生物活性敷料的研究进展

温小强，秦海燕,陈婉莹,张连波

(吉林大学中日联谊医院 整形外科，吉林 长春130033)

创伤愈合过程复杂而缓慢，并且极易受到感染、血管化不良、相关组织疾病以及患者心理等多种因素的影响，导致创面愈合不良，慢性创面形成，给国家财政带来了巨大的经济负担。近年来伤口敷料的开发和临床应用给慢性创面的治疗带来了一定的促进作用。但随着肥胖症和2型糖尿病的发病率不断上升、人口老龄化的出现，慢性伤口的管理仍然是一个巨大的挑战[1]。因此，寻找和开发高效而经济的伤口敷料是现在各国最为迫切的需求。

伤口敷料按其发展进程主要分为传统敷料、皮肤组织替代物、人工敷料、生物活性敷料等[2]。传统敷料包括纱布及其复合材料，虽然其具有较强吸收能力，但同时具有更换敷料时易损坏新生肉芽组织或上皮、透气性差、渗出物易引发细菌感染等多种缺点。皮肤组织替代物可分为同种异体移植物、组织衍生物和异种移植物。因免疫排斥反应、感染和疾病传播风险，临床应用较少。人工敷料可分为凝胶、泡沫、薄膜、复合材料等[2]，由合成聚合物和/或生物聚合物制备而成。与普通人工敷料相比，包含生物聚合物的人工辅料更符合创面愈合的需求，称为生物活性敷料。

生物活性敷料是20世纪60年代初期在winter提出的创伤修复“湿润愈合”理论基础上发展起来的新型创面修复及保护敷料[3]。与传统敷料相比，因其具有生物相容性，生物降解性和与细胞外基质大分子的相似性，因此更接近于理想的伤口敷料，也是目前研究的热点及未来敷料发展的方向。本文将重点针对生物活性辅料其所含主要生物活性成分的研究进展进行以下综述。

1 海藻酸及海藻酸盐类敷料

海藻酸是一种从褐藻(褐藻科)、海带等中提取的天然多糖，易于获得。通过将海藻酸溶液与钠、钙、镁、钡等离子交联可制备藻酸盐敷料。此类辅料可加工成凝胶状、泡沫或以纤维敷料形式的冻干多孔片材[4]。海藻酸钠的免疫原性与M-block含量的相关，通过适当纯化可减轻其免疫原性反应[5]。藻酸盐伤口敷料的疗效受多种因素影响，如其他聚合物与海藻酸钠的比例、所使用的连接剂种类、交联的时间、所用敷料的性质、纳米粒子和抗菌剂的掺入等。为了克服藻酸盐较差的机械稳定性，Saarai等将海藻酸钠和明胶以不同比例组合成水凝胶，并发现海藻酸钠和明胶的比例影响水凝胶的形态。藻酸盐比例较多的组合形成的水凝胶表现为液滴形态，而明胶含量较多的组合水凝胶则表现为纤维形态[6]；水凝胶的吸水率随着氯化钙或戊二醛交联剂浓度的增加而降低，机械强度随着交联时间的延长而增强[7]。Liakos通过将海藻酸钠膜与洋甘菊、肉桂、薰衣草、茶树、薄荷、桉树、柠檬草和柠檬油等精油相结合[8]，使该膜具有良好的抗菌活性。Li等研制了锶负载丝素-海藻酸钠膜敷料[9]，并发现锶量在1-30 mg/mL范围内时，敷料的吸水率随锶含量的增加而降低。锶的加入增加了敷料的疏水性，从而能避免伤口周围的分泌物引起伤口感染，并且可以在伤口敷料中诱导血管再生。海藻酸钠制备纳米纤维的研究较少。作为伤口敷料的潜在材料纳米纤维可模仿细胞外基质，从而促进上皮细胞的增殖和新组织的形成。Hu等人研究海藻酸钠和聚环氧乙烷电纺的纳米纤维[10]，通过添加聚氧化乙烯，可使海藻酸钠溶液纺成纳米纤维，其平滑度和直径受海藻酸钠和聚环氧乙烷比例的影响。增加纳米纤维中海藻酸钠的比例将导致纺锤状缺陷和直径减小。

总之，海藻酸及藻酸盐因具有无毒、生物相容性、非免疫原性、可承受性和高吸收能力等独特的特性而广泛应用于创口愈合。研究者们又通过各种方式在一定程度提高了该种敷料的性能和功效。

2 壳聚糖类敷料

壳聚糖是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖组成的线性氨基多糖，其由β(1 - 4)糖苷键与甲壳素(其亲本聚合物)的N-脱乙酰形成。甲壳素作为第二丰富的生物聚合物，主要存在于甲壳类动物的外骨骼和真菌的细胞壁中。壳聚糖是一种聚阳离子聚合物，具有游离的乙酰胺基团和羟基官能团，与易受亲核攻击反应的吡喃葡萄糖环有关。因此，可以通过选择性修饰游离氨基来实现壳聚糖的官能化。根据化学致癌研究信息系统，壳聚糖没有致突变作用，使其成为生物医学应用的候选者。壳聚糖的大部分生物性质与其阳离子行为和聚合物链的大小有关。

壳聚糖及其衍生物对不同微生物如细菌、真菌和病毒具有很好的抗菌活性[11,12]。多种研究表明，壳聚糖的抗菌活性可能取决于多种因素，如微生物种类、细胞年龄、壳聚糖浓度、螯合能力、亲水/疏水特性、溶解度、细胞代谢产物的影响和壳聚糖的固态等，但主要取决于它的分子量和浓度。

有研究发现壳聚糖作为伤口敷料在应用于动物开放性伤口时创面无瘢痕愈合。达到无痕愈合的原因主要有：壳聚糖生物聚合物能有效解聚释放N-乙酰基-D-氨基葡萄糖，在伤口愈合过程中促进成纤维细胞增殖；壳聚糖单体有助于胶原的有序沉积，刺激了透明质酸合成水平的提高；壳聚糖为皮肤组织的再生提供了纤维素基质，并激活巨噬细胞以阻止异常生长活动，有助于更快的伤口愈合和预防疤痕。

壳聚糖的抗凝活性是正电荷依赖性，因为氨基壳聚糖实际上与负电荷的红细胞膜相互作用。近年来，已有文献报道甲壳素和壳聚糖及其衍生物均具有镇痛作用，但在之后的几年中，也有研究者认为壳聚糖的镇痛作用是由于腹腔内给予乙酸[13]所致。

壳聚糖已被用于凝胶、微或纳米颗粒和膜等形式。在众多壳聚糖衍生物的基础上，合成了三甲基壳聚糖(TMC)、N，N-羧甲基壳聚糖(CMC)和羧甲基-N,N,N-三甲基壳聚糖(CMTMC)，由于这些衍生物具有更大的溶解度、抗菌活性、和生物相容性，引起了越来越多研究者的兴趣。在临床研究中，Stone等发现壳聚糖敷料促使了皮肤移植供区的愈合[14]。壳聚糖敷料与商业藻酸盐敷料(KaltoSTAT○R)或硅酮网纱布(MEPITEL○R)进行了比较，结果发现KaltoSTAT○R和MePiTeL○R敷料粘附到供体部位，而壳聚糖敷料容易除去，从而减少患者的疼痛。壳聚糖敷料组真皮神经的数量增加并且真皮层中富含糖胺聚糖和毛细血管，同时在皮肤供皮区，也未观察到感染或其他不良反应。此外，Kratz等人研究壳聚糖-肝素膜对人皮肤创面愈合的影响[15]中发现，与供体未治疗组相比，在12天后壳聚糖-肝素复合物治疗组显示出更快的再上皮化。

壳聚糖生物聚合物具有生物降解性、生物相容性和无毒性等特点，并且具有抗菌、促进创伤愈合、止血和镇痛的特性。这些特性使壳聚糖成为创伤创面的理想敷料。

3 透明质酸及其衍生物类敷料

透明质酸(HA)是一种有吸引力的聚合物，因其具有生物降解性和生物相容性并且支持细胞生长和增殖而被用于伤口敷料。透明质酸参与创伤愈合过程中的许多步骤，如炎症、肉芽形成和再上皮化。

透明质酸是天然的生物聚合物，其由交替的D-葡糖醛酸和2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖组成，并通常存在于哺乳动物的粘合组织和滑液中。透明质酸分子已经被证明是许多生理过程的调节剂，这得益于它的理化性质和生物学特性。透明质酸与纤维蛋白一起参与组织修复和伤口愈合的早期阶段，帮助成纤维细胞和内皮细胞组织进入损伤部位。具体而言，透明质酸亲水性使纤维蛋白凝块更软，更易于细胞定植。值得注意的是，已有研究称胎儿组织的无瘢痕修复与透明质酸的长期存在有相关性[16]，并且一些作者提出透明质酸富集的环境可抑制负责瘢痕形成的基质细胞[17]。

然而，这种天然聚合物较差的物理性能直接限制了其在介质中的直接使用。为了克服天然聚合物的物理性质如易溶解和快速降解，通过酯化法把天然化合物制备成不溶性分子。天然高分子的化学改性方法使透明质酸耐降解性增强，HaAFF○R11是通过将葡萄糖醛酸的游离羧基与苄基醇酯化而得到的透明质酸衍生物的聚合物[18]，该化学修饰物,降低了羧基的亲水性，增加了多糖的疏水组分，从而提高了聚合物的稳定性，同时保持起始分子的生物性和安全特性。王万宏等设计随机对照大鼠实验，发现适当比例的活性玻璃和透明质酸复合凝胶能促进创面愈合[19]。通过分析关于透明质酸敷料有效性的系统综述和荟萃分析，发现无论透明质酸的形式如何，都观察到透明质酸敷料在各种病因的慢性创口愈合中起到积极作用，表明透明质酸及其衍生物有利于愈合过程[20]。

4 胶原蛋白类敷料

胶原蛋白是一种可生物降解且具有生物相容性的蛋白质，主要存在于结缔组织中。胶原蛋白是由成纤维细胞产生的，是人体中最丰富的蛋白质。胶原蛋白参与伤口愈合级联反应的所有阶段。它刺激细胞迁移并有助于新的组织发育。胶原基生物材料刺激和招募特定的细胞[21]，如巨噬细胞和成纤维细胞，沿着愈合级联反应，以增强和影响伤口愈合。胶原蛋白敷料易于应用和去除。

在慢性伤口中，新生胶原的沉积被许多因素延迟或阻止。在这些因素中包括2类酶：基质金属蛋白酶(MMPs)和弹性蛋白酶。研究发现这两类酶的浓度在慢性伤口中异常升高。 MMPs与天然胶原和部分降解胶原片段的蛋白水解有关。胶原成分的动态生成和破坏是急性创面愈合中的正常事件，MMPs在正常的皮肤代谢过程中也起着一定的作用。然而，在慢性伤口中，MMPs水平异常升高，此外，MMPs的抑制剂低于正常水平[22]。基质金属蛋白酶与基质金属蛋白酶抑制剂的比例升高导致细胞外基质降解过多。弹性蛋白酶的主要底物是细胞外基质弹性蛋白，弹性蛋白有助于真皮组织的弹性。慢性创面弹性蛋白酶活性高，弹性蛋白酶的作用是将PMP-MMPs(天然MMPs前体)转化为活性MMPs。弹性蛋白酶是一种相对非特异性的蛋白酶，也可以与胶原结合，降解实验结果表明，弹性蛋白酶对天然胶原三螺旋结构的亲和性是相当大的，因此含有天然胶原蛋白的敷料将发挥作用，可以作为弹性蛋白酶和MMPs的底物，从而抑制弹性蛋白酶和MMPs对机体自身胶原的降解作用。总之，慢性伤口的特征是胶原沉积减少和胶原破坏增加。弹性蛋白酶在维持伤口恶性循环中起着关键作用。去除弹性蛋白酶基本上消除了这种恶性循环的中枢，潜在地终止了伤口的慢性状态。然而外源性的胶原敷料可以作为弹性蛋白酶和MMPs的底物，从而减轻他们对伤口胶原的消耗。因此胶原敷料可以起到促进伤口愈合的作用。

体外研究使用胶原/氧化再生纤维素(ORC)敷料与标准治疗纱布进行比较。发现胶原蛋白/ ORC敷料能减少糖尿病足溃疡(DFU)伤口液中存在的所有蛋白酶，包括中性粒细胞衍生的蛋白酶，纤溶酶和MMPs。ORC在伤口液中结合并灭活弹性蛋白酶和其他丝氨酸蛋白酶，而胶原充当MMPs和弹性蛋白酶的底物[23]。在另一项研究中，胶原蛋白和去端肽凝胶敷料促进伤口的血管增生，并在第15天伤口达到78%的愈合[24]。从牛、猪等动物中提取的胶原蛋白敷料被推荐用于治疗少量和中度渗出的部分或全层烧伤伤口，但是禁忌用在Ⅲ度皮肤烧伤和过敏患者。

5 其他

5.1 褐藻多糖硫酸酯类敷料

褐藻多糖硫酸酯是一种硫酸化多糖复合多糖，自从发现它具有与肝素类似的抗凝血活性并且据报道具有抗血栓形成，抗炎，抗肿瘤和抗病毒效应等其他特性后，引起了相当多生物技术人员的研究兴趣。这些作用被认为是由于其与生长因子如碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和转化生长因子-β(TGF-β)的相互作用有关。因此，褐藻多糖硫酸酯可以在组织修复的细胞生物学层面上调节生长因子的依赖性途径。在一项研究中，他们研究褐藻多糖硫酸酯对成纤维细胞增殖及皮肤重建的影响，发现褐藻多糖硫酸酯明显刺激人成纤维细胞增殖；同时免疫印迹分析表明：褐藻多糖硫酸酯明显增加细胞周期蛋白D1的表达和降低p27的表达；免疫组化染色结果显示，褐藻多糖硫酸酯促进真皮细胞增殖核抗原(PCNA)和p63表达增加。这些结果表明，褐藻多糖硫酸酯对表皮重建具有积极的影响[25]。

5.2 聚-N-乙酰基葡糖胺类敷料

由海洋微藻产生的聚-N-乙酰基葡糖胺具有止血活性并且常用作治疗烧伤和伤口的支持材料。在前瞻性随机临床试验中，10名患者用负压伤口治疗(NPWT)和聚-N-乙酰基葡糖胺纳米纤维(sNAG)的组合治疗与另10名患者单独用NPWT治疗相比，组合治疗有利于伤口愈合[26]。

虽然各种生物活性敷料在某一方面具有良好的性能，但都存在或多或少的缺陷，至今还没有一种价格低廉，各种性能都十分良好的敷料。传统先进的伤口护理产品倾向于解决伤口的宏观环境，包括伤口潮湿环境控制、针对慢性伤口的特定缺陷等。然而生物活性敷料可在生化水平上促进伤口愈合。生物活性敷料已被证明是促进伤口愈合的有效生物材料，但仍存在许多挑战，例如有效、受控的药物递送系统，生物活性敷料制剂的灭菌问题等。生物活性敷料临床前研究和临床研究，已经显示了许多有利于慢性伤口愈合的结果，但是，为了排除生物聚合物的可变性，对材料进行更完整和标准化的研究将是非常有益的。如今生物活性敷料的研究上主要有三个方向：通过添加能加速愈合和减少瘢痕的物质来改善创面愈合；研究出性能如同自体皮的皮肤取代物；研究能促进皮肤愈合的相关蛋白。