殼聚糖季銨鹽在生物材料中的應(yīng)用*

劉嘉鑫 張廣瑞 盧維新 安麗萍 敏思聰 韻向東

殼聚糖是自然界唯一存在的堿性多糖，具有良好的生物相容性、降解性及抗菌性[1]，但由于殼聚糖分子中含大量的—OH 和—NH2，形成的氫鍵復(fù)雜，不溶于水，且只能在酸性條件下使用，故其抑菌作用受到了極大的限制。為進(jìn)一步提高殼聚糖的水溶性，通常將親水性能較強(qiáng)的季銨基團(tuán)引入殼聚糖制備殼聚糖季銨鹽[2]。殼聚糖季銨鹽是殼聚糖的衍生物，不僅保留了殼聚糖原有的性能，而且與殼聚糖相比，其在生理pH 條件下具有良好的水溶性，并且抗菌譜廣，對于葡萄球菌、大腸桿菌及真菌等都有顯著的抑制作用[3]。故將殼聚糖季銨鹽引入生物材料中能有效提高其抗菌、生物相容性等性能。本文將從骨組織工程支架、醫(yī)用鈦合金及生物載體3個方面論述殼聚糖季銨鹽改善生物材料性能的相關(guān)研究。

1 殼聚糖季銨鹽在骨組織工程支架中的應(yīng)用

骨組織工程技術(shù)常用于骨缺損的治療。與自體骨移植技術(shù)相比，能有效減低供體區(qū)域骨組織的壞死，而與異體骨移植術(shù)相比，能減少免疫排斥反應(yīng)的發(fā)生。骨組織工程技術(shù)常用的材料包括人工合成高分子聚合物（如聚乳酸、聚羥基乙酸及其共聚物）、天然高分子聚合物（如膠原、纖維蛋白、甲殼素及其衍生物和藻酸鹽等）以及生物陶瓷（以磷酸三鈣、羥基磷灰石為代表的磷酸鈣鹽陶瓷）等[4]。這些材料具有良好的生物相容性，能夠為細(xì)胞的黏附、增殖及分化提供適宜的生長環(huán)境，但該類材料也利于細(xì)菌的黏附、增殖，易造成內(nèi)植入材料相關(guān)感染。在感染形成的過程中，骨組織細(xì)胞與細(xì)菌對于內(nèi)植入物表面的初始競爭黏附是關(guān)鍵點，因此，賦予生物材料抗菌性，抑制細(xì)菌黏附是降低內(nèi)植入材料相關(guān)感染發(fā)生率的有效措施。

殼聚糖季銨鹽是天然的抗菌物質(zhì)，將其引入支架材料中具有以下幾個方面的優(yōu)勢:殼聚糖季銨鹽是殼聚糖的衍生物，具有較好的水溶性，穩(wěn)定性強(qiáng)，易植入其他高分子材料中賦予其抗菌特性。Chen 等[5]通過冷凍干燥法制備具有可降解性的藻朊酸鹽/殼聚糖季銨鹽/牡蠣殼粉復(fù)合支架，體外實驗結(jié)果顯示該支架材料具有較好的成骨活性及抗菌性。殼聚糖季銨鹽具有較廣的抗菌譜。在骨組織工程支架材料中引入殼聚糖季銨鹽不僅可保留原有支架材料的生物特性，而且能有效降低革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）、革蘭氏陰性菌（如綠膿桿菌、沙門氏菌、大腸埃希菌）、耐藥菌株（如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）及真菌的感染風(fēng)險[3]，Yang 等[6-7]應(yīng)用3D 打印技術(shù)制備聚乳酸-羥基乙酸共聚物/羥基磷灰石/殼聚糖季銨鹽（PLGA/HA/HACC）復(fù)合支架，體內(nèi)、外實驗結(jié)果表明該復(fù)合物支架對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌有良好的抗菌效果，能有效抑制生物膜的形成并且羥基磷灰石可減慢該支架的降解速率，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)成骨分化相關(guān)因子如骨鈣素、骨橋蛋白等。而Tan 等[8]將殼聚糖季銨鹽微粒融入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥中，通過體內(nèi)外實驗證明該骨水泥能有效降低細(xì)菌在其表面黏附的數(shù)量，抑制細(xì)菌生物膜的形成，且與攜載慶大霉素的骨水泥相比，該骨水泥不僅抗菌作用時間長，且對于耐甲氧西林金黃色葡糖球菌有良好的殺菌作用，有望替代抗生素用于關(guān)節(jié)假體相關(guān)感染的預(yù)防及治療中。殼聚糖季銨鹽可作為載體攜載成骨生長因子，在賦予支架材料抗菌性的同時進(jìn)一步增強(qiáng)其誘導(dǎo)成骨的作用。Zhou 等[9]以殼聚糖季銨鹽為載體，制備攜載人重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（rhBMP-2）的二氧化硅/殼聚糖季銨鹽/玉米蛋白復(fù)合支架材料，該材料不僅降低了葡萄球菌及大腸桿菌的黏附，具有長效的抗菌作用，還可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，促進(jìn)新生骨的形成。

2 殼聚糖季銨鹽在醫(yī)用鈦合金中的應(yīng)用

鈦合金的彈性模量與骨質(zhì)相似，可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，被廣泛用于骨科內(nèi)植入材料的制備中[10]。但鈦合金材料的抗菌性能差，無法抑制細(xì)菌的黏附及生物膜的形成[11]。對鈦合金表面進(jìn)行抗菌改性是彌補(bǔ)其局限性的常用方法?？咕男允峭ㄟ^涂層載體攜載抗菌物質(zhì)賦予鈦合金抗菌性能。盡管抗菌改性的物質(zhì)種類有很多如抗生素、銀離子等，但天然的抗菌物質(zhì)殼聚糖季銨鹽更具優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為:殼聚糖季銨鹽為天然抗菌物質(zhì)，可有效減少耐藥菌株的形成；殼聚糖季銨鹽（低取代度）能有效促進(jìn)局部組織再生，對組織細(xì)胞損害作用??；殼聚糖季銨鹽緩釋涂層可降低攜載藥物的釋放率而長期維持局部藥物濃度。因此，將殼聚糖季銨鹽作為鈦合金表面改性物質(zhì)能有效改善鈦合金材料的性能。

從上述研究我們可以看到骨科生物材料在引入殼聚糖季銨鹽后可有效提高材料的抗菌性，降低內(nèi)植入材料相關(guān)感染的發(fā)生，并且因其為天然抗菌物質(zhì)，可有效避免細(xì)菌耐藥性的發(fā)生。另外，殼聚糖季銨鹽為高聚陽離子，可通過靜電吸附作用與材料中帶有負(fù)電荷的成分相結(jié)合，增強(qiáng)生物材料的穩(wěn)定性，且其水溶性不隨外界pH 的變化而發(fā)生改變，可作為藥物載體有效保護(hù)被載藥物免受破壞，進(jìn)一步改善骨科生物材料的性能。

3 殼聚糖季銨鹽在生物載體中的應(yīng)用

治療用的藥物、蛋白、核酸或疫苗靶向性差，在體內(nèi)轉(zhuǎn)運的過程中容易受到機(jī)體內(nèi)環(huán)境的影響而被降解或者破壞。除此之外，該類外源性物質(zhì)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)易引起機(jī)體免疫原性的潛在毒性，很大程度上降低了此類物質(zhì)的生物利用率及生物安全性[17-18]。因此，將具有良好生物相容性的生物載體與此類物質(zhì)相結(jié)合可有效避免上述問題。目前常用的生物載體是由高分子可降解材料（如聚乙酰亞胺、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、葡聚糖、殼聚糖等）構(gòu)成的納米微球載體和生物水凝膠載體[17]。相較于其他生物載體，盡管該類載體具有價格低廉、生物相容性好、細(xì)胞毒性低、能有效控制被載藥物的釋放率等諸多優(yōu)點，但也有自身局限性，如葡聚糖在生理pH條件下呈中性，無法與DNA 相結(jié)合[19]； 殼聚糖的水溶性差無法發(fā)揮載體功能[20]等。殼聚糖季銨鹽相較于上述物質(zhì)更加穩(wěn)定，將其引入生物載體中可進(jìn)一步改善該類載體的性能。

3.1 殼聚糖季銨鹽在核酸載體中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的病毒載體相比，以殼聚糖季銨鹽為代表的高分子材料所構(gòu)成的病毒載體具有致癌風(fēng)險低、細(xì)胞攝取率高等優(yōu)勢而成為目前研究的主流方向。在納米載體中引入殼聚糖季銨鹽可有效提高細(xì)胞對該載體的攝入率。Li 等[21]利用殼聚糖季銨鹽和DNA 之間的聚凝作用制作出大小為91.8 nm的納米顆粒，與其他載體相比，該載體直徑較小，易于被細(xì)胞攝取，除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)殼聚糖季銨鹽與DNA 的質(zhì)量比為10 時，被裝載的DNA 可有效抵御核苷酸內(nèi)切酶的消化作用，但具體機(jī)制還不清楚。盡管殼聚糖季銨鹽性能優(yōu)良，但殼聚糖季銨鹽為高聚陽離子，其表面帶有較多的正電荷，過多的正電荷易引起血液凝聚及細(xì)胞溶解，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。為解決這一問題，Ni 等[22]在制作攜載SiRNA 的殼聚糖季銨鹽載體時在載體中加入了含有胍基的羧甲基殼聚糖，羧甲基殼聚糖是一種電中性的聚合電解質(zhì)，可隨外界pH 的變化而攜帶不同的電荷。在生理條件下，該物質(zhì)帶負(fù)電，可與殼聚糖季銨鹽形成復(fù)合電解質(zhì)，有效減低殼聚糖季銨鹽的細(xì)胞毒性，而且由于胍基可與卵磷脂形成雙配位氫鍵，可進(jìn)一步提高SiRNA 的細(xì)胞攝取率。

3.2 殼聚糖季銨鹽在脂質(zhì)納米載體中的應(yīng)用

脂質(zhì)納米載體是一種新型有效的藥物遞送系統(tǒng)，可提高治療藥物到達(dá)靶點處的效率，減少正常組織的非特異性擴(kuò)散從而降低藥物的治療效果，減少藥物副作用[23]。但該種新型載體同樣有如下不足之處:脂質(zhì)納米載體帶有負(fù)電荷，易于細(xì)胞膜表面產(chǎn)生靜電排斥作用，從而降低了細(xì)胞對于被載藥物的攝取率[24]；納米脂質(zhì)載體屬于水溶性彌散體系，粘滯度度低，在用于局域治療時因在目標(biāo)區(qū)域滯留時間短而降低了被載藥物的生物利用度。為彌補(bǔ)該種新型載體的不足，Shi 等[25]將殼聚糖季銨鹽引入到固體脂質(zhì)納米顆粒中作為攜載抗腫瘤藥物多西他賽的載體。該載體穩(wěn)定性好，微粒大小及所帶電勢并不隨pH 改變而發(fā)生變化，且該載體帶正電荷，易于和細(xì)胞相黏附，從而提高組織細(xì)胞對藥物的攝取率。Tan 等[26]將殼聚糖季銨鹽與-甘油磷酸鹽相交聯(lián)并引入到脂質(zhì)納米載體中以增加該載體的黏度及穩(wěn)定性。該新型載體具備熱敏效應(yīng)，當(dāng)溫度從室溫變化到35℃時，該載體可由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)，并且制備該載體所用的殼聚糖季銨鹽和-甘油磷酸鹽的濃度分別為3.8%（wt%） 和20%（wt%）時，該載體的膠凝時間縮短至2 min。

3.3 殼聚糖季銨鹽在生物水凝膠中的應(yīng)用

生物水凝膠是由線性高分子交聯(lián)而成的具有三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的生物材料，其在水中可迅速溶脹且溶脹之后能夠繼續(xù)保持原有結(jié)構(gòu)而不被溶解，對局部環(huán)境的細(xì)微變化可快速反應(yīng)，因而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[27]。與以往的生物水凝膠敷料相比，含有殼聚糖季銨鹽的水凝膠敷料因其具有良好的抗菌性、促進(jìn)膠原蛋白的合成作用，更有利于傷口的愈合。Fan 等[28]將殼聚糖季銨鹽（HACC）與聚環(huán)氧乙烯（PEO）及聚乙烯醇（PVA）相混合制作出HACC/PVA/PEO復(fù)合水凝膠，發(fā)現(xiàn)復(fù)合水凝膠中的殼聚糖季銨鹽占比越大，該水凝膠的溶脹率及抗張強(qiáng)度越大，而且由于殼聚糖季銨鹽具有抗菌性，故該種水凝膠不但能有效吸收傷口中的滲出液，而且為傷口提供一個相對較濕潤及無菌的局部環(huán)境，有利于傷口的愈合。除用于敷料外，生物水凝膠還被廣泛應(yīng)用于藥物載體。在以往的研究中，為了使疏水性藥物在水凝膠中均勻分布，通常需要通過化學(xué)連接的方式將環(huán)糊精接枝于水凝膠中，但該種方式不僅需要很長的反應(yīng)時間，而且水凝膠中環(huán)糊精的量相對較低[29]。為解決此類問題，Han 等[30]以殼聚糖季銨鹽和羧乙基纖維素為基礎(chǔ)成分制作生物水凝膠，通過殼聚糖季銨鹽與環(huán)糊精的之間靜電吸附作用，大大提高了水凝膠中環(huán)糊精的含量，而且相較于未攜載環(huán)糊精的水凝膠，該種水凝膠可快速吸附疏水物質(zhì)，吸附速率可達(dá)33 g/（g min），而在緩沖鹽溶液中該種水凝膠所攜載的疏水性藥物可持續(xù)釋放且累計釋放量是其3 倍。

4 結(jié)語

生物材料在引入殼聚糖季銨鹽后具備了更好的穩(wěn)定性及抗菌性，使其在臨床中得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前此方面的研究側(cè)重于利用殼聚糖季銨鹽的性能彌補(bǔ)生物材料的不足，但對于殼聚糖季銨鹽本身所存在的局限性及在引入生物材料后所產(chǎn)生的相關(guān)問題（如在殼聚糖季銨化的取代度越高，細(xì)胞毒性也越強(qiáng)[31]）研究較少。如何讓殼聚糖季銨鹽在保持較高的抗菌性的基礎(chǔ)上降低其細(xì)胞毒性，使其更好地應(yīng)用于各類生物材料中，仍需要進(jìn)一步探究。另外，殼聚糖季銨鹽在生物材料中應(yīng)用研究大部分仍處于實驗階段，未能真正應(yīng)用于臨床。有理由相信，隨著人們對于殼聚糖季銨鹽研究的深入，生物材料的性能必然會得到進(jìn)一步改善。