海藻酸盐医用材料的制备技术及应用现状

张小林 王兰兰 翁 林 邓炳耀

(1.江南大学，江苏无锡，214122；2.冲绳科学技术大学院大学,日本冲绳，904-0495)

海藻酸钠大分子链由 β-D-甘露糖醛酸(M 基团)和 α-L-古罗糖醛酸(G 基团)以M-M、G-G、M-G等多种形式排列组合，通过1-4糖苷键连接而成的阴性嵌段聚合物[1-2]。分子式为(C6H7O6Na)n，n=80～750，相对分子质量为32 000～250 000。因其本身优良而独特的理化性能被广泛用于食品加工业、生物医用材料、服饰及日用化妆品等领域。早期海藻酸钠主要用于食品加工业，作各类食品及面点添加剂用，继1983年，英国推出海藻酸盐基伤口敷料，海藻酸钠正式进入医学材料领域。目前，海藻酸钠已被大量作为医学材料，用于制备组织工程支架、伤口敷料、药物胶囊等，并展现出良好的市场前景。但是，至今关于海藻酸盐医用材料的研究及应用概况仍缺乏详细的报道，不能给相关学者提供一个可参考的研究背景。因此，本文就海藻酸盐医用材料的制备技术、研究及应用做了详细的综述，为后续研究建立较全面的背景知识、提供理论参考依据。

1 海藻酸盐医用材料的制备技术

目前用于纺制海藻酸盐纤维的技术主要有静电纺和湿法纺。搭建静电纺丝装置所需空间位置相对较小，操作流程简便，便于开展小型研发探究性试验，试验过程中可实时在线调控工艺参数。但海藻酸钠是聚电解质，在水溶液中有很大的电导率，线性阴离子海藻酸钠大分子链间存在较强的相互排斥力，阻碍大分子链间的相互缠绕，因此纯海藻酸钠溶液很难通过静电纺丝技术制得纤维。国内已有研究通过湿法纺丝技术制备海藻酸盐纤维，纺制的初生纤维经后处理制成面膜、伤口敷料等。但湿法纺丝工艺容易出现纤维黏丝、并丝等问题，影响纤维力学性能。另外，湿法纺丝生产线需较大的物理面积，纤维纺制过程中不能及时改变工艺参数。故该方法比较适合企业大批量生产纤维，不便于探索研究性试验。除了上述两种纺制技术外，还有微流纺丝技术，只是目前关于微流纺丝技术以及采用微流纺制备海藻酸盐纤维的研究均比较少。

2 海藻酸盐医学材料的研究与应用

海藻是海洋中极其丰富的生物资源，海藻酸钠是由海藻经物理化学处理提取而得到的线性多糖高分子聚合物。海藻酸钠具有优良的生物相容性、低毒性、安全性、高度的配伍性及加工成膜性，被广泛用于食品加工业、纺织印染业和生物医用等领域[3-5]。饮品、果冻、面点和糕点等食品制作过程中均加入海藻酸钠作增稠剂、胶凝剂、固化剂、乳化剂、消泡剂和稳定剂，不仅可改善食品的外观形态、物理性能和口感舒适度，还可增加柔软度、韧性、弹性以及平滑细腻感。海藻酸钠被人体食用后，不参与机体代谢活动，不引起组织器官过敏、病变等反应，不影响人体健康。纺织印染加工过程中，海藻酸钠常作为活性染料的糊料和经纱上浆、印花浆及整理浆的助剂。可提高织物上色率、使得织物表面色度均匀、起固色染色作用；同时改善织物线条清晰度及手感舒适度。尤其在经纱上浆工序中减少纤维断头率及起毛起球率，提高纱线质量及织机效率等。近年来，海藻酸钠作为新型材料逐渐被应用到医学领域。以下介绍海藻酸盐组织工程支架、海藻酸盐医用敷料和海藻酸盐药物载体-微胶囊的研究及应用。

2.1 海藻酸盐组织工程支架

组织工程是一门融合细胞生物学和材料科学的新兴交叉学科，是指在体内或体外模拟受损组织并重新构造功能完整的组织器官，从而修复并取代病变、坏死的原组织器官。组织工程学将细胞和生物材料间建立一定的联系，重构病损组织器官的结构、形态和功能，从而替代病损组织。该过程涉及到应用生命科学和工程学的原理、设计、重建、培育并改良活体组织。支架材料、种子细胞和组织重建属于组织工程三大元素，其中支架材料作为细胞载体，为细胞增殖、迁移、运输营养和代谢活动提供场所，在临床治疗过程中起着决定性作用[6]。研究组织工程学目的是为了制备生物相容、可降解、无毒性的支架材料，在支架表面培育组织细胞，形成新的组织并植入体内修复病损器官，进行靶向治疗。理想的组织工程支架应具备如下特点：一是支架-细胞界面亲和性，细胞在支架表面维持正常活性如增殖、迁移等；二是生物相容性，要求支架本身无毒，且代谢产物对宿主细胞无排异现象，不会引起机体过敏、炎症等不良反应；三是生物降解性，支架植入体内完成靶向治疗，在体内被吸收降解随代谢产物排出；四是可加工成形性，能按照不同器官形态加工成一定尺寸、结构的支架，具有较高的可塑性；五是力学性能，植入宿主体内可保持结构稳定性，和组织器官具有相匹配的降解速率。用于制备组织支架的原料主要有金属材料(镁合金)、无机材料(羟基磷灰石)、有机高分子材料(聚己内酯、聚乳酸、聚乙烯醇)和天然材料(胶原、壳聚糖、透明质酸、海藻酸)[7]。海藻酸盐组织支架因材料本身特有的生物安全性、细胞亲和性、可降解性，且能够提供细胞识别位点等，作为新型支架兴起，国内外已有学者对其展开深入研究。

郑华斌等以海藻酸钠和壳聚糖为原料，分别制备2%海藻酸盐水凝胶和4%壳聚糖水凝胶，并将两者混合、搅拌，通过紫外光照射交联形成复合水凝胶，低压消泡注入模具，一段时间后取出、真空冷冻干燥制得组织支架[8]。对支架微观结构形态和毒性等级作表征分析，将复合支架和脂肪间充质干细胞构建组织工程化脊髓，植入小鼠急性脊髓损伤区域，作相关病理学分析。试验结果证明：复合支架和脂肪间充质干细胞有良好的生物相容性，干细胞在支架表面正常增长、繁殖，重建的脊髓机构对小鼠脊髓损伤部位具有一定修复作用。

韦登明等将海藻酸钠凝胶状支架和自体骨髓间充质干细胞混合培养诱导组织工程化软骨细胞形成、增殖，后注入类风湿性关节炎患者膝关节内，对照组注入等量生理盐水，作关节组织病理学分析[9]。一个月后观察膝关节组织生长情况，结果表明试验组中软骨展现一定修复现象，软骨细胞增多，局部浸润炎细胞明显减少，炎症减轻；而对照组的软骨结构基本丧失，局部存在大量炎症细胞，炎症比较严重。故海藻酸钠支架复合组织工程化软骨细胞植入患者体内对膝关节具有一定的修复功能。

朱家源等把碳化二亚胺作催化剂、乙二胺作交联剂，通过共价交联和冻干法成功制得新型海藻酸盐水凝胶支架，并对支架的微观结构、孔隙率、含水量及体外降解性能作表征分析[10]。结果证明海藻酸盐组织工程支架可为细胞黏附、增长、繁殖、分化等提供有利场所；且该支架降解速率和细胞增殖速度相匹配，降解产物无细胞毒性，可作皮肤支架材料，用于修复受损皮肤组织。

WANG G等通过离子交联和冷冻干燥的方式制得海藻酸盐-壳聚糖复合支架，并对复合支架的表面形态结构、基团、结晶度和接触角作表征分析[11]。同时，用该支架培养神经细胞，观察细胞增殖情况。结果证明海藻酸盐-壳聚糖复合支架可用于修复神经组织。

SHARMA C等采用发泡技术将海藻酸钠、明胶、壳聚糖和羟基磷灰石混合并成功制得复合型多孔支架，进而对支架的表面形态、孔隙率、力学性能、降解性能作表征分析[12]。另外，在支架表面培养成骨细胞，通过活体组织染色、MTT比色分析、基因表达等观察细胞增殖情况。结果表明支架表面孔隙结构有利于成骨细胞的黏附、增殖；较好的亲水性便于营养物质和体液的扩散吸收；支架降解速率和新生骨组织生长速度相匹配，该复合支架可用于修复受损骨组织。

CHEN T等将海藻酸钠、羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖和蚝壳粉混合通过冷冻干燥技术制备复合支架，并对其表面形态结构、基团、力学性能、比表面积和孔径分布、矿化及体外降解性能、蛋白质吸附等作分析表征[13]。选取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为菌种，评价支架的抗菌性能。在支架表面种植人骨肉瘤细胞，观察细胞增殖情况。结果表明支架表面相互连通的孔隙可以为细胞黏附、增殖、组织生长及营养物质的运输提供良好的生物环境；矿物沉积可诱导骨组织生长且有利于蛋白质的吸附；支架无毒性，有较好的生物相容性，可作为骨组织工程支架。

综上，国内外已有学者以海藻酸钠为原料，通过冷冻干燥法、发泡法和交联共混法等制备组织工程支架，并在动物体内试验取得较好的疗效。然而，海藻酸盐组织支架植入机体取代或修复病损组织器官仍处于初级试验阶段，还需大量临床应用证明。另外，海藻酸盐组织支架和金属支架相比，前者生物相容性和降解性能较好，有利于促进组织再生，但其力学性能较差，阻碍其发展。

2.2 海藻酸盐医用敷料

创伤是一种常见且多发的疾病，表面创伤及内部溃烂都需要敷料处理，及时制止伤口进一步恶化并引发炎症等带来严重后果。传统敷料主要有凡士林纱布和棉质纱布，均属于惰性敷料，不能促进伤口愈合。凡士林纱布是干性敷料，具有一定透气性，不黏连伤口，而吸收性较差。棉质纱布可吸收伤口渗出液，但敷料表面较粗糙、干燥。该敷料用于治疗创面时，待伤口干燥后，纱布和肉芽互相渗透，在换药过程中容易撕扯新生肉芽组织，引起二次创伤，增加病人疼痛。传统创面敷料提倡干性愈合理论，即维持伤口干燥环境，待其结痂自然修复。临床试验表明，干燥环境容易造成伤口脱水，不能维持伤口愈合所需的温湿度，不利于细胞增殖、迁移，伤口愈合速度较慢。随着新型敷料的诞生，“湿性愈合理论”被提出，即维持伤口在一个相对湿润且封闭的微环境。润湿密闭的微环境促进组织细胞释放纤维蛋白溶酶，可清除坏死组织，便于营养物质和血液的运输流通，利于细胞分裂增殖及迁移；加快上皮细胞迁移速度，加速创面的再上皮化，减少创面等。低氧润湿微环境减少伤口感染、炎症的发生；避免神经末梢直接暴露在空气中，降低疼痛感；换药时不会撕扯伤口处新生肉芽组织，促进伤口愈合速度，利于创面修复。

海藻酸盐医用敷料用于创面治疗，可促进伤口愈合，修复机理符合“湿性愈合理论”[14]。截止2014年，CFDA批准的Ⅱ类进口海藻酸盐医用敷料有2项，Ⅲ类有11项；国产Ⅱ类海藻酸盐医用敷料有17项，Ⅲ类有1项[15]。该敷料属于天然植物性创伤修复材料，可用作下肢静脉溃疡、糖尿病足溃疡、褥疮和烧伤等创面治疗修复；既可作表面敷料、创口贴用，又可作填充用敷料。海藻酸盐医用敷料的发展史追溯至1983年，SMITH G E等首次将海藻酸钙敷料用于治疗糖尿病足溃疡，和对照组相比，伤口面积缩小率和愈合率分别提高约20% 和12%[16]。1986年，GROVES A R等将海藻酸盐敷料用于治疗烧伤供皮区创面，该敷料吸收率是普通棉纱布的3倍左右，具有优异的止血效果，加速创面愈合速率[17]。1989年THOMAS S等首次将海藻酸盐敷料用于治疗患者下肢溃疡，对照组用凡士林纱布处理，结果表明海藻酸盐敷料处理组创面愈合率提高30%左右，且在治疗过程中海藻酸盐处理组患者伤口疼痛感明显降低[18]。1991年CLARKE R等首次将海藻酸盐基敷料用于治疗褥疮，临床试验表明海藻酸盐敷料处理组创面面积每周减小约2.39 cm2，对照组约0.27 cm2，创面愈合速度明显提高[19]。海藻酸盐基医用敷料可为伤口提供封闭润湿微环境，促进细胞增殖分化、激活组织内源性尿激酶和蛋白酶等，发挥自清创功能，促进伤口愈合。目前对于海藻酸盐基敷料的研究及报道仍在继续。

李佳媚等对海藻酸盐敷料的止血性能和生物相容性能作研究，并和明胶海绵、纱布作对比分析[20]。用新西兰兔背部和耳部创伤模型测定敷料止血性能；体外凝血性能通过凝血指数测定；用细胞毒性和溶血试验对敷料的生物安全性进行评定。背部创伤出血模型中，海藻酸盐敷料、明胶海绵、纱布的平均止血时间分别为(55.3±5.1) s、(80.2±7.4)s、(101±14.7)s。海藻酸盐敷料、明胶海绵的凝血指数BCI分别为33.1±4.9、72.0±3.3，前者凝血效果优于后者。在兔耳部动脉止血试验中，海藻酸盐敷料、明胶海绵、纱布的出血量分别为(2.4±0.2)g、(3.0±0.2)g、(3.9±0.2)g，止血时间分别为(226.3±6.5)s、(332.3±14.2)s、(466.5±19.1)s。与明胶海绵、纱布相比，海藻酸盐敷料止血效果优于前两者，且无细胞毒性。

夏腊梅等报道将海藻酸盐敷料作为糖尿病足伤口床内的填充物，治疗溃烂伤口，同时给予适当的护理，5周内患者明显好转，康复并出院[21]。海藻酸盐敷料用在伤口表面，快速吸收水份并维持润湿密封环境，促进新生肉芽组织生长，避免神经末梢直接暴露于空气中，达到止痛效果；且能起到自溶清创作用，避免伤口感染发炎，加速创面愈合，并取得较好的临床效果。

LI S S等以海藻酸钠、丝素蛋白为原料，并加入适量浓度的锶，制备载有锶的复合敷料，并对该敷料的表面形态结构、基团、吸水性能、透气性能、力学性能和成纤维细胞的生物毒性作表征分析[22]。结果表明该复合敷料不仅呈现出优异的理化性能，还具有较好的生物活性。该敷料用于治疗伤口时，可促进VEGF和bFGF蛋白的分泌，诱导血管再生，作为医用敷料具有较好的前景。

REZVANIAN M等用海藻酸钠和果胶为原料，采用溶剂浇铸法成功制得复合医用敷料，并对敷料的厚度及外观、表面形态、机械强度、热学性能、透气性作表征分析[23]。同时，通过观察细胞增殖情况来对敷料的生物毒性作出评判。试验结果表明复合敷料无细胞毒性，且理化性能优异，可达到创面敷料的要求，有待后续将其植入体内作病理学研究。

通过对前期研究总结可知，海藻酸盐敷料和其他普通敷料相比，其具有较好的止血功能和生物相容性、无细胞毒性、给伤口愈合提供一个较封闭的湿润微环境，加速促进伤口愈合。该敷料可解决传统敷料和创面组织间干裂而引发疼痛及炎症等问题，已成为医学界的研究热点，并具有较好的市场前景。然而，用于制备海藻酸盐伤口敷料的工艺较单一、操作困难、缺乏创新性，有待后续开展新型纺制技术。另外，可以将药物包埋在敷料中，制备功能性海藻酸盐医用敷料，使得敷料在治疗伤口的同时，能够发挥功能性用途(如：抗菌消炎作用等)。

2.3 海藻酸盐药物载体-生物微胶囊材料

生物微胶囊是指通过特殊的半透或不透膜，将具有一定活性的物质(核酸、细胞、酶、蛋白质、药物等)以液体、气体或固体的方式包封在膜内，并制成一定尺寸及形状的球状胶囊。该技术可对药物起到很好的保护作用、掩盖不良气味、防止药物过早失去活性、延缓药物释放，可使药物定点定时到达靶部位、完成靶向治疗。用于制备微胶囊的原材料主要有：天然高分子材料(明胶、壳聚糖、海藻酸钠等)、半合成高分子材料(羧甲基纤维素、乙基纤维素等)、全合成高分子材料(聚乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇等)。海藻酸钠属于天然多糖高分子聚合物，已被研究证明可用于制备生物微胶囊，作药物、基因、激素、蛋白质和细胞等载体[24]。海藻酸钠为阴离子共聚物，可与阳离子聚合物依靠静电作用形成聚合物电解质，有利于减缓药物释放速度、延长药物释放周期，将药物持续缓慢释放，充分发挥药物疗效，尽可能减少患者进药频率，从而减少药物毒副作用。目前，国内外已对海藻酸盐微胶囊药物载体展开深入研究。

蒋瑶等以海藻酸钠、壳聚糖为囊材，靛玉红自微乳为囊芯物，通过复凝聚法制得壳聚糖-海藻酸钠靛玉红自乳化缓释胶囊，采用单一控制变量法和正交试验法确定制备微胶囊的最佳制备工艺[25]。并以载药率、包封率为指标对该微胶囊的质量作评价，同时研究药物在体外的释放性能。结果表明该缓释胶囊平均包封率高达79.2%，体外药物释放介质中靛玉红在30 min内累积释放率为100%，24 h内靛玉红自微乳微囊累积释放率达(97.1±2.68)%，该微胶囊载体具有一定的药物缓释作用。

陈河如等将头孢唑林作为囊芯、海藻酸钠作囊材、CaCl2为固化剂，通过微乳单凝聚法制备粒径为1 μm～15 μm的超细微胶囊，并对胶囊的形貌和粒径作表征[26]。同时考察载药量、包封率，在体外模拟胃液、肠液环境研究药物释放性能，后采用扩散法分析该微胶囊渗出液对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌的抑制作用。结果显示微胶囊平均包封率为(80.42±0.26)%，载药率为(35.68±2.03)%；对枯草杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抑制作用，对大肠杆菌抑制作用稍弱；药物在模拟胃液、肠液中均呈现较好的缓释作用。

LIU Y等把植物乳杆菌作为囊芯，囊材为海藻酸钠和聚丙烯酸钠混合物，采用化学改性和真空冷冻干燥法制备海藻酸钠-聚丙烯酸钠微胶囊，分析研究植物乳杆菌在模拟肠胃体外环境内的生存性能、释放性能及体内存活性能[27]。结果表明嫁接聚丙烯酸钠的海藻酸钠微胶囊比纯海藻酸钠微胶囊的植物乳杆菌包封率和存活性能更好，该胶囊可作益生菌的药物缓释载体。

YANG Y等采用微流纺技术纺制海藻酸钠-聚鸟氨酸微胶囊，其中猪甲状腺细胞被包裹在囊芯[28]。表征分析胶囊的微观形态，并观察被包裹的甲状腺细胞活性和增殖能力，研究甲状腺素的释放性能，同时和未包封的甲状腺细胞活性及甲状腺素分泌情况作对比。结果表明被胶囊包封的甲状腺细胞释放甲状腺素量高于未包封甲状腺细胞释放量，该研究是首例成功将甲状腺细胞包裹于胶囊内部，可作药物筛选用。

基于对前人研究结果综述可知，已有学者以海藻酸钠为原料，利用其自身优异的成凝胶性能制备药物微胶囊，输送到机体内从而达到靶向治疗效果。用海藻酸钠微胶囊作药物载体，可减少药物向四周扩散，提高药物疗效，减少患者进药次数。但目前主要研究海藻酸钠微胶囊的短期药物释放性能，不能满足癌症治疗周期。因此，后续应开展关于海藻酸钠微胶囊的长期药物释放性能研究，以及如何提高不同药物的封装率。

3 结语

本文主要对海藻酸盐医用材料的制备技术、研究现状和应用领域等进行了详细综述：和现有的医用材料相比，海藻酸盐支架材料具有较好的生物安全性和细胞亲和性，且对组织具有一定的修复功能；海藻酸盐医用敷料不仅可为创面微环境维持一定的湿润度，还加速促进伤口愈合速度，同时能避免因换药而撕扯创面新生肉芽组织带来的疼痛，减少炎症并发问题；海藻酸盐微胶囊药物载体具有靶向治疗效果，材料包裹的药物在体内缓慢而匀速地释放，减少了药物的扩散，提高了药物的疗效。然而，海藻酸盐纤维材料的力学性能较差、纤维间抱合力较弱、吸湿性能不可控，而传统的湿法纺丝工艺流程冗长、不利于新型海藻酸盐医用敷料的开发。此外，现有的海藻酸盐医用敷料不具有可穿戴智能特性，阻碍了其应用发展。因此，开发新型结构的智能海藻酸盐医用材料将成为未来材料制备领域的研究重点。