壳聚糖基纳米复合材料在创伤修复的研究进展

张岭誉，卢思彤，胡章，黄家康，李思东

(广东海洋大学 化学与环境学院，广东 湛江 524088)

皮肤既是机体的一种特殊器官，也是人类与外部环境直接接触的第一道屏障。在平常生活中人们总是避免不了各种皮肤烧伤、创伤、感染、手术等，皮肤的愈合与修复有着无可取代作用[1]。伤口敷料用于保护伤口不受外界环境影响、维持伤口周围的湿润环境、促进伤口愈合缩短恢复期[2]。临床研究表明，随着多重性耐药性细菌的出现对功能单一的伤口敷料已不满足现状要求[3]，因此，开发高性能的创伤修复材料具有临床研发价值和社会意义[4]。

壳聚糖(CS)，是一种现今发现唯一天然结构弱碱性多糖类阳离子聚合物[5-6]，经甲壳素N-脱乙酰基(脱乙酰度55%以上)得到[7]。壳聚糖分子上有较多的羟基和氨基易于化学修饰成多功能型的壳聚糖衍生物，表现出抗菌、生物活性、可降解性、无毒等生物功能性特点，在生物医学材料开发领域中具有广泛的应用价值[8]。因壳聚糖水溶性差、力学性能弱、刚性不强，壳聚糖基复合材料越来越引起重视，已广泛应用于诸多领域，如：废水处理去除金属离子[9]、有机染料的污染[10]、作为净化工艺的膜[11]、组织工程[12]、创伤修复[13]、药物和基因载体[14-15]等。目前人们已用壳聚糖开发了多种剂型产品，如水凝胶、海绵、薄膜、纳米纤维、纳米颗粒、微球、粉末、微粒、支架等多种结构[16]。本文综述近年来壳聚糖基纳米材料在创伤修复、抗菌领域中的研究和应用进展，为后面的工作提供一些理论指导及为研发新型功能抗菌材料提供参考。

1 壳聚糖基纳米纤维电纺材料

壳聚糖基纳米纤维是一种成本低、易制备、可降解性的材料，随着生物医药材料需求的不断发展，壳聚糖纳米复合材料方面的研究更加广泛。与传统壳聚糖基药物相比，纳米药物的循环时间相对较长、可以控制化疗药物的释放、提高了生物利用度，尤其在肿瘤靶向治疗、癌症化疗方面起着关键的作用，在医学领域受到了广泛的关注。伤口感染一直是治疗高成本的问题，对于低成本且具有易制备、生物相容性创面愈合抗菌材料成为研究热点。而纳米纤维基医用敷料具有比传统医用敷料大的表面积和三维结构、透氧性等优点。因孔径小，可以防止外源性细菌进入伤口，还可以保护伤口免受细菌的渗透和脱水[17]。近年来，许多研究者在抗菌修复材料领域得到新的研究成果，引入了天然药物与纺丝技术结合制备具有多功能型的纳米纤维，药物的释放量时间长，对于给药频率减少，显著地降低机体对药物的副作用。Poornima等[18]选用阿魏酸和白藜芦醇分别作为核壳纳米纤维的抗炎和促血管生成活性成分，这种壳聚糖-聚酯内酯复合纳米纤维的伤口敷料，既可以促进伤口修复，还作为药物的传递。纳米纤维创面敷料的功能表征显示出良好的体内外生物相容性，是一种潜在的医用材料。纤维素也是一种为β(1→ 4) 糖苷键连接而成的葡聚糖[19]。生物聚合物基材料机械性能相对较差，研究者以壳聚糖基纤维素/纳米纤维素材料应用进行了广泛的探索，将纳米纤维素掺入壳聚糖基质中可改善材料的功能特性[20]。细菌纳米纤维素因其纳米结构和形态与胶原蛋白相似[21]，受到了研究者的关注。Ardila等[22]研究了抗菌壳聚糖/细菌纳米纤维素(BNC)结构用于潜在的伤口敷料，研究结果表明，同轴纺丝方法获得的抗菌材料能杀死99.9%的大肠杆菌群表现出很强的抗菌活性，这种新型纳米纤维在伤口愈合的生物医学领域有很好的应用前景。

纳米纤维材料具有许多应用前景的特性，包括有良好的生物相容性、无毒性、可降解性。壳聚糖基纳米纤维材料具有：①氧气透过率高；②比表面积大；③皮肤的天然细胞质基质与纤维形态具备相似性，为细胞的黏附、迁移和增值提供了良好的环境。

Park等[23]使用人类安全的材料来制造纳米纤维，以聚酯内酯(PCL)纳米纤维毡为基体、人工合成碳酸钙(CaCO3)、β-壳聚糖(CS)作为止血材料，利用电纺技术开发了一种高性能的凝血纳米纤维。这种材料通过动物实验研究结果发现，β-CS表面润湿性好，还提升了血液凝固性。研究结果表明了β-壳聚糖改善了纤维的表面润湿性，CaCO3加速了血液凝固。利用超声波涂层法喷入β-壳聚糖的 PCL/CaCO3纳米纤维具有良好的医疗应用前景。静电纺丝法制备壳聚糖纳米纤维因具有简便、快捷性而得到广泛应用，但想突破纳米纤维直径少于 50 nm 仍是一个挑战[24]。有研究者提出了一种自顶向下制备壳聚糖纳米纤维和纳米颗粒的方法[25]。明胶具有伤口愈合特性，但其机械性能不足。通过与合成聚合物的共混，改善了生物分子的加工限制[26]。Gu等[27]通过利用多功能静电纺丝法将亲水性明胶与壳聚糖共混在纳米纤维垫中，不仅增强了伤口敷料的机械性能，对细胞存活率、凝血速率得到了提升。对这种共混纳米纤维垫进行超声处理，其孔径和厚度提高，研究表明了对人皮肤层纤维细胞(HDFs)的增殖和浸润能力增强。壳聚糖纳米纤维垫的亲水性明胶共混既具有止血功能，又能促进创伤修复。这种纳米纤维垫是一种有前途的止血创面敷料，在医学领域有着潜在的应用价值。

2 壳聚糖基纳米复合膜

基于壳聚糖纳米复合膜独特的生物和理化性质，纳米纤维膜可作为创面敷料在伤口愈合过程中起到保护伤口、加速愈合、防止感染等作用，提供了伤口愈合的环境。壳聚糖基纳米结构是一个很有价值的研究领域，正因为这种纳米结构在各领域具有不同的潜在应用，在药物传递和医学中具有重要的发展前景，同时在创伤修复、抗菌、药物传递、药物组合等方面得到了广泛的应用[28]。壳聚糖的溶解度、稳定性、力学性能较差。为了解决这一问题，还研究了负载活性物质壳聚糖基纳米纤维膜和天然多糖类物质结合机械性能得到了提高，对于创伤修复、抑菌、药物传递和载药途径得到了广泛的运用。

2.1 负载活性物质的壳聚糖基纳米复合膜

壳聚糖基纳米材料是一种生物可降解的天然聚合物与纳米无机颗粒相结合的基质，使其具有更好的机械性能、抗菌性、生物可降解性、生物相容性和低成本材料以及抗菌性能，可作为增强伤口愈合的合适候选材料。近年来通过对表面的改性具有不对称性的研究引起了广泛的关注。许多研究报道了CS纳米复合膜作为载体用在控制释放和传递药物的应用。相比较于CS纳米颗粒药物递送系统上，如递送抗菌剂、天然药物、生长因子、纳米颗粒的结合等，纳米纤维膜可作用于皮肤创伤、感染烧伤、慢性溃疡、糖尿病足等受损皮肤组织，该类膜可大范围控制其药物的释放，防止机体药物量过高产生毒副作用而影响机体功能。

CS/纳米纤维膜载体基质与抗菌剂的结合利用，使药物起到协同作用。Alavarse等[29]开发了一种聚乙烯醇(PVA)/壳聚糖和PVA/壳聚糖/盐酸四环素(TCH)敷料，通过聚合物共混物形成了具有交联三维纳米纤维的纤维垫，TCH药物在纳米纤维上的均匀掺入，对纤维的形态和热性能没有明显的影响。加入壳聚糖可使聚合物纤维的平均直径从(191±34)nm减小到(138±23)nm。结果表明，TCH负载的聚乙烯醇和壳聚糖电纺材料对细胞活性没有损害，可以安全地用于伤口敷料或软组织修复。生物分子嵌入纳米纤维中表现出良好的亲和性，可对人体进行细胞黏附和增殖。有研究者把具有生物活性物质通过电纺丝技术负载到纳米纤维膜。生长因子具有高亲和力、特异性与细胞膜受体结合，促进细胞增殖、迁移和分化，同时还调节细胞生长，对伤口愈合起着重要作用。天然聚合物(如胶原蛋白、弹性蛋白和纤维蛋白原)因其生物活性、生物相容性和结合特定生长因子(如PDGF)的独特能力而引起关注。Tony等[30]制备血小板衍生生长因子(PDGF)和CS-纤维蛋白原(Fb)支架，这种CS-聚乙烯/Fb支架比单组分电纺纳米纤维有更细的纤维直径，同时具有足够的力学性能和均匀的聚合物分布。研究表明，CS-PEO/Fb支架能够提供生物活性PDGF，以增强纤维细胞的伤口修复功能，是一种新型可行的伤口愈合敷料。一种理想的伤口敷料制备的纳米复合膜应当具有良好的抗拉伸能力[2]，这是为了敷料使用或者处理过程中不易被损坏，提高纳米复合膜在创面修复的应用范围。

2.2 壳聚糖基纳米纤维素复合膜

纳米纤维素具有理想的伤口护理敷料所需要高持水性、高弹性和一致性、高机械强度等特性[31]。纳米纤维素在壳聚糖基复合膜作为一种机械性能的增强剂医学领域得到了应用。Sogut等[32]通过从葡萄籽提取物(GSE)添加到CS膜溶液中以形成活性双层膜，同时添加纳米纤维素(NC)以获得更好的CS机械性能。NC降低了CS膜的吸水率和溶解度。通过应用食品来评价这些双层膜的迁移和抗菌/抗氧化性能，研究表明所有薄膜样品对大肠杆菌和单核细胞增生李氏菌均有抗菌活性。纳米纤维素不仅在食品包装应用，在医学领域也有不可忽视的作用。Poonguzhali等[33]采用盐浸法制备了CS/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/NC膜。为了获得不对称的膜材料，在膜的一面涂上硬脂酸使其表面形成疏水表面，另一面作为亲水表面并合成了2～10 nm的纳米纤维素。结果表明，壳聚糖/PVP/纳米纤维素3%硬脂酸(CPNC3%-S)具有溶胀率孔隙率性能良好，通过血液相容性、抗菌性和细胞毒性研究获得了不对称的CPNC3%-S的最佳性能。这些新颖的生物材料在创伤修复、保护伤口感染方面提供了适于愈合的良好环境，生物医学应用有很大的潜在研究价值。

3 壳聚糖基纳米粒子

纳米粒子具有良好的药物传递能力和pH依赖性的释放过程，基于生物可降解性和生物相容性的天然聚合物自聚成纳米粒子在药物传递方面具有显著的作用[34]。Kumar等[35]不使用任何引发剂的情况下，采用微波技术制备抗菌二元接枝壳聚糖接枝姜黄素药物纳米粒子，通过与市场上的四环素类抗菌药物筛选对比实验，获得了新合成的接枝聚合物(cht-g-poly，AA-co-Am)具有良好的抗菌活性并且通过药物释放动力学。当pH分别为5.4和7.4时，随着时间的增加，纳米颗粒(NpCGC)的药物释放增加。壳聚糖纳米粒子在血管传递药物方面具有广泛的应用前景。Liang等[36]通过表面改性可使纳米银(AgNPs)/壳聚糖敷料同时具有疏水性和亲水性，设计并制备了一种海绵状的纳米银粒子，在海绵的一边涂上薄薄的硬脂酸冷冻干燥获得孔隙少、光滑的表面。通过对不对称润湿性测定，其润湿角为135°说明该面具有疏水性较强。这种不对称性的壳聚糖海绵材料在疏水表面既可以抑制细菌的附着性和渗透性，又具有亲水表面的杀菌活性和创面愈合活性，为伤口愈合提供了湿润环境。Fan等[37]通过离子凝胶法制备了单分散的低分子量壳聚糖纳米颗粒，研究发现壳聚糖纳米颗粒很容易附着在红细胞膜表面，壳聚糖纳米粒子包埋在红细胞中得到保护但缺乏有效的依据。目前包埋最好的磁性氧化铁纳米粒子也面临着问题：能保持更长的血液循环半衰期而避免RES的清除，还要求氧化铁纳米颗粒的流体动力学直径通常小于50 nm才有利包装红细胞里并附着于红细胞[38-39]。但是Hamidi等[40]通过低渗透析将负载丙戊酸的壳聚糖纳米颗粒包裹在红细胞中，表现3周以上的药物释放行为，是一种新型纳米细胞复合材料封装在人红细胞内，并实现长时间的药物释放。董丽丹等[41]将壳聚糖纳米化通过离子交换法向其加入Ag+和Ca2+制备出纳米壳聚糖金属离子复合止血材料，在复合效应作用下Ag+和Ca2+相对于单独Ca2+和单独Ag+有较优的缩短凝血和止血时间。基于纳米粒子易团聚以及制备成本高等缺陷，壳聚糖基纳米粒子在目前研究中大多数都是在于药物传递系统中的应用，壳聚糖基纳米粒子的简单制备工艺和降低成本方面在创伤修复以及抗菌方面的报道较少。

4 其他壳聚糖基纳米复合材料

Huang等[42]以生物降解、生物相容性的壳聚糖和透明质酸为载体，运用原位羟基磷灰石涂层法合成了碳纳米管/羟基磷灰石基质，建立了硬碳纳米管/羟基磷灰石的LBL组装体系。随着多层组装层数的增加，表面粗糙度增加。水接触角(WCA)从29°降低到19°，表明提升膜的亲水性。通过壳聚糖与共混聚合物改善支架材料力学性能，还可以改善其生物相容性，具有很大的骨组织工程应用潜力。精油有抗菌、抗氧化等生物活性[43]。Boys等[44]首次把石灰精油新特性掺入壳聚糖纳米颗粒和纳米胶囊中，并被吸附于纳米颗粒表面和被包含于纳米胶囊内。通过抗菌活性测试结果表明了纳米颗粒中释放石灰精油的速度比纳米胶囊释放速度快，并且得出纳米颗粒抗菌活性高于纳米胶囊。Magesh等[45]采用原位化学合成的方法制备了壳聚糖-琼脂共混ZnO纳米复合材料，通过壳聚糖-琼脂共混物来实现ZnO纳米颗粒的可控合成。抗菌实验表明，壳聚糖-琼脂/氧化锌纳米复合材料的杀菌能力大于壳聚糖-琼脂共混物，对革兰氏阴性菌均表现出良好的抗菌活性，随着壳聚糖-琼脂共混物浓度的增加抗菌活性增强。研究结果表明具有良好的生物相容性、细胞毒性、生物活性在创伤修复、抑菌抗癌方面具有很大的医学应用价值。

5 总结与展望

创伤修复是一个错综复杂的过程，在医疗服务方面开发一种新型、高活性的伤口修复材料一直受生物医学行业和学术界的广泛关注。以壳聚糖为基体的纳米创伤修复材料具有三维网络结构和具有一定的机械性能，对于创面修复、诱导皮肤组织再生功能有着协同增强的作用。该类材料可以负载一些生长因子、抗菌药物、活性肽等用于药物传递和控释方面，使其材料在创面修复应用领域更广，然而整体水平仍停留于实验室研制阶段，一些临床应用问题还要进一步的研究。对皮肤组织的快速修复、降低机体的药物毒副作用、减轻病人的疼痛、增加患者的顺应性等需求使纳米药物更具有多功能化趋势。目前，皮肤组织中的细胞与支架材料的相互作用、更快的细胞增殖和分化以及组织的血管化有待进一步研究。