殼聚糖在組織工程支架材料中的應(yīng)用進展

高嘉 伍尚敏

[摘要]殼聚糖作為一種天然生物材料，其資源豐富，經(jīng)濟實用。多項研究證實其無毒，具有可降解性、可塑性及良好的生物相容性等多項優(yōu)點。可用于組織損傷的修復(fù)和生物組織工程支架材料的應(yīng)用等。近年來，隨著對殼聚糖研究的深入，研究者們將殼聚糖作為組織工程支架材料，發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)和生物學(xué)功能更加優(yōu)良且多樣化，作為支架材料在整形外科應(yīng)用中具有良好前景。

[關(guān)鍵詞]殼聚糖；生物材料；組織工程；支架

[中圖分類號]Q53 [文獻標志碼]A [文章編號]1008-6455（2018）03-0155-03

Research Advance of Chitosan in Tissue Engineering Scaffold Materials

GAO Jia，WU Shang-min

（Department of Plastic Surgery， Ganmei Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650011，Yunnan，China）

Abstract： Chitosan， as a natural biological material， is rich in resources ，economical and practical.Many studies have proved that it is nontoxic， biodegradable， plastic and biocompatible. It can be used for the repair of tissue injuries， and the application of scaffold materials for biological tissue engineering.In recent years， with the intensive study of chitosan， the researchers used chitosan as scaffold material for tissue engineering， and found that the physical and biological functions of chitosan are better and diversified. Chitosan is a promising scaffold material in tissue engineering. In this paper， the progress of chitosan and its derivatives in tissue engineering is reviewed.

Key words： chitosan； biomaterials； tissue engineering； scaffolds

組織工程學(xué)是利用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和技術(shù)，對具有功能缺損的組織進行修復(fù)及再造，可構(gòu)建出具有生物活性的組織與器官。其實質(zhì)是利用細胞培養(yǎng)技術(shù)在體外培養(yǎng)出細胞或?qū)⒅Ъ芙M織結(jié)構(gòu)物移至體內(nèi)，在體內(nèi)建成具有相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)與組織器官[1-2]。將組織工程合理利用的關(guān)鍵是找到合適的支架材料，使細胞在支架組織中良好的生長、增殖至最終達到具有生物學(xué)活性的組織，可以發(fā)揮其修復(fù)功能。可利用組織工程學(xué)技術(shù)提高自體脂肪術(shù)后的存活率，將組織工程學(xué)在醫(yī)學(xué)美容方向廣泛應(yīng)用。

殼聚糖（chitosan，CS）是一種天然可吸附陽離子生物多糖的生物材料，因此具有生物相容性較好、親水性、可塑性、易降解性和無毒副作用等特性[3]。殼聚糖及其衍生物應(yīng)用于組織工程學(xué)材料制作中，為各功能損傷的器官組織再生提供支架空間，彌補其功能缺陷[4]。近幾年來，研究者們將殼聚糖制作為凝膠、微球以及三維支架等支架結(jié)構(gòu)，用于對組織工程的研究，本文就其相關(guān)進展綜述如下。

1 殼聚糖的概述

殼聚糖（CS）是由甲殼素經(jīng)過脫乙?；笮纬傻漠a(chǎn)物，屬于天然的高分子聚合物。在自然界廣泛存在，含量位列第二位，僅低于纖維素。殼聚糖的具體形成是一種由葡萄胺和N-乙酰葡萄胺通過脫乙?；?B-1，4糖苷鍵連接組成的線性多糖[5-6]，與軟骨基質(zhì)糖氨多糖（Glycosaminoglycan，GAG）的分子結(jié)構(gòu)類似，降解后形成氨基葡萄糖單體，對人體無毒副作用，有較好的生物相容性、可降解性、無免疫原性、具有抗炎滅菌等作用[7]。

殼聚糖有著甲殼素的優(yōu)良特性：具有親水性、吸水性和可降解性等特點，降解后產(chǎn)物為單糖，對組織、細胞無毒副作用，不會對組織產(chǎn)生異物反應(yīng)和組織免疫原性，殼聚糖是一種帶正電荷的聚合糖，有利于與細胞非特異性吸附，物理和化學(xué)性能非常穩(wěn)定，是組織工程中應(yīng)用較多的生物支架材料[8]，同時，氨基的存在使殼聚糖能夠溶解于稀酸溶液，大大擴展了其應(yīng)用范圍[9]，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可循環(huán)利用，是理想的生物醫(yī)用材料[5]。

2 殼聚糖的應(yīng)用

2.1 殼聚糖水凝膠的研究：水凝膠是一種較強的吸水材料，由水溶性高分子交聯(lián)形成，其交聯(lián)的網(wǎng)格在遇水后膨脹，且分散，高含水量但不溶解，將其牢固于高分子三維網(wǎng)絡(luò)中，整個水凝膠體系保持良好的穩(wěn)定性。水凝膠的柔軟、高含水量，與活體組織質(zhì)感相似，生物相容性較良好，因此水凝膠多被用于藥物遞送材料、隱形眼鏡、人造血漿以及皮膚組織填充材料、組織工程支架等。殼聚糖水凝膠的特性為毒性小、與生物易溶[10]。且殼聚糖水凝膠具有酸堿度敏感性，溫度敏感性，但酸堿度和溫度改變不會影響殼聚糖水凝膠的正常作用。

水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中含大量的水，可利于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的運輸，為細胞提供營養(yǎng)。水凝膠有流動性的特點，可采用注射的方式進入人體。所產(chǎn)生的創(chuàng)口較小，并且可在體內(nèi)改變凝膠的形態(tài)及位置，為細胞遞送生長因子和藥物，是最適宜的載體材料，且易降解，水凝膠的理化特性決定其制備組織工程支架最為合適。殼聚糖水凝膠降解后的產(chǎn)物具有較好的生物相容性，且殼聚糖的殺菌、防粘連等特點可以幫助組織功能進行修復(fù)，是較好的制備組織工程支架的材料。

Bio Syntech Canada公司研發(fā)包含殼聚糖和甘油磷酸二鈉鹽水凝膠，該體系在室溫下表現(xiàn)為液態(tài)，在接近體溫下可凝固為膠狀。并且水凝膠的制備過程中無需添加任何有機溶劑和交聯(lián)劑，無形中降低水凝膠的毒性并提高生物相容性，可用于藥物緩釋材料、骨或軟骨填充材料等組織工程領(lǐng)域。Chenite等[11]研究發(fā)現(xiàn)甘油磷酸鹽調(diào)控殼聚糖及水分子間相互作用，制備殼聚糖/甘油磷酸鹽水溶性復(fù)合物，通過注射方式將復(fù)合物注入體內(nèi)，植入后可原位凝膠化，正好展示殼聚糖水凝膠具有良好的生物相容性特點。在殼聚糖的水溶液中加入多元醇鹽如甘油磷酸二鈉，由于氫鍵、靜電和疏水的協(xié)同作用下，殼聚糖水凝膠溶液在機體生理pH條件下仍可保持溶膠狀態(tài)，當殼聚糖水溶液溫度升至體溫時則轉(zhuǎn)變成凝膠。中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王勇等研究可注射的溫敏性殼聚糖水凝膠的組織工程材料，將帶有促血管生長因子的注射水凝膠注射至動物心肌梗死模型特定區(qū)中，觀察修復(fù)心機梗死區(qū)域的情況。發(fā)現(xiàn)實驗組血管密度增高，并降低了纖維化程度，心肌存活數(shù)也有所增加，正是因為殼聚糖水凝膠其滅菌、生物相溶等優(yōu)點，使其在臨床組織工程中被廣泛應(yīng)用。

2.2 殼聚糖微球的研究：近年來，微球是組織工程學(xué)中正蓬勃發(fā)展的新劑型，由組織工程支架材料制成為球狀載體給藥系統(tǒng)。由于將藥物分散或包埋在微球中而形成外形類似球狀實體，微球直徑大小一般0.3～100μm，微球的不同粒徑范圍作用于不同的靶器官組織[12]。殼聚糖微球制備方法有許多種，如：乳化交聯(lián)、蒸發(fā)溶劑、液中干燥、噴霧干燥等方法。微球載體作為新型藥物環(huán)節(jié)控釋系統(tǒng)，其優(yōu)點具有不僅可以緩解藥物、靶向輸送，而且在保障藥物劑量的前提下，減少藥量，降低藥物的毒性。研究發(fā)現(xiàn)[13]使用乳化化學(xué)交聯(lián)法，再經(jīng)戊二醛固化得到的微球結(jié)構(gòu)，密度致密，其外形形態(tài)大小分布都滿足需求，且緩釋效果良好。李雅蘭等[14]研究表明，使用不同的交聯(lián)劑用量對微球載藥量、遞送量和釋放量均有影響，為選擇合適的微球制備條件提供依據(jù)，所制備的微球粒徑應(yīng)該最好為20 pm左右，并且微球的載藥量隨著所添加的藥物量的增加。

2.3 殼聚糖復(fù)合三維支架的研究：合適的組織工程支架材料應(yīng)符合三個特性：首先，生物相容性，可降解性，無細胞毒性，無免疫原性；其次，一定的機械強度，易于加工成型；最后，具有一定的通透性，有利于細胞滲透和藥物的進入[4，12]。殼聚糖支架可為種子細胞、細胞提供三維立體的培養(yǎng)環(huán)境，使細胞在支架材料中能夠正常生長、增殖，并分泌細胞外基質(zhì)取代植入的支架材料，再逐漸降解材料，最終形成具有生物活性的組織，達到修補組織缺損的目的。臨床所應(yīng)用的支架材料除了要求具有良好的生物相容性，可降解性及可塑性外，還應(yīng)具有三維立體結(jié)構(gòu)。三維立體結(jié)構(gòu)多為孔狀，外形似于海綿狀，孔隙率一般達到80%以上，隨著內(nèi)表面積增加，可以方便帶負電荷的細胞在支架組織中牢固粘附。其次，三維立體的組織結(jié)構(gòu)有助于營養(yǎng)物質(zhì)的遞送和代謝產(chǎn)物的排泄，且支架材料在生物降解后只產(chǎn)生少量的產(chǎn)物，對組織修復(fù)功能影響較弱。

單一的支架材料通常無法達到三維立體結(jié)構(gòu)的要求，即使具備理想支架的優(yōu)點，在臨床上卻不易單獨使用。因此，殼聚糖復(fù)合其他生物材料制備三維多孔立體支架，利于細胞的粘附和生長，具有良好的機械性能，相容性，可降解，無酸性降解物等特點，是符合組織工程理想支架材料的要求，具有潛在的臨床應(yīng)用前景[1]。殼聚糖-明膠復(fù)合支架已成為近幾年研究的熱點，多被用在人造皮膚、骨移植和組織工程支架等諸多方面。明膠雖具有較好的生物相容性和可降解性，但仍存在可塑性較差，難以成形，無法滿足組織的構(gòu)建，而殼聚糖可以克服明膠的缺點，并且易于成型，加工簡易，完全滿足真皮支架材料的要求。郭宏磊等[15-16]研究表明在殼聚糖-明膠支架復(fù)合過程中，由于殼聚糖帶正電荷，靜電作用下殼聚糖可與帶負電荷的明膠蛋白分子緊密結(jié)合，明膠分子結(jié)構(gòu)含有氨基和羧基類似的親水基團，明膠的引入便可增加殼聚糖的親水性能，其溶質(zhì)的透過能力及透氧性能有所提高，明膠還可以促進軟骨細胞在三維支架上吸附、生長增殖、分化和分泌細胞外基質(zhì)。有研究表明制備殼聚糖和明膠復(fù)合纖維支架的過程中，可用靜電紡絲技術(shù)提高殼聚糖滅菌和防粘連的特點，合并明膠吸水和防滲出的特點，在模擬皮膚結(jié)構(gòu)的同時，促進傷口愈合，最終達到皮膚組織工程支架材料的條件[3，6]。

3 小結(jié)

殼聚糖是人類接觸較晚但在自然界極其豐富的天然資源，隨著對殼聚糖的深入研究，還有更多的奧妙等著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，并在多個領(lǐng)域中殼聚糖都起到重要作用。如在皮膚組織工程中，因殼聚糖所具有的無毒、抗菌、良好的生物降解性能，可作為傷口敷料，能有效防止粘連，促進傷口愈合。在軟骨組織中，可以通過體外培養(yǎng)的方法，將分離的關(guān)節(jié)軟骨細胞或體細胞相融在支架中，植入到受傷的關(guān)節(jié)處。近年來，隨著對殼聚糖及其衍生物的研究，其延伸到神經(jīng)、肝臟等其他組織中，其在組織工程中的潛力不可小覷。殼聚糖作為現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的唯一荷正電的天然多糖，一種資源豐富且性能優(yōu)異的生物材料，在組織工程材料的應(yīng)用中，在不同的組織都展現(xiàn)出其應(yīng)用的潛力。雖然仍存在一些不足，如當作支架材料時，其力學(xué)強度、降解速度以及與宿主之間的結(jié)合能力都有待提高和優(yōu)化。優(yōu)化和改善殼聚糖材料成為一個重要的方向。殼聚糖支架材料作為一種新型的藥物遞送材料和修復(fù)功能材料，將會在整形外科更為普遍地利用[17]。因此，隨著生物材料學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，通過殼聚糖在組織工程學(xué)的方法來提高自體脂肪移植術(shù)后脂肪的存活率將成為研究熱點，為醫(yī)學(xué)美容中體表軟組織的修復(fù)和功能重建帶來了新的希望。

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[收稿日期]2017-10-13 [修回日期]2018-12-23

編輯/李陽利