魯手濤 ，周揚，徐海榮，劉黎明，曹文瑞，張興燎，張軍，張海軍，3

(1.同濟大學醫(yī)學院，上海 200092； 2.生物醫(yī)用材料改性技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，山東德州 251100；3.同濟大學醫(yī)學院介入血管研究所，上海 200072)

隨著社會發(fā)展和臨床流行病學研究的精進和科學技術的進步，人們對傷口護理的重視程度逐漸增強，傷口護理已經成為臨床護理工作的重要組成部分。傷口護理需要促進傷口快速愈合的敷料，以獲得功能和美容效果。用于傷口護理的產品有很多種，例如吻合器、縫合線、敷料、繃帶、手術密封劑或粘合劑、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，以促進愈合并防止感染和進一步損傷[2-3]。

與人體內的所有其它組織相比，人體皮膚具有強大的自我再生能力。它不斷用新的細胞取代舊細胞，使其能夠自我修復。傷口愈合是一個復雜的生理過程，由3 個重疊階段組成：炎癥階段，增殖階段和重塑階段。愈合過程在組織受損時便開始了，當血液成分來到損傷部位時，血小板與膠原和細胞外基質接觸并釋放凝血和生長因子。在炎癥階段，中性粒細胞是第一個出現(xiàn)在損傷部位的白細胞，以消除細菌污染。增殖階段，單核細胞及其向巨噬細胞轉化時，通過釋放多種生物活性物質和生長因子來啟動組織修復，所述生物活性物質和生長因子是開始形成組織所必需的。在第三階段，成纖維細胞增殖并遷移至傷口部位并開始進行松散的細胞外基質沉積。內皮細胞與成纖維細胞在傷口處生長，同時形成血管。最后，通過分化角質形成細胞以及形成卵泡細胞，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，當皮膚的皮下組織受損時，身體會沉積膠原纖維覆蓋受損部位，這會產生明顯的疤痕，因此，需要能夠誘導無瘢痕愈合的敷料[5]。

傳統(tǒng)的干燥傷口敷料被認為有利于愈合傷口，即傷口用紗布覆蓋或保持開放。但是，現(xiàn)代研究表明[6]，當傷口在沒有任何敷料的情況下向空氣敞開時，結痂即干燥層，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胞保持活力，使其釋放生長因子，同時保持細胞與愈合組織之間的接觸，調節(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，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)在認為產生和維持濕潤環(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

理想的傷口敷料應該具備以下特征：①敷料應保持傷口部位的濕潤，因為表面干燥不僅阻礙營養(yǎng)物的遞送和傷口表面的免疫防御，而且還顯著阻礙細胞在傷口表面上遷移的能力。上皮細胞的遷移和擴散需要濕潤環(huán)境，在濕潤環(huán)境下，細胞可以加速生長、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痂，使上皮細胞通過傷口滲出物水平向外擴散以快速閉合傷口。此外，在濕潤環(huán)境中，傷口愈合(上皮形成和皮膚修復)的速度提高50%。②敷料應無毒且無過敏性，以免在傷口部位引起感染。③敷料應可以無痛去除，即它可以被移除而不會對傷口造成創(chuàng)傷。④敷料應能夠阻菌，隔熱和觸摸柔軟。⑤敷料應允許適當?shù)臍怏w和水蒸氣交換。⑥敷料應能促進組織重建過程。⑦敷料的價格不能太昂貴[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，是能被水溶脹但不溶于水的具有三維網絡結構的聚合物。它性質柔軟，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)代外科手術的Joseph Lister 和他的學生William Macewen 報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)結締組織中，膠原纖維及其網絡構成了大部分細胞外基質(ECM)并形成圍繞細胞的高度有序的三維(3D)支架。膠原蛋白在維持ECM 的生物學和結構完整性方面也起著主導作用，另外它是一種靈活的材料，通過不斷重塑以改善細胞行為和組織功能[10]。

圖1 三螺旋膠原蛋白的三維及結構圖

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菌均具有抗菌活性。敷料具有良好的細胞相容性，并為細胞的附著、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證了促進傷口愈合的功效，愈合曲線顯示出增強的再上皮化，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，同時促進肉芽組織的形成，提高了傷口閉合的比例，14 d 后膠原／金納米粒子復合材料處理的皮膚顯示出較高的拉伸強度和拉伸彈性模量，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用于傷口，該方法處理的膠原沒有產生額外的炎癥反應，并且還促進了血管生成，在第7 天觀察到血管表面密度顯著提高，促進了傷口愈合。Liu Ting等[14]制備了一種用石墨烯氧化物改性的膠原—殼聚糖復合膜，石墨烯氧化物提高了材料的熱穩(wěn)定性、力學性能及親水性，復合膜生物相容性好，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，其結構圖如圖2 所示。

圖2 D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(M)殘基結構圖

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中的釋放，并且細胞毒性測試表明不會引起間充質基質細胞的急性毒性作用。Zhou Qian 等[18]制備了新型二價離子交聯(lián)海藻酸鈉水凝膠(銅，鋅，鍶和鈣)，銅離子交聯(lián)表現(xiàn)出最大的斷裂強度，而鍶和鋅離子交聯(lián)的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，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，從網絡結構釋放的離子刺激血管生成并促進毛細血管內皮細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，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胞壁的主要成分。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產物聚-N-乙?；?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。它由隨機分布的β-(1 →4)-d-葡糖胺和N-乙?；?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構圖

P. S. Patil 等[20]使用全氟碳改性殼聚糖構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輸速率，比非氟化水凝膠高出兩個數(shù)量級，組織學分析顯示改性水凝膠改善再上皮化和膠原合成，促進了羥脯氨酸和膠原合成的再生代謝過程，該研究的結果證實，改性水凝膠增加的氧輸送增強了傷口愈合，代謝組學分析提供了評估傷口愈合生理學的有力工具。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，通過上調與傷口愈合相關的血管內皮生長因子(VEGF)、表皮生長因子(EGF)和轉化生長因子-β(TGF-b)等主要生長因子，極大地促進了ECM 合成，增加膠原沉積和肉芽組織厚度，有利于促進傷口愈合過程。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，離體大鼠皮膚試驗也顯示了力學性能顯著改善，糖尿病大鼠的體內慢性傷口愈合評估顯示該敷料導致更快的傷口愈合，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。組織病理學分析證實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 以透明質酸為基礎的水凝膠

透明質酸(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“透明質酸”。在20 世紀50 年代，Meyer 及其同事確定HA 是由重復的1，4-和1，3-鍵合的葡糖醛酸和N-乙酰基葡糖胺單元形成的線形多糖(圖4)。

圖4 HA 的化學結構、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構和生理特征，而且有助于在形態(tài)建成，組織重塑，炎癥和疾病期間介導細胞行為。由于其獨特的生物物理特性，HA 直接有助于維持組織穩(wěn)態(tài)和生物力學。通過其與蛋白多糖和連接蛋白的相互作用，HA 組織并維持細胞外和細胞周圍基質的結構完整性。作為信號分子，HA 與多種細胞表面受體和HA 結合蛋白相互作用，以激活細胞內事件介導細胞功能[24]。生物醫(yī)學工程師正在創(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、自我修復和抗菌的多功能水凝膠，該水凝膠作為間充質干細胞外泌體釋放的載體，用于促進慢性傷口愈合和完全皮膚再生。在體外，該水凝膠顯著促進人臍靜脈內皮細胞的增殖、遷移和管形成能力。在體內，該水凝膠顯著增強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 和明膠組成的負載人重組血栓調節(jié)蛋白(rhTM)的可生物降解水凝膠，具有在短期內緩慢釋放rhTM 的特性，每3 天更換一次裝載rhTM的水凝膠顯著促進傷口愈合，增強了傷口修復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踐的需要，并且有望用于糖尿病患者的傷口護理。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，水凝膠處理促進傷口人α 平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的表達，其在術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，通過新血管形成促進皮膚再生。

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，其具有大量的細胞識別位點，吸附細胞能力強，能夠促進細胞增殖。Wu Song 等[29]制備了明膠／HA 水凝膠，該水凝膠顯示出適當?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，水凝膠具有促進細胞增殖的潛力。動物傷口模型證明水凝膠有效促進了傷口愈合。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，可以將細胞吸引趨化細胞因子傳遞到目標部位并誘導糖尿病傷口愈合。載有趨化因子的水凝膠促進細胞浸潤到傷口區(qū)域，并促進傷口愈合，增強的再上皮化／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，減少疼痛并縮短愈合時間。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／細菌纖維素水凝膠，加入葡聚糖會影響細菌纖維素的網絡結構，導致分解溫度、含水量、拉伸強度及斷裂伸長率降低，葡聚糖修飾的細菌纖維素水凝膠在增殖階段促進成纖維細胞生長，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形成細胞和人皮膚成纖維細胞的細菌纖維素／丙烯酸水凝膠，載有細胞的水凝膠促進了燒傷創(chuàng)面愈合，促進了膠原蛋白的沉積。

3 結語

在傷口敷料的研發(fā)中，水凝膠材料受到越來越多的關注，與生物體有相似結構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性能差、功能化方面不足的缺點，針對這些問題，研究者們對天然高分子材料的水凝膠進行大量的改性研究，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合改性，以及天然高分子材料和合成材料之間的復合改性等研究，取得了很大的進展，但要滿足理想傷口敷料的要求，還需要進行大量的實驗和探討。隨著高分子合成技術及材料認知的擴展和組織工程技術發(fā)展，有望獲得理想的天然高分子材料水凝膠傷口敷料。