壳聚糖为基质伤口敷料的研究进展

李玲,王蕾

(1.湖南科技学院 化学与生物工程学院,湖南 永州 425199;2.海南热带海洋学院 理学院,海南 三亚 572022)

皮肤伤口治疗是病人经手术,烧伤,机械损伤和糖尿病等并发症后面临的非常重要的一种治疗。2015年,中国伤口敷料5大类的出口额为14.77亿美元,世界伤口敷料出口总额的20.87%是中国伤口敷料。德国、美国、英国等欧美发达国家为全球伤口敷料出口的前几位,我国伤口敷料的出口还有较大的发展空间。2016年8月8日,国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》。新规划重点部署创新药物开发、医疗器械国产化等任务。医用伤口敷料属于医疗器械中非常重要的部分,研究与开发新型伤口敷料具有重大的意义。

除感染和瘢痕之外,伤口愈合过程周期较长并且复杂,大致分为三个阶段。整个过程中,伤口敷料发挥着至关重要的作用。首先,炎症期首要的是止血,目前研究较多的多糖类止血材料主要有纤维素类、壳聚糖类、海藻酸盐、透明质酸等[1]。其中,壳聚糖可以促进凝血和血栓的形成[2-3],2002年,壳聚糖基止血材料HemCon通过了美国FDA的审批,并且受到军方的青睐,很快地被制备并应用于伊拉克战场上[4]。其次,增生期主要是伤口的抑菌和新血管以及肉芽组织的形成,此过程中抑菌活性物质和生长因子发挥关键的作用。壳聚糖的抑菌活性较为明显,尤其是改性之后的衍生物。生长因子种类较多,与伤口愈合相关的有表皮细胞生长因子、血管内皮生长因子和成纤维细胞生长因子等,其中表皮细胞生长因子使得内皮细胞、成纤维细胞和上皮细胞快速增殖,可促进纤连蛋白合成、血管生成、纤维组织增生和胶原酶活性。创伤后,表皮细胞生长因子的大量表达有助于伤口的早期上皮细胞增殖[5-8]。最后,瘢痕形成修复期主要包含伤口紧缩和上皮形成,其间上皮细胞沿着肉芽组织爬行,要保证平整润滑的肉芽表面,这就要求保持创口表面湿润的环境。瘢痕的形成通常是因为伤口感染,皮脂不能有效保护新愈合皮肤和毛细血管缺少氧气[9-10]。因此,伤口形成之后,应该立即用敷料进行覆盖,快速止血,保证伤口处适度潮湿的环境,活性因子加快细胞的再生,抑制感染,减缓疼痛,准许气体交换和除掉大量的排出物,减少瘢痕,从而快速形成近似正常的皮肤[11]。

1 壳聚糖概述

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰产物,是自然界中一种碱性氨基多糖,甲壳素是可以再生的生物大分子物质,在自然界中广泛存在,是自然界中存在的数量仅次于纤维素的第二大有机物,估计每年的生物合成量达100亿t[12]。在以前的研究中,壳聚糖是一种来源广泛、价格低廉、生物低毒性、细胞相容性、可降解性、抑菌的阳离子多糖[13],并以多种形式用于伤口愈合[14],在生物医药和组织工程领域具有较好的应用前景[15]。壳聚糖为基质的敷料用于伤口愈合,常见的类型有水凝胶类[16-17]、薄膜类、纳米纤维类、支架类和海绵类等。本文综述了以壳聚糖为基质的水凝胶类、薄膜类、纳米纤维类、海绵类、支架类促伤口愈合敷料。

2 壳聚糖用于水凝胶类敷料

随着湿润伤口愈合的概念不断发展,水凝胶类的伤口敷料表现出明显的优势[14,18]。水凝胶可以保持伤口湿润,利于伤口部位气体交换[19],激活伤口的生物学活性,促进细胞的增殖、渗透和形成血管,对组织再建和伤口愈合具有较好的活性[20-21]。目前水凝胶类的伤口敷料发展方向为制备可注射并自我修复的水凝胶敷料,从而满足一些不规则伤口的用药[22-23],武汉大学的Deng等制备了腺嘌呤修饰的壳聚糖水凝胶(AC)[24],显示了良好的可注射和自我修复的性质。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌类细菌及白色念珠菌类真菌处理2 h之后,致死率分别为95.3%,97.4%和100%,对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(耐药菌)处理2 h之后致死率高达98.1%。因腺嘌呤可以保护血细胞,AC水凝胶血液相容性较好,并且具有近似于止血海绵的活性。并且AC水凝胶具有促进皮肤切口愈合的作用。组织学分析和免疫组化染色显示,AC水凝胶处理后创面炎症细胞减少,血管、胶原和上皮组织再生加快。因此,AC 水凝胶用于伤口愈合具有很大的潜力。

Hu等[25]制备了羧甲基壳聚糖(CMC)结合海藻酸(ALG)双交联水凝胶,鳌合Ca2+并负载表皮生长因子(EGF)用于伤口愈合,研究表明当CMC:ALG:Ca2+的质量比为100∶4∶1.6时水凝胶具有最优的应变力;交联水凝胶载体可以缓释EGF,发挥更优的促生长活性;水凝胶对正常小鼠成纤维细胞几乎没有毒性,并且不会引发溶血反应;水凝胶负载EGF可以明显地促进伤口愈合,处理伤口之后,伤口部位出现新生的卵泡,皮脂腺和松散的角质层。

Wang等制备了功能化氧化石墨烯偶联壳聚糖水凝胶[26],具有优良的拉应力和压应力;明显降低了壳聚糖水凝胶的孔径;生物相容性较好,有利于黏附和增殖成纤维细胞;并且显著加速创面愈合,功能化氧化石墨烯偶联壳聚糖水凝胶处理伤口21 d后的愈合率是92.2%,出现大量的肉芽组织和胶原纤维细胞。

Fatemeh等人合成了富含血小板纤维蛋白壳聚糖水凝胶(Gel-CH/CH-PRF)用于大鼠伤口愈合研究[27],壳聚糖明胶水凝胶包裹富含血小板纤维蛋白的壳聚糖纳米颗粒,使其具有良好的溶胀性能、良好的孔隙率、适当的比表面积、较高的创面分泌物吸收率和适当的蒸汽渗透率;结果显示其显著的抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,并具有良好的抗氧化性能;Gel-CH/CH-PRF处理富伤口12 d后,伤口完全愈合,明显优于对照组,并且形成了大量新的肉芽组织。

北京理工大学的Zhao等制备了氧化海藻酸钠/羧甲基壳聚糖/Ag纳米粒水凝胶[28],扫描电子显微镜(SEM)图像显示水凝胶具有孔径均一的多孔结构,对创面分泌物具有良好的吸收性能;水凝胶具有适宜的黏度使其可以填充在任何模型的伤口,并具有自愈合性能;水凝胶具有良好的细胞相容性,几乎没有溶血影响,并且不会抑制L929细胞生长;水凝胶中的Ag+具有一定的抑菌活性;这些优良性质使水凝胶明显增强了电反应细胞活性,在深层伤口治疗中显示出显著的协同作用,并且水凝胶处理伤口14 d后上皮组织完全再生,胶原纤维清晰有序,胶原蛋白和血管分布相同于未受伤的皮肤。

3 壳聚糖用于薄膜类敷料

薄膜是伤口愈合的候选材料。其具有良好的生物可吸收性、黏附性和柔韧性[29]。并且薄膜具有适宜的强度,可以控制药物的释放[30-31]。壳聚糖薄膜比较薄并且弹性较好,可通过吸收伤口渗出物而迅速水化,在创面形成水凝胶[32]。

Yang等人的团队合成了壳聚糖/透明质酸/普鲁多糖复合薄膜用于伤口愈合[33-34],SEM图像显示薄膜具有三维腔体结构,能吸收大量的液体,有效地维持创面湿润环境;薄膜溶血率仅为2.5%,对正常皮肤安全;薄膜对革兰氏阴性菌具有良好的抑制活性;薄膜处理伤口21 d后完全愈合,相对市售创可贴具有更好的促伤口愈合活性;组织切片结果显示薄膜组处理伤口21 d之后,创口表面形成完整的表皮层,接近于正常的表皮形态,说明薄膜可以有效地避免疤痕。

由于天然聚合物机械强度不够,Panchal等采用溶剂铸造法制备了壳聚糖-聚乙烯醇-吉尼平交联薄膜[35],交联薄膜的抗拉伸强度提高了67.2%,使其更适用于一些不可避免被磨损的伤口;交联薄膜具有优良的吸水性能,并且吸水之后形态稳定,没有破裂的迹象;交联薄膜处理伤口18 d之后,创面的愈合率达到95%,成纤维细胞和血管生成率明显优于对照组。

Ahmady等选用电喷雾法准备负载百里酚的海藻酸盐微粒,并将其纳入壳聚糖-明胶薄膜中制备复合膜[36],复合薄膜的24 h吸水率受亲水性的海藻酸盐和疏水性的百里酚共同影响为161.75%,而释放实验数据显示百里酚在20 h内持续不断释放,所以复合薄膜的吸水率可能会进一步增加,并且复合薄膜在168 h内缓释百里酚保证了其在伤口部位7 d内百里酚的持续供应;复合膜在24 h对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率分别为50%和99%,具有长期抑菌的倾向,并且具有良好的细胞相容性,对L929细胞无毒性;复合膜处理伤口21 d后,伤口几乎完全愈合,组织切片实验显示复合膜可显著促进皮肤上皮化、胶原沉积和诱导皮肤再生。

D’souza等制备了聚乙烯醇/壳聚糖/白芨茎提取物复合薄膜用于伤口愈合敷料的研究[37],SEM图像结果显示白芨茎提取物的加入可以增加复合膜的相容性,薄膜光滑均匀,具有更好的柔韧性;复合膜的水蒸气透过率为46.42～78.95 g/(m2·h),对照伤口皮肤水蒸气透过率需求来看,满足水蒸气透过需求;复合膜能有效地抑制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的生长;复合膜对蛋白质变性的抑制率为81.5%,具有优良的抗炎活性,并且复合膜显示了良好的细胞相容性和无毒性;伤口愈合结果显示创面愈合明显(96.5%),黏附明显。

4 壳聚糖用于纳米纤维类敷料

纳米纤维在伤口愈合领域具有很好的应用前景,纤维结构不仅允许简单地添加生物活性化合物,并且结构类似于生物体细胞外基质的天然纳米结构,因此为伤口部位提供3D的环境,非常利于细胞的生长和增殖[38-39]。壳聚糖纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率和多尺度孔径分布等特点,另外壳聚糖纳米纤维是随机排列的纤维结构,可以通过物理化学等方法进一步交联,提供良好的吸水性,稳定性,力学性能和生物相容性[40]。

Kharat等制备了壳聚糖/聚氧乙烯静电纺纳米纤维负载金盏菊提取物用于伤口愈合的研究[41],随着纳米纤维中金盏菊提取物浓度的增加,其直径逐渐降低,这将有利于增加比表面积,增加与细胞的接触;加入金盏菊提取物明显降低了纤维之间的缠绕,纳米纤维的延展性显著增强,使其更趋向于正常皮肤的性能;因为金盏菊提取物亲水性的多酚结构,壳聚糖/聚氧乙烯/金盏菊提取物纳米纤维的吸水率为151.6%,与水的接触角仅为29.2°;纳米纤维明显地抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,并且具有良好的组织相容性;在处理伤口14 d之后,伤口闭合指数为87.5%,伤口部位形成新的上皮组织,并且类似于正常的皮肤结构。

Wang等制备了壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维负载硝普钠掺杂普鲁士蓝纳米颗粒和I型胶原蛋白释放一氧化氮(NO)用于大鼠伤口愈合[42],结果显示纳米纤维不会抑制L929细胞的生长,并且NO的释放可能会促进纤维细胞的增殖;由于壳聚糖和聚乙烯醇的亲水基团的存在,纳米纤维几乎没有溶血性能;红外照射纳米纤维之后能有效地杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌;复合纳米纤维和红外照射共同处理伤口部位10 d之后,创面愈合接近100%,具有优异的促伤口愈合活性,并且创面形成新的皮肤类似于正常皮肤,且伤口处理未对正常组织和器官产生急性毒性。

Naeimi等制备了壳聚糖/聚乙烯醇负载蜂蜜和荆芥纳米纤维用于促进烧伤部位伤口愈合[43],蜂蜜和荆芥增强了纳米纤维的抗氧化和抑菌的活性;创面闭合率实验显示符合纳米纤维的伤口闭合率明显高于对照组,并且未出现临床用伤口抑菌剂磺胺嘧啶银的不良副作用;在复合纳米纤维处理伤口21 d之后,处于增殖期的伤口出现高密度新生血管,肉芽形成和胶原蛋白沉积,纳米纤维类似于细胞外基质的形态赋予了其促进细胞黏附、迁移和增殖的活性。

Tien等采用高通量溶液吹丝法制备了高脱乙酰度壳聚糖纳米纤维用于促进伤口愈合[44],在纳米纤维中加入聚环氧乙烷增加了纳米纤维的直径,随后溶解除去聚环氧乙烷增强壳聚糖纳米纤维的机械强度;纳米纤维具有良好的抗拉伸强度满足伤口敷料的需求;细胞外细胞实验显示壳聚糖纳米纤维几乎没有毒性,并且有高度的细胞相容性;在细胞培养基中优良的分泌创面愈合相关蛋白,是一种很有前途的创面愈合敷料。

Li等从美洲大蠊提取残余物中提取不同分子量的壳聚糖,并制备了壳聚糖/聚乙烯醇/聚氧乙烯纳米纤维用于伤口愈合的研究[45],SEM图像显示纳米纤维直径小且均匀,壳聚糖、聚乙烯醇、聚氧乙烯的质量比例为1.5∶6.0∶0.5时达到最优值;聚氧乙烯的加入会增强聚合物之间的氢键相互作用,抗拉伸强度为18.3 MPa,断裂拉伸率为29.6%,满足伤口敷料的要求;纳米纤维孵育大肠杆菌和金黄色葡萄球菌12 h之后几乎完全抑制细菌生长,抑菌效果显著;纳米纤维处理大鼠伤口12 d之后,伤口几乎完全愈合,伤口组织出现成纤维细胞增生,胶原沉积,毛囊和皮脂腺再生,具有类似正常皮肤的结构。

5 壳聚糖用于其他类敷料

壳聚糖类的伤口敷料结构除了上述的水凝胶类、薄膜类、纳米纤维类之外,还有一些其他形态的敷料,例如海绵类、支架类等。

暨南大学的陈洁等制备了羧甲基壳聚糖/氧化葡甘聚糖/三七总皂苷复合海绵用于伤口愈合[46],复合海绵孔隙分布均匀饱满,便于三七皂苷的附着;三七皂苷的亲水性明显增加了复合海绵的吸水性和蒸汽透过率;表皮成纤维细胞黏附在海绵上,附着3 d的增殖率高达95%;复合海绵显著地抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长,说明其作为伤口愈合材料具有一定的潜力。高文彪等报道了胶原/壳聚糖止血敷料以支架形态做医用材料[47],胶原/壳聚糖具有优良的止血性能,明显地促进伤口愈合,并可以防止术后的粘连。

6 结论

壳聚糖是具有良好生物活性的碱性多糖,促使其一直以来在伤口敷料领域占据着重要的位置。壳聚糖上活性基团氨基和羟基的存在保证了其可以进行多种形式的修饰改造从而展现出不同的形态。目前用于伤口愈合的敷料常见的有水凝胶,薄膜,纳米纤维,海绵,支架等类型,壳聚糖经过改造均可以制备出相应形态的伤口敷料,显示出优良的形态,抑菌活性和促伤口愈合活性。但是各种类型的敷料并非完美的伤口敷料,水凝胶类伤口敷料中含有一定的液体,所以对大量的伤口渗出物不能及时有效的吸收,不利于伤口快速愈合。薄膜类伤口敷料通常易脆,机械强度不够,不利于均匀稳定地敷在创面部位。纳米纤维因其巨大的比表面积,与伤口部位的成纤维细胞接触很多,可能会导致伤口的粘连。因此,上述几种类型的壳聚糖伤口敷料需要进一步改进和优化,来满足伤口愈合过程的各项要求。