殼聚糖纖維的理化性能和生物活性研究進展

秦益民

(1. 嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001； 2. 海藻活性物質(zhì)國家重點實驗室， 山東 青島 266400)

殼聚糖,也稱甲殼胺，是甲殼素的脫乙酰基衍生物。以殼聚糖為原料通過濕法紡絲制備的殼聚糖纖維具有優(yōu)良的生物相容性、生物可降解性、親水性等特性，且其獨特的化學結(jié)構(gòu)賦予纖維一系列優(yōu)良使用功效，在功能紡織材料及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用中產(chǎn)生抗菌、止血、促進傷口愈合等優(yōu)異性能[1-3]。通過與細胞和組織的相互作用，殼聚糖纖維可以影響人體中的酶、細胞、組織等生物活性，產(chǎn)生獨特的醫(yī)療和保健功效[4-5]。

殼聚糖纖維可通過紡紗、機織、針織、非織造等工藝制備醫(yī)用紡織材料：以殼聚糖纖維為原料制備的手術(shù)縫合線具有生物可降解特性，可通過控制脫乙酰度調(diào)節(jié)其降解速度，殼聚糖纖維的機織和針織物是多孔結(jié)構(gòu)支架材料，可用于細胞移植和組織再生，殼聚糖針刺非織造布可用于傷口護理，殼聚糖水刺非織造布在功能性美容化妝品領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用價值，其良好的吸濕性、保濕性以及排毒、養(yǎng)顏特性深受消費者喜愛。

本文結(jié)合殼聚糖纖維研究領(lǐng)域的最新成果，分析總結(jié)了殼聚糖纖維的離子交換特性及其在與人體細胞和組織接觸過程中產(chǎn)生的抑制細菌增長、止血、抑制基質(zhì)金屬蛋白酶、促進傷口愈合等各種生物活性，對進一步開發(fā)其在醫(yī)療、衛(wèi)生、保健、化妝品等領(lǐng)域中的應(yīng)用有很高的實用價值。

1 殼聚糖纖維的離子交換性能

銅和鋅離子在體液中的質(zhì)量濃度約為1 mg/L，在人體組織的各種生物活性中起重要作用。文獻[6]顯示銅離子在誘導血管生成、血管內(nèi)皮生長因子、皮膚細胞外蛋白的表達和穩(wěn)定過程中起關(guān)鍵作用。糖尿病足潰瘍、靜脈潰瘍、褥瘡等慢性傷口的患者，局部銅離子含量較低時傷口愈合緩慢。殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中的氨基對銅、鋅等金屬離子有很強的螯合作用，在與傷口接觸時，殼聚糖纖維可通過其對銅離子的富集作用促進血管生成和皮膚再生，對傷口愈合有促進作用。圖1示出與CuSO4水溶液接觸后殼聚糖纖維中的銅離子含量的變化。發(fā)現(xiàn)Cu(II)離子很快被纖維吸收，其含量達到纖維質(zhì)量的9.0%[7]。表1示出乙酰度對殼聚糖纖維吸附銅離子的影響。充分吸附后纖維中銅離子與氨基的量比約為3∶1[8]。

圖1 與硫酸銅溶液接觸后殼聚糖纖維中的銅離子含量Fig.1 Copper ion content in chitosan fiber while in contact with CuSO4 solution

表1 乙酰度對殼聚糖纖維吸附銅離子性能的影響Tab.1 Influence of degree of acetylation on absorption of copper ions by chitosan fibers

鋅離子與殼聚糖纖維的螯合作用在臨床上也有重要的應(yīng)用價值。張海峰等[9]研究表明，在糖尿病患者的傷口上局部涂抹硫酸鋅可降低基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2活性，強化創(chuàng)面組織微血管密度，提高增殖性細胞核抗原陽性細胞表達，創(chuàng)面局部富集鋅離子對慢性傷口愈合有較強的促進作用。

2 殼聚糖纖維的生物相容性

殼聚糖具有良好的生物相容性，在體內(nèi)和體外可通過各種化學催化作用使其分子結(jié)構(gòu)中的β(1-4)糖苷鍵在脂肪酶、溶菌酶、淀粉酶等催化作用下分解為氨基葡萄糖，而被組織細胞吸收。程友等[10]研究了殼聚糖非織造布在體外、體內(nèi)的降解性能及其生物相容性，首先將其加入溶菌酶溶液中，于37 ℃恒溫振蕩水浴中放置一定時間后取出，依據(jù)質(zhì)量變化跟蹤降解速度。結(jié)果顯示，殼聚糖在質(zhì)量分數(shù)為1%溶菌酶溶液中放置1周和2周的平均降解質(zhì)量損失分別為5.52%和9.36%。植入體內(nèi)后，殼聚糖非織造布周圍無結(jié)節(jié)，隨時間延長淋巴細胞浸潤減少，具有良好的生物相容性[11]。

3 殼聚糖纖維的細胞活性

殼聚糖纖維的細胞活性體現(xiàn)在其與細胞接觸后的黏附、形態(tài)、生長、增殖、分化、再生等狀況。在與細胞接觸時，纖維的理化性質(zhì)決定了其表面黏附的蛋白質(zhì)種類、數(shù)量、構(gòu)像和分布[12-13]。丁勇等[14]研究了殼聚糖對巨噬細胞活性的影響，結(jié)果顯示殼聚糖在活化巨噬細胞后促進其分泌出多種細胞因子，有利于慢性傷口愈合。張文達等[15]用殼聚糖溶液培養(yǎng)人體上皮細胞，溶液中上皮細胞數(shù)量隨殼聚糖質(zhì)量濃度增加而增多，在殼聚糖質(zhì)量濃度為0.6 g/L時能明顯增殖。楊紅等[16]研究了殼聚糖質(zhì)量濃度對神經(jīng)細胞生長的影響，把乳鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞在有殼聚糖存在的環(huán)境中體外培養(yǎng)，結(jié)果顯示細胞不僅生長良好，其存活時間及存活細胞數(shù)量均較優(yōu)。Heinemann等[17]的研究結(jié)果顯示殼聚糖纖維支架對小鼠成骨細胞的增殖分化有促進作用。

殼聚糖的細胞活性可通過理化改性技術(shù)的應(yīng)用進一步改善[18]。Budirahar等[19]通過共價鍵合把骨形態(tài)發(fā)生蛋白與殼聚糖結(jié)合，促進了成骨細胞的黏附、增殖和分化。Yang等[20]把殼聚糖與白細胞介素等細胞因子結(jié)合后有效增強其抗腫瘤作用。Custodio等[21]的研究證明殼聚糖及其衍生物可提高細胞通透性，對酶具有抑制作用，同時增強親水化合物的通透作用，提高其跨膜轉(zhuǎn)運能力[22]。Jiang等[23]通過物理包埋及化學鍵合蛋白質(zhì)、寡肽等生物活性分子改善細胞與殼聚糖的相容性，使殼聚糖具有更好的穩(wěn)定性，在組織工程領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用價值[24-25]。

4 殼聚糖纖維的止血性能

作為天然高分子，殼聚糖可加工成粉末、溶液、凝膠、薄膜、海綿、纖維、非織造布等多種形式的材料用于傷口止血[26]，國內(nèi)外大量研究結(jié)果已證實殼聚糖具有止血功效[27-29]。殼聚糖纖維無毒、無抗原性，是一種性能優(yōu)良的止血材料。自Malette等[30]以殼聚糖為原料制備的很多種止血材料及其止血功效在醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，目前已有多種產(chǎn)品應(yīng)用于臨床止血。

殼聚糖的止血功效與其脫乙酰度、分子量、質(zhì)子化程度和物理形態(tài)密切相關(guān)。在與血液接觸時，血纖維蛋白原、Y-球蛋白、白蛋白、凝血原酶等血漿蛋白迅速吸附到纖維表面，介導了血小板在纖維表面的黏附。血小板的形變和激活引起5-羥色胺、β-血小板球蛋白、促凝血激活物、腺苷核苷酸等血小板活性成分的釋放，其中腺苷核苷酸能促進更多的血小板、血細胞、不溶性血纖維蛋白在纖維表面黏附，最終形成血栓。在pH值小于等于6.8時殼聚糖纖維表面顯正電性，對血液中的細胞外基質(zhì)蛋白、磷脂、黏多糖等多種顯負電性的生物大分子有很強的吸附作用。

Segal等[31]在研究海藻酸鹽纖維的止血性能時發(fā)現(xiàn)其主要作用機制是凝血效應(yīng)和對血小板的激化作用，海藻酸鹽纖維釋放出的鈣離子在激化血小板后使其釋放出纖維蛋白鏈而形成血栓，產(chǎn)生良好的止血功效。對于殼聚糖纖維，馬軍陽等[32]研究顯示，通過蛋白質(zhì)介導黏附血小板后形成殼聚糖與血小板復合物，該復合物可加速血纖維蛋白單體的聚合并共同形成凝塊，同時殼聚糖通過誘導紅細胞聚集而刺激血管收縮，最終形成血栓后封合傷口[33]。

高金偉等[34]研究了殼聚糖纖維對肝臟的止血效果，空白組不使用任何材料，對照組使用速即紗，實驗組使用殼聚糖纖維敷貼創(chuàng)面，記錄各組的總出血量和止血率顯示，空白組、對照組和實驗組的止血率分別為0%、25%和100%，出血量分別為(2.121±0.190)、(0.702±0.056)和(0.443±0.030) g/kg，殼聚糖纖維敷料的止血效果明顯優(yōu)于對照組和空白組。

5 殼聚糖纖維的抑菌性能

殼聚糖具有廣譜、高活性抗菌功效，可有效抑制細菌和真菌的生長和繁殖[35-37]。Amin等[38]在研究殼聚糖水凝膠敷料的抗菌性能時發(fā)現(xiàn)，人體皮膚表面pH值在4.5～6.5之間。殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中的氨基在與體表的酸性介質(zhì)接觸后形成帶正電荷的高分子鏈，通過中和細菌表面的負電荷、與細菌膠合使其凋亡。pH值對殼聚糖的抑菌性能具有影響，當pH值升高時殼聚糖的質(zhì)子化程度以及溶解性降低，抗菌能力減弱；當pH值大于7后殼聚糖不具有殺菌性能。pH值降低使正電荷數(shù)量增加，導致抑菌活性加強[39]。

殼聚糖的抑菌特性源于多種作用機制。首先，在微酸性介質(zhì)中，殼聚糖是一種陽離子型生物絮凝劑，可以使細菌細胞聚沉。殼聚糖吸附于細菌表面形成的高分子膜阻止代謝廢物的排泄，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導致細菌代謝紊亂而失去活性。高分子量殼聚糖的分子鏈卷曲和纏結(jié)度大，—NH3+基團包埋在絮凝體中使殺菌能力下降。低分子量殼聚糖尤其是殼寡糖可通過滲透作用穿過多孔細胞壁，進入細胞后使細胞質(zhì)內(nèi)含物絮凝、變性后無法進行生理活動，帶負電的脫氧核糖核酸(DNA)和信使核糖核酸(mRNA)等遺傳物質(zhì)在與帶正電的殼聚糖結(jié)合后也可以抑制細菌繁殖[40]。第二，細菌細胞膜上的蛋白質(zhì)、類脂等分子與殼聚糖中的—NH3+復合后可損壞細胞壁的完整性、改變細胞膜的通透性，最終使細胞壁趨于溶解，直至細胞死亡。第三，殼聚糖分子中的氨基選擇性螯合對微生物生長起關(guān)鍵作用的銅、鋅等酶的輔助因子，在抑制酶活性的同時抑制微生物的生長繁殖。此外，殼聚糖也可以激活甲殼素酶活性，使甲殼素酶過分表達后導致細菌細胞壁甲殼素的降解，通過損傷細胞壁導致細菌死亡[41]。

殼聚糖纖維的抗菌功效在醫(yī)用紡織材料領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，可用于預防感染、抑制創(chuàng)面細菌繁殖、促進傷口愈合[42]。魏瑩等[43]在42例供皮區(qū)和淺2度創(chuàng)面的研究中發(fā)現(xiàn)，殼聚糖纖維醫(yī)用敷料在保護創(chuàng)面的同時減少了創(chuàng)面物質(zhì)的丟失及感染的發(fā)生，并且出血量明顯減少，疼痛減輕，換藥次數(shù)減少。

6 殼聚糖纖維對酶活性的抑制性能

酶在細胞和組織的生命活動中起重要作用[44]。人體中存在很多種酶，其中與皮膚相關(guān)的主要有基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶等[45-46]。自1962年Gross等[47]在蝌蚪中發(fā)現(xiàn)具有分解膠原蛋白功能的間質(zhì)膠原酶MMP-1后，各國科學家已相繼發(fā)現(xiàn)25種細胞外肽鏈內(nèi)切酶[48-49]。這些酶的共同特征是前結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸序列和催化區(qū)域中的鋅離子結(jié)合區(qū)。通過與鋅離子的結(jié)合，氧肟酸鹽類、羧酸類、硫醇類以及磷酸和次磷酸類化合物可以抑制MMPs的活性，在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值[50]。MMPs抑制劑還可通過組織分泌、人工合成、從天然產(chǎn)物中提取等方法獲取[51]。

殼聚糖纖維對鋅離子有很強的吸附性能，可通過螯合鋅離子對MMPs產(chǎn)生抑制作用，在慢性傷口愈合過程中起重要作用。朱世振等[52]的研究表明，殼聚糖能明顯抑制白介素(IL-1B)誘導的軟骨細胞MMP-小分子RNA(1mRNA)和蛋白的表達，從而抑制IL-1B介導的軟骨細胞基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)/MMPs比例的失衡，減輕骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變。王海斌等[53]研究了高脫乙酰度羧甲基殼聚糖對實驗性兔膝骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變的影響。大白兔股骨髁關(guān)節(jié)軟骨經(jīng)關(guān)節(jié)腔注射羧甲基殼聚糖后，觀察其大體改變和病理變化，并用免疫組化的方法對比實驗組和對照組的基質(zhì)金屬蛋白酶-1(MMP-1)及基質(zhì)金屬蛋白酶-3(MMP-3)的表達情況。結(jié)果顯示，骨關(guān)節(jié)炎軟骨中MMP-1和MMP-3的表達在應(yīng)用高脫乙酰度羧甲基殼聚糖后可明顯降低。羧甲基殼聚糖能誘導軟骨細胞再生，生成的軟骨細胞有正常的軟骨組織結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生大量I型膠原及蛋白多糖等細胞外基質(zhì)。

7 殼聚糖纖維的促愈性能

殼聚糖纖維在傷口護理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，在預防感染、降低疼痛的同時具有促進傷口愈合的功效[54-56]。傷口愈合涉及炎癥反應(yīng)、血管生成、肉芽組織增殖、上皮化等一系列生理過程，其中血管生成、膠原合成、組織形成等皮膚修復的關(guān)鍵階段需要巨噬細胞的活化，巨噬細胞、淋巴細胞和纖維母細胞等釋放的白介素-1(IL-1)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可促進肉芽生成。通過刺激巨噬細胞分泌與組織修復相關(guān)的IL-1等調(diào)節(jié)因子，殼聚糖纖維能誘導纖維母細胞增生，促進傷口愈合。

炎癥反應(yīng)是傷口愈合的初始階段，在此過程中，多形核細胞(PMN)、巨噬細胞等各種炎癥細胞浸潤到創(chuàng)面后清除外來成分。通過加速炎癥細胞浸潤創(chuàng)面，殼聚糖纖維有促進清創(chuàng)的作用[57]。Ueno等[58]在小獵犬腹部的皮膚傷口上進行實驗后發(fā)現(xiàn)，殼聚糖能誘導巨噬細胞增生，使其活性增強，還有明顯的PMN浸潤作用，其作用機制是：殼聚糖是巨噬細胞的陽性趨化劑，通過吸引單核細胞從血管中游出，在組織中聚集后形成巨噬細胞，也可通過刺激局部組織細胞增生后演變?yōu)榫奘杉毎?。Ali等[59]的研究顯示殼聚糖纖維與血清的互動作用可強化巨噬細胞活性、刺激成纖維細胞增殖，產(chǎn)生愈創(chuàng)功效。

大量臨床研究證明殼聚糖纖維和醫(yī)用敷料具有促進傷口愈合的功效[60-61]。李珂等[62]在研究殼聚糖敷料對潰瘍期壓瘡的治療效果中將60例潰瘍期壓瘡患者隨機分為對照組和觀察組各30例，徹底清創(chuàng)后觀察組將殼聚糖濕敷于創(chuàng)面，對照組采用甲硝唑、慶大霉素混合液濕敷創(chuàng)面。結(jié)果顯示，觀察組的創(chuàng)面愈合時間、換藥次數(shù)等治療效果顯著優(yōu)于對照組。Ohshima等[63]把殼聚糖非織造布制成的敷料應(yīng)用于燒傷供皮區(qū)、植皮區(qū)、皮膚擦傷、潰瘍等91個患者的傷口上。結(jié)果顯示殼聚糖敷料在降低創(chuàng)面黏連，降低疼痛，促進愈合等方面有良好的療效。馮麗等[64]選取30只新西蘭白兔，隨機分為對照組和實驗組，并對殼聚糖促進傷口愈合的作用進行對比分析。結(jié)果顯示與對照組相比，實驗組傷口愈合時間明顯縮短，證明殼聚糖對傷口愈合有明顯的促進作用。

8 結(jié)束語

殼聚糖纖維是一種具有特殊生物活性的纖維材料，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值。殼聚糖的氨基葡萄糖結(jié)構(gòu)賦予纖維優(yōu)良的螯合性能和聚陽離子特性，通過與皮膚、血液、傷口滲出液的接觸對人體組織產(chǎn)生獨特的生物活性，其在細胞水平上體現(xiàn)出與生物體的親和性能，通過誘生損傷生物體的特殊細胞，加快傷口愈合。殼聚糖纖維對血清蛋白質(zhì)等血液成分的吸附能力很大，其產(chǎn)生抗原的可能性很小，具有止血、鎮(zhèn)痛、消炎、抑菌等獨特的應(yīng)用功效。

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