壳聚糖基高分子材料在植入材料、药物缓释等生物医用领域的应用分析与展望 Vina 2015-01-08

内容概要 生物医用材料，也称生物材料，是一类具有特殊性能，应用于疾病的诊断、治疗、康复和预防，以及替换生物体组织、器官，增进或恢复其功能的材料。其中，生物医用高分子材料受到医学领域普遍关注，已成为用途最广、用量最大的医用生物材料之一。壳聚糖（CS）是天然产量丰富的氨基多糖，具有许多有趣的物理化学和生物化学性质。因为具有很好的生物相容性、生物降解性、生物活性、与金属离子络合能力和特殊的跨细胞膜能力，壳聚糖被广泛应用于生物材料。利用壳聚糖制备生物医用材料引起了科学家的广泛兴趣。本报告主要就壳聚糖的特性、应用现状和前景作简要介绍。

三个问题 壳聚糖是什么？有什么特点？ 壳聚糖作为医用材料有哪些优点？ 壳聚糖基生物医用高分子材料已经在哪些领域得到了应用？还有望在哪些领域应用？

壳聚糖研究年表 1811 年由法国科学家Braconot发现甲壳素 1859 年法国人Rouget用浓KOH 处理甲壳素得到壳聚糖 1934 年在美国首次出现了关于制备壳聚糖、壳聚糖膜、壳聚糖纤维的专利 1941 年在美国首次制备出壳聚糖人造皮肤和手术缝合线

壳聚糖 地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素。其次就是甲壳素（chitin）。人们主要是从虾、蟹壳和真菌细胞壁中来提取甲壳素，其操作简单，成本比较低廉。据估计自然界每年生物合成的甲壳素将近100 亿吨，而全世界每年水产加工后的甲壳质废弃物约为140 万吨。 甲壳素是N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1,4 糖苷键形式连接而成的氨基碱性多糖。甲壳素糖基上的乙酰基可用强碱水解或酶解脱去一部分，由此得到的多糖叫壳聚糖（chitosan），也叫脱乙酰甲壳素。

壳聚糖的特性 （1）壳聚糖分子中的活性侧基α-NH2，可酸化成盐类，导入羧基官能团，取代合成侧链铵盐、混合醚、聚氧乙烯醚等等，制备具有水溶性、醇溶性、有机溶剂溶解性、表面活性以及纤维性等各种衍生物； （2）壳聚糖分子中-OH 和-NH2 具有配位螯合功能； （3）壳聚糖分子中-OH 和-NH2 均可与交联剂进行交联接枝改性成网状聚合物； （4）壳聚糖分子中-NH2 先与过渡金属离子形成配合物，再与交联剂进行交联，具有“模板剂”的记忆力和选择吸附性能； （5）壳聚糖在适当条件下进行酰基化，可制备具有低碳数亲水性衍生物和高碳数疏水性衍生物; （6）壳聚糖显示无遗传毒性和急性毒性作用、相对无细胞毒性，不溶血，不致过敏、具有良好的生物相容性和及生物可降解性.

壳聚糖作为生物医用材料的优势 良好的生物相容性 壳聚糖兼有胶原质和纤维素两者的生物功能，与人体的组织器官及细胞有良好的生物相容性。 良好的生物可降解性 壳聚糖在水介质中降解比较慢，壳聚糖在生物体内通过溶菌酶（lysozyme）、水解酶的作用降解成低分子壳寡糖和葡萄糖胺，可以被人体完全吸收。 抗凝血作用和促进伤口愈合作用 壳聚糖通过表面的正电荷与红细胞表面带负电的神经氨酸残基的相互作用，介导红细胞聚集，从而可以实现其止血的作用。壳聚糖衍生物的抗凝作用主要与硫酸基和羧酸基有关。改性壳聚糖主要通过与血浆抗凝血酶-Ⅲ作用加速凝血酶的失活，进而抑制凝血过程。

抑菌、抗菌作用 甲壳素和壳聚糖对于一般人体表皮存在的皮肤细菌（如表皮葡萄球菌）、肠道细菌（如大肠杆菌）和人体真菌（如热带白色念珠菌）等具有显著的抑制作用。其抑菌效果受到诸如相对分子量、脱乙酰度、溶液的pH 值等因素的影响。 抗癌活性 壳聚糖有直接抑制肿瘤细胞生长的作用。壳聚糖在体外显示凝聚白血病肿瘤细胞，生成紧密的凝块抑制细胞生长，将甲壳素/壳聚糖及其衍生物与其他一些抗癌药物混合使用可以提高药物的药理活性。 其他生理作用 抗心肌缺血和抗心律失常，降血压，降血脂，内服有一定减肥作用，外用可作为保湿剂。

壳聚糖在医用材料领域应用现状医药用膜和敷料 壳聚糖无纺布、壳聚糖流涎膜、壳聚糖涂层纱布等多种医用敷料已商品化用于临床。其中用壳聚糖醋酸溶液制成的壳聚糖无纺布，透气性透水性极佳，可用于大面积烧、烫伤，效果良好。壳聚糖还可以用作人造皮肤和医用可吸收性缝合线。

壳聚糖在医用材料领域应用现状 硬组织修复材料 壳聚糖与HA（羟基磷酸钙 hydroxyapatite） 有很强的交互作用，壳聚糖对磷酸钙（认为是骨质生长的初始生成物）的结晶增长有显著的影响。用壳聚糖和羟基磷酸钙的混合物作骨质代用品，具有良好的生物相容性和生物机械性能。用溶胶-凝胶法制备的HA/壳聚糖-明胶网络复合材料，其弯曲强度可达到密质骨弯曲强度的下限，断裂强度接近人体密质骨。用壳聚糖-磷酸钙-藻蛋白酸钠可以制备非衰减型快速固化粘接材料。多孔性的壳聚糖/HA 复合修复材料负载抗生素可以控制药物缓慢释放，防止骨髓炎的发生。

壳聚糖在医用材料领域应用现状 血液接触材料 壳聚糖本身具有凝血作用，但对壳聚糖进行适当改性后，其凝血作用会转变为抗凝血作用。壳聚糖分子C2 位上的-NH2，C3、C6 位上的-OH 均具有较强的反应活性，在适当条件下可进行多种化学改性，如酰基化、磺化、羧甲基化以及羟乙基化等。壳聚糖的磺化物、硫酸酯化物、胆碱化衍生物都有比较强的抗凝血性。壳聚糖－聚乙烯醇－非离子清洁剂制成的涂膜改性人造血管内壁能明显改善血液的凝结。

壳聚糖在医用材料领域应用现状 药物缓释材料 甲壳素和壳聚糖作为缓释剂可使药物的释放受到控制，血药浓度平稳，保持在有效浓度范围内，延长有效时间而不出现毒性。这是由于壳聚糖颗粒可以逐渐膨胀，特别在酸性溶液中（pH= l-2）可以漂浮形成凝胶，壳聚糖制成的缓释剂在胃肠内可以延长滞留时间，提高药物的生物利用度。 此外，壳聚糖与聚乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）、壳聚糖与聚氧化乙烯（PEO）、壳聚糖与（PEO-PPO-PEO）嵌段共聚物、海藻酸钠、聚丙烯酸的复合物均具有药物缓释性能。

壳聚糖在医用材料领域应用现状 口服药用及保健功能 壳聚糖具粘滞性，可延缓胃的排空，减少脂肪的吸收。壳聚糖还能改善组织的能量代谢，促进脂肪酸的氧化分解而发挥其保肝护肝、减轻脂肪病变的作用。壳聚糖还具有良好的吸附作用和整合能力，口服壳聚糖可吸收胆固醇和胆汁酸，然后排出体外，阻止胆固醇进入肠粘膜细胞，起到降解胆固醇的作用。

壳聚糖在医用材料 领域应用展望 水凝胶 支架材料 植入材料 角膜接触镜 眼科修复材料

延伸阅读：壳聚糖基组织工程角膜载体支架 羟基化壳聚糖-明胶-硫酸软骨素（胶原、透明质酸）等制成共混膜作为角膜内皮细胞载体。经组织工程化后植入，基片逐渐降解，角膜上皮的机械性损伤得以修复。这种共混膜组织相容性良好，有合适的透光性，透气性和营养物质渗透能力。 人工角膜 玻璃，羟基磷灰石 ， 生物玻璃陶瓷  无机材料 硅凝胶 ，聚甲基丙烯酸甲酯 ，氟碳多聚体  有机材料 羊膜，动物胶原和壳聚糖，黏多糖 生物材料

延伸阅读：壳聚糖基水凝胶 传统静脉药物注射时，药物进入人体血液循环系统后，需要经过心脏、肺、动脉等途径达到病灶，这一过程造成药物流失，给药效率较低。同时，高浓度注射药物时，药物的副作用不可忽视。此外，频繁给药也给病人增加了身体和经济上的负担。清华大学危岩课题组将自愈性水凝胶作为药物载体，注射到病灶部位，注射过程中破碎的水凝胶迅速实现自修复，将药物“固定”在预期部位，再缓慢释放，达到治疗目的，期望解决传统静脉给药方法上的不足。

延伸阅读：壳聚糖基软骨支架 壳聚糖兼有胶原质和纤维素两者的生物功能，与人体的组织器官及细胞有良好的生物相容性，几乎无免疫原性。实验结果观察没有炎症反应，组织学评价有嗜中性细胞聚集在支架材料周围聚集，随着植入时间增加逐渐消失，支架孔中发现胶原，说明连接组织沉淀在支架材料上，支架材料有非常低的细胞免疫反应。这些都说明壳聚糖支架具有很高的生物相容性，适合做支架材料和植入材料。Senkoylu 等用电纺丝法制备壳聚糖支架，并与新西兰白兔关节部位截取的软骨细胞培养，结果发现软骨细胞很容易与支架形成紧密结合。 Senkoylu A, Simsek A, Sahin FI, Menevse S, Ozogul C, Denkbas EB, et al. Journal of Bioactive and Compatible Polymers, 2001, 16(2): 136-144.

延伸阅读：国内部分对壳聚糖/甲壳素研究较深入的课题组 武汉大学 张俐娜院士 课题组纤维素 甲壳素 壳聚糖的低温溶解与成膜加工 曾获美国化学会安塞姆·佩恩奖，国家自然科学二等奖 浙江大学 蒋宏亮课题组 张其荣课题组 李友良课题组 南京大学 程镕时院士课题组 蒋锡群课题组 朱进课题组 贾叙东课题组 中科院长春应化所高分子材料重点实验室 陈学思课题组