生物水凝胶促进慢性创面皮肤再生的研究进展

张素珊 何云帆 鲁峰

皮肤创面在正常生理条件下，将在受伤后的3个月内，解剖学和功能上完全愈合再生。任何一个愈合阶段的延迟都会变成慢性创面，多种分子和细胞信号通路之间的共同作用对正常伤口愈合过程至关重要。任何外在因素的影响都会导致愈合的异常，由于人口老龄化和肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的增加，在组织自我修复能力失效时，创面护理和管理的需求随着时间的推移而增加对慢性创面愈合的重视[1]。与急性创面相比，慢性创面通常停留在炎症期，难以上皮化以及血管生成受损，导致创面反复细菌感染，难以有序愈合，阻碍组织再生和减慢愈合并形成瘢痕[2-3]，并可能危及生命。治疗慢性创面的方法有很多，传统常用的方法有清创、高压氧、电磁超声、负压、皮片/皮瓣移植等。传统方法无法综合解决慢性创面复杂的临床问题，亟需更多新型有效的促进慢性创面愈合的治疗手段。生物水凝胶是最具发展前景的生物材料之一，具有可调节的功能特性如生物相容性和降解性、黏附性、血管化潜力，以及抗菌、抗炎和促血管生成的特性，并且其微观结构与天然细胞外基质(extracellular matrix,ECM)结构非常相似，能提供湿润的空间环境，为创面愈合带来良好的微环境。

一、慢性创面的发生机制

在皮肤破损后，急性创面是一种常见的生理过程，有序地经历止血、炎症、增殖和重塑4个不同的皮肤再生阶段，而慢性创面的特征通常是长时间和异常的炎症期。在正常创面愈合过程中，中性粒细胞首先到达创面位置，释放活性氧(reactive oxygen species，ROS)和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)，以防止微生物污染并清理创面碎片，中性粒细胞逐渐减少后，单核细胞的出现分化为巨噬细胞，从而继续进行吞噬和消灭剩余的中性粒细胞。M1巨噬细胞调节促炎细胞因子，如白介素(interleukins-1，IL-1)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNFα)，M1型巨噬细胞会转化为M2型巨噬细胞，并招募成纤维细胞、内皮细胞和角质形成细胞来重建受损的血管。当慢性创面因溃疡性皮肤损伤，如静脉性腿溃疡、动脉溃疡、糖尿病足溃疡和压疮等等延长炎症期时[4]，微环境内IL-1的增加与促炎细胞因子相关的细胞发生作用，抑制单核细胞分化为巨噬细胞，表现在M1/M2型巨噬细胞比例中的以M1促炎型巨噬细胞为主导[5]，并与上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞和干细胞之间的通信存在异常，导致创面无法充分进行上皮化[6]；多核中性粒细胞表现出浸润和跨内皮细胞迁移、募集和趋化能力缺陷以及ROS产生增加，加剧了组织成分的降解，使创面抗菌能力降低[7]；MMPs大量产生与金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)失去平衡，快速降解ECM[8]，阻碍血管生成和组织氧合，新血管的缺乏会减少氧黏和营养的供应，从而阻碍创面愈合。由于上述炎症环境，成纤维细胞无法对生长因子和炎症细胞因子做出免疫反应[9]，细胞和分子上的异常阻碍了ECM的重塑和肉芽组织的形成，抑制了慢性创面的愈合。

二、生物水凝胶简介

水凝胶作为一种三维网状结构的亲水性材料，按照来源可分为人工合成聚合物水凝胶、天然生物聚合物水凝胶和杂化水凝胶。生物水凝胶主要分为多糖和蛋白质，多糖有透明质酸、藻酸、纤维素、甲壳素和壳聚糖，蛋白质包括胶原蛋白、明胶和溶菌酶等[10]。多糖和蛋白质是最主要的天然聚合物之一，具有生物相容性，易于从自然资源中提取。多糖具有丰富的官能团，如羟基、羧基、胺基等，具有广泛的化学修饰作用，并具有较高的保水性。水凝胶的致密网孔结构能防止细菌到达创面，也能高效运载生物活性分子到达创面，良好的生物黏附性能发挥抗菌、清创以及促进组织再生的作用。其网络结构在水介质中能广泛膨胀有利于吸收创面渗出液 ，促进成纤维细胞增殖和角质形成细胞迁移，这是创面再上皮化的关键。在结构和组成与ECM相似，含水量高达70%～90%，能促进细胞黏附、增殖和组织修复再生，水凝胶比许多合成生物材料更接近活体组织[11]。而生物降解性使成纤维细胞增殖、再上皮化和促血管化以及慢性创面重塑过程中提供了临时支架。由于慢性创面的延迟愈合会增加感染的风险，抗菌水凝胶可用于预防感染，抗炎水凝胶可加快创面愈合过程，促进创面从炎症期推进增殖期[12]。促血管生成水凝胶可以刺激血管生成，将所需的营养和氧气输送到创面加速再生。载有生物活性和药物的水凝胶可根据环境刺激提供可控和持续的释放，面对慢性创面的挑战，生物水凝胶作为支架，促进再上皮化，减少炎症，加速愈合，防止瘢痕形成并促进皮肤再生。

三、抗菌生物水凝胶在慢性创面中的应用

皮肤屏障因外界因素破坏后，可能会延长创面愈合的过程，甚至造成慢性创面和更严重的继发性感染。因此，研究和开发在临床与皮肤组织完美贴合、防止细菌入侵的创面修复材具有重要意义。目前已经开发出多种制备抗菌水凝胶的方法，包括在水凝胶中携带抗生素、抗菌药物、金属纳米颗粒等抗菌物质，以及通过改变物理或化学交联方式将抗菌作用带入水凝胶网络。而无耐药性抗菌分子的开发和相应抗菌水凝胶的构建将是未来皮肤再生研究的重点。Masood等[13]用乙二醇和壳聚糖溶液还原硝酸银溶液，将银离子转化为纳米银，并用戊二醛作为交联剂制备水凝胶，水凝胶的银离子释放缓慢而连续，提高了抗菌和抗氧化性能[14]。Xue等[15]将透明质酸与乙二胺四乙酸(ethylenedi- aminetetraacetic acid，EDTA)-铁离子络合物结合，制备出具有抗菌性能和自愈性能的水凝胶。铁离子不仅是一种物理交联剂，而且是一种无毒的抗菌物质。水凝胶在遇到细菌分泌的透明质酸酶后降解，释放出的铁离子络合物被细菌吸收后被过氧化氢还原为亚铁离子，羟基自由基的产生破坏细菌蛋白质和核酸，从而实现铁离子高效缓释的抗菌性能[16]。有研究发现，一种酚类的、无细胞毒性的天然植物提取物——单宁酸(tannic acid，TA)是通过附着在细菌上，抑制糖和氨基酸的吸收，并干扰它们的新陈代谢而起作用，有学者通过TA改变了水凝胶的结构，提出了双层水凝胶[17]，该水凝胶具有优异的黏附性、自愈合性、抗菌性和抗氧化性，成为一种具有极大优势的多功能抗菌水凝胶。Wang等[18]受天然ECM的成分和结构启发，开发了对环境响应的糖肽复合水凝胶，使巨噬细胞极化为M2表型，并能有效对抗革兰阴性和阳性细菌。还能对付难治性的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，糖肽水凝胶通过协调M2型巨噬细胞作出再生响应，能减轻炎症并促进血管生成，加速了皮肤的重建。

四、抗炎生物水凝胶在慢性创面中的应用

在慢性创面中，持续高水平的促炎因子是抑制创面愈合的重要因素。抗炎水凝胶固有的抗炎特性可促进巨噬细胞极化，减少促炎因子表达，并降低ROS水平，使创面从炎症期过渡到增殖期，促进组织再生。例如，壳聚糖及其衍生物可以通过转录生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)和IL-1的分泌来调节炎症过程，有助于加速血管生成、成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成。加入抗炎药物可直接增强水凝胶的抗炎性能[19]。Zhang等[20]将抗炎中药甘草酸掺入丝素蛋白(silk fibroin，SF)水凝胶和银进行化学交联，SF可通过调节细胞外基质沉积、触发细胞增殖和迁移、加速上皮化和肉芽组织的形成来加速皮肤再生，其高含水量和对小分子优异的透过性和扩散性结合银的抗菌活性，增强了水凝胶的抗炎特性并加速了创面再生。而在磁场的调节下，添加了磁性纳米颗粒的胶原水凝胶可以调节被包裹的巨噬细胞的极化，诱导其中巨噬细胞由M1向M2转化[21]。Zhang等制备了负载脐带干细胞因子(stem cell factor，SCF)的胶原蛋白/聚乙二醇水凝胶。与非细胞因子水凝胶相比，胶原蛋白/聚乙二醇水凝胶可以抑制促炎细胞因子TNF-a表达并促进巨噬细胞向M2表型极化[22]。一款新型的含有生物陶瓷的水凝胶在慢性创面应用中也具有抗炎活性。明胶/聚己内酯纳米纤维封装的生物陶瓷颗粒中控制硅离子的释放而减轻炎症，同时增加了血管生成、胶原沉积和再上皮细胞形成[23]。一种由绿茶叶中分离得到的儿茶素类成分，表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate，EGCG)成为近年来创面研究领域的热点[24]，其具有抗炎和抗氧化活性，且能调节巨噬细胞极化，添加了EGCG的水凝胶已被证明具有良好的机械强度、适度的组织黏附性和抗炎能力[25]。

五、抗氧化生物水凝胶在慢性创面中的应用

ROS大量聚集是慢性创面迁延不愈的另一重要因素。过量的ROS高于细胞的抗氧化能力，引起氧化应激限制信号调节基因表达，对细胞活性和生长因子造成重大影响，损害慢性伤口的血管生成，从而阻碍愈合过程[26]。维持低浓度ROS使炎症阶段过渡到增殖阶段对皮肤再生至关重要。抗氧化水凝胶的出现为改善慢性创面的氧化水平带来新的希望。为了增强明胶的生物矿化和抗氧化性能，Zhang等[27]合成了多巴胺修饰的明胶(Gel-DA)。通过将Gel-DA与瓜尔豆胶复合构建了Gel-DA@Ag/GG水凝胶。与未改性明胶相比，Gel-DA表现出良好的抗氧化活性。由于水凝胶具有高含量透明质酸和硫醚修饰的特性，不仅促进巨噬细胞表型向抗炎M2型转化，而且具有高效的ROS清除能力。通过自由基聚合反应制备的热响应性生物材料，基于抗氧化的柠檬酸盐合成聚柠檬酸乙二醇酯-共-N-异丙基丙烯酰胺(polyethylene glycolcitrate-co-N-isopropylacrylamide，PPCN)为载体的基质细胞衍生因子局部持续释放，达到预期的抗氧化和促进新生血管的功能[28]。为改善慢性创面的供氧不足和ROS含量高的问题，Wang等[29]将二氧化锰纳米酶片引入ε-聚赖氨酸水凝胶网络中，催化内源性ROS分解生成氧缓解局部氧化应激水平，在慢性创面应用中表现出强大的抗氧化作用。

六、促血管生成的生物水凝胶在慢性创面中的应用研究

血管是血液和组织之间物质交换的主要场所。在创面修复过程中，促进营养输送和氧交换的血管再生对于皮肤再生至关重要，纤维蛋白不仅可以促进内皮细胞的瘢附，还可以诱导损伤部位的血管形成。Hsieh等[30]采用乙二醇改性的壳聚糖、苯甲醛封端的聚乙二醇和纤维蛋白制备水凝胶，可以增加血管内皮细胞的数量并产生更多的血管分支。除了水凝胶材料本身作用外，携带生长因子的水凝胶也显示出血管化作用。Wang等[31]使用β-环糊精、葡聚糖和透明质酸制备含有白藜芦醇和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的水凝胶，用于烧伤伤口愈合。VEGF可诱导炎症细胞到损伤部位，刺激内皮细胞增殖和迁移，从而促进伤口上皮再生。还有研究人员开发了一种把两种趋化因子原位聚合交联在明胶-羟苯基丙酸水凝胶中的策略，水凝胶释放的IL-8和巨噬细胞炎症蛋白-3α募集内皮细胞，增强新血管形成以促进修复[32]。生物活性离子也具有刺激或激活血管生成的能力，基于温泉浴疗法，由于温泉浴富含矿物质，在热刺激下提供促血管生成的治疗效果。Sheng等[33]制备了一种用于慢性创面促血管生成的水凝胶敷料，由N,O -羧甲基壳聚糖(N,O-carboxymethyl chitosan，NOCS)和铁云石组成，含生物陶瓷的亚铁和硅酸盐离子。在光热效应的温和热刺激下，生物活性离子从NOCS水凝胶中释放到创面床，在小鼠全层皮肤的慢性创面中，激活了多种血管生成因子和信号通路，促进了血管生成和皮肤再生。对慢性创面患者而言，重建皮肤附属物是皮肤结构和功能再生的挑战。硫化氢一直被认为对血管生成有内源性调节作用，在烧伤创面和胃溃疡愈合具有积极作用，Nazarnezhada等[34]构建了海藻酸盐结合0.5%的硫化氢水凝胶处理创面后，不仅促进新血管生成和上皮化，大鼠全层皮肤、毛囊和皮脂腺也有显着的再生效果。

七、总结和展望

生物水凝胶的探索和开发可以基于免疫调节可重建皮肤和改善恶化的病理环境，包括感染糖尿病和缺血的创面，有效促进修复组织，探讨基于载有生物活性因子和药物的水凝胶作研究，掌握复合水凝胶的生物降解性和相容性，对水凝胶敷料的性能进行改性，讨论由免疫通路调控对皮肤病理组织结构重建，以体内促进缓解有害炎症，最大限度的发挥水凝胶对组织的修复再生能力，促进血管生成使皮肤再生。慢性创面被损伤的毛囊、汗腺等皮肤附属物的再生功能恢复方面需进行更多研究，预计多功能水凝胶将加速皮肤再生的研究进展，应用于治疗慢性创面。