壳聚糖纳米纤维制备及在皮肤创面修复的应用

崔聪晶 周 芳 李金强 陈韶娟 马建伟

（1.青岛大学，山东青岛，266071；2.山东服装职业学院，山东泰安，271000）

壳聚糖纳米纤维是脱乙酰化后的甲壳素及其衍生物，经静电纺丝工艺制成的超细纤维，具有很好的生物相容性、生物降解性和抗菌性能［1］。与传统的纤维生产方式相比，静电纺丝技术制备的纳米纤维具有更大的比表面积，其纤维结构可以模拟天然细胞外基质，已被广泛应用于生物医用领域［2］。

由于壳聚糖大分子较差的水溶性和较弱的力学性能，限制了壳聚糖纤维在生物医学领域的广泛应用［3］。因此，如何对壳聚糖大分子和壳聚糖纳米纤维进行改性一直是业内的研究热点。常见的壳聚糖大分子改性方法包括官能团改性和交联改性［4］。其中交联改性可分为物理交联改性和化学交联改性。官能团改性和化学交联改性都是作用于壳聚糖分子中的羟基或氨基，其中官能团改性主要是通过将亲水基团添加到壳聚糖的活性基团上，从而得到水溶性较好的羧甲基壳聚糖、烷甲基壳聚糖和壳聚糖季铵盐等壳聚糖衍生物；而壳聚糖的化学交联主要是脱乙酰壳聚糖上的氨基和羟基发生反应形成亚胺键或者酰胺键［5］，从而达到改善壳聚糖性能的目的。与以上两种交联方式不同的是，物理交联是不借用任何交联剂，主要依靠分子链之间氢键和范德华力或相互缠结来实现交联［6］。

1 壳聚糖纳米纤维制备

1.1 壳聚糖无规纳米纤维

壳聚糖静电纺纤维通常是以无序结构形式用于医学组织工程领域，但近几年，核-壳结构纳米纤维由于其具有独立显示核壳功能的作用广受研究者青睐。例如使用乳液静电纺制备聚己内酯/壳聚糖（PCL/CS）纳米纤维时［7］，可以通过调节乳液体系中CS和PCL的浓度得到不同核-壳比的PCL/CS纤维，且去除PCL壳后，可得到平均直径为（143±49）nm的中空CS纳米纤维垫。

但是随着医疗技术的进步，单一无规的壳聚糖纳米纤维垫的理化性能已无法满足组织工程领域的使用需求［8］。

1.2 壳聚糖取向纳米纤维

研究表明，取向纳米纤维可以精确控制细胞排列方向，且取向排列的纳米纤维在构建模仿天然血管和神经等各向异性结构的移植支架中发挥重要作用［9］。相比于无规纳米纤维，通过增加接收鼓转速，获得的取向结构PCL/CS纳米纤维表现出更高的模量和拉伸强度（12.0±1.4）MPa。但由于射流具有不稳定性，导致接收的纤维无论在取向度还是机械强度方面都具有较大的差异性。因此，近几年，稳定射流静电纺丝（SJES）备受科研工作者的关注。

袁卉华等［10］通过引入超高分子量PEO调节纺丝液的黏弹性，从而消除了射流弯曲不稳定，并且通过SJES技术制得了连续性的CS纤维。该种超细纤维与常规静电纺丝法制备的CS纤维相比，具有较高的取向度。NIEN Y H等［11］通过静电纺丝技术制备了取向和无规的PCL/PEO/CS超细纤维，经研究发现，取向的PCL/PEO/CS纤维具有良好的细胞活性和诱导细胞定向排列的能力。此外，通过常规SJES技术获得取向的CS纳米纤维方式还包括改变接收装置、添加辅助电场［12］、低介电常数溶剂［13］等。

2 壳聚糖的交联改性

壳聚糖静电纺纤维具有良好的生物相容性，但在酸性和高温环境下结构稳定性和力学性能较差［14］，而交联改性已成为克服生物材料局限性的最常用方法。

2.1 物理交联

物理交联主要是依靠分子链之间氢键、极性键、静电作用等物理力实现的，由于其不添加任何交联剂就能形成凝胶，因此受到诸多学者喜爱。YANG Y Y等［15］先通过氢键作用将CS整合到聚丙烯酰（PAM）中制成PAM-CS水凝胶，进而使用浸泡法将水凝胶转化成高机械混合的双网络水凝胶，该水凝胶不仅表现出较高的抗张强度（1.94 MPa～2.21 MPa）和超高的韧性，还具有自修复和抗疲劳特性。LEONHARDT E E等［16］通过质子交换和络合作用实现了CS的重新组装，制备了由β-环糊精衍生的超支化聚酯水凝胶，探究了其在复杂的多孔网络中负载和组装CS的能力。结果发现与市售可吸收的止血敷料相比，负载CS的环糊精水凝胶可显著降低失血量并缩短止血时间。

物理交联CS纤维材料的生物相容性较高，但是其无法精确控制物理凝胶的孔径、化学功能化以及降解或溶解性能，从而导致材料体内与体外性能差别大［17］，因此，在CS静电纺纤维改性中应用较少。

2.2 化学交联

化学交联改性是一种利用聚合物链之间的共价键产生永久性水凝胶网络的方法，也是最常用的CS改性方法。化学交联常用的试剂有戊二醛、京尼平、多巴胺类等。

CHEN H N等［18］采用戊 二醛为 交联剂制备了载有四环素盐酸盐（TH）的氧化藻酸盐-羧甲基壳聚糖复合凝胶敷料。该种敷料压缩模量可达到9.21 kPa，经过14天的溶胀动力学测试发现，该种凝胶敷料具有更低的溶胀比（小于41.14），而且能够使TH从敷料中持续释放，进一步增强该种敷料的抗菌性能。KIANFAR P等［19］结合静电纺丝和光交联技术制备的二苯甲酮光引发交联的CS/PEO纳米纤维毡，极大地改善了纤维毡的稳定性和耐水性，且调节静电纺丝溶液最佳的共混比（即CS/PEO为70/30），制备出的含有CS的抗水光交联纳米纤维垫在接触水后仍能保持纳米结构形态。

化学交联后的CS静电纺纤维不仅力学性能得到了很大的提高，而且赋予了CS更多的功能性。但是由于交联剂的毒性及其添加量的不可控性，容易导致交联剂残留，从而影响纤维成型及其应用领域［20］。

2.3 离子交联

与化学交联的试剂相比，应用于离子交联的试剂如单宁酸（TA）、三聚磷酸钠（TPP）、磷酸甘油（GP）和柠檬酸（CA）等，大多价格较为低廉，毒性较小，对于环境污染较小［21］。

TA是一种天然多酚化合物，具有抗肿瘤、抗氧化剂和抗菌活性等生物学特性。LAN G Q等［22］采用TA为交联剂制备了壳聚糖（CS）/明胶海绵（CG），该种海绵没有明显的细胞毒性，而且兔皮下移植6周后，几乎完全降解，促进新生血管和组织修复。HUANG J等［23］采用CS、N-（2-羟丙基）-3-三甲基铵壳聚糖氯化物和TA为原料，制备了一种层层组装（LBL）聚电解质膜。结果表明，多层CS/TA的抗张强度约为8.82 MPa，比没有LBL结构的纤维膜抗张强度提高4.40 MPa，且亲水性得到了一定的改善。

在用于离子交联的试剂中，TPP由于具有毒性低且价格低廉的优势，受到诸多研究者的喜爱。OUYANG Q Q等［24］以TPP为 交 联 剂 制 备的CS和罗非鱼胶原肽复合止血海绵，不仅能够促进血小板黏附、加速血液凝固，而且还能促进纤维蛋白原向纤维蛋白的转变。RAO F等［25］采用TPP为交联剂制备了定向排列的CS纳米纤维水凝胶，结果发现该纤维水凝胶能够调节雪旺细胞的定向生长，并且发现其弹性模量接近神经组织的弹性模量，满足神经组织修复的基本力学条件。

3 改性CS纳米纤维的应用

3.1 抗菌纤维

细菌感染是皮肤创面中最常见的疾病之一，严重影响人类生活质量，威胁人类健康。研究发现CS本身具有潜在的抗菌性能，是抗菌纤维的理想材料之一［26］。CS纳米纤维的抗菌机制尚未探索完全，但其主要抗菌机制为壳聚糖中的氨基、分子构象、小壳聚糖低聚物的释放，以及在细菌周围形成的壳聚糖层［27］。考虑到壳聚糖有限的抗菌性能，常将其与抗菌物质进行共同使用。

RIEGER K A等［28］制备了包载肉桂醛（CA）的CS静电纺纳米纤维膜。该种CS纳米纤维的直径约50 nm，对大肠杆菌的抑菌率接近100%，对铜绿假单胞菌的抑菌率约为81%。DAI F F等［29］通过电喷技术将CS-TiO2微粒层层固定在聚乳酸（PLA）静电纺纤维垫上，发现当TiO2含量为1.5%时，PLA/CS-TiO2纤维的抗菌效果最高，约95%，且第5天时的细胞活力高达95%。

3.2 止血敷料

止血治疗是创面愈合的重要阶段之一。研究发现，通过加速血红细胞聚集，CS止血试剂可在较短的时间内抑制出血，减少外科手术中的失血量［30］。

GAO Z F等［31］通过静电纺丝制备了一种具备抗菌止血功能的皮肤创面敷料。该种敷料是PCL/季铵化硅（PQS）作为外层，聚乙烯醇/胶原/季铵化壳聚糖（PCQC）作为内层的双层纳米纤维膜（PQCQS）。既利用了季铵化硅的抗菌性能，抑制瘢痕形成，又利用了PCQC良好的生物相容性和止血作用，进而促进创面愈合。通过对兔血的体外溶血和凝血测试发现，相较于纳米纤维膜创面敷料溶血率（小于5%），PQCQS的溶血率最低，为（2.115±0.597）%；PQCQS纳米 纤 维 膜［凝血指数（35.97±15.35）%］的凝血能力明显优于其他对照样［凝血指数≥（84.69±2.51）%］；凝血指数越高，凝血能力越差。SASMAL P等［32］以PVA和CS为原材料，通过静电纺技术制备了含有抗纤溶剂氨甲环酸的抗菌止血贴剂。与对照组的凝血时间（约253 s）相比，该种止血贴的血液凝结时间更短（小于210 s），且具有良好的血液相容性和抗生物膜形成的特性。

3.3 促血管化

深度烧伤等慢性溃疡创面愈合过程中，慢性炎症和血管生成不足，导致愈合困难、癜痕组织增生，给患者带来巨大的心理负担。研发具有抗炎和促进血管生成的纤维材料，有望加速伤口愈合和 组 织 再 生。GNIESMER S等［33］通 过 比 较Biomerix公司一种商用的多孔聚氨酯基支架与壳聚糖移植聚己内酯涂层静电纺PCL（CS-g-PCL）纤维垫在体内的效果，发现与多孔聚合物补片和未涂覆PCL纤维垫相比，CS-g-PCL纤维垫在第14天血管化显著增加。此外，CS-g-PCL纤维垫也显示出免疫细胞活化降低。表明CS-g-PCL改善了血管化组织的形成和细胞向静电纺丝PCL支架的生长。CHEN Q C等［34］通过定向静电纺丝工艺制备的掺杂CS-PVA三层纳米纤维膜，不仅提供了更合适细胞生长的微环境，还能上调成纤维细胞生长因子和转换生长因子，下调炎性细胞因子，具有抗菌和促进组织再生的作用。

3.4 免疫调控

CS在降低炎性反应和调控机体免疫方面发挥重要作用。如针对聚（丙交酯-乙交酯）（PLGA）酸性降解物质在体内引发炎症这一问题，SHEN Y B等［35］提出了“中性纤维”的概念，并开发了具有酸中和能力的CS/PLGA定向壳核结构纤维，利用具有碱性的CS中和酸性环境，从而减轻了由PLGA的酸性降解产物引起的炎症反应。QIAO J等［36］制备的甲壳质可生物降解疝气贴片，可有效抑制TNF-α和IL-6等炎症因子过度分泌。且随着甲壳质膜片的生物降解，无明显的并发症或疝气发生，而且在体内植入120天后，膜片的抗张强度仍然可以达到16 N/cm。

4 展望

交联改性是提高壳聚糖纳米纤维机械性能一种简单有效的方法，且制备的壳聚糖纤维可广泛用于皮肤创面修复，拓宽了其在生物材料领域的应用范围。但是，仍然面临一些亟需解决的问题。壳聚糖纳米纤维具有抗菌和缓解炎症反应的作用，但其抗炎和免疫调节的分子机制尚不完全清楚；如何选择和控制交联剂类型和剂量，在改善纤维力学性能的同时，保证移植材料具有良好的体外和体内生物相容性等，这些都需要进一步探索和完善。