海藻酸盐临床应用研究进展

叶翔凌，夏远军，章 莹

作者单位：510010广州军区广州总医院骨科医院创伤骨科通信作者：章莹，E-mail：zhangying_doc@yahoo.com.cn

海藻酸盐是一种聚阴离子的天然亲水性多糖，主要来源于海藻和微生物，水解产物主要是D-甘露糖醛酸（M）和L-古洛糖醛酸（G）[1-2]。作为一种天然高分子生物材料，海藻酸盐不仅具有良好的生物相容性和降解性，还具备优异的成凝胶性和成膜性，目前已被美国食品药品管理局批准使用。它可以被制成多种生物材料形式，如水凝胶、微球、多孔支架、纤维、膜、栓塞剂等，广泛应用于创面敷料、组织工程、生物制药等方面。本文就海藻酸盐生物材料在伤口敷料、组织工程、栓塞剂和载药微胶囊领域的临床应用进行综述。

1 伤口敷料

伤口敷料是指用以临时覆盖各种伤口的材料，不仅为创面提供保护，还可防止微生物侵入，预防创面交叉感染。传统敷料主要是指天然纱布（棉垫）或合成的绷带和纱布，吸水能力强，成本低廉，便于操作，但易引起继发性剥离损伤，且无法提供潮湿的伤口环境，不利于伤口愈合[3]；而现代敷料能够在伤口周围创造一个潮湿封闭的环境，促进伤口愈合，常用的有薄膜类、水凝胶类、藻酸盐类、泡沫类、生物类、水胶体类以及载药类敷料等。

Blaine[4]于1946年首次将海藻酸盐敷料用于伤口愈合，疗效显著。其治疗机制可能在于某些海藻酸盐敷料可吸收伤口渗液并形成凝胶，为伤口提供相对湿润的环境并减少细菌感染，从而促进伤口快速上皮化及肉芽组织形成；同时，海藻酸盐的免疫原性受M-嵌段量的影响，具有高M-嵌段量的海藻酸盐可以诱导更高水平的细胞因子产生，进而促进了伤口愈合[5]。目前临床常用的有海藻酸钠、海藻酸钙和海藻酸银等敷料，制备方法通常是通过藻酸盐溶液与钙离子（Ca2+）交联形成凝胶，然后加工制成冷冻干燥的多孔片（即泡沫）和纤维无纺布敷料。

藻酸酸盐敷料的主要性能表现在以下几个方面：①优良的吸水性能。可用于大量渗出性伤口，同时防止伤口干燥，更好地修复创面。②强大的抗菌性能。伤口渗出液和坏死组织为细菌提供有利的生存环境，可能导致感染和延迟愈合，海藻酸盐敷料通过大量吸收伤口渗出液，保持湿润的微环境，最大限度地防止创伤部位的细菌感染[6]；在海藻酸盐基敷料中加入抗生素还可进一步加强抗菌作用，有学者制备了一种含四环素的壳聚糖-海藻酸盐抗菌水凝胶，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长均有明显的抑制作用[7]。③良好的止血性能[8]。海藻酸基生物材料可通过提供“湿性愈创”环境，从而达到快速止血的目的。④易揭除性。海藻酸盐敷料与伤口渗出液结合后可形成水凝胶，易于整片揭除，避免敷料剥离引起的继发性损伤。

除此之外，该敷料还具有高透氧性以及凝胶阻塞性、生物相容性和降解性良好等优点[9]；而近年来海藻酸盐与银离子、壳聚糖、胶原复合以及与负压引流等技术相结合的多功能敷料也陆续问世，进一步提升了敷料的抗菌性能、止血性能和促愈合能力，并在临床医学领域获得推广应用[10-13]。

2 组织工程

在组织工程领域，支架材料的选择至关重要。水凝胶是一类具有三维交联网络结构，以水为分散介质，通过一定的化学交联或物理交联方式形成的凝胶[14-15]。由于能够保持一定形状，水凝胶可以很好地模拟人体组织结构，因此被广泛应用于组织工程支架的制作。海藻酸盐在二价阳离子存在的条件下可形成水凝胶，生物安全性良好，具有可降解性，在软骨修复、骨支架、软骨支架等组织工程领域应用广泛，具有独特优势。按性状分类，组织工程支架可分为预成型支架和可注射支架，目前海藻酸盐在两种形式的组织工程支架构建中均有应用[16]。

2.1 软骨修复

关节软骨创伤性和退行性损伤是致残的重要原因。组织工程方法制备软骨修复植入物的优势在于，不仅可将植入物固定在缺损区域内，而且本身具有一定的刚度和强度，承重效果良好[17]。

Vacanti等[18]的研究表明，将海藻酸盐水凝胶作为软骨细胞接种载体植入动物体内，可以促进新的软骨生成。Ma等[19]将包埋在藻酸盐凝胶中的间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）置于无血清培养基中，同时加入转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-1、地塞米松和抗坏血酸-2-磷酸共培养1周以上，结果证实有软骨形成；而将干细胞分装在海藻酸盐凝胶中则可调节干细胞的分化，具有加速软骨形成的作用。

动物模型中将种子细胞与海藻酸盐基材料相结合，亦被证实可用于修复受损的软骨。Chang等[20]在含有硫酸钙的藻酸盐溶液中加入软骨细胞，将该悬浮液注射到面部植入物的模具中预先形成软骨，皮下植入小鼠和绵羊，植入30周后形成具有三维形状的软骨，其蛋白多糖、胶原蛋白含量及弹性模量可达到天然软骨的80%，说明海藻酸盐可以作为软骨细胞的有效载体；张伊[21]的动物实验结果显示，海藻酸盐支架植入类风湿性关节炎新西兰长耳白兔模型1个月后，软骨缺损得到明显修复。

为更好地发挥海藻酸盐在修复软骨过程中的作用，学者们还通过RGD多肽等生长因子对海藻酸盐支架进行一定的修饰。Shin等[22]的研究结果证实，经RGD多肽修饰的大孔海藻酸盐支架可以促进TGF-β生成，并诱导人MSC分化，其作用机制在于RGD多肽能增强支架与软骨细胞之间的黏附作用，使细胞更容易获得TGF-β；亦有学者将小鼠胚胎瘤细胞（ATDC5）接种在经RGD修饰的海藻酸盐水凝胶中，结果显示细胞活力提高，同时加速了软骨结构的形成[23]。

2.2 骨再生

创伤、感染、肿瘤、骨髓炎以及各种先天性疾病是导致骨缺损的重要原因，而修复骨缺损的理想方法就是原位诱导成骨。海藻酸盐水凝胶可通过运载骨诱导因子，进而诱导骨细胞生成和增殖。它能以注射的方式进入人体，不仅微创，而且便于控制骨诱导因子的释放，在骨再生方面具有明显优势[24-25]。

诸多研究表明，将海藻酸盐作为未分化MSCs的载体，所形成的复合材料具有刺激骨再生的作用[26-27]。Park等[28]使用壳聚糖-海藻酸复合凝胶作为MSCs和骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein，BMP-2）的载体，结果表明该可注射复合材料在小鼠体内能刺激新骨的形成；Kolambkar等[29]引入一种混合生长因子递送系统，通过海藻酸盐水凝胶持续输送重组BMP-2，用于大段骨缺损的治疗，效果良好；Xia等[30]将BMSCs植入海藻酸钠/明胶支架中，亦表现出良好的成骨效应。

人们还发现，将含有RGD的多肽与海藻酸盐耦合，可以促进其与细胞之间的黏附、分化及增殖作用。Alsberg等[31]采用RGD-海藻酸盐包裹M3T3细胞，24周后活体骨生成；Kang等[32]将RGD多肽与3D海藻酸盐水凝胶相结合，发现经RGD-修饰的海藻酸盐水凝胶明显促进了人类脂肪干细胞（adipose-derived stem cells，ASCs）的形成分化；亦有学者通过实验证实在人工骨支架中添加RGD多肽，可以改善人MSC细胞黏附和增殖并促进骨再生[22]。

总之，海藻酸盐水凝胶在骨修复方面具有巨大的治疗潜力。相较于其他材料，运载成骨干细胞或生长因子的海藻酸盐水凝胶有以下特点：①可通过微创方式进入体内；②能充分填充不规整的骨缺损部位；③易被RGD表面修饰，利于成骨细胞对材料的黏附；④可以控制BMP-2、TGF-β等生长因子的释放，对骨再生进程具有促进作用。

2.3 血管修复

组织工程化血管修复手段主要包括血管支架材料制作、细胞移植以及血管组织修复等[33]。将血管生长因子植入材料中并控制其释放，是促进血管生成的主要途径。海藻酸盐可作为各种血管生长因子的载体，具有缓释作用，对促进血管修复有重要意义[34]。

血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是血管内皮细胞的特异性肝素结合生长因子，具有促进血管生成的重要作用。将VEGF通过喷雾干燥包封在海藻酸盐微粒（MP）中，然后掺入胶原-羟基磷灰石支架，最终发现该支架能够持续释放VEGF多达35 d[35]。说明MP包封后可起到缓释作用，其半衰期也有所延长。

海藻酸盐可通过细胞移植促进血管生长，尤其是当宿主细胞无法与递送的血管生长因子响应时，更加凸显出细胞移植的意义。王淞等[36]将人脐带MSCs与海藻酸钙支架复合培养，结果显示在海藻酸钙凝胶中VEGF可持续表达，提示人脐带MSCs能够在海藻酸钙支架中较长时间地生长、增殖。

海藻酸盐水凝胶还可将不同的血管生长因子结合起来用于血管修复。向小鼠缺血部位输送VEGF，随后将载有血小板衍生生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）的海藻酸盐水凝胶输入至缺血部位，在两种因子的共同作用下，不仅加速了血管形成进程，而且还实现了血管功能的有效恢复[37]。

随着计算机辅助技术在血管外科的应用，目前血管重建手术已无需从患者身上截取血管，通过3D打印技术即可实现精细化、个体化腔内移植物及人工血管的制备，减轻了患者的痛苦，提高了疗效。Gao等[38]运用3D生物打印技术制作出具有多层流体通道的3D海藻酸盐水凝胶血管，并植入小鼠成纤维细胞（L-919），1周内L-919细胞存活超过90%；毛伟等[39]通过3D打印技术制备藻酸盐水凝胶空心圆管，并用氯化铁增强其力学强度。可见，运用3D打印技术制备海藻酸盐凝胶血管不仅生物学性能良好，还可通过化学改性增强其力学性能。

2.4 其他组织器官修复

2.4.1骨骼肌修复 海藻酸盐可以促进细胞生长、黏附和迁移，是生长因子良好的递送载体，在骨骼肌修复领域表现出良好的应用潜能。而骨骼肌再生的方法除了输送生长因子外，MSCs移植也是有效途径之一[40-41]。Ansari等[42]制备一种3D可注射耦合RGD海藻酸盐支架，用于封装牙龈MSCs，将其注射至免疫受损小鼠体内，4周后牙龈MSCs显示出与肌肉再生有关基因标志物的高水平mRNA表达。2.4.2神经修复 通常基于3D支架或“生物模板”进行神经修复，其目的是建立一个神经细胞轴突可沿支架表面或支架内发育的环境[43]。海藻酸盐水凝胶具有良好的孔隙率、孔径和连通性，有助于细胞生长和增殖，因此常被用于中枢和外周神经修复。Lin等[44]制作含有明胶和大鼠背根神经元（orsal root ganglion，DRG）的大孔海藻酸盐纤维并进行细胞培养，第11天时发现DRG神经突触明显生长，表明海藻酸盐水凝胶内的孔隙和通道结构为神经元发育提供了有利环境；毕擎等[45]应用海藻酸盐修复兔坐骨神经缺损取得良好效果，从而为临床修复坐骨神经提供了新的思路和方法。

2.4.3肝组织修复 肝组织工程技术的具体方法是将合适的细胞接种在生物材料上，待细胞分化、生长并形成一定量的肝实质细胞和组织后，再将其移植到患者的肝损伤部位[46]。具备多孔结构的海藻酸盐水凝胶为细胞提供良好的封装结构，接种在水凝胶上的细胞可以很好地保持活性。Lin等[47]观察BMSC复合海藻酸盐支架对大鼠急性肝衰竭的治疗作用，结果提示海藻酸盐与BMSC复合支架可促进肝组织再生，进而提高细胞移植的治疗效果。

2.4.4胰腺组织修复 胰岛移植被认为是1型糖尿病的潜在替代治疗方法[48]。Yin等[49]将胰岛封装在耦合有VEGF的海藻酸盐水凝胶里，随后植入糖尿病小鼠体内，结果发现，海藻酸盐复合材料表现出持续促进血管生成的性能，且包封在材料中的胰岛在动物体内可维持长达50 d的治疗效果，这一研究结果可能为1型糖尿病的治疗提供了新的选择。

将不同生物材料制备成微球作为胰岛素载体，目前也逐渐成研究的热点，其中以海藻酸盐为代表的天然生物可降解高分子材料，因其来源广泛、成本低廉、生物相容性和降解性良好以及具备成膜性和成球性，目前已经成为胰岛素缓释微球载体的首选材料[50]。

3 栓塞剂

栓塞术是介入治疗中的重要技术，栓塞材料的选择对于保证治疗效果起着关键作用，由海藻酸盐制作而成的载药微球栓塞剂目前广泛应用于肝癌、子宫肌瘤、脾功能亢进等疾病的栓塞治疗。

在肝癌治疗领域，Huang等[51]制备基于泊洛沙姆407、海藻酸钠、羟甲基纤维素、碘克沙醇（PSHI）和Ca2+的热敏复合水凝胶，作为动脉栓塞治疗肝癌的液体栓塞剂，用于兔VX2肝癌模型后肿瘤完全闭塞。孙伟等[52]使用海藻酸钠微球联合动脉栓塞化疗治疗原发性肝癌患者，结果证实其可增强血管栓塞效应，提高生存率；刘太锋[53]的临床研究结果则显示，国产海藻酸钠微球血管栓塞剂具有良好的生物相容性及优异的血管栓塞作用，显著提高了原发性肝癌患者肝动脉化学性栓塞的治疗效果。

有学者应用海藻酸钠微球血管栓塞剂治疗100例多发性子宫肌瘤患者，发现可有效缩小子宫肌瘤，疗效显著[54]；陈磊等[55]则将其用于62例肝硬化门静脉高压致脾功能亢进患者，治疗后的平均栓塞面积达到50%～70%，白细胞和血小板数量明显升高，治疗安全有效。

4 载药微胶囊

微胶囊（microcapsules）是指由天然或合成的高分子材料制成，用于封装固体、液体或气体的微小容器，其粒径约为5～1 000 μm。1964年chang[56]首次将酶、蛋白质和激素等生物活性物质包封在选择性透过膜中，形成球状微胶囊，其原有生物活性仍可保持。近年来，人们采取组织细胞移植方法，通过手术、注射和口服等方式将细胞微胶囊植入受体适当靶位，凭借膜的选择渗透作用将待移植的细胞隔离，既能避免免疫排斥反应，又能维持移植物的生物活性，进而达到修复受损组织或器官的目的。由于海藻酸盐是一种无毒、无刺激性、生物相容性良好的生物材料，因此人们制备基于海藻酸盐的生物微胶囊，将其作为植入人体的免疫隔离装置，在人体内长期发挥治疗作用，为糖尿病、帕金森病、癌症等提供新的治疗选择。

1996年Sun等[57]将APA微胶囊技术与胰岛细胞移植结合用于治疗糖尿病猴，之后O'Sullivan等[58]将海藻酸钠包裹小鼠胰岛细胞用于异体糖尿病移植，取得良好效果；而微囊化胰岛移植也为糖尿病患者提供了新的治疗方案[59]。

罗贤明和王维[60]用海藻酸盐多微囊包裹猪脉络膜细胞，移植至偏侧帕金森病样猴黑质-纹状体通道，结果显示移植后6个月该脉络膜细胞微胶囊能促进多巴胺生成并纠正偏侧帕金森病猴的行为，微胶囊形态完好，组织相容性和通透性良好，起到了较好的免疫隔离作用。

目前微胶囊有望成为治疗肿瘤的新型有效手段。Du等[61]制备用叶酸连接的脂质上皮光敏剂修饰的Ca-ALG水凝胶微胶囊，并将封装化疗药物的微胶囊用于癌症治疗。结果表明，该微胶囊具有更高的肿瘤细胞摄取率，治疗的针对性和效果明显提高，这一研究还发现，将微胶囊作为联合抗癌药物的载体，比单独的化疗或光动力治疗都更为有效。

5 研究方向与展望

海藻酸盐是一种具有良好生物相容性的生物材料，在临床医学领域展现出巨大的应用潜能，目前的研究热点主要集中在伤口敷料、组织工程、栓塞剂和药物控释等领域。存在的不足主要是：①敷料功能仍较单一，未来将开发兼具止血、镇痛、抗菌、促愈合甚至抗肿瘤等功能的复合敷料[62-63]，例如，可将具备某种或多种生物活性的物质负载至海藻酸盐敷料中，用以拓展敷料的功能，使敷料的治疗作用更加持久和可控等；②机械强度不足，未来可通过改进支架的制作工艺和方法，制备出用途更广、适用范围更宽的海藻酸盐支架；③在栓塞治疗领域的应用时间不长，需对其作用机制进行深入研究，目前市场上尚未出现海藻酸盐栓塞剂，有待深度开发；④作为药物载体材料，海藻酸盐的相关开发应用还需不断深入和完善，其在药物缓释方面的发展仍有很大的空间。