簡(jiǎn)揚(yáng) 何勇 魏在榮
【提要】 創(chuàng)面修復(fù)是復(fù)雜的病理生理過程。隨著對(duì)創(chuàng)面修復(fù)機(jī)制研究的不斷完善,以及各種新技術(shù)和新材料的應(yīng)用,創(chuàng)面修復(fù)已取得了很大的進(jìn)展。本文通過總結(jié)以二氧化碳為代表的超臨界流體萃取技術(shù)的特點(diǎn)、原理、影響因素以及在創(chuàng)面修復(fù)方面的研究進(jìn)展,探討該技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)方面的發(fā)展前景,為今后超臨界流體萃取技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)方面的研究提供參考。
創(chuàng)面修復(fù)是多因素參與的復(fù)雜病理生理過程,包括炎癥、細(xì)胞增殖和重塑等過程。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步,創(chuàng)面修復(fù)已取得了很大的進(jìn)展,但仍面臨諸如燒傷后瘢痕、糖尿病足和靜脈性潰瘍等創(chuàng)面修復(fù)難題。近年來,以二氧化碳(Carbon dioxide,CO2)為代表的超臨界流體萃?。⊿upercritical fluid extraction,SFE)技術(shù)以無毒、萃取溫度低、環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛用于化工工業(yè)[1]、食品工業(yè)[2]、制藥[3]、環(huán)保[4]等領(lǐng)域。然而,其作為一種新型技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)的研究中鮮有報(bào)道,本文將重點(diǎn)介紹SFE-CO2技術(shù)的特點(diǎn)、原理、影響因素,及其在創(chuàng)面修復(fù)中的研究進(jìn)展,借此為創(chuàng)面修復(fù)提供更多的新思路。
1822 年,Cagniard dela Tour 首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了超臨界現(xiàn)象。1869 年,Thomas Andrews 用CO2研究超臨界現(xiàn)象,測(cè)定了CO2的臨界參數(shù),并提出了沿用至今的“臨界點(diǎn)”概念[5]。在20 世紀(jì)70 年代,SFE 技術(shù)才迅速發(fā)展,并被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。我國SFE 技術(shù)起步較晚,在20 世紀(jì)90 年代,我國的SFE 技術(shù)才迅速發(fā)展起來。相較于其他萃取技術(shù),由于采用了超臨界溶劑,SFE 技術(shù)在密度、擴(kuò)散系數(shù)、黏度和介電常數(shù)等參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此,SFE 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、化工工業(yè)、中醫(yī)藥有效成分提取、環(huán)境保護(hù)等方面。
某一特定物質(zhì)處于臨界溫度(TC)和臨界壓力(PC)以上狀態(tài)時(shí),向該狀態(tài)氣體施加壓力,氣體不會(huì)液化,只是密度增加,具有類似液態(tài)的性質(zhì),同時(shí)還保留氣體的性能,這種狀態(tài)的流體定義為超臨界流體(Supercritical fluid,SCF)。SCF 的密度接近于液體,而黏度、擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)介于氣體、液體之間,但更接近于氣體。SCF 的低黏度和相對(duì)高的擴(kuò)散系數(shù),使其物質(zhì)運(yùn)送能力優(yōu)于液體;能更容易穿透固體物質(zhì)表面,提取效率更高。SCF 最顯著的特點(diǎn)是改變壓力和(或)溫度,液體密度隨之改變的同時(shí)溶解性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。
少數(shù)化合物能被用作SCF,其中CO2的臨界溫度和臨界壓力分別是31.06 ℃和7.39 MPa(表1)。作為應(yīng)用最廣泛的SCF,CO2具有四大顯著性優(yōu)點(diǎn)[6]:①對(duì)人體無害,對(duì)環(huán)境無污染;②室溫附近的臨界溫度,有助于萃取物生物活性成分的保留;③化學(xué)性質(zhì)不活潑,在萃取過程中的無氧環(huán)境可避免活性成分發(fā)生氧化反應(yīng);④CO2極性小,尤其適用于非極性或極性較小物質(zhì)的提取。
表1 SFE 常用溶劑的關(guān)鍵性質(zhì)Table 1 Critical properties of common solvent used in SFE
SFE-CO2 的原理是利用壓力和溫度變化對(duì)超臨界CO2流體溶解能力的影響,將超臨界CO2流體與含目標(biāo)物的基質(zhì)接觸,使其選擇性地萃取目標(biāo)物,然后通過減壓、升溫的方法,解除CO2超臨界流體狀態(tài),被萃取的目標(biāo)物則完全或基本分離,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分離純化的目的[7]。
SFE-CO2的影響因素較多,包括壓力、溫度、CO2流速、萃取時(shí)間、夾帶劑等[8-11]。壓力和溫度是SFE-CO2的關(guān)鍵參數(shù)之一,溫度恒定時(shí),CO2流體的密度和溶解能力隨壓力升高而增強(qiáng),但當(dāng)壓力升高到某一特定值后,CO2的超臨界相密度隨壓力變化而減慢,導(dǎo)致CO2溶解性能反而降低。萃取率隨萃取溫度升高而增加,但多項(xiàng)研究已證實(shí)[12],當(dāng)溫度和壓力達(dá)到一定峰值時(shí),萃取率隨溫度和壓力的升高反而降低,說明存在最適萃取溫度和壓力。
SFE-CO2作為一種綠色環(huán)保的新興技術(shù),以其萃取溫度低、無毒無溶劑殘留、萃取效率高、可選擇性萃取等優(yōu)點(diǎn),逐漸被應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的皮膚替代品制備、新型敷料研發(fā)、天然藥物有效成分萃取以及制劑產(chǎn)品質(zhì)量提升等多個(gè)方面,并取得了一些研究成果。目前該技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)方面的研究主要有以下方面。
皮源是大面積創(chuàng)面修復(fù)時(shí)的一大難題,而皮膚替代品是很好的選擇之一。近年來,脫細(xì)胞真皮基質(zhì)(Acellular dermal matrix,ADM)在臨床上被用于組織大面積缺損時(shí)創(chuàng)面早期覆蓋與后期整形,并取得了較好的效果。但也存在抗原性較高、膠原三維結(jié)構(gòu)被破壞、缺乏血管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等問題,移植后成活率受到影響[13]。近期,Wang 等[14]報(bào)道了采用SFE-CO2技術(shù)從豬皮膚中制備ADM,所制備的ADM 抗原性進(jìn)一步降低,在細(xì)胞毒性試驗(yàn)、熱原試驗(yàn)、哺乳動(dòng)物基因突變?cè)囼?yàn)、鼠全身毒性試驗(yàn)、皮膚內(nèi)刺激試驗(yàn)、皮膚敏感性試驗(yàn)和肌肉植入研究等各項(xiàng)試驗(yàn)中均顯示良好的效果。SFE-CO2技術(shù)制備的豬源ADM 具有良好的生物相容性,有利于加速創(chuàng)面的修復(fù),有望解決目前ADM 面臨的抗原性高等問題。同一時(shí)間,Chung等[15]利用SFE-CO2技術(shù)除去豬脂肪組織中免疫性強(qiáng)的細(xì)胞內(nèi)成分,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)SFE-CO2處理的ADM 因無化學(xué)試劑處理過程而使真皮基質(zhì)生物結(jié)構(gòu)免受破壞,更有利于創(chuàng)面的修復(fù)。經(jīng)SFE-CO2技術(shù)處理的細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular matrix,ECM)在除去免疫原成分的同時(shí),也保留了有利于組織修復(fù)的氨基葡聚糖和生長因子等成分,為ADM 在創(chuàng)面修復(fù)和組織再生治療等方面的臨床應(yīng)用開辟了新的研究思路[16]。
除了上述ADM 的制備外,SFE-CO2技術(shù)還被應(yīng)用于制備其他多種脫細(xì)胞生物材料,包括脫細(xì)胞肌腱、韌帶、脂肪、角膜、骨組織等[16-20]。肌腱損傷常見,自體肌腱移植被認(rèn)為是肌腱缺陷修復(fù)的金標(biāo)準(zhǔn)[21]。然而,其存在可用性有限、手術(shù)和康復(fù)時(shí)間長、供體部位損傷和潛在的功能缺陷等缺點(diǎn)[22]。Sun等[17]比較了SFE-CO2、γ 輻射和十二烷基硫酸鈉制備的脫細(xì)胞肌腱性能,雖然SFE-CO2(102 bar,39 ℃,3 h)制備的脫細(xì)胞肌腱性能優(yōu)于另外兩種方法,但其并未完全實(shí)現(xiàn)脫細(xì)胞,這一缺點(diǎn)可以通過增加夾帶劑來解決。抽脂產(chǎn)生的脂肪組織常被視為醫(yī)療廢物處理,但其內(nèi)富含豐富的ECM,是制備脫細(xì)胞ECM 很好的原材料[23]。Wang 等[16]使用SFE-CO2技術(shù)從抽脂獲得的脂肪組織中制備脫細(xì)胞外基質(zhì),發(fā)現(xiàn)膠原蛋白、生長因子等得到了極大保留,分別與脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞、人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、人角質(zhì)細(xì)胞和人單核細(xì)胞白血病細(xì)胞共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),由此產(chǎn)生的脫細(xì)胞脂肪ECM 是一種可用于軟組織工程、血管生成和傷口愈合的生物活性表面涂層材料。盡管SFE-CO2技術(shù)已被報(bào)道用于多種脫細(xì)胞生物材料的制備,但僅有較少的研究系統(tǒng)地報(bào)道了壓力、溫度、CO2流速等因素對(duì)脫細(xì)胞生物材料性質(zhì)的影響。
醫(yī)用敷料覆蓋于創(chuàng)面表面,在創(chuàng)面修復(fù)過程中,為受損的皮膚作暫時(shí)性屏障保護(hù)作用,提供有利于創(chuàng)面修復(fù)的環(huán)境。目前,臨床應(yīng)用的醫(yī)用敷料包括傳統(tǒng)紗布敷料(紗布、繃帶和棉球)、高聚物吸水溶脹而成的水凝膠敷料、聚氨酯泡沫性敷料和聚乙烯等高分子彈性體制成的薄膜型敷料[24]。理想的醫(yī)用敷料應(yīng)無毒、無抗原性,不易發(fā)生組織粘連,能為創(chuàng)面維持一個(gè)濕潤環(huán)境,透氣性能良好,促進(jìn)愈合過程中的細(xì)胞增殖,在屏蔽微生物的同時(shí)有利于創(chuàng)面滲出物的迅速排出[25]。
2.2.1 膠原蛋白醫(yī)用敷料
膠原蛋白在創(chuàng)面修復(fù)過程的不同階段起著重要作用。創(chuàng)面修復(fù)早期,暴露在血液中的膠原纖維在受損的血管壁處誘導(dǎo)血小板與其粘附,從而使血小板凝聚而發(fā)揮止血作用。膠原蛋白醫(yī)用敷料在創(chuàng)面修復(fù)中發(fā)揮的作用:吸收傷口滲出液和不利于傷口愈合的因子,保護(hù)組織修復(fù)物質(zhì)不被基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinase,MMP)降解而發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)性底物作用,防止繼發(fā)性細(xì)菌感染和抑制蛋白酶活性,以及調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞遷移促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)等作用[25]。為降低膠原蛋白敷料的抗原性,制備高質(zhì)量、無溶劑殘留、無毒膠原蛋白,Deviese 等[26]嘗試?yán)肧FE-CO2從骨中提取膠原蛋白,通過質(zhì)譜的方法驗(yàn)證SFE-CO2的可行性。與傳統(tǒng)的提取方法相比,SFE-CO2的提取效率更高、降低免疫原性雜質(zhì)能力更強(qiáng)。Wang 等[14]利用SFE-CO2從豬皮膚中萃取膠原蛋白,研究發(fā)現(xiàn)所萃取的膠原蛋白具有與人皮膚Ⅰ型膠原蛋白相似的化學(xué)性質(zhì),無毒、生物相容性良好,為創(chuàng)面修復(fù)醫(yī)療敷料提供了高質(zhì)量的原料。
2.2.2 新型醫(yī)用敷料的研發(fā)
傳統(tǒng)的紗布敷料易產(chǎn)生傷口粘連,透氣性能較差,不利于創(chuàng)面修復(fù)。通過新型材料來靶向調(diào)控創(chuàng)面微環(huán)境是目前創(chuàng)面修復(fù)醫(yī)用敷料研發(fā)的一大重要方向。慢性創(chuàng)面的微環(huán)境包括高氧化應(yīng)激、持續(xù)的炎癥、生長因子少、血管功能受損、缺氧等,通過新型材料來調(diào)控這些途徑,使其向有利于創(chuàng)面修復(fù)的方向發(fā)展已取得了較好的效果。Morgado 等[27]使用SFECO2輔助技術(shù)將布洛芬負(fù)載到聚乙烯醇/殼聚糖(PVA/CS)敷料上,研究證實(shí)該敷料能抑制過度的炎癥反應(yīng),更有利于創(chuàng)面愈合。
SFE-CO2技術(shù)也可用于制備攜帶具有抗菌活性藥物的敷料。Markovic 等[28]運(yùn)用SCF-CO2作為工作流體,用百里香酚浸漬聚丙烯(PP)和電暈改性PP 非織造材料制作了具有抗菌活性的敷料,并證實(shí)二者都能最大程度地減少微生物,更有利于創(chuàng)面的愈合。SFE-CO2在新型敷料制備中展現(xiàn)了較好的效果,其臨界溫度低的特點(diǎn)更有益于在制備生物活性材料的同時(shí)保留其生物活性。
泡沫敷料是一種常用的創(chuàng)面敷料,溶劑殘留和高溫是傳統(tǒng)制備工藝的主要缺點(diǎn)[29]。近年來,SFE-CO2也被用作物理發(fā)泡劑制備聚合物微孔材料[30],其能在不影響力學(xué)強(qiáng)度的前提下,提高孔隙率與貫通性并能復(fù)合多種生物活性物質(zhì)[31]。Milovanovic 等[32]使用SFE-CO2制備了聚乳酸(PLA)和聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)作為百里香酚的藥物控釋系統(tǒng),在37 ℃PBS 溶液中百里香酚能釋放長達(dá)3~6 周。殼聚糖常被用于制備多種生物材料,是新型醫(yī)用敷料很好的原材料[24]。Lovskaya等[33]采用SFE-CO2制備一種具備止血功能的殼聚糖氣凝膠,其具備較高的內(nèi)表面積和孔隙率(分別高達(dá)300 m2/g 和98%),能迅速在傷口周圍形成致密的止血塊,止血效果穩(wěn)定,可用于大面積止血。此外,SFE-CO2也被用于ε-己內(nèi)酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚己內(nèi)和聚環(huán)氧乙烯等多孔材料的制備[34-35]。雖然SFE-CO2發(fā)泡技術(shù)具備無毒、無溶劑殘留、低溫等優(yōu)點(diǎn),但泡孔密閉是其面臨的難題[31],可通過改變壓力、溫度、降壓速率等來控制。
納米材料是近年來出現(xiàn)的新興材料,納米纖維能較好模擬細(xì)胞外基質(zhì)、隔絕外界環(huán)境和避免炎癥的發(fā)生,常被用作敷料原料[36]。Darpentigny 等[37]通過SFE-CO2技術(shù)制備了一種具備高吸水性能的纖維素納米纖維氣凝膠,在制備過程中發(fā)現(xiàn),與冷凍干燥法相比,超臨界干燥法似乎對(duì)纖維素納米纖維網(wǎng)的保存效果更好,并產(chǎn)生了更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。Vasil'kov 等[38]將微晶纖維素采用超臨界干燥法制備成氣凝膠,并與納米銀混合制成了一種新型復(fù)合材料,通過對(duì)其結(jié)構(gòu)特征及其功能特性進(jìn)行檢測(cè)后,認(rèn)為其可用作傷口愈合或水凈化的材料。Jia 等[39]使用SFE-CO2技術(shù)制備了一種二氧化硅納米粒子,其載藥量>40%質(zhì)量分?jǐn)?shù),將其與聚乙烯醇和殼聚糖組成的膜基質(zhì)相結(jié)合制成一種創(chuàng)面敷料,其對(duì)金黃色葡萄球菌具有長期抗菌作用,而對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞無毒性作用。盡管SFECO2技術(shù)可用于微孔材料、納米材料等新興材料的制備,但仍需對(duì)其制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,以指導(dǎo)新材料的制備。
一直以來都有中醫(yī)藥治療皮膚慢性潰瘍的醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)報(bào)道,并積累了豐富的臨床經(jīng)驗(yàn),如“提膿去腐”、“祛腐生肌”、“肌平皮長”等。很多中醫(yī)藥有效成分被用于創(chuàng)面修復(fù)方面的臨床研究和應(yīng)用,但這些有效成分多是用傳統(tǒng)萃取技術(shù)獲取,存在溶劑殘留等缺點(diǎn)。SFE-CO2以低溫、無氧環(huán)境和無需有機(jī)溶劑萃取、萃取能力和效率高等優(yōu)點(diǎn),越來越多地被應(yīng)用到中醫(yī)藥有效活性成分的提取中,具有創(chuàng)面修復(fù)功效的SFE-CO2萃取活性成分不斷地在試驗(yàn)和臨床應(yīng)用上得到證實(shí)。
沙棘果是沙棘屬植物的果實(shí),具有抗氧化、抗菌、免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞保護(hù)和組織修復(fù)作用[40]。臨床上采用沙棘果汁治療燙傷,在緩解患者疼痛、促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)等方面顯示出良好的治療效果[41]。Upadhyay 等[42]利用SFE-CO2低溫、無氧環(huán)境和無需有機(jī)溶劑萃取等特點(diǎn),以降低熱應(yīng)力和氧化反應(yīng)對(duì)沙棘果生物活性的影響。在治療Ⅲ度燒傷的大鼠試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),沙棘果通過上調(diào)肉芽組織中的MMP-2、MMP-9、Ⅲ型膠原蛋白和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達(dá),顯著降低創(chuàng)面肉芽組織的還原型谷胱甘肽含量和活性氧的產(chǎn)生,促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)過程中的創(chuàng)面收縮、羥脯氨酸、氨基己糖和總蛋白含量提升。SFECO2萃取的沙棘果提取液不僅能提高創(chuàng)面修復(fù)效果,還能降低毒副作用。王養(yǎng)正等[43]在研究SFE-CO2萃取的沙棘籽油和沙棘果油對(duì)大鼠皮膚燙傷和燒傷的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)沙棘籽油和沙棘果油均能明顯減輕創(chuàng)面的局部紅腫癥狀和分泌物滲出,促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)。
蝦青素(Astaxanthin)是一種酮類胡蘿素,在創(chuàng)面修復(fù)的氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞凋亡等方面發(fā)揮著抗氧化、抗炎癥和抗凋亡作用[44]。Chou 等[45]利用SFE-CO2(壓力:4 500 psi;溫度:50 ℃;流速:6.0 nL/min;提取時(shí)間:20 min;夾帶劑:乙醇)從雨生紅球藻中提取蝦青素,將蝦青素提取物應(yīng)用到人皮膚成纖維細(xì)胞的研究中。結(jié)果發(fā)現(xiàn),蝦青素提取物通過抑制MMP1 和MMP3 mRNA 基因表達(dá),誘導(dǎo)MMPs 拮抗劑TIMP1 蛋白的表達(dá),使膠原蛋白增加而促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)。蝦青素提取物還能促進(jìn)VEGF 增殖,發(fā)揮修復(fù)皮膚損傷的作用。
Juthaporn 等[46]評(píng)價(jià)了紫莖澤蘭的SFE-CO2提取物促進(jìn)Ⅱ級(jí)燒傷創(chuàng)面修復(fù)的效果,結(jié)果表明通過SFE-CO2萃取的紫莖澤蘭花葉提取物可通過縮短炎癥階段、增加膠原蛋白含量并刺激成纖維細(xì)胞在創(chuàng)面愈合中的增殖和遷移,進(jìn)而促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)。
積雪草中藥膏劑臨床常用于皮膚感染,發(fā)揮抗炎作用,有利于感染部位的創(chuàng)面修復(fù)[47]。然而,傳統(tǒng)浸漬法萃取物中的植物色素會(huì)隨時(shí)間自然褪色,導(dǎo)致制劑在顏色上存在質(zhì)量差異。Ruksiriwanich 等[48]引入了SFE-CO2技術(shù)改進(jìn)積雪草葉萃取方案,消除了天然藥物制劑中提取物色素差異,改善其體外傷口愈合活性。同時(shí),SFE-CO2積雪草萃取物中的總?cè)祁惢衔锖涂側(cè)栖盏暮棵黠@高于傳統(tǒng)浸漬法提取物中的含量,而且SFE-CO2積雪草萃取物在創(chuàng)面修復(fù)過程中顯示出較高的細(xì)胞遷移和血管數(shù)目,顯著促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)。
SFE-CO2萃取技術(shù)作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型技術(shù),是符合當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展潮流的“綠色工藝”,具有無毒、萃取效率高、萃取溫度低等優(yōu)點(diǎn)。目前主要應(yīng)用于食品工業(yè)、化工工業(yè)、中藥有效活性成分提取等方面,但由于CO2的極性較小,對(duì)極性較大的物質(zhì)萃取效率較低,需要添加助溶劑,如脫細(xì)胞生物材料制備過程中通常使用乙醇作為助溶劑[19]。此外,在國內(nèi)外少有該技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)方面的研究報(bào)道,仍需加大該技術(shù)在創(chuàng)面修復(fù)方面的研究和應(yīng)用,例如制備多種脫細(xì)胞生物材料、提取及純化中藥活性成分等,以促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)的多元化和高效化。未來可從以下方面應(yīng)用SFE-CO2技術(shù)來促進(jìn)創(chuàng)面的高效愈合及精準(zhǔn)修復(fù)。第一,制備脫細(xì)胞生物材料,在不影響生物相容性的條件下對(duì)材料改性或添加功能基團(tuán);第二,制備新型生物材料,如利用發(fā)泡技術(shù)制備多種具備藥物控釋功能的敷料;第三,提取中藥活性成分,改善藥劑質(zhì)量;第四,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型,從理論上分析原材料與各工藝因素間的關(guān)系,尋找最佳制備條件,以指導(dǎo)新材料的制備。相信隨著對(duì)SFE-CO2技術(shù)認(rèn)識(shí)和研究的進(jìn)一步深化,這一新型技術(shù)將得到更加廣泛和深入應(yīng)用,對(duì)醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,為更多的患者帶來福音。