壳聚糖季铵盐在生物材料中的应用*

刘嘉鑫 张广瑞 卢维新 安丽萍 敏思聪 韵向东

壳聚糖是自然界唯一存在的碱性多糖，具有良好的生物相容性、降解性及抗菌性[1]，但由于壳聚糖分子中含大量的—OH 和—NH2，形成的氢键复杂，不溶于水，且只能在酸性条件下使用，故其抑菌作用受到了极大的限制。为进一步提高壳聚糖的水溶性，通常将亲水性能较强的季铵基团引入壳聚糖制备壳聚糖季铵盐[2]。壳聚糖季铵盐是壳聚糖的衍生物，不仅保留了壳聚糖原有的性能，而且与壳聚糖相比，其在生理pH 条件下具有良好的水溶性，并且抗菌谱广，对于葡萄球菌、大肠杆菌及真菌等都有显著的抑制作用[3]。故将壳聚糖季铵盐引入生物材料中能有效提高其抗菌、生物相容性等性能。本文将从骨组织工程支架、医用钛合金及生物载体3个方面论述壳聚糖季铵盐改善生物材料性能的相关研究。

1 壳聚糖季铵盐在骨组织工程支架中的应用

骨组织工程技术常用于骨缺损的治疗。与自体骨移植技术相比，能有效减低供体区域骨组织的坏死，而与异体骨移植术相比，能减少免疫排斥反应的发生。骨组织工程技术常用的材料包括人工合成高分子聚合物（如聚乳酸、聚羟基乙酸及其共聚物）、天然高分子聚合物（如胶原、纤维蛋白、甲壳素及其衍生物和藻酸盐等）以及生物陶瓷（以磷酸三钙、羟基磷灰石为代表的磷酸钙盐陶瓷）等[4]。这些材料具有良好的生物相容性，能够为细胞的黏附、增殖及分化提供适宜的生长环境，但该类材料也利于细菌的黏附、增殖，易造成内植入材料相关感染。在感染形成的过程中，骨组织细胞与细菌对于内植入物表面的初始竞争黏附是关键点，因此，赋予生物材料抗菌性，抑制细菌黏附是降低内植入材料相关感染发生率的有效措施。

壳聚糖季铵盐是天然的抗菌物质，将其引入支架材料中具有以下几个方面的优势:壳聚糖季铵盐是壳聚糖的衍生物，具有较好的水溶性，稳定性强，易植入其他高分子材料中赋予其抗菌特性。Chen 等[5]通过冷冻干燥法制备具有可降解性的藻朊酸盐/壳聚糖季铵盐/牡蛎壳粉复合支架，体外实验结果显示该支架材料具有较好的成骨活性及抗菌性。壳聚糖季铵盐具有较广的抗菌谱。在骨组织工程支架材料中引入壳聚糖季铵盐不仅可保留原有支架材料的生物特性，而且能有效降低革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）、革兰氏阴性菌（如绿脓杆菌、沙门氏菌、大肠埃希菌）、耐药菌株（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）及真菌的感染风险[3]，Yang 等[6-7]应用3D 打印技术制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石/壳聚糖季铵盐（PLGA/HA/HACC）复合支架，体内、外实验结果表明该复合物支架对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌有良好的抗菌效果，能有效抑制生物膜的形成并且羟基磷灰石可减慢该支架的降解速率，促进间充质干细胞表达成骨分化相关因子如骨钙素、骨桥蛋白等。而Tan 等[8]将壳聚糖季铵盐微粒融入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥中，通过体内外实验证明该骨水泥能有效降低细菌在其表面黏附的数量，抑制细菌生物膜的形成，且与携载庆大霉素的骨水泥相比，该骨水泥不仅抗菌作用时间长，且对于耐甲氧西林金黄色葡糖球菌有良好的杀菌作用，有望替代抗生素用于关节假体相关感染的预防及治疗中。壳聚糖季铵盐可作为载体携载成骨生长因子，在赋予支架材料抗菌性的同时进一步增强其诱导成骨的作用。Zhou 等[9]以壳聚糖季铵盐为载体，制备携载人重组骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）的二氧化硅/壳聚糖季铵盐/玉米蛋白复合支架材料，该材料不仅降低了葡萄球菌及大肠杆菌的黏附，具有长效的抗菌作用，还可诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化，促进新生骨的形成。

2 壳聚糖季铵盐在医用钛合金中的应用

钛合金的弹性模量与骨质相似，可有效避免应力遮挡效应，被广泛用于骨科内植入材料的制备中[10]。但钛合金材料的抗菌性能差，无法抑制细菌的黏附及生物膜的形成[11]。对钛合金表面进行抗菌改性是弥补其局限性的常用方法。抗菌改性是通过涂层载体携载抗菌物质赋予钛合金抗菌性能。尽管抗菌改性的物质种类有很多如抗生素、银离子等，但天然的抗菌物质壳聚糖季铵盐更具优势，主要表现为:壳聚糖季铵盐为天然抗菌物质，可有效减少耐药菌株的形成；壳聚糖季铵盐（低取代度）能有效促进局部组织再生，对组织细胞损害作用小；壳聚糖季铵盐缓释涂层可降低携载药物的释放率而长期维持局部药物浓度。因此，将壳聚糖季铵盐作为钛合金表面改性物质能有效改善钛合金材料的性能。

从上述研究我们可以看到骨科生物材料在引入壳聚糖季铵盐后可有效提高材料的抗菌性，降低内植入材料相关感染的发生，并且因其为天然抗菌物质，可有效避免细菌耐药性的发生。另外，壳聚糖季铵盐为高聚阳离子，可通过静电吸附作用与材料中带有负电荷的成分相结合，增强生物材料的稳定性，且其水溶性不随外界pH 的变化而发生改变，可作为药物载体有效保护被载药物免受破坏，进一步改善骨科生物材料的性能。

3 壳聚糖季铵盐在生物载体中的应用

治疗用的药物、蛋白、核酸或疫苗靶向性差，在体内转运的过程中容易受到机体内环境的影响而被降解或者破坏。除此之外，该类外源性物质进入机体内易引起机体免疫原性的潜在毒性，很大程度上降低了此类物质的生物利用率及生物安全性[17-18]。因此，将具有良好生物相容性的生物载体与此类物质相结合可有效避免上述问题。目前常用的生物载体是由高分子可降解材料（如聚乙酰亚胺、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、葡聚糖、壳聚糖等）构成的纳米微球载体和生物水凝胶载体[17]。相较于其他生物载体，尽管该类载体具有价格低廉、生物相容性好、细胞毒性低、能有效控制被载药物的释放率等诸多优点，但也有自身局限性，如葡聚糖在生理pH条件下呈中性，无法与DNA 相结合[19]； 壳聚糖的水溶性差无法发挥载体功能[20]等。壳聚糖季铵盐相较于上述物质更加稳定，将其引入生物载体中可进一步改善该类载体的性能。

3.1 壳聚糖季铵盐在核酸载体中的应用

与传统的病毒载体相比，以壳聚糖季铵盐为代表的高分子材料所构成的病毒载体具有致癌风险低、细胞摄取率高等优势而成为目前研究的主流方向。在纳米载体中引入壳聚糖季铵盐可有效提高细胞对该载体的摄入率。Li 等[21]利用壳聚糖季铵盐和DNA 之间的聚凝作用制作出大小为91.8 nm的纳米颗粒，与其他载体相比，该载体直径较小，易于被细胞摄取，除此之外，他们还发现当壳聚糖季铵盐与DNA 的质量比为10 时，被装载的DNA 可有效抵御核苷酸内切酶的消化作用，但具体机制还不清楚。尽管壳聚糖季铵盐性能优良，但壳聚糖季铵盐为高聚阳离子，其表面带有较多的正电荷，过多的正电荷易引起血液凝聚及细胞溶解，产生细胞毒性。为解决这一问题，Ni 等[22]在制作携载SiRNA 的壳聚糖季铵盐载体时在载体中加入了含有胍基的羧甲基壳聚糖，羧甲基壳聚糖是一种电中性的聚合电解质，可随外界pH 的变化而携带不同的电荷。在生理条件下，该物质带负电，可与壳聚糖季铵盐形成复合电解质，有效减低壳聚糖季铵盐的细胞毒性，而且由于胍基可与卵磷脂形成双配位氢键，可进一步提高SiRNA 的细胞摄取率。

3.2 壳聚糖季铵盐在脂质纳米载体中的应用

脂质纳米载体是一种新型有效的药物递送系统，可提高治疗药物到达靶点处的效率，减少正常组织的非特异性扩散从而降低药物的治疗效果，减少药物副作用[23]。但该种新型载体同样有如下不足之处:脂质纳米载体带有负电荷，易于细胞膜表面产生静电排斥作用，从而降低了细胞对于被载药物的摄取率[24]；纳米脂质载体属于水溶性弥散体系，粘滞度度低，在用于局域治疗时因在目标区域滞留时间短而降低了被载药物的生物利用度。为弥补该种新型载体的不足，Shi 等[25]将壳聚糖季铵盐引入到固体脂质纳米颗粒中作为携载抗肿瘤药物多西他赛的载体。该载体稳定性好，微粒大小及所带电势并不随pH 改变而发生变化，且该载体带正电荷，易于和细胞相黏附，从而提高组织细胞对药物的摄取率。Tan 等[26]将壳聚糖季铵盐与-甘油磷酸盐相交联并引入到脂质纳米载体中以增加该载体的黏度及稳定性。该新型载体具备热敏效应，当温度从室温变化到35℃时，该载体可由液体状态转变为凝胶状态，并且制备该载体所用的壳聚糖季铵盐和-甘油磷酸盐的浓度分别为3.8%（wt%） 和20%（wt%）时，该载体的胶凝时间缩短至2 min。

3.3 壳聚糖季铵盐在生物水凝胶中的应用

生物水凝胶是由线性高分子交联而成的具有三维网架结构的生物材料，其在水中可迅速溶胀且溶胀之后能够继续保持原有结构而不被溶解，对局部环境的细微变化可快速反应，因而被广泛应用于生物医药领域[27]。与以往的生物水凝胶敷料相比，含有壳聚糖季铵盐的水凝胶敷料因其具有良好的抗菌性、促进胶原蛋白的合成作用，更有利于伤口的愈合。Fan 等[28]将壳聚糖季铵盐（HACC）与聚环氧乙烯（PEO）及聚乙烯醇（PVA）相混合制作出HACC/PVA/PEO复合水凝胶，发现复合水凝胶中的壳聚糖季铵盐占比越大，该水凝胶的溶胀率及抗张强度越大，而且由于壳聚糖季铵盐具有抗菌性，故该种水凝胶不但能有效吸收伤口中的渗出液，而且为伤口提供一个相对较湿润及无菌的局部环境，有利于伤口的愈合。除用于敷料外，生物水凝胶还被广泛应用于药物载体。在以往的研究中，为了使疏水性药物在水凝胶中均匀分布，通常需要通过化学连接的方式将环糊精接枝于水凝胶中，但该种方式不仅需要很长的反应时间，而且水凝胶中环糊精的量相对较低[29]。为解决此类问题，Han 等[30]以壳聚糖季铵盐和羧乙基纤维素为基础成分制作生物水凝胶，通过壳聚糖季铵盐与环糊精的之间静电吸附作用，大大提高了水凝胶中环糊精的含量，而且相较于未携载环糊精的水凝胶，该种水凝胶可快速吸附疏水物质，吸附速率可达33 g/（g min），而在缓冲盐溶液中该种水凝胶所携载的疏水性药物可持续释放且累计释放量是其3 倍。

4 结语

生物材料在引入壳聚糖季铵盐后具备了更好的稳定性及抗菌性，使其在临床中得到了更为广泛的应用。目前此方面的研究侧重于利用壳聚糖季铵盐的性能弥补生物材料的不足，但对于壳聚糖季铵盐本身所存在的局限性及在引入生物材料后所产生的相关问题（如在壳聚糖季铵化的取代度越高，细胞毒性也越强[31]）研究较少。如何让壳聚糖季铵盐在保持较高的抗菌性的基础上降低其细胞毒性，使其更好地应用于各类生物材料中，仍需要进一步探究。另外，壳聚糖季铵盐在生物材料中应用研究大部分仍处于实验阶段，未能真正应用于临床。有理由相信，随着人们对于壳聚糖季铵盐研究的深入，生物材料的性能必然会得到进一步改善。