壳聚糖材料在慢性骨髓炎治疗中的研究进展*

洪莹莹周小莉詹玉林*

慢性骨髓炎的治疗是现今临床上的一个挑战，长期全身应用抗生素会使人体内细菌产生耐药性[1]，对患者的身体也会造成负担，如庆大霉素过量使用会造成耳中毒，万古霉素具有耳毒性和肾毒性[2]，且手术后通常会有大面积的骨缺损及外露[3]。CS是由甲壳素脱乙酰形成的一种碱性阳离子多糖，具有可降解性、高度的生物相容性、抗菌活性、低毒性和低免疫源性的生物学特性，还可制备成纳米粒子[4-5]。因其所富含的羟基和羧基组分，可以实现对其改性以实现不同的治疗目的[4]。CS在体内的降解速度与其脱乙酰的程度有关[6]。这些生物学特性使其适于作为药物缓释载体负载抗生素，单独或与其他材料混合作为骨组织再生材料在临床上进行应用。在临床应用中，CS以及改性CS以不同形式、通过不同的制备方法或混合其他材料实现其治疗作用。为实现对慢性骨髓炎更好的治疗效果，前人对治疗材料不断地进行改进和研究。

1 单纯的壳聚糖材料

单纯的CS材料一般是负载抗生素（多为万古霉素）应用于慢性骨髓炎的治疗中，CS对于抗生素的缓释能力可观[7]，CS缓释微球有多种制备方法[8]，离子交联法一般用于制备纳米CS材料。通过测定乳化交联法所制备出的万古霉素 CS微球的载药量和包封率，以及进行的外释放试验和体外抑菌试验显示，CS包裹的万古霉素缓释微球具有良好的体外抑菌活性和缓释作用[9]。用喷雾干燥法制备的CS万古霉素缓释材料注入由 MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）所诱导的胫骨感染的大鼠病灶，21d后经细菌学检测显示其具有较好的抑菌效果[10]。相比于静注或口服抗生素，CS缓释材料可以提高局部药物浓度，降低产生耐药性的可能。也可以负载内源性因子，Daniela P.Vasconcelos等将消散素D1负载于 CS3D多孔支架中，植入大鼠股骨缺损模型中2个月后，骨小梁厚度、I型胶原蛋白以及I型胶原与III型胶原的比例都有明显增加。这些结果表明在植入生物材料的炎症反应的急性期消散素D1可以对新骨生成起正面作用。经由免疫应答而非抗生素方法控制炎症可谓再生性医学先进的设计策略[11]。总的来说，单纯的 CS材料的优势是制备方法简单，与有机溶剂的接触较少，可以尽可能大的保留被缓释药物的活性，其劣势是强度不足、缓释时间一般。

2 复合壳聚糖材料

2.1 复合的温敏凝胶材料

温敏凝胶是CS与甘油磷酸盐混合后可形成的常温下呈液态，37℃下一定时间后胶化的材料，形成的凝胶时间与强度同CS、甘油磷酸盐的比例有关。添加生物陶瓷或载药CS时可以减少凝胶化时间、增强凝胶强度[12]。

CS溶液中加入磷酸钙后再与甘油磷酸钠混合，在37℃下成胶时间小于3min，强度适宜，无细胞毒性[13]，可应用于慢性骨髓炎的治疗。巯基化CS（改性CS）与羟基磷灰石（hydroxyapatite,HA）混合后加入甘油磷酸盐形成温敏水凝胶，以牛血清作为药物模型，材料表现出优异的成胶能力和缓释能力[14]。

将万古霉素负载于羟丙基甲基纤维素中，与CS混合制备缓释凝胶，经体外试验具有良好的载药能力和缓释效果[15]。载药温敏凝胶可以在病灶区域持续释放药物，与细胞外基质结构相似，贴合创口发挥作用，是临床治疗上的优势材料。但强度方面有待提高。

接枝共聚是通过在HA表面接枝CS对HA表面进行改性，获得 HA-g-CS以提高复合物相容性，减少植入后 HA的脱离，提高界面结合力，通过改性将HA接枝到CS中形成CS/HA-g-CS材料再加入甘油磷酸盐形成温敏凝胶，可显著提高凝胶在体内的力学强度[16]。温敏凝胶材料使用方便，在经过改性和接枝共聚等方法处理后其强度有所增加，但载药量总会相对减少。

2.2 复合的非温敏材料

羟基磷灰石（HA）是一种常用于骨组织工程的材料，其成分与人体骨质无机成分基本相同，具有生物相容性、骨传导特性和抗炎能力[17-18]。HA与CS的复合材料有多种制备方式，如共混法、共沉淀法、电化学沉积法、模拟液体矿化法、交替沉积法等多种方法[19]。还可以将两种材料结合成为复合纳米材料，通过3D打印技术在临床中应用[20]。

CS、HA和羧甲基纤维素共混所制备的复合支架材料经体外检测与体内试验显示出良好的生物相容性和诱导细胞生长的能力，有助于骨组织的再生[21]。在共混法中，CS起的是粘合剂和赋形剂的作用，使HA植入体内后的迁移能力减弱，有利于新生骨细胞的附着[22]。

RGD序列则是可以促进细胞对生物材料的黏附能力的由精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸组成的氨基酸序列。用原位合成法合成CS/HA混合物，再通过物理吸附加入RGD序列，将材料进行体外评估和体内试验，结果表明RGD-CS/HA材料能够通过RGD序列提高生物材料与细胞间的黏附能力。增强了生物材料的相容性，为后续的研究提供了一个新的增强材料黏附性的新思路[23]。

硼酸盐生物玻璃、CS溶液与替考拉宁粉末混合制备成替考拉宁缓释微球，该材料在植入体内后可转化为HA，并在表面形成新骨。经体外抗菌活性等方面的评估和体内药物释放分析，该复合材料可应用于临床治疗[24]。

由CS所包被的硫酸钙粉末与达托霉素混合材料在兔慢性骨髓炎模型中的试验显示出CS对于材料中达托霉素的缓释有很大的帮助[25]。

通过溶液共混法制备乙基纤维素和CS的庆大霉素复合缓释材料并加入纳米HA进行体外模拟液浸泡和大鼠慢性骨髓炎模型体内植入试验。结果显示该材料可以实现低血药浓度和局部高给药浓度，并在大鼠病灶部位显示出良好的细胞相容性，加速填补术后骨缺损区[26]。CS材料还可以与HA等材料复合，经3D打印技术形成特定形状的材料应用于骨组织工程中，通过氧等离子体处理提高生物活性、增加粗糙度，该材料表现出良好的促细胞增殖能力[27]。

超临界发泡技术可调节活性化合物的孔隙率和负载量，用超临界二氧化碳处理的负载万古霉素的聚己内酯-CS复合支架可持续释放药物两周以上，该支架可全面抑制金黄色葡萄球菌。在鸡胚组织整合中表现优异，有望为手术感染区域提供有效的局部给药[28]。

利用冷冻干燥技术与改性水乳化液相结合的方法制备的CS与纳米HA复合支架负载含有辛伐他汀的PLGA微球。该支架可缓释药物30 d以上。体外大鼠骨髓间充质干细胞生物活性试验表明，该支架可促进细胞增殖和诱导成骨分化。此外，在体内大鼠颅骨缺损模型试验也证明，该支架可以有效地促进骨再生。这项研究的结果表明，此方法治疗骨缺损提供了一条很有希望的途径[29]。

2.3 双重药物缓释材料

为了延长药物缓释的效果，可以采用复式缓释微球。以PLGA为载体，CS做包膜，实现对万古霉素的双重缓释，可以成功延长药物的缓释时间[30]。对于慢性骨髓炎术后所造成的骨缺损而言，一些形态发生蛋白、生长因子等物质也可以为恢复起到积极的作用[31]。CS与BMP2形成的缓释系统就具有很好的骨诱导能力[32]。此外还有一些可降解的缓释材料可以和CS共同合成多重药物递送系统提高临床治疗效果。将海藻酸钠包裹的血管内皮生长因子 (VEGF)与CS包裹的万古霉素通过层层自组装技术合成的多层载药微球兼备促进血管形成和抗菌作用。明显降低了突释率，延长了药物有效浓度下的作用时间[33]。CS/硫酸钙复合材料缓释万古霉素及 BMP2，经体外试验显示出该材料具有同时缓释万古霉素及BMP2的能力，并有较好的抗菌活性及骨诱导能力[34-35]。目前的大部分研究在选择诱导因子时都着重选择 BMP2，现有新研究表明，BMP9在低于 BMP2浓度4倍的条件下仍有更好的骨诱导能力。可以考虑在载药系统中加入 BMP9以实现更好的效果[36]。总而言之，双重载药缓释系统可以有效地实现在炎症部位同时缓释成骨因子及抗生素，加速了术后的恢复，是一种非常有前景的材料。

3 结语

壳聚糖在慢性骨髓炎中的应用一般是：利用材料缓释抗生素或生物活性因子，而后加入类骨无机物增强材料模量。但强度方面往往依然不足，很难在保证抗菌活性的同时实现较好的支持作用。目前的研究大多侧重于负载抗生素类药物，对其他生物因子的应用较少，可以多从人体自身免疫通路角度实现消炎的目的。同时也可以考虑将药物缓释的特性与3D打印技术结合。目前的研究尚不能实现同时满足材料强度、多孔性质、缓释时长、温敏性能以及多重载药的各种优势特性。日后的研究可以考虑将各类优势通过改性等技术进行综合，以制备多种优势于一身的临床应用的材料。