殼聚糖材料在慢性骨髓炎治療中的研究進(jìn)展*

洪瑩瑩周小莉詹玉林*

慢性骨髓炎的治療是現(xiàn)今臨床上的一個(gè)挑戰(zhàn)，長(zhǎng)期全身應(yīng)用抗生素會(huì)使人體內(nèi)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性[1]，對(duì)患者的身體也會(huì)造成負(fù)擔(dān)，如慶大霉素過(guò)量使用會(huì)造成耳中毒，萬(wàn)古霉素具有耳毒性和腎毒性[2]，且手術(shù)后通常會(huì)有大面積的骨缺損及外露[3]。CS是由甲殼素脫乙酰形成的一種堿性陽(yáng)離子多糖，具有可降解性、高度的生物相容性、抗菌活性、低毒性和低免疫源性的生物學(xué)特性，還可制備成納米粒子[4-5]。因其所富含的羥基和羧基組分，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其改性以實(shí)現(xiàn)不同的治療目的[4]。CS在體內(nèi)的降解速度與其脫乙酰的程度有關(guān)[6]。這些生物學(xué)特性使其適于作為藥物緩釋載體負(fù)載抗生素，單獨(dú)或與其他材料混合作為骨組織再生材料在臨床上進(jìn)行應(yīng)用。在臨床應(yīng)用中，CS以及改性CS以不同形式、通過(guò)不同的制備方法或混合其他材料實(shí)現(xiàn)其治療作用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)慢性骨髓炎更好的治療效果，前人對(duì)治療材料不斷地進(jìn)行改進(jìn)和研究。

1 單純的殼聚糖材料

單純的CS材料一般是負(fù)載抗生素（多為萬(wàn)古霉素）應(yīng)用于慢性骨髓炎的治療中，CS對(duì)于抗生素的緩釋能力可觀[7]，CS緩釋微球有多種制備方法[8]，離子交聯(lián)法一般用于制備納米CS材料。通過(guò)測(cè)定乳化交聯(lián)法所制備出的萬(wàn)古霉素 CS微球的載藥量和包封率，以及進(jìn)行的外釋放試驗(yàn)和體外抑菌試驗(yàn)顯示，CS包裹的萬(wàn)古霉素緩釋微球具有良好的體外抑菌活性和緩釋作用[9]。用噴霧干燥法制備的CS萬(wàn)古霉素緩釋材料注入由 MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）所誘導(dǎo)的脛骨感染的大鼠病灶，21d后經(jīng)細(xì)菌學(xué)檢測(cè)顯示其具有較好的抑菌效果[10]。相比于靜注或口服抗生素，CS緩釋材料可以提高局部藥物濃度，降低產(chǎn)生耐藥性的可能。也可以負(fù)載內(nèi)源性因子，Daniela P.Vasconcelos等將消散素D1負(fù)載于 CS3D多孔支架中，植入大鼠股骨缺損模型中2個(gè)月后，骨小梁厚度、I型膠原蛋白以及I型膠原與III型膠原的比例都有明顯增加。這些結(jié)果表明在植入生物材料的炎癥反應(yīng)的急性期消散素D1可以對(duì)新骨生成起正面作用。經(jīng)由免疫應(yīng)答而非抗生素方法控制炎癥可謂再生性醫(yī)學(xué)先進(jìn)的設(shè)計(jì)策略[11]。總的來(lái)說(shuō)，單純的 CS材料的優(yōu)勢(shì)是制備方法簡(jiǎn)單，與有機(jī)溶劑的接觸較少，可以盡可能大的保留被緩釋藥物的活性，其劣勢(shì)是強(qiáng)度不足、緩釋時(shí)間一般。

2 復(fù)合殼聚糖材料

2.1 復(fù)合的溫敏凝膠材料

溫敏凝膠是CS與甘油磷酸鹽混合后可形成的常溫下呈液態(tài)，37℃下一定時(shí)間后膠化的材料，形成的凝膠時(shí)間與強(qiáng)度同CS、甘油磷酸鹽的比例有關(guān)。添加生物陶瓷或載藥CS時(shí)可以減少凝膠化時(shí)間、增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度[12]。

CS溶液中加入磷酸鈣后再與甘油磷酸鈉混合，在37℃下成膠時(shí)間小于3min，強(qiáng)度適宜，無(wú)細(xì)胞毒性[13]，可應(yīng)用于慢性骨髓炎的治療。巰基化CS（改性CS）與羥基磷灰石（hydroxyapatite,HA）混合后加入甘油磷酸鹽形成溫敏水凝膠，以牛血清作為藥物模型，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的成膠能力和緩釋能力[14]。

將萬(wàn)古霉素負(fù)載于羥丙基甲基纖維素中，與CS混合制備緩釋凝膠，經(jīng)體外試驗(yàn)具有良好的載藥能力和緩釋效果[15]。載藥溫敏凝膠可以在病灶區(qū)域持續(xù)釋放藥物，與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，貼合創(chuàng)口發(fā)揮作用，是臨床治療上的優(yōu)勢(shì)材料。但強(qiáng)度方面有待提高。

接枝共聚是通過(guò)在HA表面接枝CS對(duì)HA表面進(jìn)行改性，獲得 HA-g-CS以提高復(fù)合物相容性，減少植入后 HA的脫離，提高界面結(jié)合力，通過(guò)改性將HA接枝到CS中形成CS/HA-g-CS材料再加入甘油磷酸鹽形成溫敏凝膠，可顯著提高凝膠在體內(nèi)的力學(xué)強(qiáng)度[16]。溫敏凝膠材料使用方便，在經(jīng)過(guò)改性和接枝共聚等方法處理后其強(qiáng)度有所增加，但載藥量總會(huì)相對(duì)減少。

2.2 復(fù)合的非溫敏材料

羥基磷灰石（HA）是一種常用于骨組織工程的材料，其成分與人體骨質(zhì)無(wú)機(jī)成分基本相同，具有生物相容性、骨傳導(dǎo)特性和抗炎能力[17-18]。HA與CS的復(fù)合材料有多種制備方式，如共混法、共沉淀法、電化學(xué)沉積法、模擬液體礦化法、交替沉積法等多種方法[19]。還可以將兩種材料結(jié)合成為復(fù)合納米材料，通過(guò)3D打印技術(shù)在臨床中應(yīng)用[20]。

CS、HA和羧甲基纖維素共混所制備的復(fù)合支架材料經(jīng)體外檢測(cè)與體內(nèi)試驗(yàn)顯示出良好的生物相容性和誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)的能力，有助于骨組織的再生[21]。在共混法中，CS起的是粘合劑和賦形劑的作用，使HA植入體內(nèi)后的遷移能力減弱，有利于新生骨細(xì)胞的附著[22]。

RGD序列則是可以促進(jìn)細(xì)胞對(duì)生物材料的黏附能力的由精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸組成的氨基酸序列。用原位合成法合成CS/HA混合物，再通過(guò)物理吸附加入RGD序列，將材料進(jìn)行體外評(píng)估和體內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明RGD-CS/HA材料能夠通過(guò)RGD序列提高生物材料與細(xì)胞間的黏附能力。增強(qiáng)了生物材料的相容性，為后續(xù)的研究提供了一個(gè)新的增強(qiáng)材料黏附性的新思路[23]。

硼酸鹽生物玻璃、CS溶液與替考拉寧粉末混合制備成替考拉寧緩釋微球，該材料在植入體內(nèi)后可轉(zhuǎn)化為HA，并在表面形成新骨。經(jīng)體外抗菌活性等方面的評(píng)估和體內(nèi)藥物釋放分析，該復(fù)合材料可應(yīng)用于臨床治療[24]。

由CS所包被的硫酸鈣粉末與達(dá)托霉素混合材料在兔慢性骨髓炎模型中的試驗(yàn)顯示出CS對(duì)于材料中達(dá)托霉素的緩釋有很大的幫助[25]。

通過(guò)溶液共混法制備乙基纖維素和CS的慶大霉素復(fù)合緩釋材料并加入納米HA進(jìn)行體外模擬液浸泡和大鼠慢性骨髓炎模型體內(nèi)植入試驗(yàn)。結(jié)果顯示該材料可以實(shí)現(xiàn)低血藥濃度和局部高給藥濃度，并在大鼠病灶部位顯示出良好的細(xì)胞相容性，加速填補(bǔ)術(shù)后骨缺損區(qū)[26]。CS材料還可以與HA等材料復(fù)合，經(jīng)3D打印技術(shù)形成特定形狀的材料應(yīng)用于骨組織工程中，通過(guò)氧等離子體處理提高生物活性、增加粗糙度，該材料表現(xiàn)出良好的促細(xì)胞增殖能力[27]。

超臨界發(fā)泡技術(shù)可調(diào)節(jié)活性化合物的孔隙率和負(fù)載量，用超臨界二氧化碳處理的負(fù)載萬(wàn)古霉素的聚己內(nèi)酯-CS復(fù)合支架可持續(xù)釋放藥物兩周以上，該支架可全面抑制金黃色葡萄球菌。在雞胚組織整合中表現(xiàn)優(yōu)異，有望為手術(shù)感染區(qū)域提供有效的局部給藥[28]。

利用冷凍干燥技術(shù)與改性水乳化液相結(jié)合的方法制備的CS與納米HA復(fù)合支架負(fù)載含有辛伐他汀的PLGA微球。該支架可緩釋藥物30 d以上。體外大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物活性試驗(yàn)表明，該支架可促進(jìn)細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)成骨分化。此外，在體內(nèi)大鼠顱骨缺損模型試驗(yàn)也證明，該支架可以有效地促進(jìn)骨再生。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，此方法治療骨缺損提供了一條很有希望的途徑[29]。

2.3 雙重藥物緩釋材料

為了延長(zhǎng)藥物緩釋的效果，可以采用復(fù)式緩釋微球。以PLGA為載體，CS做包膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)萬(wàn)古霉素的雙重緩釋?zhuān)梢猿晒ρ娱L(zhǎng)藥物的緩釋時(shí)間[30]。對(duì)于慢性骨髓炎術(shù)后所造成的骨缺損而言，一些形態(tài)發(fā)生蛋白、生長(zhǎng)因子等物質(zhì)也可以為恢復(fù)起到積極的作用[31]。CS與BMP2形成的緩釋系統(tǒng)就具有很好的骨誘導(dǎo)能力[32]。此外還有一些可降解的緩釋材料可以和CS共同合成多重藥物遞送系統(tǒng)提高臨床治療效果。將海藻酸鈉包裹的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子 (VEGF)與CS包裹的萬(wàn)古霉素通過(guò)層層自組裝技術(shù)合成的多層載藥微球兼?zhèn)浯龠M(jìn)血管形成和抗菌作用。明顯降低了突釋率，延長(zhǎng)了藥物有效濃度下的作用時(shí)間[33]。CS/硫酸鈣復(fù)合材料緩釋萬(wàn)古霉素及 BMP2，經(jīng)體外試驗(yàn)顯示出該材料具有同時(shí)緩釋萬(wàn)古霉素及BMP2的能力，并有較好的抗菌活性及骨誘導(dǎo)能力[34-35]。目前的大部分研究在選擇誘導(dǎo)因子時(shí)都著重選擇 BMP2，現(xiàn)有新研究表明，BMP9在低于 BMP2濃度4倍的條件下仍有更好的骨誘導(dǎo)能力。可以考慮在載藥系統(tǒng)中加入 BMP9以實(shí)現(xiàn)更好的效果[36]。總而言之，雙重載藥緩釋系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)在炎癥部位同時(shí)緩釋成骨因子及抗生素，加速了術(shù)后的恢復(fù)，是一種非常有前景的材料。

3 結(jié)語(yǔ)

殼聚糖在慢性骨髓炎中的應(yīng)用一般是：利用材料緩釋抗生素或生物活性因子，而后加入類(lèi)骨無(wú)機(jī)物增強(qiáng)材料模量。但強(qiáng)度方面往往依然不足，很難在保證抗菌活性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的支持作用。目前的研究大多側(cè)重于負(fù)載抗生素類(lèi)藥物，對(duì)其他生物因子的應(yīng)用較少，可以多從人體自身免疫通路角度實(shí)現(xiàn)消炎的目的。同時(shí)也可以考慮將藥物緩釋的特性與3D打印技術(shù)結(jié)合。目前的研究尚不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足材料強(qiáng)度、多孔性質(zhì)、緩釋時(shí)長(zhǎng)、溫敏性能以及多重載藥的各種優(yōu)勢(shì)特性。日后的研究可以考慮將各類(lèi)優(yōu)勢(shì)通過(guò)改性等技術(shù)進(jìn)行綜合，以制備多種優(yōu)勢(shì)于一身的臨床應(yīng)用的材料。