壳聚糖基水凝胶在伤口敷料中的应用

安占超， 周 末， 金 政， 赵 凯,3

(1.黑龙江大学 生命科学学院 微生物黑龙江省高校重点实验室， 哈尔滨 150080； 2.黑龙江大学化学化工与材料学院， 哈尔滨 150080； 3.黑龙江凯正利华生物化工科技有限公司 研发部， 哈尔滨 150080)

0 引 言

皮肤是人体最大的器官，具有调节体液稳态、调节体温、抵御外来病原微生物入侵等生理功能[1]。因此，皮肤损伤势必会引起人体或动物的重大健康问题。在正常情况下，人体可以通过一个复杂而有序的过程来修复创伤。创伤修复是一个需要多种不同类型细胞参与的同步、精细调控和按照特定顺序发生的复杂过程，需要有完整的止血和炎症机制，且间充质干细胞必须迁移到受损伤的区域并在损伤部位增殖产生新的组织。

伤口愈合的过程可以分为止血和凝血、炎症期、增殖期和重塑期四个时间依赖性阶段[2]，如图1所示。人体可为伤口愈合各个阶段提供所有的生理需求，除非有部分程度的皮肤功能缺陷或者严重创伤造成的大量体液流失。机体可以通过适当补充水分、氧分和维持伤口周围pH等防止病原微生物的入侵，促进伤口愈合[3]。因此，性能优异的伤口敷料的开发对于加速伤口愈合至关重要。

图1 正常伤口愈合的四个阶段

1 伤口敷料

伤口敷料是包扎伤口的用品，用以覆盖疮口、伤口或其他损害的材料。伤口敷料的种类很多，理想的伤口敷料应满足：维持创面的潮湿环境、促进表皮迁移、促进血管生成及防止细菌感染等[4]。目前，临床上应用的伤口敷料主要有传统敷料和新型敷料。传统敷料如无菌纱布、医用脱脂棉等，只能起到简单的物理屏障作用，不能有效地促进皮肤创面愈合，且传统伤口敷料容易与伤口粘连，换药时造成二次伤害，吸收组织渗出液的能力有限，而且在被组织渗出液浸透后基本失去了屏障的保护作用，造成外源性感染。根据敷料的结构形式，新型敷料分为薄膜类、泡沫类、藻酸盐类、水胶体类和水凝胶类敷料等。新型伤口敷料可以维持伤口的相对湿度，使伤口既不会因为水分过多而引起感染，也不会因过度干燥造成粘连，因此，新型伤口敷料促进伤口愈合的效果更理想。

2 壳聚糖水凝胶

水凝胶类伤口敷料在新型伤口敷料中的应用潜力和前景巨大。水凝胶是由亲水聚合物组成的三维立体交联网络，它在吸收和保存水分的同时，不会失去其本身的三维结构[5-7]。这种独有的三维网络结构保证创面处能够进行良好的气体和液体交换，保持创面的湿润，为创面愈合提供良好的环境；同时，水凝胶含水量在70%～90%，其作为伤口敷料不仅可为伤口处提供湿润的环境、促进肉芽组织和上皮组织形成，而且其高含水量不会造成因伤口粘连导致的二次伤害。因此，这些特性使水凝胶成为伤口敷料的热门材料。天然或合成的聚合物均可用于制备水凝胶，并呈现出不同的理化性质。目前，已有多种天然聚合物被制成水凝胶，如藻酸盐[8-9]、壳聚糖[10-11]、透明质酸[12-13]、纤维素[14-15]、淀粉[16-17]和明胶[18-19]等。

壳聚糖是制备水凝胶的理想材料之一，它是一种从甲壳动物和真菌细胞壁等提取的天然氨基多糖[20]，具有良好的生物相容性、生物降解性和广谱抗菌性，而且安全无毒，在很多领域都备受关注，如生物医药、环保、纺织、组织工程、食品及化妆品等领域[21-22]。此外，研究表明，壳聚糖具有良好的止血性能和促进伤口愈合的能力。目前，市面上已有多种以壳聚糖为原料的伤口敷料商品，如表1所示。因此，壳聚糖水凝胶被认为是一种理想的新型伤口敷料。

表1 商品壳聚糖敷料及其性能

3 壳聚糖基水凝胶及其特性

壳聚糖水凝胶是一种较为理想的新型伤口敷料，但是壳聚糖水凝胶也有许多不足之处，如生物相容性和机械强度较差、成胶时间较长、制备方法较为复杂等。通过对壳聚糖改性或者使壳聚糖与其他聚合物结合制备的壳聚糖基水凝胶能够大大改善壳聚糖水凝胶的弊端。针对不同的制备原料或者为了实现水凝胶的不同功能，应该选择不同的壳聚糖基水凝胶制备方法。部分壳聚糖基水凝胶的类型及其特性如表2所示。

表2 部分壳聚糖基水凝胶的类型及其特性

3.1 壳聚糖基水凝胶的制备方法

水凝胶的许多性质如自愈性、生物降解性、膨胀度和力学性能等都与制备方法有着密切的联系。因此，对于不同应用领域壳聚糖基水凝胶制备方法的选择具有重要意义[20]。目前，壳聚糖水凝胶的制备方法有化学交联和物理交联方法。

化学交联水凝胶是指聚合物的官能团如-OH、-COOH和-NH2，通过共价连接方式与交联剂反应而形成，交联剂是具有两种以上反应官能团的化合物，能使聚合物之间交联成键。制备壳聚糖基水凝胶最常用的交联剂为戊二醛[34]、甲醛[35]、乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)[36]和京尼平(Genipin)[37]等，这些交联剂均已被证明可以与壳聚糖发生反应；另外，通过共存光引发剂(如甲基丙烯酸酯或芳基叠氮化物改性的大分子单体)的光活化，也可以将多种天然和合成的大分子交联形成水凝胶[38]。

壳聚糖可以通过疏水作用和聚电解质络合等物理交联制备水凝胶。具有疏水性区域的聚合物可以在水性环境中通过反向热凝胶化(也称“溶胶-凝胶”化学)进行交联，疏水性链段通过聚合后接枝或直接合成嵌段共聚物的方法耦合到亲水性聚合物中，产生具有两亲性的聚合物链段。这类两亲性聚合物在低温下具有水溶性，但随着温度升高，疏水性区域聚集，最大程度地减少了与水接触的疏水性表面积。因此，发生凝胶化的温度取决于聚合物浓度、疏水嵌段长度和聚合物化学结构[39]。壳聚糖基聚电解质络合水凝胶主要是通过壳聚糖的阳离子氨基与另一种聚合物的阴离子基团之间静电相互作用形成的[40]。聚电解质络合(PEC)水凝胶是生物相容性聚合网络，其溶胀性能好，近十年在药物递送系统等研究领域备受关注。尽管物理交联能够避免化学交联剂所具有的毒性，并且通过物理交联制备的水凝胶生物相容性更好、毒性更低甚至无毒，但物理交联水凝胶的主要缺点是不稳定、机械性能较差以及孔径大小难以控制[41]。

3.2 壳聚糖基水凝胶的特性

3.2.1 抗菌性

细菌感染是伤口愈合过程的主要障碍[42]，受损组织失去保护屏障就容易受到大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和化脓链球菌等微生物的侵袭[43]。为了防止伤口感染，一般是在水凝胶中引入抗生素等抗菌剂，但这样容易产生抗生素抗性。壳聚糖抗菌广谱，其带正电荷的官能团可与带负电荷的细菌细胞膜相互作用，来破坏细胞膜导致细菌死亡[44]。Xue等制备了季铵化的壳聚糖-基质胶-聚丙烯酰胺(QCS-M-PAM)水凝胶，该水凝胶具有抗菌、粘合、止血和伤口可视化特性[45]；Xie等用LiOH/脲溶剂合成了壳聚糖水凝胶，将还原性Ag纳米颗粒掺入到壳聚糖水凝胶中，并评价了其抗菌能力及伤口愈合功效。结果表明，水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌显示出优异的抗菌功效，并且其抗菌功效随着AgNO3含量的增加而增加，同时还可以促进伤口愈合[46]。

3.2.2 抗氧化性

持续的炎症反应会导致过量的活性氧(ROS)产生，当其高于细胞的抗氧化能力时，会限制伤口的愈合。因此，必须控制伤口微环境中的ROS浓度，以克服氧化应激造成的损伤。Fu等研究发现，结合了聚多巴胺纳米颗粒(rPDA NPs)的氧化葡聚糖/壳聚糖杂化水凝胶能够保护细胞免受外部氧化应激和伤口免受感染，表现出极好的抗氧化特性，可以作为加速伤口愈合的有效敷料[47]；Zhao等开发了基于季铵化壳聚糖-g-聚苯胺(QCSP)和苯甲醛基官能化聚(乙二醇)-聚-癸二酸甘油酯(PEGS-FA)的可注射导电的自修复水凝胶，该水凝胶显示出了优异的抗菌和抗氧化活性，促进了伤口愈合[48]。

3.2.3 粘合性

水凝胶作为伤口敷料与组织整合时，粘合性能是考察标准之一。具有粘合性能的水凝胶对于伤口愈合非常重要，粘合性水凝胶通过在周围组织和水凝胶的官能团之间建立化学/物理联系来充当粘合剂、止血剂或密封剂，使各种组织粘合在一起，通过控制出血，防止气体或液体从组织泄漏来促进伤口愈合。壳聚糖基水凝胶是伤口愈合领域具有吸引力的粘合材料之一，通过对壳聚糖改性可以制备壳聚糖基粘性水凝胶，如接枝邻苯二酚基团或氢咖啡酸。Du等通过将疏水改性的壳聚糖乳酸酯与咖啡酸改性的壳聚糖整合制备了组织粘合性水凝胶，该水凝胶的高粘附性是由咖啡酸修饰的壳聚糖的反应性邻醌基团与组织的胺或硫醇基团之间的共价键介导的[49]。

3.2.4 抗炎特性

炎症反应是机体控制伤口感染的保护性反应，长期炎症反应可能会引起氧化应激，导致机体自身组织受损，良好的伤口愈合水凝胶应具有抗炎性。壳聚糖的抗炎特性是由于其结构中的带电部分能调节促炎反应。Zhang等以邻苯二酚官能化壳聚糖(CS-C)为聚合物基质、牡蛎肽微球(OPM)为填充剂、β-甘油磷酸钠(β-GP)为热敏剂，制备了热敏水凝胶CS-C/OPM/β-GP，通过小鼠皮肤创伤试验发现，该水凝胶不仅可以抑制多种炎症细胞的聚集，而且可以加速胶原纤维和伤口新血管的生成[50]。

4 壳聚糖基水凝胶在伤口敷料中的应用

壳聚糖基水凝胶能提供湿润的伤口环境，避免伤口二次感染，吸收伤口渗出液，具有良好的生物相容性，诱导伤口快速愈合，防止疤痕产生。因此，壳聚糖基水凝胶被认为是一种良好的伤口敷料。特别是改性壳聚糖和其他聚合物结合时，壳聚糖基水凝胶敷料具有更好的促进伤口愈合作用。此外，壳聚糖基水凝胶可搭载生物活性物质(药物、抗原、抗体和生长因子或干细胞等)，并在伤口处缓慢释放[51]。

4.1 壳聚糖水凝胶在伤口敷料中的应用

甘油磷酸酯(Gp)是体内天然存在的一种有机化合物，常常作为磷酸盐的来源，其静脉给药已被美国食品药品管理局(FDA)批准，主要用于治疗磷代谢失衡。以壳聚糖为基础制备的壳聚糖/β-Gp水凝胶体系具有良好的温度敏感性，且是作为伤口敷料的理想材料之一[52-53]。

Yang等制备了热敏壳聚糖/胶原蛋白/β-GP水凝胶，并将该水凝胶与三维间充质干细胞(3D MSC)球体结合，通过增强血管化和分泌细胞因子来加速慢性伤口愈合。结果表明，该水凝胶可以提供有利于包封MSC的附着和增殖的环境，尤其是加速3D MSC球体的增殖和细胞因子分泌[54]；Zhou等制备了一种人类脐带间充质干细胞条件培养基(MSC-CM)/壳聚糖/胶原/β-GP温敏水凝胶，并研究了该水凝胶对小鼠三级烧伤创面愈合的影响，结果发现，MSC-CM /壳聚糖/胶原/β-GP水凝胶的应用缩短了愈合时间，限制了炎症区域扩散，增强了再上皮化，较好地促进了血管和肉芽组织的形成，减弱了纤维化和肥厚性瘢痕组织的形成，有效促进了小鼠三级烧伤创面的愈合[55]。

4.2 改性壳聚糖基水凝胶在伤口敷料中的应用

虽然壳聚糖具有良好的生物相容性、抗菌性和止血性能等优点，但是其在pH大于6条件下溶解性很差，这大大限制了壳聚糖的应用范围和领域[56]。通过对壳聚糖进行化学改性，如羧甲基化改性和季铵化改性等，可以提高壳聚糖的溶解性、生物降解性和生物相容性，拓宽壳聚糖在生物医学领域的应用范围。

N,N,N-三甲基壳聚糖、N-琥珀酰壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和羟基丁基壳聚糖等壳聚糖衍生物已被用于制备改性壳聚糖基水凝胶[57]。N-琥珀酰壳聚糖是由酰基引入壳聚糖而形成的一种含氨基、羟基和羧基的两亲性衍生物，改性后其保水性能更优于壳聚糖，可用做伤口敷料治疗伤口愈合。Straccia等合成了含微晶纤维素的N-琥珀酰壳聚糖/海藻酸钠水凝胶，该水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌活性，并且溶胀性好，稳定性强，气液通透性高，有利于在创面床内保持湿润环境，促进创面再生和上皮化[58]；Huang等合成的羧甲基/明胶水凝胶具有良好生物相容性，能够促进细胞增殖和新生血管的生成，加快肉芽组织形成，促进再上皮化，显著促进了大鼠全层皮肤缺损伤口愈合[59]；Lim等通过对壳聚糖进行羟基丁基化改性，研制了一种负载人血小板裂解物(HPL)的热敏羟基丁基壳聚糖(HBC)热敏水凝胶，该水凝胶能够促进人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的增殖和迁移，以及新血管的形成，同时该水凝胶还能缓释生长因子，明显促进了大鼠创面愈合[60]。

4.3 负载生长因子的壳聚糖基水凝胶在伤口敷料中的应用

生长因子具有诱导细胞迁移、增殖、分化和促进细胞外基质(ECM)合成的作用[61-62]，在促进伤口愈合过程中起着至关重要的作用。然而，生长因子直接应用于创面具有一些局限性，因为伤口环境中含有丰富的蛋白水解酶，在这种环境中生长因子会迅速降解，导致生长因子半衰期短，需反复使用；另外，由于伤口基质隔离生长因子，从而导致阻碍其与细胞表面受体结合[63]。因此，壳聚糖基水凝胶作为一种理想的生长因子载体，已成为研究者们近年来关注的热点。

5 展 望

随着聚合物科学的发展，大量多功能聚合物纳米生物材料应运而生。在近几年研发的可生物降解聚合物生物材料中，壳聚糖基水凝胶因其成本低、资源可再生和生物相容性好等优良性能备受关注。虽然许多研究发现壳聚糖基水凝胶促进伤口愈合效果良好，但是壳聚糖基水凝胶也有一些缺点，如机械性能较差和成胶时间不易控制等。因此，研制理想的壳聚糖基水凝胶伤口敷料也面临着很多挑战，如一些壳聚糖基水凝胶不能完全在体内降解、许多壳聚糖基水凝胶制备原料具有一定的毒性等，所以制备安全无毒、高效的壳聚糖水凝胶伤口敷料也是研究人员重点关注的问题之一。壳聚糖基水凝胶不仅可以负载生长因子和抗菌药物等生物活性物质，而且还可以负载干细胞作为治疗大面积皮肤缺损的伤口敷料。所以，壳聚糖基水凝胶伤口敷料开发潜力巨大，应用前景十分广阔，希望研究人员能够尽快研制出安全、高效的壳聚糖基水凝胶伤口敷料，早日应用于临床。