殼聚糖納米纖維制備在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
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[摘要]本文主要討論了殼聚糖納米纖維的制備及在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。殼聚糖納米纖維主要采用靜電紡絲的方法制備，為改善殼聚糖的可紡性將其與其他高分子進(jìn)行混合紡絲；殼聚糖納米纖維的應(yīng)用主要集中在醫(yī)用敷料、組織支架、仿生細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)等方面。通過(guò)對(duì)殼聚糖納米材料的制備及應(yīng)用的文獻(xiàn)綜述，對(duì)殼聚糖納米材料進(jìn)行了展望。
[關(guān)鍵詞]殼聚糖；納米纖維；醫(yī)用敷料；組織支架
殼聚糖是天然高分子材料甲殼素脫N-乙酰基的產(chǎn)物，其全稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖，外觀是一種白色或灰白色半透明的片狀或粉狀固體。殼聚糖因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，是天然多糖中唯一大量存在的堿性氨基多糖，因而具有一系列特殊功能性質(zhì)[1]。殼聚糖制成的人工皮膚與創(chuàng)面的貼合性、透氣性、透水性好，既具有抑制疼痛和止血的功能又可以抑制創(chuàng)面常見(jiàn)的金黃色葡萄糖球菌等細(xì)菌的生長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道，日本應(yīng)用人工皮膚已經(jīng)治療了幾百例燒傷患者。在制作人工皮膚的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，膜的透氣性和透水性都不如納米纖維，由此殼聚糖納米纖維的研究日益受到關(guān)注[2]。
1殼聚糖納米纖維的制備
靜電紡絲工藝是制備殼聚糖納米纖維最常用的一種方式，這種方式使將殼聚糖紡絲液在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，使殼聚糖分子突破液體表面張力的束縛，以紡絲細(xì)流的方式噴射出去，在接收器上形成納米纖維。純殼聚糖溶液比較難于靜電紡絲，這是由于殼聚糖分子上存在大量的氨基，氨基在酸性溶液中質(zhì)子化，從而使殼聚糖溶液變成了聚電解質(zhì)，在靜電紡絲過(guò)程中高電場(chǎng)的作用下，聚合物骨架內(nèi)離子基團(tuán)的排斥力增加，限制了連續(xù)纖維的形成，經(jīng)常產(chǎn)生珠狀顆粒物[3]。真正實(shí)現(xiàn)殼聚糖溶液電紡是以三氟乙酸作為溶劑，它與殼聚糖分子上的氨基作用形成銨鹽，有效的降低了殼聚糖分子間的相互作用，而三氟乙酸的高揮發(fā)性也使紡絲細(xì)流容易脫除溶劑，使其能迅速固化下來(lái)。這種紡絲方式中，殼聚糖濃度對(duì)紡絲的形態(tài)有重要影響，當(dāng)濃度超過(guò)8%時(shí)能形成直徑為390~610nm的纖維，而濃度低于7%時(shí)會(huì)明顯出現(xiàn)珠狀物，在紡絲液中加入二氯甲烷能明顯減少珠狀物的出現(xiàn)，提高纖維的均勻性，纖維的平均直徑為330nm[4]。由于殼聚糖水溶液的粘度高、分子間作用力大，難于紡絲，常與其他水溶性高分子，如聚氧乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等混合紡絲的方式制備納米殼聚糖纖維[5]。PVA混合紡絲做的比較多，PVA的特點(diǎn)是無(wú)毒、生物相容性好，成絲性能好且能與殼聚糖分子形成分子間氫鍵。通過(guò)這種混合紡絲制得的纖維直徑都比較細(xì)，一般在20~100nm之間。制得的CS/PVA納米纖維用NaOH溶液處理，去除PVA成分，可以得到多孔殼聚糖納米纖維，這種多孔纖維用戊二醛交聯(lián)，既能提高其在水中穩(wěn)定性，又能把生物酶固定在多孔殼聚糖納米纖維上，酶固定后的活性能保持49%以上[6]。PVA畢竟不是生物質(zhì)材料，與人體的相容性不如天然高分子。殼聚糖和蛋白質(zhì)的混合物的靜電紡絲，能與殼聚糖混合紡絲的蛋白質(zhì)具有很好的成絲性能，同時(shí)，能與殼聚糖分子相互作用，有效提高殼聚糖的成絲性能。膠原蛋白用六氟異丙醇(HFIP)為溶劑可以進(jìn)行靜電紡絲，膠原蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，纖維的平均直徑為460nm(直徑分布范圍為100~1200nm)，可以用作組織工程的功能性仿生細(xì)胞外基質(zhì)[7]。為了改進(jìn)這種細(xì)胞外基質(zhì)，Chen[8]等以HFIP/TFA為紡絲溶劑制備了殼聚糖/膠原蛋白靜電紡納米纖維。殼聚糖/膠原蛋白納米纖維膜中存在分子間的相互作用，分子間的相互作用使得殼聚糖和膠原蛋白可以很好地混合。
2殼聚糖納米纖維的應(yīng)用
2.1醫(yī)用敷料
近幾年，靜電紡絲制成殼聚糖納米纖維在作為敷料用于傷口愈合已展示出巨大的潛力。殼聚糖納米纖維材料本身具有的微小毛孔和高的比表面積使它可以抑制外來(lái)的微生物入侵并且能輔助控制傷口液體的流出。理想的醫(yī)用敷料應(yīng)當(dāng)具有透氣性、透濕性和保濕能力，抵御外界細(xì)菌的侵入，防止創(chuàng)口感染。此外，敷料要柔軟以便與皮膚粘合，并且生物相容性好能促進(jìn)新組織地再生。殼聚糖納米纖維作為性質(zhì)比較符合的一種材料，正在研究中[9]。此外，抗菌劑和藥物也可以容易在紡絲過(guò)程中被納入到材料中，使其能成為多功能納米纖維，這種材料以其良好的生物相容性、無(wú)毒親水而被廣泛應(yīng)用[10]。但是單組分的殼聚糖可紡性差，如已經(jīng)使用聚氧乙烯的醋酸水溶液對(duì)高脫乙酰度的殼聚糖進(jìn)行靜電紡絲，制得直徑在60~80nm的纖維。有研究表明，殼聚糖納米纖維敷料能夠通過(guò)刺激皮膚細(xì)胞的增殖來(lái)縮短皮膚傷口的愈合時(shí)間。
2.2支架
靜電紡殼聚糖納米纖維復(fù)合材料還可以被用作骨支架血管支架等，生物降解塑料聚乳酸和殼聚糖復(fù)合納米纖維材料就是其中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)。用同軸電紡技術(shù)將聚乳酸/殼聚糖制成納米纖維制作血管墊片支架，與純聚乳酸纖維網(wǎng)格血管支架相比聚乳酸-殼聚糖纖維機(jī)械強(qiáng)度較高[11]。對(duì)骨缺損模型兔分別采用空白植入、髂后上棘自體松質(zhì)骨移植、聚左旋乳酸/殼聚糖納米纖維多孔支架移植和復(fù)合了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的聚左旋乳酸/殼聚糖納米纖維多孔支架移植修復(fù)缺損部位。由于殼聚糖具有好的生物降解性、生物相容性并且無(wú)毒，這種材料在支架上得以應(yīng)用可以使其代謝在人體，也可用于外科縫合手術(shù)線等。另外，殼聚糖納米纖維還可以做骨組織工程支架材料，用于提供形成細(xì)胞附著骨的臨時(shí)襯底，從而增殖，形成新的組織。保持適當(dāng)?shù)募?xì)胞表型功能性骨形成，支架應(yīng)能引導(dǎo)成骨前體細(xì)胞的成骨分化通過(guò)適當(dāng)?shù)募?xì)胞材料的相互作用[12]。最近的研究結(jié)果表明納米纖維支架有利于骨成骨這表明，殼聚糖納米纖維支架與地形骨細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)部分擁有的天然ECM的生物學(xué)功能特點(diǎn)。利用納米纖維是歸因于組合的影響的空間排列的納米纖維及其形態(tài)相似的天然細(xì)胞外基質(zhì)纖維。
2.3仿生細(xì)胞外基質(zhì)
組織工程是一種將細(xì)胞生物學(xué)和材料學(xué)相結(jié)合形成的新興生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，目的是通過(guò)活細(xì)胞再生天然組織去代替缺損的組織或器官[13]。方法是在外源性細(xì)胞外基質(zhì)(ECMs)中種植細(xì)胞組成復(fù)合物，在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)擴(kuò)增，在體外形成新組織后植入患者體內(nèi)，與組織整合構(gòu)建新的組織。組織工程學(xué)通過(guò)將種子細(xì)胞種植于支架材料上，并在體外培養(yǎng)增殖，在形成新的組織后植入受損部位，從而達(dá)到修復(fù)和重建原人體組織結(jié)構(gòu)和功能的目的。理想的組織工程支架應(yīng)仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，并有良好的生物相容性和適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，作為一種再生治療,它不存在器官移植中存在的供體短缺和免疫處理等問(wèn)題,也不存在人造生物材料的生物相容性差的問(wèn)題。將殼聚糖明膠復(fù)合靜電紡納米纖維材料用來(lái)制作組織工程支架，這種復(fù)合纖維既生物相容性好，又機(jī)械強(qiáng)度高。在殼聚糖與不同種類材料進(jìn)行靜電紡絲制成納米纖維過(guò)程中，由于殼聚糖有較好的生物相容性，殼聚糖與材料有一定的相互作用，并且利用靜電紡絲技術(shù)形成納米纖維材料，組分使細(xì)胞的粘附和增殖速度加快，這種可能性對(duì)臨床醫(yī)學(xué)進(jìn)展有巨大作用。在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)發(fā)展方面有著更多的研究?jī)r(jià)值[14]。
3展望
綜上所述，納米科技作為當(dāng)代的一種經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，這種技術(shù)的成本、可推廣性、對(duì)人體有無(wú)傷害都將是人們關(guān)注的重點(diǎn)，因此殼聚糖作為一種來(lái)源豐富，生物相容性好又無(wú)毒的材料將會(huì)被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者所關(guān)注，而目前這種研究也正在深入中。殼聚糖獨(dú)特的性質(zhì)，當(dāng)它與其他納米材料復(fù)合形成殼聚糖納米復(fù)合材料或者器件時(shí)，是材料具有了抗菌性能，或是當(dāng)做藥物的載體亦或是人體內(nèi)血管或是骨骼的支架，這些材料能夠結(jié)合納米材料和殼聚糖各自的特性，而探索結(jié)合的復(fù)合材料的性能將是未來(lái)研究的方向之一。
作者:吳敬瑞 于亞蘭 趙薇 余祥艷 王瑩 楊帥 張大偉 單位:東北林業(yè)大學(xué)