敏水凝胶的物理性质，实验表明，凝胶率取决于温度和 CS 的脱乙酰度，脱乙酰度 84 %的水凝胶在 4 ℃可以储存 3 个月，而不发生明显的粘度变化Zhou[17]研究了β甘油磷酸酯(β-GP)和βα甘油磷酸酯(βα-GP)敷料。当温度从室温升高温度时，溶液有透明变为浑浊。随着β-GP含量的增加，相变温度由50℃降到37℃。甘油磷酸酯凝胶无毒，具有良好的抗菌性，载药后可以起到缓释作用。Miguel[18]以壳聚糖和琼脂糖为原料在50℃下搅拌，形成透明溶液，当温度下降到37℃，变成不透明的连通孔隙结构凝胶，凝胶孔尺寸分布较广，为90～400μm。相关文献表明，接触角在90°～150°表现为疏水性，在10°～90°表现为亲水性。琼脂糖含量为0.75%和1.5%时触角分别为40.9°和43.7°，复合材料的膨胀比最大值为1200%，说明琼脂糖复合材料具有良好的亲水性。凝胶对金黄色葡萄球菌有抑制作用，可以促进细胞的分化、伸长增殖。可见，温敏相变敷料使敷料的应用范围变得更广泛，为特殊部位的伤口提供了便利。但是目前温敏材料的种类较少，有待进一步研究。

2.4 海绵敷料

海绵是一种柔软弹性较好的敷料，并且具有联通的微孔结构，有较强的吸收能力，亲水性较好，可以用于止血和创伤治疗。Kang[19]将壳聚糖与Na3P3O10或NaOH溶液混合通过冷冻低压干燥制备海绵。纯Na3P3O10处理过的海绵硬度最好，但纯NaOH处理的海绵，孔隙率为85%，与商业敷料很相似。而且此敷料1s内吸收水分0.4ml，止血测试也表明，NaOH处理的海绵吸收血液速度较快，可加快血液凝固，提高血红细胞的粘附，维持细胞原状。整体上所有的敷料都有较好的恢复性，即当血液挤出后，海绵会很快恢复原状。但是海绵机械性质较差，一般可以通过混合法或是交联法进行改善。Chen[20]以壳聚糖、聚乙烯醇为原料，将其与NaHCO3混合，以戊二醛为交联剂，冷冻干燥制备海绵。PVA含量为16.7% ，交联剂的用量为3%时，海绵的孔尺寸为200μm。随交联程度的提高，孔结构不均匀，而硬度是先增大后减小。PVA对孔结构的影响不大，但PVA的含量增加，海绵的弹性增加，硬度下降。海绵的吸水性随着交联程度的加深而降低，从60%降到30%。海绵透气性在41.4 g/m2h～58.9 g/m2h内，而敷料的理想透气性为30～70g/m2h。不同比例海绵都有较好的抗菌性，且此种海绵的止血性比医用纱布、聚氨酯海绵的性能好，不仅可以使红细胞变形，还可以凝聚红细胞，起到良好的止血效果。连同的孔结构和高的孔隙率对海绵敷料而言十分重要，孔结构可以促进气体交换、液体吸收，是海绵敷料不可或缺的条件。Sionkowska[21]将丝素和壳聚糖混合，在N-羟基琥珀亚酰胺与二氯乙烷的混合液中进行交联，制备出均匀的多孔海绵，孔尺寸在20～150μm，孔隙率为70%。随着丝素含量的增加，海绵的抗压模量降低，抗压强度也有类似的结论。但海绵的吸水性随着丝素含量的增加而增加，基本都在1200%。Han[22]用戊二醛将明胶、壳聚糖进行交联，制备均匀的多孔海绵。海绵形态易受混合物总量的影响，不同比列的海绵孔尺寸略有差异，基本在128.3～135.6μm之间，孔隙率在93%以上。海绵的吸水性随着明胶/壳聚糖比例的升高而先升后下降，普遍在1500%以上。海绵对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有较好的抑制作用，无毒性，可以促进细胞的分化增长，生物相容性较好。负载盐酸环丙沙星后，可以减少炎症反应。张秀菊[23]采用乳化交联法制备载药壳聚糖微球，随着壳聚糖含量的增加，海绵的拉伸强度和压缩强度也相应增加，但孔径明显减少，吸水率膨胀率降低。海绵无毒，具有消炎止血、促进愈合、抗粘连作用。

交联法和冷冻干燥法制备的海绵具有良好的孔隙结构，具有理想敷料的优点，可用于创伤的止血阶段及重伤时的组织再生阶段，也可以修复糖尿病病人的伤口。Anisha[24]发现负载银颗粒的海绵对糖尿病病人的伤口修复有显著疗效。但是此种方法使用的有机试剂污染环境，回收再利用困难。同时，需要长时间低温冷冻，耗时较长，耗能较多。

2.5 静电纺丝纤维敷料

静电纺丝敷料是一种新颖的敷料。该种敷料制备方法特殊，使其具备一些优良的特性[25]。静电纺丝敷料具备良好的止血性和吸液性，静电纺丝纤维敷料包含大量的微孔结构和较高的表面积，能够加速止血过程，吸水率也较高。同时，静电纺丝敷料具有良好的透气性，利于细胞呼吸，具有良好的细胞相容性。

静电纺丝敷料的制备方法普遍相似，即首先将原料溶解形成纺丝液，然后调节纺丝参数，将纺丝液倒入纺丝机中进行纺丝。但是壳聚糖的可纺性较差，因此一般都是与高聚物混纺。壳聚糖常与PLA、PVA、胶原、丝胶等混合。丝胶是天然聚合物，生物相容性较好、低毒性，具有良好的抗菌性、较强的吸湿能力及抗紫外性质。Zhao[26]以壳聚糖、丝胶为原料，与三氟乙酸混合，制备出光滑的纤维敷料。纤维对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌都具有抑菌性，但革兰氏阳性菌的抗菌性比阳性好。MTT测试表明，细胞存活率达到90%以上，可以促进细胞分化。静电纺丝法也可以载药，章亚妮[27]将聚乙烯醇、壳聚糖混合，加入丹参素钠得到表面较光滑的纤维。当丹参素钠的含量大于4%时，溶液的可纺性较差。成纤后，丹参素钠依然保持良好的药物活性。但有机溶剂或是酸溶解的产品对受伤的皮肤或组织造成危害。因此，壳聚糖衍生物进入了人们的视野。Zhou[28]利用水溶性的壳聚糖衍生物-羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇混合，加入丝素纳米颗粒，得到表面粗糙的纤维。随着丝素含量的增加，纤维的直径随之下降。低浓度的纤维无毒，但高浓度的纤维有低毒性。Naseri[29]将壳聚糖与聚氧化乙烯及纳米甲壳素颗粒混合，以京尼平为交联剂，得到机械性质较强、pH稳定性较好的纤维。加入甲壳素纳米颗粒后，溶液的黏度降低20%利于纺丝，但是纤维直径有所下降。加入甲壳素后，杨氏模量和抗拉伸强度都有所提升，稳定性增强；交联后这些性质都有进一步的提升。正常皮肤的的透气性是204g/m2day，受伤皮肤是279～5138 g/m2day，而实验样品的透气性在1 290g/m2day～1 353g/m2day。纤维垫无毒，有良好的生物相容性。

静电纺丝纤维敷料工艺简单，但是也用到了有机试剂，会污染环境，难回收利用，同时，实验室制备静电纺丝敷料的效率较低，一般为1～5ml/h，从工业生产的角度来看，目前仍难以批量生产，且静电纺丝技术在纤维尺寸、形貌的可控制备方面仍需改进。

3 壳聚糖敷料的发展前景

壳聚糖敷料具有良好的透气性、保湿性、抗菌性、止血性，可以促进组织的生长，伤口的修复。此外，炎症效应较小，可以减少疤痕的遗留。据统计[30]，全球每年有超过一亿人次手术病例需要伤口护理，外科手术创伤敷料的年增长率在3.1%左右。轻微烧伤每年在330万人次左右，需要医学处理的烧伤病人超过630万人次/a。外部创伤，全球每年大约有150万人，考虑到划伤造成的危害，外部创伤人数应在1 900万人次/a左右。长期性创伤一般愈合时间长，比如，目前全球褥疮患者达740万人/a，静脉曲张溃疡患者1 100万人/a，糖尿病并发症溃疡病人有1 320万人/a之多。并且2012年世界创伤敷料市场的规模在117亿美元，预计2021年将达到185亿美元，2013～2021年期间的年增长率在7%作左右。可见，敷料有着广阔的市场发展前景。壳聚糖具有良好的抗菌性、止血性、生物相容性及可降解等优良性质，成为敷料的优选者。但是，壳聚糖的机械性质较低，难以满足敷料的要求。因此，对壳聚糖进行有目的改性、与其它高分子材料复合以及加强载药体系的开发和应用，是目前壳聚糖敷料研究的热点和发展方向[31]。而且，现在很多患者的伤口部位和形状特殊，流体温敏敷料也成为研究热点。缩短敷料的制备工艺，经济化，规模生产，减少有机试剂的使用，使其满足“绿色”可持续发展要求也是科研者致力追求的目标。

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The Research and Prospect of Biological Dressing Based on Chitosan

CHEN Li-man WANG Tao

(CollegeofTextileandGarment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China)

The article briefly introduces the advantages of chitosan, and reviews the research progress of chitosan on wound dressings. It pointed out that the preparation methods of different types of chitosan dressings and theirs advantages and disadvantages. It shows that chitosan wound dressing has broad application prospects.

chitosan；dressing；Type；prospect

*资助项目：中央高校基本科研业务费创新团队项目(NO.XDJK2013A021)。

陈丽嫚(1989-)，女，河南郑州，硕士研究生。研究方向：医用敷料。E-mail：15111926842@163.com

汪 涛，男，副教授，主要从事纤维新材料方面的研究。E-mail：wonder79@swu.edu.cn