天然高分子材料水凝膠在傷口敷料中的應(yīng)用

魯手濤 ，周揚(yáng)，徐海榮，劉黎明，曹文瑞，張興燎，張軍，張海軍，3

(1.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院，上海 200092； 2.生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山東德州 251100；3.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院介入血管研究所，上海 200072)

隨著社會發(fā)展和臨床流行病學(xué)研究的精進(jìn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對傷口護(hù)理的重視程度逐漸增強(qiáng)，傷口護(hù)理已經(jīng)成為臨床護(hù)理工作的重要組成部分。傷口護(hù)理需要促進(jìn)傷口快速愈合的敷料，以獲得功能和美容效果。用于傷口護(hù)理的產(chǎn)品有很多種，例如吻合器、縫合線、敷料、繃帶、手術(shù)密封劑或粘合劑、皮膚替代品和其它生物材料[1]。

人體皮膚是機(jī)體與外環(huán)境的主要屏障，能夠防止微生物滲透和感染。然而，一旦在該屏障中形成傷口，就容易受到外來微生物的感染。傷口敷料是用于傷口的輔助物，以促進(jìn)愈合并防止感染和進(jìn)一步損傷[2-3]。

與人體內(nèi)的所有其它組織相比，人體皮膚具有強(qiáng)大的自我再生能力。它不斷用新的細(xì)胞取代舊細(xì)胞，使其能夠自我修復(fù)。傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，由3 個(gè)重疊階段組成：炎癥階段，增殖階段和重塑階段。愈合過程在組織受損時(shí)便開始了，當(dāng)血液成分來到損傷部位時(shí)，血小板與膠原和細(xì)胞外基質(zhì)接觸并釋放凝血和生長因子。在炎癥階段，中性粒細(xì)胞是第一個(gè)出現(xiàn)在損傷部位的白細(xì)胞，以消除細(xì)菌污染。增殖階段，單核細(xì)胞及其向巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化時(shí)，通過釋放多種生物活性物質(zhì)和生長因子來啟動組織修復(fù)，所述生物活性物質(zhì)和生長因子是開始形成組織所必需的。在第三階段，成纖維細(xì)胞增殖并遷移至傷口部位并開始進(jìn)行松散的細(xì)胞外基質(zhì)沉積。內(nèi)皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞在傷口處生長，同時(shí)形成血管。最后，通過分化角質(zhì)形成細(xì)胞以及形成卵泡細(xì)胞，發(fā)生組織重塑以重建基膜[4]。

疤痕一般形成于傷口愈合過程中，當(dāng)皮膚的皮下組織受損時(shí)，身體會沉積膠原纖維覆蓋受損部位，這會產(chǎn)生明顯的疤痕，因此，需要能夠誘導(dǎo)無瘢痕愈合的敷料[5]。

傳統(tǒng)的干燥傷口敷料被認(rèn)為有利于愈合傷口，即傷口用紗布覆蓋或保持開放。但是，現(xiàn)代研究表明[6]，當(dāng)傷口在沒有任何敷料的情況下向空氣敞開時(shí)，結(jié)痂即干燥層，覆蓋傷口并降低上皮形成的速率。另一方面，如果使用濕敷料代替干敷料，則不會形成結(jié)痂，并且隨著濕敷料提供低氧張力，愈合速度將增加，這有助于傷口愈合。這些敷料不僅可以使細(xì)胞保持活力，使其釋放生長因子，同時(shí)保持細(xì)胞與愈合組織之間的接觸，調(diào)節(jié)或刺激它們的增殖。這些敷料可減少休息、走路和換藥期間的疼痛。同時(shí)，濕潤環(huán)境可以快速有效地遞送任何添加的抗菌劑，從而防止傷口被感染?，F(xiàn)在認(rèn)為產(chǎn)生和維持濕潤環(huán)境的敷料為傷口愈合提供了最佳條件[7]。

1 理想傷口敷料的特征

理想的傷口敷料應(yīng)該具備以下特征：①敷料應(yīng)保持傷口部位的濕潤，因?yàn)楸砻娓稍锊粌H阻礙營養(yǎng)物的遞送和傷口表面的免疫防御，而且還顯著阻礙細(xì)胞在傷口表面上遷移的能力。上皮細(xì)胞的遷移和擴(kuò)散需要濕潤環(huán)境，在濕潤環(huán)境下，細(xì)胞可以加速生長、分化和遷移，優(yōu)化形成新的組織。保持傷口濕潤可以防止形成結(jié)痂，使上皮細(xì)胞通過傷口滲出物水平向外擴(kuò)散以快速閉合傷口。此外，在濕潤環(huán)境中，傷口愈合(上皮形成和皮膚修復(fù))的速度提高50%。②敷料應(yīng)無毒且無過敏性，以免在傷口部位引起感染。③敷料應(yīng)可以無痛去除，即它可以被移除而不會對傷口造成創(chuàng)傷。④敷料應(yīng)能夠阻菌，隔熱和觸摸柔軟。⑤敷料應(yīng)允許適當(dāng)?shù)臍怏w和水蒸氣交換。⑥敷料應(yīng)能促進(jìn)組織重建過程。⑦敷料的價(jià)格不能太昂貴[4]。

在所有敷料中，水膠體、藻酸鹽和水凝膠，每種都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，水凝膠具有理想傷口敷料所需的所有特征，是傷口敷料的最佳選擇。

2 天然水凝膠的分類

水凝膠是一種新型功能高分子材料，具有親水基團(tuán)，是能被水溶脹但不溶于水的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。它性質(zhì)柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水[8]。按其來源可分為天然和合成兩大類。合成水凝膠包括聚丙烯酸、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺類及其衍生物、聚氧化乙烯及其衍生共聚物、聚乙烯醇、聚磷腈和多肽等。天然水凝膠包括膠原蛋白、海藻酸鹽、甲殼素和殼聚糖、透明質(zhì)酸鹽、明膠和纖維素等。很多天然水凝膠是人體組織器官的重要成分，如膠原廣泛存在于骨骼肌及結(jié)締組織中，血液中含有大量的纖維蛋白。天然高分子材料因其生物相容性較好，是制備水凝膠的首選高分子材料。

2. 1 膠原蛋白

膠原蛋白作為一種現(xiàn)代生物材料的使用始于1881 年[9]。在那一年，創(chuàng)立現(xiàn)代外科手術(shù)的Joseph Lister 和他的學(xué)生William Macewen 報(bào)道了一種可生物降解的縫合線，由綿羊小腸制備的一種富含膠原蛋白的生物材料。在大多數(shù)結(jié)締組織中，膠原纖維及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了大部分細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)并形成圍繞細(xì)胞的高度有序的三維(3D)支架。膠原蛋白在維持ECM 的生物學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性方面也起著主導(dǎo)作用，另外它是一種靈活的材料，通過不斷重塑以改善細(xì)胞行為和組織功能[10]。

圖1 三螺旋膠原蛋白的三維及結(jié)構(gòu)圖

S. Udhayakumar 等[11]開發(fā)了基于牛膠原蛋白的傷口敷料，該敷料具有良好的鋪展性和穩(wěn)定性，對革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌均具有抗菌活性。敷料具有良好的細(xì)胞相容性，并為細(xì)胞的附著、遷移和增殖提供了有利的環(huán)境。在全層開放切除傷口上驗(yàn)證了促進(jìn)傷口愈合的功效，愈合曲線顯示出增強(qiáng)的再上皮化，膠原沉積和傷口收縮，且傷口未形成纖維性瘢痕。O. Akturk 等[12]制備了一種新型膠原／金納米粒子復(fù)合材料作為潛在的皮膚傷口愈合敷料，它可以抑制炎癥反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)肉芽組織的形成，提高了傷口閉合的比例，14 d 后膠原／金納米粒子復(fù)合材料處理的皮膚顯示出較高的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量，表明皮膚愈合的過程更快。L.O’Neill等[13]用等離子體處理霧化的膠原蛋白溶液，將等離子體處理的膠原蛋白涂層成功地應(yīng)用于傷口，該方法處理的膠原沒有產(chǎn)生額外的炎癥反應(yīng)，并且還促進(jìn)了血管生成，在第7 天觀察到血管表面密度顯著提高，促進(jìn)了傷口愈合。Liu Ting等[14]制備了一種用石墨烯氧化物改性的膠原—?dú)ぞ厶菑?fù)合膜，石墨烯氧化物提高了材料的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能及親水性，復(fù)合膜生物相容性好，其還可以作為生長因子的釋放載體，持續(xù)釋放超過28 d，加速了傷口愈合的速度。

2. 2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種天然存在的陰離子生物聚合物，由棕色海藻中提取，具有很好的吸濕性能、抗菌性能和生物相容性。海藻酸鹽由1，4 鍵合的β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(G)殘基組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(M)殘基結(jié)構(gòu)圖

不同的比例和M 與G 殘基的序列，決定了海藻酸鹽的物理性質(zhì)和分子量[15]。

Wang Tao 等[16]研究了海藻酸鈣對糖尿病皮膚潰瘍的作用機(jī)制，在糖尿病大鼠模型背面?zhèn)谏鲜┯煤Ｔ逅徕}敷料，通過蛋白質(zhì)印跡評估膠原(I 型和III 型)，并在創(chuàng)傷后3 d，7 d 和14 d 測定羥脯氨酸水平變化，通過增加傷口收縮，減輕炎癥反應(yīng)和增加I 型膠原和羥脯氨酸水平，加速傷口愈合過程，從而顯著增加傷口的拉伸強(qiáng)度。M. Straccia 等[17]制備了由殼聚糖鹽酸鹽涂覆的海藻酸鹽水凝膠，賦予水凝膠抗菌活性并延遲親水性分子從海藻酸鹽基質(zhì)中的釋放，并且細(xì)胞毒性測試表明不會引起間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞的急性毒性作用。Zhou Qian 等[18]制備了新型二價(jià)離子交聯(lián)海藻酸鈉水凝膠(銅，鋅，鍶和鈣)，銅離子交聯(lián)表現(xiàn)出最大的斷裂強(qiáng)度，而鍶和鋅離子交聯(lián)的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，鋅離子交聯(lián)水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有顯著的抗菌能力，在皮膚再生過程中，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)釋放的離子刺激血管生成并促進(jìn)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞向傷口中心的遷移，離子交聯(lián)水凝膠可以加速傷口修復(fù)，特別是鋅和鍶的交聯(lián)水凝膠。

2. 3 甲殼素和殼聚糖

甲殼素是最豐富的天然氨基多糖(聚-N-乙?；?葡糖胺)，它是無脊椎動物，甲殼類動物和昆蟲外骨骼以及真菌細(xì)胞壁的主要成分。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物聚-N-乙酰基-葡糖胺聚糖，通過用氫氧化鈉處理蝦和其它甲殼類殼來獲得。它由隨機(jī)分布的β-(1 →4)-d-葡糖胺和N-乙酰基-d-葡糖胺組成。通過制備了甲殼素和殼聚糖的不同制劑可以獲得止血、抗菌、抗炎和傷口愈合等性能[19]。

圖3 甲殼素和殼聚糖的結(jié)構(gòu)圖

P. S. Patil 等[20]使用全氟碳改性殼聚糖構(gòu)建用于治療皮膚傷口的水凝膠敷料，該水凝膠顯示出顯著的氧運(yùn)輸速率，比非氟化水凝膠高出兩個(gè)數(shù)量級，組織學(xué)分析顯示改性水凝膠改善再上皮化和膠原合成，促進(jìn)了羥脯氨酸和膠原合成的再生代謝過程，該研究的結(jié)果證實(shí)，改性水凝膠增加的氧輸送增強(qiáng)了傷口愈合，代謝組學(xué)分析提供了評估傷口愈合生理學(xué)的有力工具。Zhao Xin 等[21]開發(fā)了一系列基于季銨化殼聚糖-g-聚苯胺和苯甲醛基官能化聚(乙二醇)-co-聚(甘油癸二酸酯)的抗菌、抗氧化的可注射導(dǎo)電自愈合水凝膠，可注射水凝膠敷料具有優(yōu)異的抗菌活性，電活性和自由基清除能力，通過上調(diào)與傷口愈合相關(guān)的血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、表皮生長因子(EGF)和轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-b)等主要生長因子，極大地促進(jìn)了ECM 合成，增加膠原沉積和肉芽組織厚度，有利于促進(jìn)傷口愈合過程。Xia Guixue 等[22]使用甲殼素晶須(CWs)改善羧甲基殼聚糖納米粒子／熱敏羥丁基殼聚糖復(fù)合水凝膠，發(fā)現(xiàn)CWs 提高水凝膠的剛度，儲能模量提高了2.6 倍，離體大鼠皮膚試驗(yàn)也顯示了力學(xué)性能顯著改善，糖尿病大鼠的體內(nèi)慢性傷口愈合評估顯示該敷料導(dǎo)致更快的傷口愈合，并且還表現(xiàn)出優(yōu)異的再上皮化，致密的膠原沉積和血管生成特性。H. S. Jung 等[23]通過靜電紡絲制備了納米纖維β-甲殼素膜，由墨魚骨中提取了β-甲殼素，與聚(環(huán)氧乙烷)(PEO)混合顯著提高了材料的電紡絲性?；旌夕?甲殼素／PEO 納米纖維的纖維直徑約400 nm，浸泡在水中除去PEO 后直徑減小。組織病理學(xué)分析證實(shí)了再上皮化和膠原沉積的加速作用，β-甲殼素膜顯示出比β-甲殼素／PEO 更好的傷口愈合。

2. 4 以透明質(zhì)酸為基礎(chǔ)的水凝膠

透明質(zhì)酸(HA)首先由Karl Meyer 于1934 年從牛眼的玻璃體液中純化，他將該分子命名為“透明質(zhì)酸”。在20 世紀(jì)50 年代，Meyer 及其同事確定HA 是由重復(fù)的1，4-和1，3-鍵合的葡糖醛酸和N-乙?；咸前穯卧纬傻木€形多糖(圖4)。

圖4 HA 的化學(xué)結(jié)構(gòu)、HA 生物合成和生物降解的示意圖

HA 在所有脊椎動物組織的ECM 中普遍存在。盡管其具有簡單的化學(xué)組成，但HA 具有幾種不同的分子功能，這些功能不僅有助于組織的結(jié)構(gòu)和生理特征，而且有助于在形態(tài)建成，組織重塑，炎癥和疾病期間介導(dǎo)細(xì)胞行為。由于其獨(dú)特的生物物理特性，HA 直接有助于維持組織穩(wěn)態(tài)和生物力學(xué)。通過其與蛋白多糖和連接蛋白的相互作用，HA 組織并維持細(xì)胞外和細(xì)胞周圍基質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性。作為信號分子，HA 與多種細(xì)胞表面受體和HA 結(jié)合蛋白相互作用，以激活細(xì)胞內(nèi)事件介導(dǎo)細(xì)胞功能[24]。生物醫(yī)學(xué)工程師正在創(chuàng)造一系列功能多樣的基于HA 的水凝膠材料，用于組織再生等領(lǐng)域[25]。

Wang Chenggui 等[26]開發(fā)一種由改性HA、聚-ε-L-賴氨酸及泊洛沙姆F127 組成的可注射、自我修復(fù)和抗菌的多功能水凝膠，該水凝膠作為間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體釋放的載體，用于促進(jìn)慢性傷口愈合和完全皮膚再生。在體外，該水凝膠顯著促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和管形成能力。在體內(nèi)，該水凝膠顯著增強(qiáng)糖尿病全層皮膚傷口的愈合效率，其特征在于傷口閉合率增加，快速血管生成，再上皮化和傷口部位內(nèi)的膠原沉積。水凝膠處理的傷口中也出現(xiàn)皮膚附屬物和較少的瘢痕組織，表明其有效實(shí)現(xiàn)了完全皮膚再生的能力。Y. Y. Hsu 等[27]制備了由HA 和明膠組成的負(fù)載人重組血栓調(diào)節(jié)蛋白(rhTM)的可生物降解水凝膠，具有在短期內(nèi)緩慢釋放rhTM 的特性，每3 天更換一次裝載rhTM的水凝膠顯著促進(jìn)傷口愈合，增強(qiáng)了傷口修復(fù)中的肉芽組織形成以及再上皮化、膠原沉積和血管生成。開發(fā)的rhTM 水凝膠可以滿足臨床實(shí)踐的需要，并且有望用于糖尿病患者的傷口護(hù)理。Lei Hong 等[28]制備了HA 和聚多糖交聯(lián)的水凝膠，皮膚全層缺損動物模型中，水凝膠處理促進(jìn)傷口人α 平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的表達(dá)，其在術(shù)后最初幾天緩解傷口炎癥，并通過降低TGF-β1 水平減少瘢痕形成。并且，該水凝膠改善生長因子(VEGF)表達(dá)，通過新血管形成促進(jìn)皮膚再生。

2. 5 其它類水凝膠

天然水凝膠原料來源廣泛，除上述材料外，還包括明膠和纖維素等。明膠具有良好的生物相容性和生物降解性，其具有大量的細(xì)胞識別位點(diǎn)，吸附細(xì)胞能力強(qiáng)，能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖。Wu Song 等[29]制備了明膠／HA 水凝膠，該水凝膠顯示出適當(dāng)?shù)牧黧w吸收能力和良好的水蒸氣透過率和水蒸發(fā)速率，此外，明膠∶HA=8∶2 時(shí)，水凝膠具有促進(jìn)細(xì)胞增殖的潛力。動物傷口模型證明水凝膠有效促進(jìn)了傷口愈合。D. S. Yeon 等[30]開發(fā)了可噴霧的明膠基水凝膠作為傷口敷料材料，可以將細(xì)胞吸引趨化細(xì)胞因子傳遞到目標(biāo)部位并誘導(dǎo)糖尿病傷口愈合。載有趨化因子的水凝膠促進(jìn)細(xì)胞浸潤到傷口區(qū)域，并促進(jìn)傷口愈合，增強(qiáng)的再上皮化／新血管形成并增加了膠原蛋白沉積。

纖維素可用于慢性傷口敷料的愈合支架／基質(zhì)，減少疼痛并縮短愈合時(shí)間。對于部分和全層皮膚缺損的傷口，它會刺激肉芽和上皮形成過程。S. P. Lin 等[31]制備了葡聚糖／細(xì)菌纖維素水凝膠，加入葡聚糖會影響細(xì)菌纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致分解溫度、含水量、拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率降低，葡聚糖修飾的細(xì)菌纖維素水凝膠在增殖階段促進(jìn)成纖維細(xì)胞生長，并且還有助于重塑階段的皮膚成熟，加速傷口愈合過程。M. Najwa 等[32]制備了含有人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞和人皮膚成纖維細(xì)胞的細(xì)菌纖維素／丙烯酸水凝膠，載有細(xì)胞的水凝膠促進(jìn)了燒傷創(chuàng)面愈合，促進(jìn)了膠原蛋白的沉積。

3 結(jié)語

在傷口敷料的研發(fā)中，水凝膠材料受到越來越多的關(guān)注，與生物體有相似結(jié)構(gòu)的天然高分子材料水凝膠是目前最理想化的傷口敷料。然而，天然高分子材料存在力學(xué)性能差、功能化方面不足的缺點(diǎn)，針對這些問題，研究者們對天然高分子材料的水凝膠進(jìn)行大量的改性研究，包括天然高分子材料的自身改性、天然高分子材料之間的復(fù)合改性，以及天然高分子材料和合成材料之間的復(fù)合改性等研究，取得了很大的進(jìn)展，但要滿足理想傷口敷料的要求，還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和探討。隨著高分子合成技術(shù)及材料認(rèn)知的擴(kuò)展和組織工程技術(shù)發(fā)展，有望獲得理想的天然高分子材料水凝膠傷口敷料。