蠶絲絲素創(chuàng)面敷料的研究進(jìn)展

張敏，李明忠,2

(1. 蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州 215000; 2.南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南通 226000)

皮膚作為體表的屏障易因熱、化學(xué)因素、機(jī)械因素等的作用而受到損傷，及時(shí)使用創(chuàng)面敷料覆蓋和保護(hù)是治療創(chuàng)面的基本手段。敷料可暫時(shí)起到皮膚屏障的部分功能，不僅可以保護(hù)創(chuàng)面、避免創(chuàng)面感染，還能夠防止體液與水分從創(chuàng)面蒸發(fā)、流失，提供有利于創(chuàng)面愈合的環(huán)境，等待創(chuàng)面上皮化或過渡到重建永久性皮膚屏障階段[1]。自體皮膚或異體皮膚移植雖然具備良好的療效，但因供體、倫理或安全性限制，其應(yīng)用范圍存在局限性[2]。因此采用人工輔料覆蓋是治療皮膚創(chuàng)面的必然趨勢(shì)。

敷料材料的性質(zhì)對(duì)創(chuàng)面愈合至關(guān)重要。迄今已開發(fā)超過3 000 種敷料，但在臨床得到廣泛應(yīng)用的敷料僅占其中的少部分。創(chuàng)面敷料應(yīng)能保護(hù)創(chuàng)面，并能促進(jìn)創(chuàng)面愈合，至少應(yīng)具備以下條件[3-6]：(1)組織相容性好，無毒性、無刺激性、無免疫原性；(2)通透性適當(dāng)，能維持創(chuàng)面濕潤環(huán)境，同時(shí)可阻隔外界微生物的侵襲；(3)與創(chuàng)面粘附性好，但不與創(chuàng)面粘連；(4)具備一定的強(qiáng)度與柔韌性，價(jià)格低。創(chuàng)面敷料可分為被動(dòng)類、互動(dòng)類和功能類[7]：被動(dòng)類敷料是非閉塞性的，如紗布類，具有吸收部分傷口滲出液和覆蓋傷口的作用[8]；交互類敷料是半閉塞性或閉塞性的，包括聚合物薄膜、泡沫、水膠體等，適用于滲出液多的傷口以及作為防止細(xì)菌侵襲的良好屏障[9]；功能類敷料除具備創(chuàng)面敷料的必備條件外，還具備抗菌、調(diào)節(jié)創(chuàng)面微環(huán)境、釋放生物活性物質(zhì)、促進(jìn)創(chuàng)面缺損皮膚組織修復(fù)重建等功能。敷料的本體材料可以是合成高分子，也可以是天然高分子，如膠原、明膠、透明質(zhì)酸、殼聚糖、藻酸鹽和蠶絲絲素[10-14]等。

蠶絲絲素蛋白是由20 種氨基酸組成的天然高分子，甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸是其主要組成部分，含量分別約占43%、30% 和12%[15]。絲素的結(jié)晶形態(tài)主要有Silk I和Silk II兩種，Silk I經(jīng)濕熱、應(yīng)力作用、極性溶劑等處理后容易向Silk II結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Silk II中肽鏈鏈段排列整齊，相鄰鏈段間氫鍵和分子間作用力使鏈段之間結(jié)合緊密，抵抗外力拉伸的能力強(qiáng)，在水中難以溶解，對(duì)酸、堿、鹽、酶及熱的抵抗力較強(qiáng)[16]。絲素纖維作為一種天然蛋白質(zhì)纖維，具有優(yōu)良的生物相容性和機(jī)械性能，可被生物降解，近年已被廣泛研究用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[17,18]。

蠶絲絲素材料對(duì)表皮細(xì)胞、真皮成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞都具有較強(qiáng)的粘附能力[19]，細(xì)胞在絲素材料表面的增殖速度較快，絲素具備用作創(chuàng)面敷料的先天條件。絲素敷料促進(jìn)創(chuàng)面愈合機(jī)制的研究已取得一定進(jìn)展。研究表明，當(dāng)創(chuàng)面覆蓋絲素敷料后，促炎性細(xì)胞因子(IL-1a和IL-6)和抗炎細(xì)胞因子(IL-10)的表達(dá)水平得到有效控制，絲素敷料還可通過刺激NF-kB信號(hào)通路控制波形蛋白、細(xì)胞周期蛋白D1、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子和纖連蛋白的表達(dá)[20-23]。其中，促炎性細(xì)胞因子的過度表達(dá)會(huì)中斷正常的創(chuàng)面愈合，NF-kB信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞的粘附和增殖，可促進(jìn)上皮化和創(chuàng)面愈合。此外，絲素還能增加c-Jun蛋白(一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，屬亮氨酸拉鏈家族成員)的表達(dá)，促進(jìn)c-Jun蛋白的磷酸化，這是傷口愈合的關(guān)鍵因素之一[24]。用絲素可制成多種型式的材料用作創(chuàng)面敷料，如微/納米纖維網(wǎng)、薄膜、海綿、凝膠等，或進(jìn)一步在絲素材料內(nèi)裝載生物活性物質(zhì)，賦予材料相應(yīng)的生物功能。本文綜述蠶絲絲素創(chuàng)面敷料的研究現(xiàn)狀，討論絲素敷料未來的發(fā)展前景與發(fā)展方向。

1 絲素創(chuàng)面敷料的材料型式

1.1 絲素微/納米纖維網(wǎng)

絲素微/納米纖維網(wǎng)常采用高壓靜電紡絲技術(shù)制備，通過對(duì)絲素溶液施加高壓電場(chǎng)形成聚合物溶液的射流，經(jīng)收集、凝固后獲得直徑從納米級(jí)到微米級(jí)的纖維。其形態(tài)結(jié)構(gòu)與天然細(xì)胞外基質(zhì)有一定的相似性[25-26]。Wharram等[17]用絲素/聚氧化乙烯共混水溶液進(jìn)行高壓靜電紡絲，經(jīng)甲醇處理誘導(dǎo)絲素向β-折疊轉(zhuǎn)化使其難溶于水，再經(jīng)水浸漬去除聚氧化乙烯后得到多孔絲素纖維網(wǎng)，對(duì)其與創(chuàng)面敷料相關(guān)的性能進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果表明，多孔絲素纖維網(wǎng)的吸水性、透濕性、膨潤性、透氧性和蛋白酶降解性等理化性能，符合用作創(chuàng)面敷料的要求。

絲素纖維網(wǎng)內(nèi)部的孔尺寸及纖維表面對(duì)細(xì)胞的接觸引導(dǎo)能力，是決定絲素纖維網(wǎng)能否引導(dǎo)皮膚組織再生修復(fù)的關(guān)鍵性因素。在高壓靜電紡絲時(shí)，如何使纖維網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生尺寸為數(shù)微米至數(shù)百微米且尺寸可控的大孔，以利于皮膚修復(fù)細(xì)胞遷入、粘附于纖維網(wǎng)內(nèi)部并增殖，仍是該領(lǐng)域需要研究的重要課題。除聚氧化乙烯外，用于對(duì)絲素靜電紡纖維網(wǎng)進(jìn)行致孔的物質(zhì)包括NaCl、糖、食鹽等水溶性顆粒以及多種水溶性高分子[20,27]。最近，Kadakia等[28]將泊洛沙姆407 和麥盧卡蜂蜜混入絲素溶液中，用高壓靜電紡絲技術(shù)制備絲素納米纖維網(wǎng)，以絲素纖維網(wǎng)為載體進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果表明，含泊洛沙姆407 的絲素納米纖維網(wǎng)的人真皮成纖維細(xì)胞粘附和細(xì)胞浸潤能力增強(qiáng)，含麥盧卡蜂蜜絲素納米纖維網(wǎng)的吸水性增強(qiáng)，細(xì)胞在纖維網(wǎng)內(nèi)部的增殖速度加快、細(xì)胞密度增大。

1.2 絲素多孔海綿

冷凍干燥是制備絲素多孔海綿的一種有效技術(shù)，能夠制得內(nèi)部孔尺寸為數(shù)微米至數(shù)百微米，且孔尺寸基本可控、孔之間相互貫通的多孔海綿。李明忠等[29]的研究表明，將絲素水溶液冷凍干燥后制得絲素多孔海綿的內(nèi)部孔尺寸為10～300 μm，通過調(diào)節(jié)冷凍溫度、絲素溶液濃度和反復(fù)凍-融次數(shù)，不僅可以調(diào)節(jié)冷凍體內(nèi)部冰晶的尺寸和海綿內(nèi)部的孔尺寸，而且可以調(diào)節(jié)絲素蛋白的聚集狀態(tài)和絲素蛋白的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)節(jié)絲素多孔海綿的生物穩(wěn)定性。

將絲素多孔海綿植入動(dòng)物真皮缺損部位后，炎癥反應(yīng)較輕，5 d后炎癥細(xì)胞明顯減少，7 d后基本消失；10 d后，支架內(nèi)有毛細(xì)血管形成，并在2周左右可見大量成熟的毛細(xì)血管存在。成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞能夠沿多孔材料孔隙遷入，新生真皮組織在多孔海綿的孔隙內(nèi)逐步生成，傷口逐步愈合。絲素多孔海綿植入真皮缺損部位后，創(chuàng)面組織中血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子和CD34 的表達(dá)逐漸升高，血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子在第3 周達(dá)到高峰，CD34 在第4 周達(dá)到高峰。即植入創(chuàng)面后的早期可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子和CD34 表達(dá)，有利于皮膚組織血管化，后期促進(jìn)植入組織成熟，加快組織重塑化過程[30]。

在絲素多孔海綿中引入透明質(zhì)酸和硫酸軟骨素后，可以進(jìn)一步在95～248 μm之間調(diào)節(jié)其內(nèi)部的孔尺寸，提高其形態(tài)穩(wěn)定性。植入皮膚缺損創(chuàng)面后，能刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子和堿性成纖維細(xì)胞生長因子的表達(dá)，并富集這些生長因子，加快毛細(xì)血管生成和膠原纖維的沉積，促進(jìn)皮膚組織的再生修復(fù)[31]。

1.3 致密絲素膜

致密絲素膜常采用流延法或澆鑄法制備，用作創(chuàng)面敷料能有效阻止外來微生物的侵襲。致密絲素膜內(nèi)部雖然缺乏微米級(jí)孔隙，但對(duì)水分及溶解性氣體仍有一定的通透性。Sugihara等[32]將絲素膜移植于兔全層皮膚缺損創(chuàng)面，并與市售水凝膠敷料及凍干豬皮敷料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。與市售的水凝膠敷料相比，用絲素膜覆蓋創(chuàng)面的炎癥細(xì)胞顯著減少、炎癥反應(yīng)減輕，創(chuàng)面有更多的膠原新生；術(shù)后14 d，用絲素膜覆蓋的創(chuàng)面面積減少90%，而用市售水凝膠敷料覆蓋的創(chuàng)面僅有少量的表皮再生。與凍干豬皮相比，用絲素膜覆蓋創(chuàng)面的愈合速率顯著加快。該實(shí)驗(yàn)表明，絲素膜作為創(chuàng)面敷料比臨床廣泛使用的市售敷料更具促進(jìn)創(chuàng)面愈合的能力。

致密絲素膜用作創(chuàng)面敷料時(shí)，隨著時(shí)間的推移和含水率的降低，膜內(nèi)絲素蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)增多，結(jié)晶度增大，膜的柔順性下降，這對(duì)創(chuàng)面舒適性造成不利影響。通過摻雜或與其他高分子共混、共聚，可在一定程度上解決這一問題。Panico等[33]通過在絲素溶液中添加葡萄糖后制得柔性絲素膜，對(duì)多種部位的創(chuàng)面都具有較好的隨形性。研究表明，當(dāng)添加占絲素質(zhì)量15% 的葡萄糖時(shí)，不需進(jìn)行任何后處理，制得絲素膜的機(jī)械性能、吸收滲出液的能力和耐水性都能得到有效改善，作為創(chuàng)面敷料具有良好的細(xì)胞相容性。

1.4 絲素水凝膠

絲素水凝膠是以水為分散介質(zhì)的絲素蛋白三維網(wǎng)絡(luò)，其水合結(jié)構(gòu)可連續(xù)吸收創(chuàng)面的滲出液，并較好地維持創(chuàng)面的濕潤環(huán)境，不易與創(chuàng)面粘連。絲素溶液在諸如紫外線照射、pH值降低、溫度升高或離子強(qiáng)度增大等條件下都可形成水凝膠，用作創(chuàng)面敷料[34]。

Ju等[35]將絲素蛋白滴加到海藻酸鈣/羧甲基纖維素混合溶液中，自發(fā)形成絲素蛋白/海藻酸鈣/羧甲基纖維素共混凝膠。該凝膠具備良好的柔韌性、保水性和彈性，對(duì)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的細(xì)胞毒性低于市售的油紗布和粘膠凝膠敷料。用大鼠II度燒傷模型進(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，絲素蛋白/海藻酸鈣/羧甲基纖維素共混凝膠移植于創(chuàng)面后，創(chuàng)面的上皮化速度、膠原生成速度、肉芽生長速度和創(chuàng)面愈合速度都比市售的粘膠凝膠敷料快。

2 裝載生物活性物質(zhì)的絲素敷料

創(chuàng)面愈合包括炎癥細(xì)胞、修復(fù)細(xì)胞的聚集，受損組織的清除和產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)，最后完成再上皮化或形成瘢痕，是一個(gè)動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的過程[36]。基于對(duì)創(chuàng)面愈合的逐漸深入了解，通過在絲素敷料中裝載各種生物活性物質(zhì)以促進(jìn)創(chuàng)面愈合的研究越來越多。如負(fù)載抗菌物質(zhì)、生長因子以及針對(duì)治療特定創(chuàng)面的其他生物活性物質(zhì)等。

2.1 裝載抗菌物質(zhì)的絲素敷料

作為開放性創(chuàng)面，難免伴有細(xì)菌感染，若感染得不到有效控制，其產(chǎn)生的內(nèi)毒素和刺激各種細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥因子會(huì)嚴(yán)重影響創(chuàng)面的愈合。通過在絲素敷料中裝載抗菌物質(zhì)并使其緩慢釋放于創(chuàng)面，可抑制細(xì)菌的生長、繁殖。Mehrabani等[37]通過冷凍干燥法制備裝載納米銀的絲素/甲殼素多孔海綿，納米銀的裝載量為敷料質(zhì)量的0．001%～0．1%。納米銀的裝載量越多，則對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的生長抑制能力越強(qiáng)，但細(xì)胞毒性相應(yīng)增大。當(dāng)納米銀的裝載量為0．001% 或0．01% 時(shí)，既對(duì)細(xì)菌生長具有較強(qiáng)的抑制能力，又對(duì)細(xì)胞無太明顯的毒性。多孔海綿的膨潤性、吸水性、凝血性、生物降解性等其他性能符合用于創(chuàng)面敷料的要求。Song等[38]將人源抗菌肽LL37中最小的抗菌肽段Cys-KR12(CKRIVKRIKKWLR)，用化學(xué)方法接枝到靜電紡制備的絲素纖維網(wǎng)表面。研究表明：該絲素纖維網(wǎng)對(duì)金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大腸桿菌和銅綠假單胞菌四種創(chuàng)面常見的致病菌株均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗菌能力，并且能促進(jìn)成纖維細(xì)胞和表皮細(xì)胞的增殖，促進(jìn)表皮細(xì)胞的分化及細(xì)胞-細(xì)胞間連接的建立，抑制單核細(xì)胞炎癥因子的表達(dá)。

2.2 裝載生長因子的絲素敷料

創(chuàng)面的愈合需要多種生長因子的參與和調(diào)控，如表皮細(xì)胞生長因子EGF、成纖維細(xì)胞生長因子FGF、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子VEGF等。將具有刺激細(xì)胞生長活性的因子裝載于絲素敷料內(nèi)，保持其生物活性，并使其緩慢、持續(xù)地釋放于創(chuàng)面，是提高敷料療效的重要途徑。

Liu等[39]利用冷凍干燥法制備固定有堿性成纖維細(xì)胞生長因子bFGF的絲素蛋白多孔材料，該材料在體外能顯著地促進(jìn)接種于其內(nèi)的成纖維細(xì)胞L929 的增殖，植入SD大鼠背部全層皮膚缺損創(chuàng)面后能顯著促進(jìn)材料內(nèi)血管網(wǎng)絡(luò)的形成和真皮組織的再生，顯著加快創(chuàng)面的愈合。

Schneider等[40]將表皮細(xì)胞生長因子混入絲素水溶液后，用高壓靜電紡絲技術(shù)制備裝載表皮生長因子的絲素納米纖維網(wǎng)，模擬生理環(huán)境的體外釋放實(shí)驗(yàn)顯示，裝載于絲素纖維網(wǎng)內(nèi)的表皮細(xì)胞生長因子能緩慢釋放，170 小時(shí)的釋放量為初始裝載量的25%。將該絲素纖維網(wǎng)作為創(chuàng)面敷料，采用與人體皮膚等價(jià)的模擬創(chuàng)面治療實(shí)驗(yàn)表明，該絲素纖維網(wǎng)能加速創(chuàng)面的上皮化進(jìn)程。

2.3 裝載其他生物活性物質(zhì)的絲素敷料

生物活性物質(zhì)裝載于絲素敷料內(nèi)，往往能夠提高對(duì)特定類型創(chuàng)面的療效。除了抗菌劑和細(xì)胞生長因子外，尚有很多生物活性物質(zhì)能夠通過間接途徑或不僅僅通過直接途徑發(fā)揮促進(jìn)創(chuàng)面愈合的作用。將這些生物活性物質(zhì)裝載于絲素敷料內(nèi)，往往能夠提高對(duì)特定類型創(chuàng)面的療效。

Li等[41]采用同軸高壓靜電分化和冷凍干燥相結(jié)合的方法制備裝載胰島素的絲素微球，從微球中釋放出的胰島素能夠保持其原有的二級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠持續(xù)釋放28 天。通過體外培養(yǎng)人永生化表皮細(xì)胞HaCa T和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞EA.hy 926證實(shí)，從微球釋放出的胰島素對(duì)細(xì)胞具有明顯的刺激作用，能夠加速人永生化表皮細(xì)胞HaCa T和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞EA.hy 926的遷移和增殖。進(jìn)一步，將載胰島素的絲素微球固定于絲素多孔材料內(nèi)，作為敷料用于糖尿病大鼠的全層皮膚創(chuàng)面修復(fù)時(shí)，顯示出較高的創(chuàng)面愈合率，較快的血管新生速率和組織再生速率。為糖尿病足、褥瘡等慢性和難愈性創(chuàng)面的修復(fù)治療提供了一種具有應(yīng)用前景的敷料。Inpanya等[42]將蘆薈提取物與絲素蛋白共混后制備絲素膜，用于糖尿病大鼠的創(chuàng)面治療。與不含蘆薈提取物的絲素膜相比，該絲素膜能增進(jìn)成纖維細(xì)胞的粘附和增殖，覆蓋于糖尿病創(chuàng)面7 天后，創(chuàng)面面積顯著縮小。組織學(xué)觀察結(jié)果顯示，愈合后創(chuàng)面組織中成纖維細(xì)胞的分布和膠原纖維的排列與正常皮膚相似，表明該敷料具有應(yīng)用于糖尿病引起的潰瘍創(chuàng)面的潛在可能。

3 展望

蠶絲絲素可以制備成纖維網(wǎng)、多孔海綿、致密薄膜、水凝膠等多種材料型式用作創(chuàng)面敷料。迄今的研究已充分證明，蠶絲絲素用于創(chuàng)面敷料具有良好的生物相容性，這為其安全地應(yīng)用于臨床提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。不同類型的創(chuàng)面對(duì)敷料的結(jié)構(gòu)、理化性能及生物學(xué)性能有不同的要求，適用于感染、潰瘍、糖尿病足等慢性及難愈性創(chuàng)面的絲素敷料研發(fā)尚待進(jìn)一步深入。在充分認(rèn)識(shí)不同類型創(chuàng)面的愈合途徑和分子機(jī)制的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行絲素創(chuàng)面敷料的組成、結(jié)構(gòu)、理化性能及生物活性設(shè)計(jì)，使絲素創(chuàng)面敷料同時(shí)具備加快創(chuàng)面愈合速度、提高創(chuàng)面愈合質(zhì)量等功能，是未來的研究及開發(fā)重點(diǎn)。