殼聚糖基納米復(fù)合材料在創(chuàng)傷修復(fù)的研究進(jìn)展

張嶺譽(yù)，盧思彤，胡章，黃家康，李思東

(廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088)

皮膚既是機(jī)體的一種特殊器官，也是人類(lèi)與外部環(huán)境直接接觸的第一道屏障。在平常生活中人們總是避免不了各種皮膚燒傷、創(chuàng)傷、感染、手術(shù)等，皮膚的愈合與修復(fù)有著無(wú)可取代作用[1]。傷口敷料用于保護(hù)傷口不受外界環(huán)境影響、維持傷口周?chē)臐駶?rùn)環(huán)境、促進(jìn)傷口愈合縮短恢復(fù)期[2]。臨床研究表明，隨著多重性耐藥性細(xì)菌的出現(xiàn)對(duì)功能單一的傷口敷料已不滿足現(xiàn)狀要求[3]，因此，開(kāi)發(fā)高性能的創(chuàng)傷修復(fù)材料具有臨床研發(fā)價(jià)值和社會(huì)意義[4]。

殼聚糖(CS)，是一種現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)唯一天然結(jié)構(gòu)弱堿性多糖類(lèi)陽(yáng)離子聚合物[5-6]，經(jīng)甲殼素N-脫乙酰基(脫乙酰度55%以上)得到[7]。殼聚糖分子上有較多的羥基和氨基易于化學(xué)修飾成多功能型的殼聚糖衍生物，表現(xiàn)出抗菌、生物活性、可降解性、無(wú)毒等生物功能性特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[8]。因殼聚糖水溶性差、力學(xué)性能弱、剛性不強(qiáng)，殼聚糖基復(fù)合材料越來(lái)越引起重視，已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如：廢水處理去除金屬離子[9]、有機(jī)染料的污染[10]、作為凈化工藝的膜[11]、組織工程[12]、創(chuàng)傷修復(fù)[13]、藥物和基因載體[14-15]等。目前人們已用殼聚糖開(kāi)發(fā)了多種劑型產(chǎn)品，如水凝膠、海綿、薄膜、納米纖維、納米顆粒、微球、粉末、微粒、支架等多種結(jié)構(gòu)[16]。本文綜述近年來(lái)殼聚糖基納米材料在創(chuàng)傷修復(fù)、抗菌領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用進(jìn)展，為后面的工作提供一些理論指導(dǎo)及為研發(fā)新型功能抗菌材料提供參考。

1 殼聚糖基納米纖維電紡材料

殼聚糖基納米纖維是一種成本低、易制備、可降解性的材料，隨著生物醫(yī)藥材料需求的不斷發(fā)展，殼聚糖納米復(fù)合材料方面的研究更加廣泛。與傳統(tǒng)殼聚糖基藥物相比，納米藥物的循環(huán)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、可以控制化療藥物的釋放、提高了生物利用度，尤其在腫瘤靶向治療、癌癥化療方面起著關(guān)鍵的作用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。傷口感染一直是治療高成本的問(wèn)題，對(duì)于低成本且具有易制備、生物相容性創(chuàng)面愈合抗菌材料成為研究熱點(diǎn)。而納米纖維基醫(yī)用敷料具有比傳統(tǒng)醫(yī)用敷料大的表面積和三維結(jié)構(gòu)、透氧性等優(yōu)點(diǎn)。因孔徑小，可以防止外源性細(xì)菌進(jìn)入傷口，還可以保護(hù)傷口免受細(xì)菌的滲透和脫水[17]。近年來(lái)，許多研究者在抗菌修復(fù)材料領(lǐng)域得到新的研究成果，引入了天然藥物與紡絲技術(shù)結(jié)合制備具有多功能型的納米纖維，藥物的釋放量時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于給藥頻率減少，顯著地降低機(jī)體對(duì)藥物的副作用。Poornima等[18]選用阿魏酸和白藜蘆醇分別作為核殼納米纖維的抗炎和促血管生成活性成分，這種殼聚糖-聚酯內(nèi)酯復(fù)合納米纖維的傷口敷料，既可以促進(jìn)傷口修復(fù)，還作為藥物的傳遞。納米纖維創(chuàng)面敷料的功能表征顯示出良好的體內(nèi)外生物相容性，是一種潛在的醫(yī)用材料。纖維素也是一種為β(1→ 4) 糖苷鍵連接而成的葡聚糖[19]。生物聚合物基材料機(jī)械性能相對(duì)較差，研究者以殼聚糖基纖維素/納米纖維素材料應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的探索，將納米纖維素?fù)饺霘ぞ厶腔|(zhì)中可改善材料的功能特性[20]。細(xì)菌納米纖維素因其納米結(jié)構(gòu)和形態(tài)與膠原蛋白相似[21]，受到了研究者的關(guān)注。Ardila等[22]研究了抗菌殼聚糖/細(xì)菌納米纖維素(BNC)結(jié)構(gòu)用于潛在的傷口敷料，研究結(jié)果表明，同軸紡絲方法獲得的抗菌材料能殺死99.9%的大腸桿菌群表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性，這種新型納米纖維在傷口愈合的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

納米纖維材料具有許多應(yīng)用前景的特性，包括有良好的生物相容性、無(wú)毒性、可降解性。殼聚糖基納米纖維材料具有：①氧氣透過(guò)率高；②比表面積大；③皮膚的天然細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與纖維形態(tài)具備相似性，為細(xì)胞的黏附、遷移和增值提供了良好的環(huán)境。

Park等[23]使用人類(lèi)安全的材料來(lái)制造納米纖維，以聚酯內(nèi)酯(PCL)納米纖維氈為基體、人工合成碳酸鈣(CaCO3)、β-殼聚糖(CS)作為止血材料，利用電紡技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種高性能的凝血納米纖維。這種材料通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，β-CS表面潤(rùn)濕性好，還提升了血液凝固性。研究結(jié)果表明了β-殼聚糖改善了纖維的表面潤(rùn)濕性，CaCO3加速了血液凝固。利用超聲波涂層法噴入β-殼聚糖的 PCL/CaCO3納米纖維具有良好的醫(yī)療應(yīng)用前景。靜電紡絲法制備殼聚糖納米纖維因具有簡(jiǎn)便、快捷性而得到廣泛應(yīng)用，但想突破納米纖維直徑少于 50 nm 仍是一個(gè)挑戰(zhàn)[24]。有研究者提出了一種自頂向下制備殼聚糖納米纖維和納米顆粒的方法[25]。明膠具有傷口愈合特性，但其機(jī)械性能不足。通過(guò)與合成聚合物的共混，改善了生物分子的加工限制[26]。Gu等[27]通過(guò)利用多功能靜電紡絲法將親水性明膠與殼聚糖共混在納米纖維墊中，不僅增強(qiáng)了傷口敷料的機(jī)械性能，對(duì)細(xì)胞存活率、凝血速率得到了提升。對(duì)這種共混納米纖維墊進(jìn)行超聲處理，其孔徑和厚度提高，研究表明了對(duì)人皮膚層纖維細(xì)胞(HDFs)的增殖和浸潤(rùn)能力增強(qiáng)。殼聚糖納米纖維墊的親水性明膠共混既具有止血功能，又能促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)。這種納米纖維墊是一種有前途的止血?jiǎng)?chuàng)面敷料，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 殼聚糖基納米復(fù)合膜

基于殼聚糖納米復(fù)合膜獨(dú)特的生物和理化性質(zhì)，納米纖維膜可作為創(chuàng)面敷料在傷口愈合過(guò)程中起到保護(hù)傷口、加速愈合、防止感染等作用，提供了傷口愈合的環(huán)境。殼聚糖基納米結(jié)構(gòu)是一個(gè)很有價(jià)值的研究領(lǐng)域，正因?yàn)檫@種納米結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域具有不同的潛在應(yīng)用，在藥物傳遞和醫(yī)學(xué)中具有重要的發(fā)展前景，同時(shí)在創(chuàng)傷修復(fù)、抗菌、藥物傳遞、藥物組合等方面得到了廣泛的應(yīng)用[28]。殼聚糖的溶解度、穩(wěn)定性、力學(xué)性能較差。為了解決這一問(wèn)題，還研究了負(fù)載活性物質(zhì)殼聚糖基納米纖維膜和天然多糖類(lèi)物質(zhì)結(jié)合機(jī)械性能得到了提高，對(duì)于創(chuàng)傷修復(fù)、抑菌、藥物傳遞和載藥途徑得到了廣泛的運(yùn)用。

2.1 負(fù)載活性物質(zhì)的殼聚糖基納米復(fù)合膜

殼聚糖基納米材料是一種生物可降解的天然聚合物與納米無(wú)機(jī)顆粒相結(jié)合的基質(zhì)，使其具有更好的機(jī)械性能、抗菌性、生物可降解性、生物相容性和低成本材料以及抗菌性能，可作為增強(qiáng)傷口愈合的合適候選材料。近年來(lái)通過(guò)對(duì)表面的改性具有不對(duì)稱(chēng)性的研究引起了廣泛的關(guān)注。許多研究報(bào)道了CS納米復(fù)合膜作為載體用在控制釋放和傳遞藥物的應(yīng)用。相比較于CS納米顆粒藥物遞送系統(tǒng)上，如遞送抗菌劑、天然藥物、生長(zhǎng)因子、納米顆粒的結(jié)合等，納米纖維膜可作用于皮膚創(chuàng)傷、感染燒傷、慢性潰瘍、糖尿病足等受損皮膚組織，該類(lèi)膜可大范圍控制其藥物的釋放，防止機(jī)體藥物量過(guò)高產(chǎn)生毒副作用而影響機(jī)體功能。

CS/納米纖維膜載體基質(zhì)與抗菌劑的結(jié)合利用，使藥物起到協(xié)同作用。Alavarse等[29]開(kāi)發(fā)了一種聚乙烯醇(PVA)/殼聚糖和PVA/殼聚糖/鹽酸四環(huán)素(TCH)敷料，通過(guò)聚合物共混物形成了具有交聯(lián)三維納米纖維的纖維墊，TCH藥物在納米纖維上的均勻摻入，對(duì)纖維的形態(tài)和熱性能沒(méi)有明顯的影響。加入殼聚糖可使聚合物纖維的平均直徑從(191±34)nm減小到(138±23)nm。結(jié)果表明，TCH負(fù)載的聚乙烯醇和殼聚糖電紡材料對(duì)細(xì)胞活性沒(méi)有損害，可以安全地用于傷口敷料或軟組織修復(fù)。生物分子嵌入納米纖維中表現(xiàn)出良好的親和性，可對(duì)人體進(jìn)行細(xì)胞黏附和增殖。有研究者把具有生物活性物質(zhì)通過(guò)電紡絲技術(shù)負(fù)載到納米纖維膜。生長(zhǎng)因子具有高親和力、特異性與細(xì)胞膜受體結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和分化，同時(shí)還調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)，對(duì)傷口愈合起著重要作用。天然聚合物(如膠原蛋白、彈性蛋白和纖維蛋白原)因其生物活性、生物相容性和結(jié)合特定生長(zhǎng)因子(如PDGF)的獨(dú)特能力而引起關(guān)注。Tony等[30]制備血小板衍生生長(zhǎng)因子(PDGF)和CS-纖維蛋白原(Fb)支架，這種CS-聚乙烯/Fb支架比單組分電紡納米纖維有更細(xì)的纖維直徑，同時(shí)具有足夠的力學(xué)性能和均勻的聚合物分布。研究表明，CS-PEO/Fb支架能夠提供生物活性PDGF，以增強(qiáng)纖維細(xì)胞的傷口修復(fù)功能，是一種新型可行的傷口愈合敷料。一種理想的傷口敷料制備的納米復(fù)合膜應(yīng)當(dāng)具有良好的抗拉伸能力[2]，這是為了敷料使用或者處理過(guò)程中不易被損壞，提高納米復(fù)合膜在創(chuàng)面修復(fù)的應(yīng)用范圍。

2.2 殼聚糖基納米纖維素復(fù)合膜

納米纖維素具有理想的傷口護(hù)理敷料所需要高持水性、高彈性和一致性、高機(jī)械強(qiáng)度等特性[31]。納米纖維素在殼聚糖基復(fù)合膜作為一種機(jī)械性能的增強(qiáng)劑醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。Sogut等[32]通過(guò)從葡萄籽提取物(GSE)添加到CS膜溶液中以形成活性雙層膜，同時(shí)添加納米纖維素(NC)以獲得更好的CS機(jī)械性能。NC降低了CS膜的吸水率和溶解度。通過(guò)應(yīng)用食品來(lái)評(píng)價(jià)這些雙層膜的遷移和抗菌/抗氧化性能，研究表明所有薄膜樣品對(duì)大腸桿菌和單核細(xì)胞增生李氏菌均有抗菌活性。納米纖維素不僅在食品包裝應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有不可忽視的作用。Poonguzhali等[33]采用鹽浸法制備了CS/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/NC膜。為了獲得不對(duì)稱(chēng)的膜材料，在膜的一面涂上硬脂酸使其表面形成疏水表面，另一面作為親水表面并合成了2～10 nm的納米纖維素。結(jié)果表明，殼聚糖/PVP/納米纖維素3%硬脂酸(CPNC3%-S)具有溶脹率孔隙率性能良好，通過(guò)血液相容性、抗菌性和細(xì)胞毒性研究獲得了不對(duì)稱(chēng)的CPNC3%-S的最佳性能。這些新穎的生物材料在創(chuàng)傷修復(fù)、保護(hù)傷口感染方面提供了適于愈合的良好環(huán)境，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用有很大的潛在研究?jī)r(jià)值。

3 殼聚糖基納米粒子

納米粒子具有良好的藥物傳遞能力和pH依賴(lài)性的釋放過(guò)程，基于生物可降解性和生物相容性的天然聚合物自聚成納米粒子在藥物傳遞方面具有顯著的作用[34]。Kumar等[35]不使用任何引發(fā)劑的情況下，采用微波技術(shù)制備抗菌二元接枝殼聚糖接枝姜黃素藥物納米粒子，通過(guò)與市場(chǎng)上的四環(huán)素類(lèi)抗菌藥物篩選對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得了新合成的接枝聚合物(cht-g-poly，AA-co-Am)具有良好的抗菌活性并且通過(guò)藥物釋放動(dòng)力學(xué)。當(dāng)pH分別為5.4和7.4時(shí)，隨著時(shí)間的增加，納米顆粒(NpCGC)的藥物釋放增加。殼聚糖納米粒子在血管傳遞藥物方面具有廣泛的應(yīng)用前景。Liang等[36]通過(guò)表面改性可使納米銀(AgNPs)/殼聚糖敷料同時(shí)具有疏水性和親水性，設(shè)計(jì)并制備了一種海綿狀的納米銀粒子，在海綿的一邊涂上薄薄的硬脂酸冷凍干燥獲得孔隙少、光滑的表面。通過(guò)對(duì)不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性測(cè)定，其潤(rùn)濕角為135°說(shuō)明該面具有疏水性較強(qiáng)。這種不對(duì)稱(chēng)性的殼聚糖海綿材料在疏水表面既可以抑制細(xì)菌的附著性和滲透性，又具有親水表面的殺菌活性和創(chuàng)面愈合活性，為傷口愈合提供了濕潤(rùn)環(huán)境。Fan等[37]通過(guò)離子凝膠法制備了單分散的低分子量殼聚糖納米顆粒，研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖納米顆粒很容易附著在紅細(xì)胞膜表面，殼聚糖納米粒子包埋在紅細(xì)胞中得到保護(hù)但缺乏有效的依據(jù)。目前包埋最好的磁性氧化鐵納米粒子也面臨著問(wèn)題：能保持更長(zhǎng)的血液循環(huán)半衰期而避免RES的清除，還要求氧化鐵納米顆粒的流體動(dòng)力學(xué)直徑通常小于50 nm才有利包裝紅細(xì)胞里并附著于紅細(xì)胞[38-39]。但是Hamidi等[40]通過(guò)低滲透析將負(fù)載丙戊酸的殼聚糖納米顆粒包裹在紅細(xì)胞中，表現(xiàn)3周以上的藥物釋放行為，是一種新型納米細(xì)胞復(fù)合材料封裝在人紅細(xì)胞內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的藥物釋放。董麗丹等[41]將殼聚糖納米化通過(guò)離子交換法向其加入Ag+和Ca2+制備出納米殼聚糖金屬離子復(fù)合止血材料，在復(fù)合效應(yīng)作用下Ag+和Ca2+相對(duì)于單獨(dú)Ca2+和單獨(dú)Ag+有較優(yōu)的縮短凝血和止血時(shí)間?；诩{米粒子易團(tuán)聚以及制備成本高等缺陷，殼聚糖基納米粒子在目前研究中大多數(shù)都是在于藥物傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用，殼聚糖基納米粒子的簡(jiǎn)單制備工藝和降低成本方面在創(chuàng)傷修復(fù)以及抗菌方面的報(bào)道較少。

4 其他殼聚糖基納米復(fù)合材料

Huang等[42]以生物降解、生物相容性的殼聚糖和透明質(zhì)酸為載體，運(yùn)用原位羥基磷灰石涂層法合成了碳納米管/羥基磷灰石基質(zhì)，建立了硬碳納米管/羥基磷灰石的LBL組裝體系。隨著多層組裝層數(shù)的增加，表面粗糙度增加。水接觸角(WCA)從29°降低到19°，表明提升膜的親水性。通過(guò)殼聚糖與共混聚合物改善支架材料力學(xué)性能，還可以改善其生物相容性，具有很大的骨組織工程應(yīng)用潛力。精油有抗菌、抗氧化等生物活性[43]。Boys等[44]首次把石灰精油新特性摻入殼聚糖納米顆粒和納米膠囊中，并被吸附于納米顆粒表面和被包含于納米膠囊內(nèi)。通過(guò)抗菌活性測(cè)試結(jié)果表明了納米顆粒中釋放石灰精油的速度比納米膠囊釋放速度快，并且得出納米顆?？咕钚愿哂诩{米膠囊。Magesh等[45]采用原位化學(xué)合成的方法制備了殼聚糖-瓊脂共混ZnO納米復(fù)合材料，通過(guò)殼聚糖-瓊脂共混物來(lái)實(shí)現(xiàn)ZnO納米顆粒的可控合成。抗菌實(shí)驗(yàn)表明，殼聚糖-瓊脂/氧化鋅納米復(fù)合材料的殺菌能力大于殼聚糖-瓊脂共混物，對(duì)革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出良好的抗菌活性，隨著殼聚糖-瓊脂共混物濃度的增加抗菌活性增強(qiáng)。研究結(jié)果表明具有良好的生物相容性、細(xì)胞毒性、生物活性在創(chuàng)傷修復(fù)、抑菌抗癌方面具有很大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

5 總結(jié)與展望

創(chuàng)傷修復(fù)是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程，在醫(yī)療服務(wù)方面開(kāi)發(fā)一種新型、高活性的傷口修復(fù)材料一直受生物醫(yī)學(xué)行業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。以殼聚糖為基體的納米創(chuàng)傷修復(fù)材料具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具有一定的機(jī)械性能，對(duì)于創(chuàng)面修復(fù)、誘導(dǎo)皮膚組織再生功能有著協(xié)同增強(qiáng)的作用。該類(lèi)材料可以負(fù)載一些生長(zhǎng)因子、抗菌藥物、活性肽等用于藥物傳遞和控釋方面，使其材料在創(chuàng)面修復(fù)應(yīng)用領(lǐng)域更廣，然而整體水平仍停留于實(shí)驗(yàn)室研制階段，一些臨床應(yīng)用問(wèn)題還要進(jìn)一步的研究。對(duì)皮膚組織的快速修復(fù)、降低機(jī)體的藥物毒副作用、減輕病人的疼痛、增加患者的順應(yīng)性等需求使納米藥物更具有多功能化趨勢(shì)。目前，皮膚組織中的細(xì)胞與支架材料的相互作用、更快的細(xì)胞增殖和分化以及組織的血管化有待進(jìn)一步研究。