殼聚糖基創(chuàng)傷敷料在傷口處理過(guò)程中的作用機(jī)制與應(yīng)用

周亞平，劉吉偉，李學(xué)明

(南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院,江蘇南京211800)

早期人們用植物的葉子、動(dòng)物的皮膚等覆蓋在傷口表面保護(hù)傷口，這是最早的創(chuàng)傷敷料形式。隨著研究的深入，研究者們開(kāi)發(fā)了復(fù)合敷料，將具有愈合作用的各種藥材相互混合，但是愈合緩慢[1]。值得關(guān)注的是，新材料開(kāi)發(fā)使得創(chuàng)傷敷料類型及功能多樣化，主要包括天然生物材料類敷料、人工合成材料類敷料和礦物質(zhì)類敷料等，其中天然生物材料具有良好的研究和應(yīng)用前景。天然生物材料類創(chuàng)傷愈合敷料具有良好的生物相容性、生物可降解性、止血、加速愈合及抗菌殺菌等優(yōu)良性能，而價(jià)格低廉、原料易得、不易引起過(guò)敏、易于移除等特性的天然生物材料類創(chuàng)傷愈合敷料更是得到研究者的特別關(guān)注[2]。

圖2 殼聚糖抗菌機(jī)制Fig.2 Antibacterial mechanism diagram of chitosan

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是帶正電的堿性多糖，由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)脫乙酰反應(yīng)得到的，化學(xué)名稱為β-(1→4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖。1859年法國(guó)人Rouget首先將甲殼素置于NaOH溶液中加熱得到易溶于有機(jī)酸的殼聚糖[3]。殼聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性、止血、抑菌殺菌、促進(jìn)傷口愈合等多種優(yōu)良性能[2]，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物工程和食品加工等研究領(lǐng)域。甲殼素來(lái)源廣泛，尤其是甲殼類動(dòng)物，如蝦殼、蟹殼等，每年從不同來(lái)源生產(chǎn)的甲殼素達(dá)1 000億t。因此，由甲殼素提取得到的殼聚糖在生物醫(yī)藥領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，主要用作止血?jiǎng)?、抗菌劑、傷口敷料和支架等。市售殼聚糖基止血材料HemCon?止血繃帶和Celox?止血粉，已經(jīng)獲得FDA批準(zhǔn)，目前這2種材料已經(jīng)成為美軍人手必備的急救物品。

圖1 殼聚糖結(jié)構(gòu)式制Fig.1 Structural formula of chitosan

1 殼聚糖在傷口處理過(guò)程中的抗菌作用

當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)傷口時(shí)，如果不作任何處理將會(huì)引起傷口感染，從而引發(fā)很多炎癥反應(yīng)，所以，理想的創(chuàng)傷敷料應(yīng)該具備有效的抗菌活性。近年來(lái)，殼聚糖用作抗菌劑備受關(guān)注，殼聚糖及其衍生物對(duì)細(xì)菌、真菌、病原菌等微生物都具有顯著的抑菌殺菌功能，在傷口處理的過(guò)程中可以作為良好的抗菌劑，保護(hù)傷口免受感染[4]。殼聚糖發(fā)揮抗菌作用有2個(gè)主要的抗菌機(jī)制：第1種機(jī)制是細(xì)菌細(xì)胞表面帶有陰離子基團(tuán)，殼聚糖是陽(yáng)離子聚合物，兩種帶相反電荷的物質(zhì)之間產(chǎn)生靜電相互作用，在細(xì)菌細(xì)胞周圍形成了不透水層，抑制重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，從而產(chǎn)生抑菌功效，如圖2所示[5]；第2種機(jī)制是殼聚糖能夠侵入細(xì)菌細(xì)胞核，抑制了細(xì)菌RNA及蛋白質(zhì)合成，研究表明低分子量的殼聚糖或殼寡糖抑制作用更加明顯[6]。

殼聚糖抗菌活性受多種因素影響，內(nèi)在因素包括分子量、濃度及脫乙酰度等，外在因素包括微生物種類、細(xì)菌細(xì)胞的胞齡、殼聚糖衍生物和殼聚糖敷料形態(tài)等。殼聚糖側(cè)鏈基團(tuán)的存在，影響殼聚糖抗菌活性，殼聚糖衍生物的開(kāi)發(fā)能夠提高殼聚糖的抗菌活性。雜環(huán)或芳香族部分取代基的引入可以增加抗真菌活性，研究表明脂肪族側(cè)鏈可以增加殼聚糖抗真菌活性，如Rabea等[7]通過(guò)還原胺化反應(yīng)制備不同的N-芐基殼聚糖衍生物對(duì)德巴利腐霉和尖孢鐮刀菌具有顯著的抗真菌活性；Jia等[8]合成N-(1-羧基丁基-4-吡啶鎓)殼聚糖氯化物，對(duì)灰霉病菌和番茄葉霉病表現(xiàn)出良好的抗真菌活性；Guo等[9]利用O-羧甲基殼聚糖還原胺化制備的N-芐基羧甲基殼聚糖衍生物表現(xiàn)出對(duì)尖孢鐮刀菌和番茄早疫病菌的抗真菌活性；而Sun等[10]發(fā)現(xiàn)磺基化殼聚糖對(duì)金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌作用。

抗生素與殼聚糖協(xié)同作用能有效地提高殼聚糖基敷料的抗菌性能，但是，近年來(lái)由于抗生素的濫用導(dǎo)致了多藥耐藥菌的出現(xiàn)，增加了傷口感染風(fēng)險(xiǎn)[11]。研究者發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)材料也具有一定的抗菌效果，為進(jìn)一步提高殼聚糖基抗菌敷料的應(yīng)用，Lu等[12]向聚糖基敷料中加入無(wú)機(jī)材抗菌劑如納米Ag2O及納米ZnO等，有效地提高了抗菌效果，同時(shí)擴(kuò)大殼聚糖在抗菌方面的應(yīng)用。隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)抗菌劑也存在一些不足[13]，如無(wú)機(jī)抗菌劑不具備生物可降解性，不能被機(jī)體內(nèi)源性吸收，所以，開(kāi)發(fā)具有生物相容性、生物可降解性的新型抗菌材料與殼聚糖協(xié)同作用，對(duì)提高殼聚糖基敷料抗菌方面的應(yīng)用具有重要意義。

2 殼聚糖在傷口處理過(guò)程中的止血作用

導(dǎo)致失控性出血的嚴(yán)重創(chuàng)傷是全球公共衛(wèi)生問(wèn)題，創(chuàng)傷性傷害造成的死亡占了意外事故死亡率約十分之一，全世界每年超過(guò)580萬(wàn)人死亡，預(yù)計(jì)這一死亡人數(shù)將會(huì)在2020年上升到800萬(wàn)[14-15]。傷口部位嚴(yán)重出血若不及時(shí)處理，將會(huì)出現(xiàn)感染，嚴(yán)重情況下將會(huì)出現(xiàn)危及到生命的膿毒癥[16]，所以開(kāi)發(fā)高效快速的止血?jiǎng)┰谏镝t(yī)藥材料發(fā)展中極其重要。新型止血材料包括明膠、微纖維膠原、纖維蛋白膠、凝血酶、氧化纖維素或氧化再生纖維素、殼聚糖等，通過(guò)對(duì)比研究，殼聚糖基止血敷料是非常有效的止血?jiǎng)?，目前，基于殼聚糖及其衍生物的止血?jiǎng)V泛應(yīng)用于患者術(shù)后出血控制。研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖凝血機(jī)理與殼聚糖正電性相關(guān)，殼聚糖聚合物表面的正電基團(tuán)能夠和紅細(xì)胞膜上的負(fù)電基團(tuán)相互吸引，使得紅細(xì)胞相互聚集達(dá)到凝血的效果，同時(shí)加快凝血因子啟動(dòng)，增強(qiáng)凝血，如圖3(AnsCareTMChitoClot Bandage安適康殼聚糖止血繃帶)。隨著研究深入，Yang等[17]發(fā)現(xiàn)固態(tài)殼聚糖和殼聚糖溶液遵循不同的止血機(jī)制，固態(tài)殼聚糖利用對(duì)液體的吸收作用達(dá)到止血的效果，殼聚糖溶液主要利用其正電性對(duì)帶負(fù)電紅細(xì)胞進(jìn)行吸附作用止血。

圖3 殼聚糖止血作用機(jī)制Fig.3 Hemostatic mechanism of chitosan

雖然殼聚糖基止血材料具有快速止血的特性，但是在其應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些缺陷，這些缺陷限制了殼聚糖基止血?jiǎng)┑膽?yīng)用。HemCon止血?jiǎng)┰趧?dòng)物出血模型中能有效止血，但是臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其不能控制過(guò)度出血情況；Celox止血?jiǎng)?huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)[18-19]。為了彌補(bǔ)這些缺陷，較有前景的方法是向基質(zhì)中添加無(wú)機(jī)材料對(duì)殼聚糖進(jìn)行修飾，形成有效的凝血復(fù)合支架[20]，如載銀殼聚糖-聚磷酸鹽復(fù)合敷料，因多聚磷酸鹽的加入提高了止血性能[21]；Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)向敷料中摻入黏土礦物可以有效地改善支架性能，如向殼聚糖基材料中加入埃洛石納米管(HNTs)，隨著HNT含量的增加，不僅能提高殼聚糖支架的力學(xué)性能，還能提高止血性能。研究表明殼聚糖和CaCO3協(xié)同作用可有效促進(jìn)凝血[23]，故本實(shí)驗(yàn)室目前正在設(shè)計(jì)殼聚糖/ CaCO3凝膠創(chuàng)傷敷料，一方面利用CaCO3促進(jìn)凝血作用，另一方面CaCO3能夠在酸性條件下生成促凝因子Ca2+加速凝血。然而無(wú)機(jī)材料不具備生物可降解特性，所以開(kāi)發(fā)殼聚糖搭載生物可降解特性物質(zhì)，改善殼聚糖力學(xué)性能，提高止血特性是重要的研究方向。

3 殼聚糖在傷口處理過(guò)程中的傷口愈合作用

傷口愈合是受損傷組織恢復(fù)完整的過(guò)程，傷口愈合能夠防止生物體喪失生理平衡。傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及凝血、炎癥、細(xì)胞增殖、瘢痕形成期、表皮及其他組織再生。殼聚糖基創(chuàng)傷敷料作為理想的傷口敷料，擁有良好的創(chuàng)傷愈合作用，具有良好的生物相容性和生物可降解特性，另外，殼聚糖具有很強(qiáng)的組織黏附性，能夠更好地合成瘢痕組織以及對(duì)傷口收縮具有促進(jìn)作用[24]。

研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖創(chuàng)傷愈合敷料的愈合機(jī)制為殼聚糖可以有效地降解釋放N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖，該物質(zhì)在傷口愈合過(guò)程中可以促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖；殼聚糖單體有助于創(chuàng)傷部位有序沉積，刺激創(chuàng)傷部位透明質(zhì)酸的合成增加；殼聚糖為皮膚組織的再生提供了纖維素基質(zhì)，激活巨噬細(xì)胞，阻止異常的生長(zhǎng)活性，加快全層皮膚的愈合，阻止瘢痕生成，所以殼聚糖及其衍生物可以用作理想的傷口愈合材料[25]。目前殼聚糖基創(chuàng)傷愈合材料有凝膠、海綿、膜、納米粒、微粒及納米纖維等不同形式[26-30]。

傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，Mao等[31]設(shè)計(jì)的Ag/Ag@AgCl/ZnO雜化納米結(jié)構(gòu)，在光催化條件下釋放Ag+和Zn2+，刺激免疫產(chǎn)生大量的白細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞，協(xié)同抗菌并加速傷口愈合；殼聚糖凝膠-納米ZnO復(fù)合敷料，充分利用無(wú)機(jī)材料提高殼聚糖凝膠力學(xué)性能的同時(shí)，協(xié)同促進(jìn)愈合作用[32]；生長(zhǎng)因子在創(chuàng)傷愈合中起到非常重要的作用，但是單一的蛋白療法必須持續(xù)釋放才能夠?qū)谟袭a(chǎn)生強(qiáng)效的促進(jìn)作用，而蛋白治療劑半衰期短，大劑量使用不僅增加成本，還可能導(dǎo)致脫靶效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)可以將生長(zhǎng)因子和凝膠載體材料相結(jié)合，提高凝膠的力學(xué)特性，解決生長(zhǎng)因子半衰期短的問(wèn)題，達(dá)到高效促進(jìn)慢性創(chuàng)傷愈合的作用。隨著對(duì)創(chuàng)傷愈合研究的深入，新型的愈合技術(shù)及創(chuàng)傷愈合材料慢慢出現(xiàn)，如何將這些新方法新材料同殼聚糖基創(chuàng)傷敷料聯(lián)用，提高愈合效果及力學(xué)性能，對(duì)殼聚糖創(chuàng)傷愈合敷料的開(kāi)發(fā)具有重要研究意義[33-35]。

4 殼聚糖在傷口處理過(guò)程中的鎮(zhèn)痛作用

鎮(zhèn)痛藥是指可以減輕疼痛的一種藥物，一般情況下，和抗炎作用有關(guān)的藥物，大多數(shù)都可以鎮(zhèn)痛。殼聚糖具有許多生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，目前被認(rèn)為是一種理想的創(chuàng)傷敷料。通過(guò)對(duì)殼聚糖和甲殼素鎮(zhèn)痛差異研究，發(fā)現(xiàn)殼聚糖具有更強(qiáng)的鎮(zhèn)痛效果，有人提出這種鎮(zhèn)痛效果是由殼聚糖陽(yáng)離子特性產(chǎn)生，殼聚糖上的氨基可以吸收炎癥部位的質(zhì)子，達(dá)到減輕炎癥、鎮(zhèn)痛的效果。而酸性條件下，殼聚糖溶液中游離的伯氨基降低了所在區(qū)的pH，能夠起到長(zhǎng)效鎮(zhèn)痛的作用[36]，但是，鎮(zhèn)痛效果并不顯著。有研究發(fā)現(xiàn)含有嗎啡的殼聚糖和N,O-羧甲基殼聚糖產(chǎn)品能夠提供8～12 h的鎮(zhèn)痛效果，所以，將殼聚糖基創(chuàng)傷敷料與鎮(zhèn)痛藥聯(lián)合開(kāi)發(fā)，能有效地提高創(chuàng)傷敷料鎮(zhèn)痛效果，減輕患者的疼痛[37]。

5 結(jié)論與展望

殼聚糖是自然界唯一的帶正電的堿性多糖，在創(chuàng)傷愈合過(guò)程中發(fā)揮重要的作用，具有良好的生物相容性、生物可降解性、止血、抗菌、愈合、鎮(zhèn)痛及無(wú)毒等特性，可以作為良好的抗菌劑、止血?jiǎng)?、愈合劑以及?zhèn)痛劑。隨著對(duì)傷口處理過(guò)程研究的深入，影響創(chuàng)傷愈合的因素很多，雖然殼聚糖表現(xiàn)出適應(yīng)傷口愈合全過(guò)程的功能特性，但是單一使用殼聚糖滿足不了生物醫(yī)學(xué)的需求，而殼聚糖在研究和應(yīng)用過(guò)程中存在一些缺點(diǎn)，如殼聚糖只有在溶液中才能產(chǎn)生有效的抗菌效果；凝膠、海綿和膜等形式的殼聚糖基敷料，力學(xué)性能較差，這些都是需要解決的問(wèn)題。

本篇綜述主要討論殼聚糖作為創(chuàng)傷敷料，在抗菌、止血、愈合和鎮(zhèn)痛方面的機(jī)理及應(yīng)用，并且對(duì)殼聚糖在應(yīng)用過(guò)程中存在的缺陷進(jìn)行分析，結(jié)合目前創(chuàng)傷研究新進(jìn)展新發(fā)現(xiàn)，提出改進(jìn)方法，進(jìn)一步提高殼聚糖的應(yīng)用。創(chuàng)傷處理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及止血、抗菌和瘢痕生成等，殼聚糖表現(xiàn)出這些特征，但仍然存在一些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)殼聚糖衍生化修飾，有助于提高殼聚糖抗菌譜；同新型止血材料、抗菌材料及抑制瘢痕生成材料協(xié)同作用，可以有效地提高創(chuàng)傷處理效果；無(wú)機(jī)材料如ZnO、AgO等展現(xiàn)出良好的抗菌、止血等特性，殼聚糖與無(wú)機(jī)材料協(xié)同作用，既可以提高創(chuàng)傷處理效果，也可以提高創(chuàng)傷敷料的力學(xué)性能。

目前創(chuàng)傷愈合敷料主要研究方向?yàn)榇龠M(jìn)慢性傷口持續(xù)愈合；通過(guò)無(wú)機(jī)抗菌材料，協(xié)同促進(jìn)愈合；針對(duì)特殊傷口，如糖尿病足、潰瘍性腿和皮膚癌傷口的治療與促進(jìn)愈合等，可以充分利用殼聚糖自身的優(yōu)勢(shì)，將殼聚糖的應(yīng)用與創(chuàng)傷愈合研究最新最熱研究方向相結(jié)合，擴(kuò)大殼聚糖應(yīng)用的同時(shí)，促進(jìn)生物醫(yī)藥材料的開(kāi)發(fā)。