壳聚糖基创面敷料在创面愈合中的作用及其机制研究进展

Abstract

The skin is the first barrier to maintain the stability of internal environment of the body and resist harmful factors of external environment, and is easily damaged because of various external factors.When full-thickness skin defects reach a certain level, it is difficult for the skin to repair itself, so wound dressings are needed to promote wound healing.Seeking an ideal dressing that can promote wound healing has long been a hot research topic.Chitosan is a unique biopolysaccharide polymer with good biocompatibility, biodegradability, antibacterial activity, and thermal stability, which has great potential in the development and application of wound dressings.Based on the introduction of properties of chitosan, this article reviews the role and mechanism of chitosan-based wound dressings in wound healing, and summarizes the hemostatic effect, antibacterial effect, delivery effect, and tissue regeneration promotion effect of chitosan, aiming to provide a certain reference for the research and development of new chitosan-based wound dressings in the future.

难愈合创面给患者和医疗保健系统带来了沉重的经济负担^[1]。在这样的大背景下, 各种能覆盖创面表面、保护创面和促进创面愈合的敷料应运而生。众所周知, 创面敷料良好的保水性可通过促进KC迁移, 加速创面床愈合。理想的创面敷料不仅要具备良好的生物相容性、可保护和维持创面床的水化, 还要有利于创面与外界环境的物质交换^[2]。同时, 抗感染也是创面成功愈合的关键。壳聚糖是纯天然的聚阳离子多糖, 是一种无毒、生物相容性好、可降解的聚合物^[3]。其不仅具有良好的抗菌、止血和镇痛等作用, 重要的是能促进结缔组织再生、加速组织的肉芽化, 并可使多形核白细胞等炎症细胞聚集到创面部位, 促进组织的修复和创面的愈合^[4]。因此, 研究人员利用壳聚糖优异的生物学特性及物理化学性质, 在创面敷料的应用领域有了一定的突破。近年来, 大多数壳聚糖基创面敷料的研究都集中在抗菌活性、生物相容性和药物输送等方面。有关壳聚糖基创面敷料在创面愈合过程中作用及其机制的系统性研究却鲜见。本文在介绍壳聚糖性质的基础上, 总结了壳聚糖基创面敷料在创面愈合中的作用与机制, 为未来不同性能壳聚糖基创面敷料的研发提供一定的参考。

1. 壳聚糖的止血作用

创面敷料的止血作用与机制一直是研究的热点。不同创面敷料的止血作用和机制各不相同, 如提供外来凝血物质、通过黏结力封堵创面或加速创面凝血等。相关研究表明, 壳聚糖具有独立于血小板或凝血因子启动创面止血的能力, 其能在与血液接触时直接激活血小板, 起到止血作用^[5]。其原因在于壳聚糖分子上的正电荷能吸附血小板并能使其活化而发挥凝血作用。另外, 有研究证明, 不同分子量和脱乙酰度的壳聚糖对红细胞的聚集和血小板的吸附作用存在差异^[6]。其中, 小分子量的壳聚糖更能充分地激活凝血系统, 发挥止血作用。小分子量的壳聚糖能在血液中发生自聚合作用, 形成立体网状结构, 这种结构能捕获红细胞并使其聚集, 从而达到快速有效止血的目的^[7]。另外, 壳聚糖还能活化机体的补体系统促凝, 使血凝块变得更加牢固, 其中壳聚糖分子链上大量的羟基和氨基起了关键作用。综上, 壳聚糖的止血机制可简单概括为对血小板的刺激作用、对红细胞的聚集作用、激活补体系统、对血液中其他成分的作用。虽然壳聚糖有一定的止血特性, 但是单一的壳聚糖材料止血性能却有限。因此, 为提高壳聚糖的止血性能, 有学者将其与其他止血性医用材料及制备技术相结合制备了各种壳聚糖基止血敷料, 如壳聚糖基复合止血膜、壳聚糖基复合止血海绵、壳聚糖基复合止血水凝胶、壳聚糖基复合止血颗粒以及其他壳聚糖基复合止血材料等, 它们可以协同作用, 实现快速有效的止血作用^[8]。如Souza等^[9]开发出了一种新型壳聚糖基复合敷料, 该敷料可加速血液凝固、血小板黏附、凝血酶生成。有趣的是, 该新型壳聚糖复合敷料和壳聚糖纳米纤维相比能吸收更多的血液。

2. 壳聚糖的抗菌作用

创面感染被认为是一系列动态的病理生理过程, 包括微生物定植、生物膜形成和侵袭性感染^[10]。壳聚糖在抗菌方面有一定的作用, 其抗菌性与自身的正电荷和分子量有关。相关研究表明, 壳聚糖分子量大小对其抗菌效果影响显著。有研究证明, 平均分子质量在5 000~10 000范围内的低分子量壳聚糖对微生物有一定的抑制作用, 且这种抑制效果随着质量浓度的增加而增强^[11]。比如, 有相关实验证实了小分子量的壳聚糖对细菌、霉菌及酵母菌均有明显的抑制作用^[12]。原因在于低分子量的壳聚糖能和带负电荷的脂质及细菌细胞壁的相关蛋白质发生作用, 进而扩散到细胞膜中导致细胞膜的通透性改变和破坏^[13]。有趣的是, 壳聚糖还可与致病菌表面的鞭毛和套膜发生吸附作用, 抑制致病菌繁殖, 尤其对革兰阳性菌的作用最为明显。有学者研究显示, 壳聚糖对不同致病菌的抑制效果也取决于其分子量的大小, 其中壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑制作用随分子量的减小而减弱, 然而, 壳聚糖对大肠杆菌的抑制作用却随分子量的减小而增强^[14]。一方面, 小分子量的壳聚糖易穿过细胞膜, 与病菌细胞内物质结合, 扰乱病菌的正常生理功能, 使其生长和繁殖受到抑制进而死亡。另一方面, 小分子量的壳聚糖成膜性强, 能较好地起到隔离病菌与外界物质交换的作用^[15]。相反, 随着分子量的增加, 壳聚糖分子链的卷曲和缠结程度增大, 使相关有效基团被包埋在其中, 对菌体的吸附和杀伤能力降低。因此, 通过合理选择壳聚糖及其降解产物分子量的大小可实现对不同微生物的不同程度抑制。这也成为壳聚糖基创面敷料抗菌性能改进的关键。近年来, 基于壳聚糖天然抗菌的特性, 研究人员利用其分子官能团制备了各种抗菌型壳聚糖衍生物。另外, 研究人员通过与抗菌聚合物聚合和负载纳米粒子等多种改性方法, 也显著提高了壳聚糖基创面敷料的抗菌性能。如通过化学接枝制备的季铵化壳聚糖光交联电纺垫可有效抑制革兰阳性菌和革兰阴性菌的生长。Zhou等^[16]通过新型膜液界面培养法将Ⅰ型胶原蛋白与抗菌剂羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖复合, 设计出了具有三维网络结构的细菌纤维素多功能敷料。研究显示, 该多功能敷料不仅对金黄色葡萄球菌有优异的抗菌性, 还表现出了能较好吸附和促进血管内皮细胞和Fb迁移的能力。另外, 有研究者对壳聚糖溶液行伽马射线辐射处理, 获得了呈圆盘状的壳聚糖纳米粒子, 然后将其包裹在细菌纤维素膜中, 从而成功制备了新型复合材料, 该新型复合材料对慢性创面中的菌株有明显的生长抑制作用, 显示出了良好的抗菌特性。这些壳聚糖基纳米复合材料的优异抗菌性能, 为创面治疗提供了有力保障^[17]。

3. 壳聚糖的递送作用

创面愈合是一个持续的过程, 一种能持续释放生长因子和药物的创面敷料对其至关重要。壳聚糖纳米粒子与细胞表面的蛋白多糖非特异性静电结合, 以及壳聚糖的配体与细胞膜表面的受体之间的相互作用, 能显著提高壳聚糖递药系统的细胞摄取及跨膜转运能力^[18]。此外, 由于分子链上存在羟基和氨基这2种活泼反应基团, 因此壳聚糖能通过羧酸化和酰胺化反应引入亲水性和亲油性基团, 这种两亲性壳聚糖衍生物纳米载药体系已被广泛应用于药物递送系统并取得了良好效果^[19]。同时, 壳聚糖纳米粒子经过表面修饰, 可减缓蛋白质类药物的体内降解速度, 提高药物的利用度和精准释放能力^[20]。相关研究显示, 壳聚糖基支架具有负载生长因子并且持续释放这些生长因子的能力^[21]。更为重要的是, 壳聚糖基支架可以长时间保持生长因子的生物活性, 进而充分发挥促进创面愈合的作用。其原因不仅在于壳聚糖本身具有吸附相关生长因子和药物的能力；还在于一些制备技术如静电纺丝技术可制备具有均匀排序的纳米纤维壳聚糖基支架, 使其具有良好的药物缓释作用。如Feng等^[22]通过静电纺丝技术成功制备了聚酰胺/壳聚糖/原硅酸四乙酯复合纳米纤维, 该复合纤维具有良好的释放生长因子和氧氟沙星的作用。载药方面, 有学者在载有阿霉素的锌掺杂硅质框架上涂布铂纳米粒子, 然后嵌入壳聚糖聚合物复合层, 成功制造了一个多功能药物递送平台^[23]。这些表面经过修饰的铂纳米粒子由于尺寸超小, 因此可以较好地穿过组织作用于靶向位置, 进而发挥一定的药物递送作用。然而, 目前关于壳聚糖纳米粒子的生物学效应的临床研究较少, 还需深入探讨, 但随着研究的日益深入, 壳聚糖药物递送系统在创面敷料应用方面的前景将更为广阔。

4. 壳聚糖的促组织再生作用

创面愈合过程是复杂而连续的, 分为止血、炎症、增殖和重塑4个阶段^[24]。迄今为止, 许多聚合物材料已被用于促进皮肤组织再生, 其中壳聚糖在促进皮肤软组织再生方面的作用最为显著。众所周知, 结缔组织和软骨的结构单元是蛋白多糖, 而壳聚糖经酸水解后产生的氨基葡萄糖和单糖能形成结缔组织和软骨的蛋白多糖结构单元, 可实现修复组织的作用^[25]。另外, 壳聚糖可通过加速炎症细胞的转移对创面起到清洁作用；同时加速Ⅲ型胶原蛋白的分泌并促进肉芽组织和上皮组织形成, 从而对创面起到促愈合作用。在创面愈合过程中, Fb在增强创口收缩和ECM的重组方面起着重要作用。如有研究表明, 壳聚糖可通过与血液中的相关物质, 如肝素或血小板衍生生长因子结合刺激小鼠Fb的增殖, 进而实现小鼠创面的收缩和愈合^[26]。其中壳聚糖的分子量大小在创面修复中起到了关键作用。Chen等^[27]的实验研究表明, 壳聚糖的分子量越小, 其促进人Fb增殖的能力则越强。总体上, 小分子量的壳聚糖容易被细胞吸收, 而大分子量的壳聚糖被降解和吸收效率较低, 这导致不同分子量的壳聚糖在创面愈合中的作用存在差异。然而, Fb对创面的反应仅仅是创面愈合过程的一个方面, 要达到创面愈合的完整性修复, 巨噬细胞的参与不可或缺。众所周知, 激活的巨噬细胞能清除创面异物, 并释放相关生长调控因子, 从而调节ECM的形成^[28]。细胞学方面, 有学者观察到壳聚糖能通过与巨噬细胞表面的甘露糖受体结合, 从而提高巨噬细胞的迁移活性^[29]。组织学方面, 研究者们通过各种组织学测试证实, 壳聚糖基生物纳米复合材料可通过增加动物皮肤真皮层的形成和胶原蛋白的沉积来促进创面愈合^[30]。另外, 载入生长因子的壳聚糖支架也可以有效促进皮肤组织的再生。如有研究通过交联乳液法制备了载有TGF-β₃的壳聚糖微球, 用于传递TGF-β₃, 其具有显著促进组织再生的作用^[31]。这些研究表明壳聚糖基创面敷料在促进创面愈合方面具有巨大潜力。

5. 壳聚糖的消炎镇痛作用

减轻炎症反应和缓解疼痛是创面治疗的首要任务。体外研究表明, 壳聚糖能通过降低损伤部位炎症介质（缓激肽）的浓度, 吸收炎症部位释放的离子来缓解疼痛^[32]。壳聚糖潜在的缓解疼痛能力, 使壳聚糖基创面敷料可应用于开放性创面的镇痛治疗。在创面修复的早期, 促炎性细胞因子的诱导和相关炎症细胞的积累对创面愈合必不可少^[33]。炎症与创面愈合之间存在着细微的平衡关系, 炎症反应的强或弱都会影响创面愈合。有研究显示, 壳聚糖能通过微弱上调IL-6、TNF-α和IL-8的表达, 从而形成良好的早期创面愈合环境^[34]。另外, 壳聚糖可通过抑制环氧合酶和前列腺素E2的蛋白表达来减弱TNF-α和IL-1β的作用, 进而发挥抗炎作用^[35]。其中有趣的是, IL-10是重要的抗炎细胞因子之一, 可通过将壳聚糖与小鼠Fb共培养从而加速Fb分泌IL-10, 进而抑制促炎性细胞因子TNF-α和IL-6的早期释放, 减少炎症细胞的浸润^[36]。同时, 高水平的IL-10还能减少基质沉积并减轻小鼠创面愈合后瘢痕的形成^[37]。壳聚糖潜在的消炎镇痛特性, 使壳聚糖基创面敷料在创面治疗中起到了减轻患者痛苦的作用。除壳聚糖本身所具备的消炎镇痛作用外, 掺入相关的植物药也可明显提高壳聚糖基创面敷料的消炎镇痛性能^[38]。

6. 壳聚糖的其他作用

除上文所述的作用之外, 壳聚糖基创面敷料在创面愈合的不同阶段也具有不同的作用。如炎症阶段, 壳聚糖可调节相关炎症因子的释放, 为创面愈合提供有利的微环境。在增殖过程中, 壳聚糖为组织生长提供了非蛋白质基质支持^[39]。壳聚糖还能通过解聚释放相关氨基葡萄糖, 刺激Fb增殖、迁移和相关的胶原沉积, 促进创面的愈合和防止在重塑过程中形成瘢痕^[40]。此外, 氧化应激常常会导致创面愈合困难, 壳聚糖及其衍生物还被证实是极好的抗氧化剂^[41]。有研究者制备了一种小分子量的水溶性壳聚糖, 其在亚油酸模型体系中表现出了较高的还原性^[38]。通过相关化学交联制备的壳聚糖基创面敷料还具有优异的机械性能, 特别是在关节处创面中应用效果更佳。有学者开发了一种自愈型抗菌性水凝胶, 通过席夫碱反应将季铵化壳聚糖与端苯甲醛修饰的PluronicF127交联, 使该水凝胶敷料在具备优异的抗菌性的同时, 还具备良好的拉伸性^[42]。此外, 壳聚糖及其衍生物具有免疫调节作用, 能提高机体免疫力。如研究显示, 添加一定量的壳聚糖可提高肉牛血清中IgA和IgM的水平, 影响肉牛的体液和细胞免疫反应^[43]。

7. 小结与展望

壳聚糖作为一种具有良好生物相容性、生物降解性和消炎抗菌等生物特性的天然多糖^[44], 一直以来都是研究热点。通过化学改性、物理加工以及酶促反应等, 可使壳聚糖生成具有不同性能的衍生物。其中, 壳聚糖分子量大小与止血、抗菌、修复再生等性能存在显著关系, 相信通过调控壳聚糖分子量的大小, 可制备具有不同生物学性能的壳聚糖基创面敷料。另外, 生物活性材料、药物、生长因子以及相关制备技术的修饰赋予了壳聚糖基创面敷料巨大的应用潜力。如通过静电纺丝技术制备的均匀的聚乙丙交酯/壳聚糖纤维支架具有显著的缓释作用。而季铵盐等修饰的壳聚糖具有显著的抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的作用, 可提高创面敷料的抗感染能力。胶原蛋白类生物活性物质具有显著的亲水性, 与壳聚糖结合可有效提高其生物相容性和保水性。在技术方面, 如溶剂浇铸、新型膜液界面培养、盐浸法、旋涂法、静电纺丝、真空冷冻干燥和三维打印等技术, 为壳聚糖基创面敷料的制备提供了各种选择。同时, 这些技术通过调整仪器参数、材料混合比例和反应条件等可得到不同性质的目标产物。如调控壳聚糖生产过程中壳聚糖的浓度、生产温度和生产反应时间等均可影响壳聚糖的脱乙酰度, 从而影响壳聚糖的物理化学性质。利用多喷嘴、同轴及混纺的静电纺丝方式可实现各种壳聚糖基纤维膜敷料的制备。总之, 对壳聚糖基创面敷料在创面愈合中的作用及其机制的深入研究, 有望为未来新型创面敷料的研发与应用提供一定的参考。

Funding Statement

甘肃省科技计划国际合作专项(18YF1WA116);甘肃省省级引导科技创新发展竞争性项目专项资金(2018ZX-10);兰州市人才创新创业项目(2017-RC-31)

Gansu Provincial Science and Technology Plan International Cooperation Special Project (18YF1WA116); Gansu Provincial Special Fund for Guiding Scientific and Technological Innovation and Development Competitive Project (2018ZX-10); Lanzhou Talent Innovation and Entrepreneurship Project (2017-RC-31)