殼聚糖復(fù)合材料及其細(xì)胞生物相容性的研究進展

陳怡霏等

殼聚糖（chitosan，CTS）作為甲殼素脫乙酞氨基后的一種產(chǎn)物，又稱為脫乙酞甲殼素，是纖維素以外第二大最豐富的天然高分子化合物[1]。殼聚糖具有抗微生物、調(diào)節(jié)血脂、增強機體免疫能力以及抑制腫瘤等生物活性。由于殼聚糖與機體內(nèi)的氨基葡萄糖類具有相似結(jié)構(gòu)，類似于人體骨膠原組織，而且具有無毒害、良好的生物相容性等特點，在骨組織工程的應(yīng)用和研究中發(fā)展迅速，現(xiàn)針對殼聚糖及其衍生物的生物相容性綜述如下。

1CTS的結(jié)構(gòu)特點及其生物活性

CTS作為一種甲殼素的脫乙酞化產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)上與聚多糖類似，游離的氨基可使其溶解度及其生物活性大幅度提高[2]。研究表明，CTS具有良好的促成骨作用[3-4]，還可促進小血管生成[5]。Muzzarelli [6]對犬類的研究發(fā)現(xiàn)，CTS對成年犬骨缺陷的治療具有良好療效。由于在中性以及堿性環(huán)境中溶解度較低，在酸性環(huán)境下溶解較大，從而導(dǎo)致其在機體內(nèi)的運用受到較大限制。Wang[7]提出根據(jù)仿生構(gòu)建的相關(guān)理論，對CTS進行磷酸酯化處理，同時引入鈣離子，使之親水性增加。李曉龍[8]對磷酸化的CTS研究發(fā)現(xiàn)，由于其具有磷酸酯集團，從而對血漿中磷酸酯有較好的吸附作用，同時將磷酸酯固定在其表面，形成仿生生物膜，有效地降低了表面物質(zhì)與血漿蛋白的作用，且可降低血小板的粘附及其活性，進而防止血栓形成。CTS作為羥基磷灰石類無機質(zhì)以及膠原蛋白為主要成分的有機物，而在仿生材料中將其具有生物活性的部分植入其骨組織的連接界面，從而對缺損部位進行修復(fù)[9]。對改性后的CTS研究發(fā)現(xiàn)，它具有良好的生物活性，有利于成骨細(xì)胞、牙周膜細(xì)胞等吸附以及聚集，從而促進細(xì)胞的分化以及增殖[10]。

2CTS在羥基磷灰石復(fù)合材料中的應(yīng)用

羥基磷灰石復(fù)合材料作為一種具有表面活性物質(zhì)的陶瓷，廣泛用于骨組織工程，其不僅具有良好的強度，適應(yīng)機體運動力學(xué)性質(zhì)要求，而且具有良好的韌性，確保長期使用不會變形[11]。Wang [12]指出當(dāng)羥基磷灰石復(fù)合材料植入機體后，將加速機體的骨礦化過程，從而誘導(dǎo)骨再生，且由于其降解后無毒害物質(zhì)產(chǎn)生而被廣泛運用。多孔陶瓷由于空隙大、表面粗糙、脆性大而難以塑性，而CTS具有良好的修飾性，且可加速細(xì)胞的吸附，從而可將其塑造成為多種形狀[13-14]。Chen [15]對單純CTS支架與納米羥基磷灰石/殼聚糖復(fù)合支架的研究發(fā)現(xiàn)，種子細(xì)胞在后者中增殖分化的程度明顯高于前者。復(fù)合支架可檢測到骨鈣素的表達(dá)，而且復(fù)合支架具有良好的生物相容性以及骨傳導(dǎo)性[16]。CTS作為一種可降解的生物材料，其結(jié)構(gòu)與聚多糖類似，在機體中游離的氨基可使其溶解度以及生物活性明顯增加，但是將其作于一種植骨材料時則暴露出其缺乏生長引導(dǎo)和誘導(dǎo)特性的缺點。為了提高其在骨修復(fù)中的作用，將CTS與促進骨生長以及相關(guān)細(xì)胞增殖的材料進行復(fù)合使用，磷酸鈣鹽不但具有良好的生物相容性，而且具有變異低等特點，其鈣離子以及磷離子可釋放并沉積在新生骨中，而其釋放的類骨磷灰石微晶可加速骨細(xì)胞的增殖和分化，提高其生物相容性以及生物作用[17]。

3CTS與可吸收膠原復(fù)合支架材料的聯(lián)合應(yīng)用

CTS以及膠原作為一種生物體內(nèi)的高聚物，是骨組織中的主要構(gòu)成蛋白，而且也是天然的骨移植支架生物材料，具有植骨后生物相容性好，來源充足以及免疫排除反應(yīng)小等特點[18-19]。但是由于其機械強度低，含水量過大以及骨誘導(dǎo)性差等缺點，使其在骨移植中的應(yīng)用受到限制[20]。膠原具有特異性分子的識別功能，可促進細(xì)胞的增殖和粘附，而且可對細(xì)胞的分化有一定的誘導(dǎo)作用，且膠原在機體內(nèi)降解為氨基酸，具有無刺激、無毒以及無過敏原等特點而作為細(xì)胞支架材料廣泛應(yīng)用于組織工程，但同時由于其力學(xué)特點差，且在體內(nèi)使用時降解速度過快，也使其應(yīng)用受到一定限制[21-24]。Ragetly等 [25]采用可吸收膠原海綿作為載體研究骨再生作用，發(fā)現(xiàn)CTS與可吸收膠原海綿聯(lián)合組患者，新骨區(qū)以及損傷恢復(fù)區(qū)明顯高于單純組，從而認(rèn)為骨可吸收膠原海綿可作為一種對殼聚糖進行緩解的良好載體，使其以穩(wěn)定速度的釋放，保證骨的形成。

4CTS與聚乳酸復(fù)合支架的聯(lián)合應(yīng)用

聚乳酸作為一種人工合成的高分子物質(zhì)，不但具有良好的生物活性，而且具有降解可調(diào)控，可誘導(dǎo)部分基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)等優(yōu)點，但該類物質(zhì)也具有親水能力差且降解產(chǎn)物為酸性物質(zhì)，可改變局部環(huán)境的酸堿度等缺點[26]。實驗發(fā)現(xiàn)，聚乳酸聯(lián)合CTS的骨修復(fù)材料，既能良好地保留兩種生物材料的優(yōu)點，如：生物活性、生物相容性以及力學(xué)性質(zhì)等，而且還改善了生物材料的加工性能，同時，它們的降解產(chǎn)物可相互中和，從而減小了對局部環(huán)境酸堿度的影響[27]。Cai [28]對CTS的研究發(fā)現(xiàn)，CTS具有較多的氫鍵，從而保證了在其水解過程中對水的滲透以及擴散進行抑制，降低聚乳酸的降解速度。體外研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞可迅速擴散到聚乳酸聯(lián)合殼聚糖支架的間隙，而且吸附能力較好，提示這種復(fù)合材料具有良好的親水性[29]。通過植入肌肉的實驗也證實，聯(lián)合材料植入后局部炎癥反應(yīng)少，其生物活性和組織相容性明顯提高[30]。

5含有生長因子的CTS復(fù)合材料的應(yīng)用

生長因子通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化以及細(xì)胞產(chǎn)物的合成，對成骨過程進行調(diào)節(jié)[31]。其中轉(zhuǎn)化生長因子作為一種多功能的生長因子，能夠促進細(xì)胞的分化、增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)的合成，從而提高了生物材料的活性[32]。此外，生物因子在促進新骨形成、創(chuàng)傷愈合以及骨組織重建等過程中也有較好作用[33]。Lopes等 [34]對骨形態(tài)發(fā)生蛋白的研究發(fā)現(xiàn)，它具有良好的骨誘導(dǎo)作用，主要誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞分化成為骨細(xì)胞以及軟骨細(xì)胞。同時，骨形態(tài)發(fā)生蛋白可異位誘導(dǎo)新骨的形成，但其本身不能作為支架材料，需要一種支架材料進行復(fù)合作用。而CTS本身含有大量的帶有正電的自由氨基，具有良好的吸附能力，復(fù)合加入生長因子后，能夠促進骨的生長[35-36]。

6展望

骨組織工程作為一種新興學(xué)科，主要研究方向為支架材料、種子細(xì)胞以及調(diào)節(jié)因子等[37-38]。而現(xiàn)階段的骨組織工程主要由生長因子以及細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，其中細(xì)胞外基質(zhì)作為一種非細(xì)胞性物質(zhì)，作為軟骨和骨種子的重要構(gòu)成部分，它為非膠原蛋白和膠原蛋白與糖胺聚糖構(gòu)成的化學(xué)以及物理方法進行聯(lián)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)[39]。CTS作為一種與機體內(nèi)糖胺聚糖的類似物，具有良好的生物相容性[40]。由于它可與多種生物材料相復(fù)合，從而達(dá)到可促進骨生長的目的[41]。但現(xiàn)階段對于支架的研究仍有較多問題需要解決，如支架材料降解與新骨形成的速率不相同，生物材料表面活性物質(zhì)程度較差，材料的細(xì)胞吸附以及促進增殖功能較差等[42]。隨著生命科學(xué)以及材料科學(xué)的發(fā)展，從而保證了生物材料向組織工程學(xué)等發(fā)展，同時隨著納米材料的廣泛運用，也是生物材料的發(fā)展方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Karakecili AG，Satriano C，Gumusderelioglu M，et al.Enhancement of fibroblastic proliferation on chitosan surfaces by immobilized epidermal growth factor[J].Acta Biomater，2008，4（4）：989-996.

[2]Cheng NC，Wang S，Young TH.The influence of spheroid formation of human adipose-derived stem cells on chitosan films on stemness and differentiation capabilities[J].Biomaterials，2012，33（6）：1748-1758.

[3]劉昊，張永剛，郭全義，等.新型脫細(xì)胞骨基質(zhì)-殼聚糖骨組織工程支架的制備及性能評價[J].軍醫(yī)進修學(xué)院學(xué)報，2011，32（6）：616-619.

[4]Pulavendran S，Rose C，Mandal AB. Hepatocyte growth factor incorporated chitosan nanoparticles augment the differentiation of stem cell into hepatocytes for the recovery of liver cirrhosis in mice[J].J Nanobiotechnology，2011，9：15.

[5]Wawro D，Pighinelli L.Chitosan Fibers Modified with HAp/beta-TCP Nanoparticles[J].Int J Mol Sci，2011，12（11）：7286-7300.

[6]Muzzarelli RA.Biomedical Exploitation of Chitin and Chitosan via Mechano-Chemical Disassembly， Electrospinning， Dissolution in Imidazolium Ionic Liquids， and Supercritical Drying[J].Mar Drugs，2011，9（9）：1510-1533.

[7]Wang W，Lin S，Xiao Y，et al.Acceleration of diabetic wound healing with chitosan-crosslinked collagen sponge containing recombinant human acidic fibroblast growth factor in healing-impaired STZ diabetic rats[J].Life Sci，2008，82（3-4）：190-204.

[8]李曉龍，穆長征，馬云勝.膠原-殼聚糖支架材料與間充質(zhì)干細(xì)胞的組織相容性[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011， 15（8）：1377-1380.

[9]Canter HI，Vargel I，Korkusuz P，et al. Effect of use of slow release of bone morphogenetic protein-2 and transforming growth factor-Beta-2 in a chitosan gel matrix on cranial bone graft survival in experimental cranial critical size defect model[J].Ann Plast Surg，2010，64（3）：342-350..

[10]劉巍，朱新輝，張潔，等.Matrigel凝膠和殼聚糖/磷酸甘油凝膠兩種支架體外構(gòu)建組織工程軟骨的比較[J].江蘇醫(yī)藥，2011，37（6）：627-629.

[11]Kashiwazaki H，Kishiya Y，Matsuda A，et al.Fabrication of porous chitosan/hydroxyapatite nanocomposites： their mechanical and biological properties[J].Biomed Mater Eng，2009，19（2-3）：133-140.

[12]Wang Z，Hu Q.Preparation and properties of three-dimensional hydroxyapatite/chitosan nanocomposite rods[J].Biomed Mater，2010，5（4）：045007.

[13]Rajiv Gandhi M，Kousalya GN， Meenakshi S.Removal of copper（II） using chitin/chitosan nano-hydroxyapatite composite[J].Int J Biol Macromol，2011，48（1）：119-124.

[14]Han J，Zhou Z，Yin R，et al.Alginate-chitosan/hydroxyapatite polyelectrolyte complex porous scaffolds： preparation and characterization[J].Int J Biol Macromol，2010，46（2）：199-205.

[15]Chen J，Zhang G，Yang S，et al.Effects of in situ and physical mixing on mechanical and bioactive behaviors of nano hydroxyapatite-chitosan scaffolds[J].J Biomater Sci Polym Ed，2011，22（15）：2097-2106.

[16]Ge H，Zhao B，Lai Y，et al.From crabshell to chitosan-hydroxyapatite composite material via a biomorphic mineralization synthesis method[J].J Mater Sci Mater Med，2010，21（6）：1781-1787.

[17]Pramanik N，Mishra D，Banerjee I，et al.Chemical synthesis， characterization， and biocompatibility study of hydroxyapatite/chitosan phosphate nanocomposite for bone tissue engineering applications[J].Int J Biomater，2009，2009：512417.

[18]Uriarte-Montoya MH，Arias-Moscoso JL，Plascencia-Jatomea M，et al.Jumbo squid （Dosidicus gigas） mantle collagen： extraction， characterization， and potential application in the preparation of chitosan-collagen biofilms[J].Bioresour Technol，2010，101（11）：4212-4219.

[19]Yang Z，Mo L，Duan H，et al.Effects of chitosan/collagen substrates on the behavior of rat neural stem cells[J].Sci China Life Sci，2010，53（2）：215-222.

[20]Chiu LL，Radisic M.Controlled release of thymosin beta4 using collagen-chitosan composite hydrogels promotes epicardial cell migration and angiogenesis[J].J Control Release，2011，155（3）：376-385.

[21]Sawaguchi N，Majima T，F(xiàn)unakoshi T，et al.Effect of cyclic three-dimensional strain on cell proliferation and collagen synthesis of fibroblast-seeded chitosan-hyaluronan hybrid polymer fiber[J].J Orthop Sci，2010， 15（4）：569-577.

[22]劉建斌.殼聚糖-明膠/β-磷酸三鈣復(fù)合體作為組織工程軟骨支架材料的實驗研究[J].組織工程與重建外科，2010，6（6） ：319-322.

[23]Kung S，Devlin H，F(xiàn)u E，et al.The osteoinductive effect of chitosan-collagen composites around pure titanium implant surfaces in rats[J].J Periodontal Res，2011，46（1）：126-133.

[24]Porporatto C，Canali MM，Bianco ID，et al.The biocompatible polysaccharide chitosan enhances the oral tolerance to type II collagen[J].Clin Exp Immunol，2009，155（1）：79-87.

[25]Ragetly G，Griffon DJ，Chung YS.The effect of type II collagen coating of chitosan fibrous scaffolds on mesenchymal stem cell adhesion and chondrogenesis[J].Acta Biomater，2010，6（10）：3988-3997.

[26]Araujo AB，Lemos AF，F(xiàn)erreira JM.Rheological，microstructural，and in vitro characterization of hybrid chitosan-polylactic acid/hydroxyapatite composites[J]. J Biomed Mater Res A，2009，88（4）：916-922.

[27]Shen H，Shen ZL，Zhang PH，et al.Ciliary neurotrophic factor-coated polylactic-polyglycolic acid chitosan nerve conduit promotes peripheral nerve regeneration in canine tibial nerve defect repair[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2010，95（1）：161-170.

[28]Cai X，Tong H，Shen X，et al.Preparation and characterization of homogeneous chitosan-polylactic acid/hydroxyapatite nanocomposite for bone tissue engineering and evaluation of its mechanical properties[J].Acta Biomater，2009，5（7）：2693-2703.

[29]Jung UW，Song KY，Kim CS，et al.Effects of a chitosan membrane coated with polylactic and polyglycolic acid on bone regeneration in a rat calvarial defect[J].Biomed Mater，2007，2（3）：S101-105.

[30]Fu J，Wang D，Wang T，Yet al.High entrapment efficiency of chitosan/polylactic acid/tripolyphotspate nanosized microcapsules for rapamycin by an emulsion-evaporation approach[J].J Biomed Nanotechnol，2010，6（6）：725-728.

[31]Leipzig ND，Wylie RG，Kim H，et al.Differentiation of neural stem cells in three-dimensional growth factor-immobilized chitosan hydrogel scaffolds[J].Biomaterials，2011，32（1）：57-64.

[32]Tang DW，Yu SH，Ho YC，et al.Heparinized chitosan/poly（gamma-glutamic acid） nanoparticles for multi-functional delivery of fibroblast growth factor and heparin[J].Biomaterials，2010，31（35）：9320-9332.

[33]Degim Z，Celebi N，Alemdaroglu C，et al.Evaluation of chitosan gel containing liposome-loaded epidermal growth factor on burn wound healing[J].Int Wound J，2011，8（4）：343-354.

[34]Lopes JB，Dallan LA，Moreira LF，et al.Synergism between keratinocyte growth factor and carboxymethyl chitosan reduces pericardial adhesions[J].Ann Thorac Surg，2010，90（2）：566-572.

[35]Supaprutsakul S，Chotigeat W，Wanichpakorn S，et al.Transfection efficiency of depolymerized chitosan and epidermal growth factor conjugated to chitosan-DNA polyplexes[J].J Mater Sci Mater Med，2010，21（5）：1553-1561.

[36]Nakamura S，Nambu M，Ishizuka T，et al.Effect of controlled release of fibroblast growth factor-2 from chitosan/fucoidan micro complex-hydrogel on in vitro and in vivo vascularization[J].J Biomed Mater Res A，2008，85（3）：619-627.

[37]Salva E，Kabasakal L，Eren F，et al.Chitosan/short hairpin RNA complexes for vascular endothelial growth factor suppression invasive breast carcinoma[J].Oligonucleotides，2010，20（4）：183-190.

[38]Choi JS，Yoo HS.Pluronic/chitosan hydrogels containing epidermal growth factor with wound-adhesive and photo-crosslinkable properties[J].J Biomed Mater Res A，2010，95（2）：564-573.

[39]Rakkiettiwong N，Hengtrakool C，Thammasitboon K，et al.Effect of novel chitosan-fluoroaluminosilicate glass ionomer cement with added transforming growth factor beta-1 on pulp cells[J].J Endod，2011，37（3）：367-371.

[40]Ho YC，Wu SJ，Mi FL，et al.Thiol-modified chitosan sulfate nanoparticles for protection and release of basic fibroblast growth factor[J].Bioconjug Chem，2010，21（1）：28-38.

[41]Canter HI.Comment on "the effect of continuous release of recombinant human epidermal growth factor （rh-EGF） in chitosan film on full thickness excisional porcine wounds"[J].Ann Plast Surg，2009，63（4）：468.

[收稿日期]2012-04-16[修回日期]2012-06-05

編輯/李陽利