秦益民

(1. 嘉興學(xué)院 材料與紡織工程學(xué)院， 浙江 嘉興 314001； 2. 海藻活性物質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266400)

殼聚糖,也稱甲殼胺，是甲殼素的脫乙?；苌铩Ｒ詺ぞ厶菫樵贤ㄟ^(guò)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(dú)特的化學(xué)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(jìn)傷口愈合等優(yōu)異性能[1-3]。通過(guò)與細(xì)胞和組織的相互作用，殼聚糖纖維可以影響人體中的酶、細(xì)胞、組織等生物活性，產(chǎn)生獨(dú)特的醫(yī)療和保健功效[4-5]。

殼聚糖纖維可通過(guò)紡紗、機(jī)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(guò)控制脫乙酰度調(diào)節(jié)其降解速度，殼聚糖纖維的機(jī)織和針織物是多孔結(jié)構(gòu)支架材料，可用于細(xì)胞移植和組織再生，殼聚糖針刺非織造布可用于傷口護(hù)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(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，其良好的吸濕性、保濕性以及排毒、養(yǎng)顏特性深受消費(fèi)者喜愛(ài)。

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(xì)胞和組織接觸過(guò)程中產(chǎn)生的抑制細(xì)菌增長(zhǎng)、止血、抑制基質(zhì)金屬蛋白酶、促進(jìn)傷口愈合等各種生物活性，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)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(shí)用價(jià)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(xiàn)[6]顯示銅離子在誘導(dǎo)血管生成、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、皮膚細(xì)胞外蛋白的表達(dá)和穩(wěn)定過(guò)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(shí)傷口愈合緩慢。殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中的氨基對(duì)銅、鋅等金屬離子有很強(qiáng)的螯合作用，在與傷口接觸時(shí)，殼聚糖纖維可通過(guò)其對(duì)銅離子的富集作用促進(jìn)血管生成和皮膚再生，對(duì)傷口愈合有促進(jìn)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(dá)到纖維質(zhì)量的9.0%[7]。表1示出乙酰度對(duì)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(duì)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(jià)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(qiáng)化創(chuàng)面組織微血管密度，提高增殖性細(xì)胞核抗原陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)，創(chuàng)面局部富集鋅離子對(duì)慢性傷口愈合有較強(qiáng)的促進(jìn)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(guò)各種化學(xué)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(xì)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(shí)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?jǐn)?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(wú)結(jié)節(jié)，隨時(shí)間延長(zhǎng)淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)減少，具有良好的生物相容性[11]。

3 殼聚糖纖維的細(xì)胞活性

殼聚糖纖維的細(xì)胞活性體現(xiàn)在其與細(xì)胞接觸后的黏附、形態(tài)、生長(zhǎng)、增殖、分化、再生等狀況。在與細(xì)胞接觸時(shí)，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(duì)巨噬細(xì)胞活性的影響，結(jié)果顯示殼聚糖在活化巨噬細(xì)胞后促進(jìn)其分泌出多種細(xì)胞因子，有利于慢性傷口愈合。張文達(dá)等[15]用殼聚糖溶液培養(yǎng)人體上皮細(xì)胞，溶液中上皮細(xì)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(shí)能明顯增殖。楊紅等[16]研究了殼聚糖質(zhì)量濃度對(duì)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響，把乳鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞在有殼聚糖存在的環(huán)境中體外培養(yǎng)，結(jié)果顯示細(xì)胞不僅生長(zhǎng)良好，其存活時(shí)間及存活細(xì)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(duì)小鼠成骨細(xì)胞的增殖分化有促進(jìn)作用。

殼聚糖的細(xì)胞活性可通過(guò)理化改性技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步改善[18]。Budirahar等[19]通過(guò)共價(jià)鍵合把骨形態(tài)發(fā)生蛋白與殼聚糖結(jié)合，促進(jìn)了成骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化。Yang等[20]把殼聚糖與白細(xì)胞介素等細(xì)胞因子結(jié)合后有效增強(qiáng)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(xì)胞通透性，對(duì)酶具有抑制作用，同時(shí)增強(qiáng)親水化合物的通透作用，提高其跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能力[22]。Jiang等[23]通過(guò)物理包埋及化學(xué)鍵合蛋白質(zhì)、寡肽等生物活性分子改善細(xì)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(jià)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(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果已證實(shí)殼聚糖具有止血功效[27-29]。殼聚糖纖維無(wú)毒、無(wú)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(shí)，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(dǎo)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(jìn)更多的血小板、血細(xì)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(shí)殼聚糖纖維表面顯正電性，對(duì)血液中的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、磷脂、黏多糖等多種顯負(fù)電性的生物大分子有很強(qiáng)的吸附作用。

Segal等[31]在研究海藻酸鹽纖維的止血性能時(shí)發(fā)現(xiàn)其主要作用機(jī)制是凝血效應(yīng)和對(duì)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(duì)于殼聚糖纖維，馬軍陽(yáng)等[32]研究顯示，通過(guò)蛋白質(zhì)介導(dǎo)黏附血小板后形成殼聚糖與血小板復(fù)合物，該復(fù)合物可加速血纖維蛋白單體的聚合并共同形成凝塊，同時(shí)殼聚糖通過(guò)誘導(dǎo)紅細(xì)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(duì)肝臟的止血效果，空白組不使用任何材料，對(duì)照組使用速即紗，實(shí)驗(yàn)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(duì)照組和實(shí)驗(yàn)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(duì)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(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)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(shí)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(guò)中和細(xì)菌表面的負(fù)電荷、與細(xì)菌膠合使其凋亡。pH值對(duì)殼聚糖的抑菌性能具有影響，當(dāng)pH值升高時(shí)殼聚糖的質(zhì)子化程度以及溶解性降低，抗菌能力減弱；當(dāng)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(dǎo)致抑菌活性加強(qiáng)[39]。

殼聚糖的抑菌特性源于多種作用機(jī)制。首先，在微酸性介質(zhì)中，殼聚糖是一種陽(yáng)離子型生物絮凝劑，可以使細(xì)菌細(xì)胞聚沉。殼聚糖吸附于細(xì)菌表面形成的高分子膜阻止代謝廢物的排泄，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致細(xì)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(tuán)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(guò)滲透作用穿過(guò)多孔細(xì)胞壁，進(jìn)入細(xì)胞后使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物絮凝、變性后無(wú)法進(jìn)行生理活動(dòng)，帶負(fù)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(xì)菌繁殖[40]。第二，細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、類脂等分子與殼聚糖中的—NH3+復(fù)合后可損壞細(xì)胞壁的完整性、改變細(xì)胞膜的通透性，最終使細(xì)胞壁趨于溶解，直至細(xì)胞死亡。第三，殼聚糖分子中的氨基選擇性螯合對(duì)微生物生長(zhǎng)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(shí)抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖。此外，殼聚糖也可以激活甲殼素酶活性，使甲殼素酶過(guò)分表達(dá)后導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁甲殼素的降解，通過(guò)損傷細(xì)胞壁導(dǎo)致細(xì)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(jià)值，可用于預(yù)防感染、抑制創(chuàng)面細(xì)菌繁殖、促進(jìn)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(hù)創(chuàng)面的同時(shí)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(duì)酶活性的抑制性能

酶在細(xì)胞和組織的生命活動(dòng)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(guó)科學(xué)家已相繼發(fā)現(xiàn)25種細(xì)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(guò)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(jià)值[50]。MMPs抑制劑還可通過(guò)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(duì)鋅離子有很強(qiáng)的吸附性能，可通過(guò)螯合鋅離子對(duì)MMPs產(chǎn)生抑制作用，在慢性傷口愈合過(guò)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(dǎo)的軟骨細(xì)胞MMP-小分子RNA(1mRNA)和蛋白的表達(dá)，從而抑制IL-1B介導(dǎo)的軟骨細(xì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)組和對(duì)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(dá)情況。結(jié)果顯示，骨關(guān)節(jié)炎軟骨中MMP-1和MMP-3的表達(dá)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(dǎo)軟骨細(xì)胞再生，生成的軟骨細(xì)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(xì)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(hù)理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，在預(yù)防感染、降低疼痛的同時(shí)具有促進(jìn)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(guò)程，其中血管生成、膠原合成、組織形成等皮膚修復(fù)的關(guān)鍵階段需要巨噬細(xì)胞的活化，巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和纖維母細(xì)胞等釋放的白介素-1(IL-1)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可促進(jìn)肉芽生成。通過(guò)刺激巨噬細(xì)胞分泌與組織修復(fù)相關(guān)的IL-1等調(diào)節(jié)因子，殼聚糖纖維能誘導(dǎo)纖維母細(xì)胞增生，促進(jìn)傷口愈合。

炎癥反應(yīng)是傷口愈合的初始階段，在此過(guò)程中，多形核細(xì)胞(PMN)、巨噬細(xì)胞等各種炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)到創(chuàng)面后清除外來(lái)成分。通過(guò)加速炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)創(chuàng)面，殼聚糖纖維有促進(jìn)清創(chuàng)的作用[57]。Ueno等[58]在小獵犬腹部的皮膚傷口上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，殼聚糖能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞增生，使其活性增強(qiáng)，還有明顯的PMN浸潤(rùn)作用，其作用機(jī)制是：殼聚糖是巨噬細(xì)胞的陽(yáng)性趨化劑，通過(guò)吸引單核細(xì)胞從血管中游出，在組織中聚集后形成巨噬細(xì)胞，也可通過(guò)刺激局部組織細(xì)胞增生后演變?yōu)榫奘杉?xì)胞。Ali等[59]的研究顯示殼聚糖纖維與血清的互動(dòng)作用可強(qiáng)化巨噬細(xì)胞活性、刺激成纖維細(xì)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(jìn)傷口愈合的功效[60-61]。李珂等[62]在研究殼聚糖敷料對(duì)潰瘍期壓瘡的治療效果中將60例潰瘍期壓瘡患者隨機(jī)分為對(duì)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(duì)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(shí)間、換藥次數(shù)等治療效果顯著優(yōu)于對(duì)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(gè)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(jìn)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(jī)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，并對(duì)殼聚糖促進(jìn)傷口愈合的作用進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組傷口愈合時(shí)間明顯縮短，證明殼聚糖對(duì)傷口愈合有明顯的促進(jìn)作用。

8 結(jié)束語(yǔ)

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(jià)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(yáng)離子特性，通過(guò)與皮膚、血液、傷口滲出液的接觸對(duì)人體組織產(chǎn)生獨(dú)特的生物活性，其在細(xì)胞水平上體現(xiàn)出與生物體的親和性能，通過(guò)誘生損傷生物體的特殊細(xì)胞，加快傷口愈合。殼聚糖纖維對(duì)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(dú)特的應(yīng)用功效。

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