壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展

秦益民

(1. 嘉兴学院 材料与纺织工程学院， 浙江 嘉兴 314001； 2. 海藻活性物质国家重点实验室， 山东 青岛 266400)

壳聚糖,也称甲壳胺，是甲壳素的脱乙酰基衍生物。以壳聚糖为原料通过湿法纺丝制备的壳聚糖纤维具有优良的生物相容性、生物可降解性、亲水性等特性，且其独特的化学结构赋予纤维一系列优良使用功效，在功能纺织材料及医疗卫生领域的应用中产生抗菌、止血、促进伤口愈合等优异性能[1-3]。通过与细胞和组织的相互作用，壳聚糖纤维可以影响人体中的酶、细胞、组织等生物活性，产生独特的医疗和保健功效[4-5]。

壳聚糖纤维可通过纺纱、机织、针织、非织造等工艺制备医用纺织材料：以壳聚糖纤维为原料制备的手术缝合线具有生物可降解特性，可通过控制脱乙酰度调节其降解速度，壳聚糖纤维的机织和针织物是多孔结构支架材料，可用于细胞移植和组织再生，壳聚糖针刺非织造布可用于伤口护理，壳聚糖水刺非织造布在功能性美容化妆品领域具有独特的应用价值，其良好的吸湿性、保湿性以及排毒、养颜特性深受消费者喜爱。

本文结合壳聚糖纤维研究领域的最新成果，分析总结了壳聚糖纤维的离子交换特性及其在与人体细胞和组织接触过程中产生的抑制细菌增长、止血、抑制基质金属蛋白酶、促进伤口愈合等各种生物活性，对进一步开发其在医疗、卫生、保健、化妆品等领域中的应用有很高的实用价值。

1 壳聚糖纤维的离子交换性能

铜和锌离子在体液中的质量浓度约为1 mg/L，在人体组织的各种生物活性中起重要作用。文献[6]显示铜离子在诱导血管生成、血管内皮生长因子、皮肤细胞外蛋白的表达和稳定过程中起关键作用。糖尿病足溃疡、静脉溃疡、褥疮等慢性伤口的患者，局部铜离子含量较低时伤口愈合缓慢。壳聚糖分子结构中的氨基对铜、锌等金属离子有很强的螯合作用，在与伤口接触时，壳聚糖纤维可通过其对铜离子的富集作用促进血管生成和皮肤再生，对伤口愈合有促进作用。图1示出与CuSO4水溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量的变化。发现Cu(II)离子很快被纤维吸收，其含量达到纤维质量的9.0%[7]。表1示出乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子的影响。充分吸附后纤维中铜离子与氨基的量比约为3∶1[8]。

图1 与硫酸铜溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量Fig.1 Copper ion content in chitosan fiber while in contact with CuSO4 solution

表1 乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子性能的影响Tab.1 Influence of degree of acetylation on absorption of copper ions by chitosan fibers

锌离子与壳聚糖纤维的螯合作用在临床上也有重要的应用价值。张海峰等[9]研究表明，在糖尿病患者的伤口上局部涂抹硫酸锌可降低基质金属蛋白酶MMP-2活性，强化创面组织微血管密度，提高增殖性细胞核抗原阳性细胞表达，创面局部富集锌离子对慢性伤口愈合有较强的促进作用。

2 壳聚糖纤维的生物相容性

壳聚糖具有良好的生物相容性，在体内和体外可通过各种化学催化作用使其分子结构中的β(1-4)糖苷键在脂肪酶、溶菌酶、淀粉酶等催化作用下分解为氨基葡萄糖，而被组织细胞吸收。程友等[10]研究了壳聚糖非织造布在体外、体内的降解性能及其生物相容性，首先将其加入溶菌酶溶液中，于37 ℃恒温振荡水浴中放置一定时间后取出，依据质量变化跟踪降解速度。结果显示，壳聚糖在质量分数为1%溶菌酶溶液中放置1周和2周的平均降解质量损失分别为5.52%和9.36%。植入体内后，壳聚糖非织造布周围无结节，随时间延长淋巴细胞浸润减少，具有良好的生物相容性[11]。

3 壳聚糖纤维的细胞活性

壳聚糖纤维的细胞活性体现在其与细胞接触后的黏附、形态、生长、增殖、分化、再生等状况。在与细胞接触时，纤维的理化性质决定了其表面黏附的蛋白质种类、数量、构像和分布[12-13]。丁勇等[14]研究了壳聚糖对巨噬细胞活性的影响，结果显示壳聚糖在活化巨噬细胞后促进其分泌出多种细胞因子，有利于慢性伤口愈合。张文达等[15]用壳聚糖溶液培养人体上皮细胞，溶液中上皮细胞数量随壳聚糖质量浓度增加而增多，在壳聚糖质量浓度为0.6 g/L时能明显增殖。杨红等[16]研究了壳聚糖质量浓度对神经细胞生长的影响，把乳鼠视网膜神经细胞在有壳聚糖存在的环境中体外培养，结果显示细胞不仅生长良好，其存活时间及存活细胞数量均较优。Heinemann等[17]的研究结果显示壳聚糖纤维支架对小鼠成骨细胞的增殖分化有促进作用。

壳聚糖的细胞活性可通过理化改性技术的应用进一步改善[18]。Budirahar等[19]通过共价键合把骨形态发生蛋白与壳聚糖结合，促进了成骨细胞的黏附、增殖和分化。Yang等[20]把壳聚糖与白细胞介素等细胞因子结合后有效增强其抗肿瘤作用。Custodio等[21]的研究证明壳聚糖及其衍生物可提高细胞通透性，对酶具有抑制作用，同时增强亲水化合物的通透作用，提高其跨膜转运能力[22]。Jiang等[23]通过物理包埋及化学键合蛋白质、寡肽等生物活性分子改善细胞与壳聚糖的相容性，使壳聚糖具有更好的稳定性，在组织工程领域有特殊的应用价值[24-25]。

4 壳聚糖纤维的止血性能

作为天然高分子，壳聚糖可加工成粉末、溶液、凝胶、薄膜、海绵、纤维、非织造布等多种形式的材料用于伤口止血[26]，国内外大量研究结果已证实壳聚糖具有止血功效[27-29]。壳聚糖纤维无毒、无抗原性，是一种性能优良的止血材料。自Malette等[30]以壳聚糖为原料制备的很多种止血材料及其止血功效在医疗领域得到广泛关注，目前已有多种产品应用于临床止血。

壳聚糖的止血功效与其脱乙酰度、分子量、质子化程度和物理形态密切相关。在与血液接触时，血纤维蛋白原、Y-球蛋白、白蛋白、凝血原酶等血浆蛋白迅速吸附到纤维表面，介导了血小板在纤维表面的黏附。血小板的形变和激活引起5-羟色胺、β-血小板球蛋白、促凝血激活物、腺苷核苷酸等血小板活性成分的释放，其中腺苷核苷酸能促进更多的血小板、血细胞、不溶性血纤维蛋白在纤维表面黏附，最终形成血栓。在pH值小于等于6.8时壳聚糖纤维表面显正电性，对血液中的细胞外基质蛋白、磷脂、黏多糖等多种显负电性的生物大分子有很强的吸附作用。

Segal等[31]在研究海藻酸盐纤维的止血性能时发现其主要作用机制是凝血效应和对血小板的激化作用，海藻酸盐纤维释放出的钙离子在激化血小板后使其释放出纤维蛋白链而形成血栓，产生良好的止血功效。对于壳聚糖纤维，马军阳等[32]研究显示，通过蛋白质介导黏附血小板后形成壳聚糖与血小板复合物，该复合物可加速血纤维蛋白单体的聚合并共同形成凝块，同时壳聚糖通过诱导红细胞聚集而刺激血管收缩，最终形成血栓后封合伤口[33]。

高金伟等[34]研究了壳聚糖纤维对肝脏的止血效果，空白组不使用任何材料，对照组使用速即纱，实验组使用壳聚糖纤维敷贴创面，记录各组的总出血量和止血率显示，空白组、对照组和实验组的止血率分别为0%、25%和100%，出血量分别为(2.121±0.190)、(0.702±0.056)和(0.443±0.030) g/kg，壳聚糖纤维敷料的止血效果明显优于对照组和空白组。

5 壳聚糖纤维的抑菌性能

壳聚糖具有广谱、高活性抗菌功效，可有效抑制细菌和真菌的生长和繁殖[35-37]。Amin等[38]在研究壳聚糖水凝胶敷料的抗菌性能时发现，人体皮肤表面pH值在4.5～6.5之间。壳聚糖分子结构中的氨基在与体表的酸性介质接触后形成带正电荷的高分子链，通过中和细菌表面的负电荷、与细菌胶合使其凋亡。pH值对壳聚糖的抑菌性能具有影响，当pH值升高时壳聚糖的质子化程度以及溶解性降低，抗菌能力减弱；当pH值大于7后壳聚糖不具有杀菌性能。pH值降低使正电荷数量增加，导致抑菌活性加强[39]。

壳聚糖的抑菌特性源于多种作用机制。首先，在微酸性介质中，壳聚糖是一种阳离子型生物絮凝剂，可以使细菌细胞聚沉。壳聚糖吸附于细菌表面形成的高分子膜阻止代谢废物的排泄，影响营养物质的吸收，导致细菌代谢紊乱而失去活性。高分子量壳聚糖的分子链卷曲和缠结度大，—NH3+基团包埋在絮凝体中使杀菌能力下降。低分子量壳聚糖尤其是壳寡糖可通过渗透作用穿过多孔细胞壁，进入细胞后使细胞质内含物絮凝、变性后无法进行生理活动，带负电的脱氧核糖核酸(DNA)和信使核糖核酸(mRNA)等遗传物质在与带正电的壳聚糖结合后也可以抑制细菌繁殖[40]。第二，细菌细胞膜上的蛋白质、类脂等分子与壳聚糖中的—NH3+复合后可损坏细胞壁的完整性、改变细胞膜的通透性，最终使细胞壁趋于溶解，直至细胞死亡。第三，壳聚糖分子中的氨基选择性螯合对微生物生长起关键作用的铜、锌等酶的辅助因子，在抑制酶活性的同时抑制微生物的生长繁殖。此外，壳聚糖也可以激活甲壳素酶活性，使甲壳素酶过分表达后导致细菌细胞壁甲壳素的降解，通过损伤细胞壁导致细菌死亡[41]。

壳聚糖纤维的抗菌功效在医用纺织材料领域有重要的应用价值，可用于预防感染、抑制创面细菌繁殖、促进伤口愈合[42]。魏莹等[43]在42例供皮区和浅2度创面的研究中发现，壳聚糖纤维医用敷料在保护创面的同时减少了创面物质的丢失及感染的发生，并且出血量明显减少，疼痛减轻，换药次数减少。

6 壳聚糖纤维对酶活性的抑制性能

酶在细胞和组织的生命活动中起重要作用[44]。人体中存在很多种酶，其中与皮肤相关的主要有基质金属蛋白酶(MMPs)、丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶等[45-46]。自1962年Gross等[47]在蝌蚪中发现具有分解胶原蛋白功能的间质胶原酶MMP-1后，各国科学家已相继发现25种细胞外肽链内切酶[48-49]。这些酶的共同特征是前结构域中的半胱氨酸序列和催化区域中的锌离子结合区。通过与锌离子的结合，氧肟酸盐类、羧酸类、硫醇类以及磷酸和次磷酸类化合物可以抑制MMPs的活性，在医药卫生领域有重要的应用价值[50]。MMPs抑制剂还可通过组织分泌、人工合成、从天然产物中提取等方法获取[51]。

壳聚糖纤维对锌离子有很强的吸附性能，可通过螯合锌离子对MMPs产生抑制作用，在慢性伤口愈合过程中起重要作用。朱世振等[52]的研究表明，壳聚糖能明显抑制白介素(IL-1B)诱导的软骨细胞MMP-小分子RNA(1mRNA)和蛋白的表达，从而抑制IL-1B介导的软骨细胞基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)/MMPs比例的失衡，减轻骨关节炎软骨退变。王海斌等[53]研究了高脱乙酰度羧甲基壳聚糖对实验性兔膝骨关节炎软骨退变的影响。大白兔股骨髁关节软骨经关节腔注射羧甲基壳聚糖后，观察其大体改变和病理变化，并用免疫组化的方法对比实验组和对照组的基质金属蛋白酶-1(MMP-1)及基质金属蛋白酶-3(MMP-3)的表达情况。结果显示，骨关节炎软骨中MMP-1和MMP-3的表达在应用高脱乙酰度羧甲基壳聚糖后可明显降低。羧甲基壳聚糖能诱导软骨细胞再生，生成的软骨细胞有正常的软骨组织结构，并且产生大量I型胶原及蛋白多糖等细胞外基质。

7 壳聚糖纤维的促愈性能

壳聚糖纤维在伤口护理领域有重要的应用价值，在预防感染、降低疼痛的同时具有促进伤口愈合的功效[54-56]。伤口愈合涉及炎症反应、血管生成、肉芽组织增殖、上皮化等一系列生理过程，其中血管生成、胶原合成、组织形成等皮肤修复的关键阶段需要巨噬细胞的活化，巨噬细胞、淋巴细胞和纤维母细胞等释放的白介素-1(IL-1)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)可促进肉芽生成。通过刺激巨噬细胞分泌与组织修复相关的IL-1等调节因子，壳聚糖纤维能诱导纤维母细胞增生，促进伤口愈合。

炎症反应是伤口愈合的初始阶段，在此过程中，多形核细胞(PMN)、巨噬细胞等各种炎症细胞浸润到创面后清除外来成分。通过加速炎症细胞浸润创面，壳聚糖纤维有促进清创的作用[57]。Ueno等[58]在小猎犬腹部的皮肤伤口上进行实验后发现，壳聚糖能诱导巨噬细胞增生，使其活性增强，还有明显的PMN浸润作用，其作用机制是：壳聚糖是巨噬细胞的阳性趋化剂，通过吸引单核细胞从血管中游出，在组织中聚集后形成巨噬细胞，也可通过刺激局部组织细胞增生后演变为巨噬细胞。Ali等[59]的研究显示壳聚糖纤维与血清的互动作用可强化巨噬细胞活性、刺激成纤维细胞增殖，产生愈创功效。

大量临床研究证明壳聚糖纤维和医用敷料具有促进伤口愈合的功效[60-61]。李珂等[62]在研究壳聚糖敷料对溃疡期压疮的治疗效果中将60例溃疡期压疮患者随机分为对照组和观察组各30例，彻底清创后观察组将壳聚糖湿敷于创面，对照组采用甲硝唑、庆大霉素混合液湿敷创面。结果显示，观察组的创面愈合时间、换药次数等治疗效果显著优于对照组。Ohshima等[63]把壳聚糖非织造布制成的敷料应用于烧伤供皮区、植皮区、皮肤擦伤、溃疡等91个患者的伤口上。结果显示壳聚糖敷料在降低创面黏连，降低疼痛，促进愈合等方面有良好的疗效。冯丽等[64]选取30只新西兰白兔，随机分为对照组和实验组，并对壳聚糖促进伤口愈合的作用进行对比分析。结果显示与对照组相比，实验组伤口愈合时间明显缩短，证明壳聚糖对伤口愈合有明显的促进作用。

8 结束语

壳聚糖纤维是一种具有特殊生物活性的纤维材料，在医疗卫生领域有很高的应用价值。壳聚糖的氨基葡萄糖结构赋予纤维优良的螯合性能和聚阳离子特性，通过与皮肤、血液、伤口渗出液的接触对人体组织产生独特的生物活性，其在细胞水平上体现出与生物体的亲和性能，通过诱生损伤生物体的特殊细胞，加快伤口愈合。壳聚糖纤维对血清蛋白质等血液成分的吸附能力很大，其产生抗原的可能性很小，具有止血、镇痛、消炎、抑菌等独特的应用功效。

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