殼聚糖為基質傷口敷料的研究進展

李玲,王蕾

(1.湖南科技學院 化學與生物工程學院,湖南 永州 425199;2.海南熱帶海洋學院 理學院,海南 三亞 572022)

皮膚傷口治療是病人經手術,燒傷,機械損傷和糖尿病等并發癥后面臨的非常重要的一種治療。2015年,中國傷口敷料5大類的出口額為14.77億美元,世界傷口敷料出口總額的20.87%是中國傷口敷料。德國、美國、英國等歐美發達國家為全球傷口敷料出口的前幾位,我國傷口敷料的出口還有較大的發展空間。2016年8月8日,國務院印發了《“十三五”國家科技創新規劃》。新規劃重點部署創新藥物開發、醫療器械國產化等任務。醫用傷口敷料屬于醫療器械中非常重要的部分,研究與開發新型傷口敷料具有重大的意義。

除感染和瘢痕之外,傷口愈合過程周期較長并且復雜,大致分為三個階段。整個過程中,傷口敷料發揮著至關重要的作用。首先,炎癥期首要的是止血,目前研究較多的多糖類止血材料主要有纖維素類、殼聚糖類、海藻酸鹽、透明質酸等[1]。其中,殼聚糖可以促進凝血和血栓的形成[2-3],2002年,殼聚糖基止血材料HemCon通過了美國FDA的審批,并且受到軍方的青睞,很快地被制備并應用于伊拉克戰場上[4]。其次,增生期主要是傷口的抑菌和新血管以及肉芽組織的形成,此過程中抑菌活性物質和生長因子發揮關鍵的作用。殼聚糖的抑菌活性較為明顯,尤其是改性之后的衍生物。生長因子種類較多,與傷口愈合相關的有表皮細胞生長因子、血管內皮生長因子和成纖維細胞生長因子等,其中表皮細胞生長因子使得內皮細胞、成纖維細胞和上皮細胞快速增殖,可促進纖連蛋白合成、血管生成、纖維組織增生和膠原酶活性。創傷后,表皮細胞生長因子的大量表達有助于傷口的早期上皮細胞增殖[5-8]。最后,瘢痕形成修復期主要包含傷口緊縮和上皮形成,其間上皮細胞沿著肉芽組織爬行,要保證平整潤滑的肉芽表面,這就要求保持創口表面濕潤的環境。瘢痕的形成通常是因為傷口感染,皮脂不能有效保護新愈合皮膚和毛細血管缺少氧氣[9-10]。因此,傷口形成之后,應該立即用敷料進行覆蓋,快速止血,保證傷口處適度潮濕的環境,活性因子加快細胞的再生,抑制感染,減緩疼痛,準許氣體交換和除掉大量的排出物,減少瘢痕,從而快速形成近似正常的皮膚[11]。

1 殼聚糖概述

殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產物,是自然界中一種堿性氨基多糖,甲殼素是可以再生的生物大分子物質,在自然界中廣泛存在,是自然界中存在的數量僅次于纖維素的第二大有機物,估計每年的生物合成量達100億t[12]。在以前的研究中,殼聚糖是一種來源廣泛、價格低廉、生物低毒性、細胞相容性、可降解性、抑菌的陽離子多糖[13],并以多種形式用于傷口愈合[14],在生物醫藥和組織工程領域具有較好的應用前景[15]。殼聚糖為基質的敷料用于傷口愈合,常見的類型有水凝膠類[16-17]、薄膜類、納米纖維類、支架類和海綿類等。本文綜述了以殼聚糖為基質的水凝膠類、薄膜類、納米纖維類、海綿類、支架類促傷口愈合敷料。

2 殼聚糖用于水凝膠類敷料

隨著濕潤傷口愈合的概念不斷發展,水凝膠類的傷口敷料表現出明顯的優勢[14,18]。水凝膠可以保持傷口濕潤,利于傷口部位氣體交換[19],激活傷口的生物學活性,促進細胞的增殖、滲透和形成血管,對組織再建和傷口愈合具有較好的活性[20-21]。目前水凝膠類的傷口敷料發展方向為制備可注射并自我修復的水凝膠敷料,從而滿足一些不規則傷口的用藥[22-23],武漢大學的Deng等制備了腺嘌呤修飾的殼聚糖水凝膠(AC)[24],顯示了良好的可注射和自我修復的性質。對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌類細菌及白色念珠菌類真菌處理2 h之后,致死率分別為95.3%,97.4%和100%,對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(耐藥菌)處理2 h之后致死率高達98.1%。因腺嘌呤可以保護血細胞,AC水凝膠血液相容性較好,并且具有近似于止血海綿的活性。并且AC水凝膠具有促進皮膚切口愈合的作用。組織學分析和免疫組化染色顯示,AC水凝膠處理后創面炎癥細胞減少,血管、膠原和上皮組織再生加快。因此,AC 水凝膠用于傷口愈合具有很大的潛力。

Hu等[25]制備了羧甲基殼聚糖(CMC)結合海藻酸(ALG)雙交聯水凝膠,鰲合Ca2+并負載表皮生長因子(EGF)用于傷口愈合,研究表明當CMC:ALG:Ca2+的質量比為100∶4∶1.6時水凝膠具有最優的應變力;交聯水凝膠載體可以緩釋EGF,發揮更優的促生長活性;水凝膠對正常小鼠成纖維細胞幾乎沒有毒性,并且不會引發溶血反應;水凝膠負載EGF可以明顯地促進傷口愈合,處理傷口之后,傷口部位出現新生的卵泡,皮脂腺和松散的角質層。

Wang等制備了功能化氧化石墨烯偶聯殼聚糖水凝膠[26],具有優良的拉應力和壓應力;明顯降低了殼聚糖水凝膠的孔徑;生物相容性較好,有利于黏附和增殖成纖維細胞;并且顯著加速創面愈合,功能化氧化石墨烯偶聯殼聚糖水凝膠處理傷口21 d后的愈合率是92.2%,出現大量的肉芽組織和膠原纖維細胞。

Fatemeh等人合成了富含血小板纖維蛋白殼聚糖水凝膠(Gel-CH/CH-PRF)用于大鼠傷口愈合研究[27],殼聚糖明膠水凝膠包裹富含血小板纖維蛋白的殼聚糖納米顆粒,使其具有良好的溶脹性能、良好的孔隙率、適當的比表面積、較高的創面分泌物吸收率和適當的蒸汽滲透率;結果顯示其顯著的抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,并具有良好的抗氧化性能;Gel-CH/CH-PRF處理富傷口12 d后,傷口完全愈合,明顯優于對照組,并且形成了大量新的肉芽組織。

北京理工大學的Zhao等制備了氧化海藻酸鈉/羧甲基殼聚糖/Ag納米粒水凝膠[28],掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示水凝膠具有孔徑均一的多孔結構,對創面分泌物具有良好的吸收性能;水凝膠具有適宜的黏度使其可以填充在任何模型的傷口,并具有自愈合性能;水凝膠具有良好的細胞相容性,幾乎沒有溶血影響,并且不會抑制L929細胞生長;水凝膠中的Ag+具有一定的抑菌活性;這些優良性質使水凝膠明顯增強了電反應細胞活性,在深層傷口治療中顯示出顯著的協同作用,并且水凝膠處理傷口14 d后上皮組織完全再生,膠原纖維清晰有序,膠原蛋白和血管分布相同于未受傷的皮膚。

3 殼聚糖用于薄膜類敷料

薄膜是傷口愈合的候選材料。其具有良好的生物可吸收性、黏附性和柔韌性[29]。并且薄膜具有適宜的強度,可以控制藥物的釋放[30-31]。殼聚糖薄膜比較薄并且彈性較好,可通過吸收傷口滲出物而迅速水化,在創面形成水凝膠[32]。

Yang等人的團隊合成了殼聚糖/透明質酸/普魯多糖復合薄膜用于傷口愈合[33-34],SEM圖像顯示薄膜具有三維腔體結構,能吸收大量的液體,有效地維持創面濕潤環境;薄膜溶血率僅為2.5%,對正常皮膚安全;薄膜對革蘭氏陰性菌具有良好的抑制活性;薄膜處理傷口21 d后完全愈合,相對市售創可貼具有更好的促傷口愈合活性;組織切片結果顯示薄膜組處理傷口21 d之后,創口表面形成完整的表皮層,接近于正常的表皮形態,說明薄膜可以有效地避免疤痕。

由于天然聚合物機械強度不夠,Panchal等采用溶劑鑄造法制備了殼聚糖-聚乙烯醇-吉尼平交聯薄膜[35],交聯薄膜的抗拉伸強度提高了67.2%,使其更適用于一些不可避免被磨損的傷口;交聯薄膜具有優良的吸水性能,并且吸水之后形態穩定,沒有破裂的跡象;交聯薄膜處理傷口18 d之后,創面的愈合率達到95%,成纖維細胞和血管生成率明顯優于對照組。

Ahmady等選用電噴霧法準備負載百里酚的海藻酸鹽微粒,并將其納入殼聚糖-明膠薄膜中制備復合膜[36],復合薄膜的24 h吸水率受親水性的海藻酸鹽和疏水性的百里酚共同影響為161.75%,而釋放實驗數據顯示百里酚在20 h內持續不斷釋放,所以復合薄膜的吸水率可能會進一步增加,并且復合薄膜在168 h內緩釋百里酚保證了其在傷口部位7 d內百里酚的持續供應;復合膜在24 h對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率分別為50%和99%,具有長期抑菌的傾向,并且具有良好的細胞相容性,對L929細胞無毒性;復合膜處理傷口21 d后,傷口幾乎完全愈合,組織切片實驗顯示復合膜可顯著促進皮膚上皮化、膠原沉積和誘導皮膚再生。

D’souza等制備了聚乙烯醇/殼聚糖/白芨莖提取物復合薄膜用于傷口愈合敷料的研究[37],SEM圖像結果顯示白芨莖提取物的加入可以增加復合膜的相容性,薄膜光滑均勻,具有更好的柔韌性;復合膜的水蒸氣透過率為46.42～78.95 g/(m2·h),對照傷口皮膚水蒸氣透過率需求來看,滿足水蒸氣透過需求;復合膜能有效地抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的生長;復合膜對蛋白質變性的抑制率為81.5%,具有優良的抗炎活性,并且復合膜顯示了良好的細胞相容性和無毒性;傷口愈合結果顯示創面愈合明顯(96.5%),黏附明顯。

4 殼聚糖用于納米纖維類敷料

納米纖維在傷口愈合領域具有很好的應用前景,纖維結構不僅允許簡單地添加生物活性化合物,并且結構類似于生物體細胞外基質的天然納米結構,因此為傷口部位提供3D的環境,非常利于細胞的生長和增殖[38-39]。殼聚糖納米纖維具有高比表面積、高孔隙率和多尺度孔徑分布等特點,另外殼聚糖納米纖維是隨機排列的纖維結構,可以通過物理化學等方法進一步交聯,提供良好的吸水性,穩定性,力學性能和生物相容性[40]。

Kharat等制備了殼聚糖/聚氧乙烯靜電紡納米纖維負載金盞菊提取物用于傷口愈合的研究[41],隨著納米纖維中金盞菊提取物濃度的增加,其直徑逐漸降低,這將有利于增加比表面積,增加與細胞的接觸;加入金盞菊提取物明顯降低了纖維之間的纏繞,納米纖維的延展性顯著增強,使其更趨向于正常皮膚的性能;因為金盞菊提取物親水性的多酚結構,殼聚糖/聚氧乙烯/金盞菊提取物納米纖維的吸水率為151.6%,與水的接觸角僅為29.2°;納米纖維明顯地抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,并且具有良好的組織相容性;在處理傷口14 d之后,傷口閉合指數為87.5%,傷口部位形成新的上皮組織,并且類似于正常的皮膚結構。

Wang等制備了殼聚糖/聚乙烯醇納米纖維負載硝普鈉摻雜普魯士藍納米顆粒和I型膠原蛋白釋放一氧化氮(NO)用于大鼠傷口愈合[42],結果顯示納米纖維不會抑制L929細胞的生長,并且NO的釋放可能會促進纖維細胞的增殖;由于殼聚糖和聚乙烯醇的親水基團的存在,納米纖維幾乎沒有溶血性能;紅外照射納米纖維之后能有效地殺滅金黃色葡萄球菌和大腸桿菌;復合納米纖維和紅外照射共同處理傷口部位10 d之后,創面愈合接近100%,具有優異的促傷口愈合活性,并且創面形成新的皮膚類似于正常皮膚,且傷口處理未對正常組織和器官產生急性毒性。

Naeimi等制備了殼聚糖/聚乙烯醇負載蜂蜜和荊芥納米纖維用于促進燒傷部位傷口愈合[43],蜂蜜和荊芥增強了納米纖維的抗氧化和抑菌的活性;創面閉合率實驗顯示符合納米纖維的傷口閉合率明顯高于對照組,并且未出現臨床用傷口抑菌劑磺胺嘧啶銀的不良副作用;在復合納米纖維處理傷口21 d之后,處于增殖期的傷口出現高密度新生血管,肉芽形成和膠原蛋白沉積,納米纖維類似于細胞外基質的形態賦予了其促進細胞黏附、遷移和增殖的活性。

Tien等采用高通量溶液吹絲法制備了高脫乙酰度殼聚糖納米纖維用于促進傷口愈合[44],在納米纖維中加入聚環氧乙烷增加了納米纖維的直徑,隨后溶解除去聚環氧乙烷增強殼聚糖納米纖維的機械強度;納米纖維具有良好的抗拉伸強度滿足傷口敷料的需求;細胞外細胞實驗顯示殼聚糖納米纖維幾乎沒有毒性,并且有高度的細胞相容性;在細胞培養基中優良的分泌創面愈合相關蛋白,是一種很有前途的創面愈合敷料。

Li等從美洲大蠊提取殘余物中提取不同分子量的殼聚糖,并制備了殼聚糖/聚乙烯醇/聚氧乙烯納米纖維用于傷口愈合的研究[45],SEM圖像顯示納米纖維直徑小且均勻,殼聚糖、聚乙烯醇、聚氧乙烯的質量比例為1.5∶6.0∶0.5時達到最優值;聚氧乙烯的加入會增強聚合物之間的氫鍵相互作用,抗拉伸強度為18.3 MPa,斷裂拉伸率為29.6%,滿足傷口敷料的要求;納米纖維孵育大腸桿菌和金黃色葡萄球菌12 h之后幾乎完全抑制細菌生長,抑菌效果顯著;納米纖維處理大鼠傷口12 d之后,傷口幾乎完全愈合,傷口組織出現成纖維細胞增生,膠原沉積,毛囊和皮脂腺再生,具有類似正常皮膚的結構。

5 殼聚糖用于其他類敷料

殼聚糖類的傷口敷料結構除了上述的水凝膠類、薄膜類、納米纖維類之外,還有一些其他形態的敷料,例如海綿類、支架類等。

暨南大學的陳潔等制備了羧甲基殼聚糖/氧化葡甘聚糖/三七總皂苷復合海綿用于傷口愈合[46],復合海綿孔隙分布均勻飽滿,便于三七皂苷的附著;三七皂苷的親水性明顯增加了復合海綿的吸水性和蒸汽透過率;表皮成纖維細胞黏附在海綿上,附著3 d的增殖率高達95%;復合海綿顯著地抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長,說明其作為傷口愈合材料具有一定的潛力。高文彪等報道了膠原/殼聚糖止血敷料以支架形態做醫用材料[47],膠原/殼聚糖具有優良的止血性能,明顯地促進傷口愈合,并可以防止術后的粘連。

6 結論

殼聚糖是具有良好生物活性的堿性多糖,促使其一直以來在傷口敷料領域占據著重要的位置。殼聚糖上活性基團氨基和羥基的存在保證了其可以進行多種形式的修飾改造從而展現出不同的形態。目前用于傷口愈合的敷料常見的有水凝膠,薄膜,納米纖維,海綿,支架等類型,殼聚糖經過改造均可以制備出相應形態的傷口敷料,顯示出優良的形態,抑菌活性和促傷口愈合活性。但是各種類型的敷料并非完美的傷口敷料,水凝膠類傷口敷料中含有一定的液體,所以對大量的傷口滲出物不能及時有效的吸收,不利于傷口快速愈合。薄膜類傷口敷料通常易脆,機械強度不夠,不利于均勻穩定地敷在創面部位。納米纖維因其巨大的比表面積,與傷口部位的成纖維細胞接觸很多,可能會導致傷口的粘連。因此,上述幾種類型的殼聚糖傷口敷料需要進一步改進和優化,來滿足傷口愈合過程的各項要求。