智能型水凝膠用于皮膚燒傷治療的研究進(jìn)展

陳晶晶，馮高科，陳璽宇，陳 濤，蔣學(xué)俊

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430060)

皮膚是人體最大的器官，也是人體的首要防線。大部分情況下，皮膚損傷后的再生并不困難，通過一系列重疊過程，包括最初的免疫反應(yīng)、組織重塑、細(xì)胞增殖和成熟而再生[1]。但當(dāng)損傷廣泛并深入到真皮層或亞真皮層,如深Ⅱ度燒傷或Ⅲ度燒傷，會(huì)導(dǎo)致皮膚再生困難。傷口愈合緩慢、感染、疼痛以及增生性瘢痕是燒傷管理和研究的主要難題[2]。全球范圍內(nèi)，每年因嚴(yán)重?zé)齻枰委煹娜藬?shù)超過1 100萬，燒傷在人體最常見的外傷損傷中位居第4位[3]。局部和全層燒傷治療的金標(biāo)準(zhǔn)是早期切除壞死組織，然后進(jìn)行自體皮膚移植，這需要從患者未受傷的供體部位向傷口部位移植健康皮膚，但供體皮膚是有限的，且供體部位愈合緩慢，并伴有瘢痕和色素沉著。雖然自體移植物可被切割成網(wǎng)狀以增加移植物的可用表面積，但修整過程損害了原始移植物的質(zhì)量，且受體區(qū)域以不規(guī)則的網(wǎng)狀圖案愈合，影響了皮膚美觀，并可導(dǎo)致嚴(yán)重的瘢痕。智能型水凝膠因其良好的生物相容性和環(huán)境響應(yīng)性在燒傷治療領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注和研究?，F(xiàn)就多糖類衍生物、聚乙二醇類嵌段共聚物及兩性離子聚合物等智能型水凝膠在皮膚燒傷治療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 水凝膠的定義及其性能

水凝膠是一種由親水性聚合物鏈交聯(lián)形成的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因生物相容性以及結(jié)構(gòu)上與原生細(xì)胞外基質(zhì)相似而被廣泛研究。研究證明，水凝膠作為生物相容性材料在治療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4-5]。水凝膠可吸收傷口滲出液，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖和角質(zhì)形成細(xì)胞遷移，這是創(chuàng)面完全上皮化的必要條件。此外，水凝膠的致密網(wǎng)孔(溶脹狀態(tài)大小為100 nm)能防止細(xì)菌到達(dá)傷口，同時(shí)能有效運(yùn)送生物活性分子(如抗菌劑和藥物等)到創(chuàng)面上。這種生物活性分子在凝膠過程中易被截留在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，在水凝膠吸收滲出物和膨脹時(shí)逐漸釋放到傷口上。水凝膠特有的、可調(diào)的力學(xué)性能也為適應(yīng)不同部位的創(chuàng)面提供了適宜的彈性和柔韌性[6]。

2 智能型水凝膠與燒傷

相對(duì)于傳統(tǒng)水凝膠，智能型水凝膠可以響應(yīng)特定的環(huán)境刺激，如溫度、pH值、光和電等，這種針對(duì)生理變量而發(fā)生變化的智能行為使其在燒傷治療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近幾年用于皮膚燒傷治療的智能型水凝膠有多糖類衍生物(殼聚糖、葡聚糖、普魯蘭多糖以及纖維素系列如甲基纖維素、細(xì)菌纖維素等)、聚乙二醇類嵌段共聚物以及兩性離子聚合物高分子材料等。

2.1多糖類衍生物-殼聚糖基水凝膠 殼聚糖是一種由氨基葡萄糖與乙酰氨基葡萄糖單體通過β-糖苷鍵連接的共多聚體，可增強(qiáng)細(xì)胞的免疫反應(yīng)，促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)。殼聚糖能誘導(dǎo)局部巨噬細(xì)胞增殖、活化，促進(jìn)肉芽組織形成，炎細(xì)胞遷移以及早期傷口愈合，并刺激細(xì)胞外基質(zhì)膠原纖維重塑[7]。殼聚糖基水凝膠具有良好的生物相容性、生物降解性、低毒性、無抗原性、抗微生物活性、凝血和止血作用以及獨(dú)特的物理特征(如親水性、功能性氨基酸基團(tuán)和一個(gè)陽(yáng)離子凈電荷)，使其成為智能化運(yùn)載某些活性物質(zhì)(如抗菌劑、生長(zhǎng)因子和干細(xì)胞等)的完美工具[7-9]。

Miguel等[10]制備的溫敏性殼聚糖-瓊脂糖水凝膠敷料為燒傷創(chuàng)面提供了一個(gè)理想的愈合環(huán)境，其促進(jìn)了創(chuàng)面真皮形成和再上皮化，保持創(chuàng)面濕潤(rùn)，傷口部位無細(xì)菌感染。提示溫敏性殼聚糖-瓊脂糖水凝膠敷料具有抗菌活性，可避免創(chuàng)面延遲愈合或不愈合。另有研究采用冷機(jī)械法制備了3種濃度的(25%，50%，75%)的蜂蜜-殼聚糖水凝膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，75%的蜂蜜-殼聚糖水凝膠具有最大的抗菌性能和促傷口愈合作用，其治療燙傷的效果最好，表現(xiàn)為表皮組織再生和新生毛細(xì)血管形成[11]。該研究表明，蜂蜜-殼聚糖基水凝膠在傷口愈合中起著積極的調(diào)節(jié)作用，75%的蜂蜜-殼聚糖水凝膠傷口敷料不僅為創(chuàng)面愈合提供了清潔濕潤(rùn)的環(huán)境，也有助于組織再生和恢復(fù)[11]。這種廉價(jià)、無毒、高效的天然蜂蜜-殼聚糖水凝膠緩釋系統(tǒng)更具臨床實(shí)用性。國(guó)內(nèi)也有研究者制備了殼聚糖-角蛋白/氧化銀納米復(fù)合水凝膠繃帶用于燙傷大鼠的治療，結(jié)果顯示，該復(fù)合材料具有良好的拉伸強(qiáng)度、抗菌活性、持續(xù)溶脹性以及生物降解性，可加速皮膚細(xì)胞結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，促進(jìn)創(chuàng)面愈合[12]。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，海洋肽-殼聚糖水凝膠也顯示出抗菌活性，可促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移，明顯縮短創(chuàng)面愈合時(shí)間，有助于燒傷愈合[13]。

2.2多糖類衍生物-葡聚糖水凝膠 葡聚糖是由數(shù)個(gè)葡萄糖分子經(jīng)葡聚糖蔗糖酶作用生成的同多糖，是細(xì)菌性多糖之一，又稱右旋糖酐。葡聚糖可增強(qiáng)皮膚自身的免疫保護(hù)功能，高效修護(hù)皮膚。血管生成和新生血管形成是深部燒傷創(chuàng)面愈合的決定因素。Sun等[14]研究證實(shí)，在小鼠Ⅲ度燙傷模型中植入脫細(xì)胞(即不加入額外的生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子或細(xì)胞)的葡聚糖水凝膠可促進(jìn)新生血管形成和皮膚再生。研究發(fā)現(xiàn)，葡聚糖水凝膠支架在燙傷初期能促進(jìn)早期炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，然后迅速降解，促進(jìn)血管生成細(xì)胞進(jìn)入傷口；治療第21天，用水凝膠處理的燒傷創(chuàng)面形成了一個(gè)具有毛囊和皮脂腺的成熟上皮結(jié)構(gòu)；經(jīng)過5周的治療，可見新生毛發(fā)生長(zhǎng)，表皮形態(tài)和厚度與正常小鼠皮膚相似[14]。隨后Shen等[15]研究了葡聚糖水凝膠對(duì)豬深度燒傷創(chuàng)面愈合的作用及機(jī)制，首先該水凝膠可促進(jìn)初始炎癥反應(yīng),持續(xù)刺激肉芽組織內(nèi)的新生血管；其次是有效的血管消退，促進(jìn)再生愈合過程。葡聚糖水凝膠可顯著提高創(chuàng)面愈合質(zhì)量，減少植皮事故，為臨床研究提供依據(jù)。

2.3多糖類衍生物-普魯蘭多糖 目前，皮膚替代物已被廣泛用于燒傷和慢性皮膚創(chuàng)傷的治療，但其還存在感染、免疫排斥、不能重建皮膚附屬器官以及成本高等問題[16]。普魯蘭多糖是一種相對(duì)廉價(jià)的微生物多糖，其在自然界中可被微生物降解利用，不污染環(huán)境，被譽(yù)為無公害塑料。普魯蘭多糖無毒、無免疫原性、無誘變，具有良好的抗氧化能力，因而被認(rèn)為是一種理想的復(fù)合皮膚替代物。明膠是一種不可逆轉(zhuǎn)的膠原蛋白水解形式，被廣泛用于水凝膠中。Nicholas等[17]采用溶劑澆鑄法和冷凍干燥法將普魯蘭多糖與明膠結(jié)合，制造了一種新型廉價(jià)的水凝膠——第一代普魯蘭-明膠水凝膠，再用體外培養(yǎng)的人成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞建立蜂窩狀雙層皮膚替代物，并在皮膚缺損的裸鼠模型中進(jìn)行體內(nèi)和體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，蜂窩狀普魯蘭-明膠水凝膠結(jié)合成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞所形成的這種雙層皮膚替代物，具備良好的力學(xué)性能和細(xì)胞活性以及增殖、分化能力，可促進(jìn)肌膚再生，加速燒傷和慢性傷口等高炎癥性傷口的愈合過程。

2.4多糖類衍生物-纖維素及其衍生物 纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，是世界上蘊(yùn)藏量最豐富的天然高分子化合物。纖維素及其衍生物的研究成果為高分子物理學(xué)及化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)立、發(fā)展以及豐富做出了重大貢獻(xiàn)。甲基纖維素(methylcellulose，MC)是一種水溶性纖維素衍生物，以往被用作黏合劑、保水劑、油漆以及食品增稠劑。通過調(diào)節(jié)分子量、取代度、濃度以及添加電解質(zhì)等可控制MC的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。MC在取代度為1.7～2.0時(shí)，通過疏水作用在水溶液溫度上升時(shí)引起可逆的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，這為制備溫度敏感型MC水凝膠提供了必要條件[18]。最近Kim等[19]使用一步法合成了含氧化銀納米顆粒的溫敏型MC水凝膠，分別用搖瓶法和燒傷創(chuàng)面實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其在大鼠燒傷模型中的抗菌活性和傷口愈合效果。結(jié)果顯示，含氧化銀納米顆粒的MC水凝膠具有良好的抗菌活性和燒傷創(chuàng)面愈合效果[19]。這種具有溫度響應(yīng)性的MC水凝膠作為一種可用于創(chuàng)傷再生的可注射水凝膠具有巨大的潛力。

相對(duì)于植物產(chǎn)生的天然纖維素，細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose，BC)具有較強(qiáng)的持水能力、較高的生物相容性、良好的生物可降解性、生物合成時(shí)的可調(diào)控性以及超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以上特性提示其在燒傷領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[20]。既往研究顯示了基于BC的傷口愈合材料的有效性，如采用BC-殼聚糖膜制作的傷口敷料較醫(yī)用Tegaderm透明敷料表現(xiàn)出顯著的上皮化速度和促皮膚再生作用[21]。有研究者從腐爛的蘋果中分離出醋酸菌A10，制備了細(xì)菌纖維素膜，其通過調(diào)節(jié)血管生成和結(jié)締組織形成加速燒傷創(chuàng)面的愈合過程[22]。隨著研究的深入，有研究者利用微波輻射合成了以BC和聚丙烯酰胺為材料的水凝膠微粒，并驗(yàn)證了其作為局部燒傷創(chuàng)面覆蓋材料的可行性。研究表明，該水凝膠微粒是非細(xì)胞毒性的，可促進(jìn)傷口愈合，無局部炎癥反應(yīng)跡象[23]。Mohamad等[24]利用電子束輻照合成了BC/丙烯酸水凝膠，并應(yīng)用于大鼠燒傷創(chuàng)面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BC/丙烯酸水凝膠通過促進(jìn)新生血管形成、再上皮化以及成纖維細(xì)胞增殖，加速創(chuàng)面愈合。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)在BC/丙烯酸水凝膠中加入了人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，該水凝膠具有良好的細(xì)胞附著性，保持了細(xì)胞的遷移能力，并允許細(xì)胞轉(zhuǎn)移[24]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加載細(xì)胞的BC/丙烯酸水凝膠加速了燒傷創(chuàng)面的愈合，提示其在燒傷敷料和細(xì)胞載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景[25-26]。

2.5聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)類嵌段共聚物 PEG水凝膠作為一種水溶性高分子,因具有良好的生物相容性、對(duì)水和離子的高滲透性以及可調(diào)的力學(xué)性能，在組織工程、藥物緩釋等方面顯示出廣泛的應(yīng)用潛能[27-29]。根據(jù)疏水性脂肪族多酯類的不同而分類的各種PEG類嵌段共聚物如聚乳酸羥基乙酸-PEG-聚乳酸羥基乙酸嵌段共聚物、PEG-聚三甲基碳酸酯嵌段共聚物、甲氧基聚乙二醇-聚己內(nèi)酯-聚乳酸三嵌段共聚物等均無毒或具有低毒性、可降解、生物相容性較好，如聚乳酸羥基乙酸-PEG-聚乳酸羥基乙酸嵌段共聚物可作為藥物載體承載多肽類及蛋白質(zhì)類藥物，使多肽類及蛋白類藥物更具穩(wěn)定性和溶解性[30]。

刃厚皮片移植(split thickness skin grafts，STSG)治療深度燒傷雖然可使創(chuàng)面愈合，但由于所用刃厚皮真皮結(jié)構(gòu)較薄，常造成植皮區(qū)域愈合后出現(xiàn)瘢痕和攣縮。Burmeister等[31]研究了聚乙二醇纖維蛋白水凝膠(polyethylene glycol fibrin hydrogel,FPEG)搭載脂肪干細(xì)胞(adipose-derived stem cells，ASCs)輔助治療深度燒傷網(wǎng)狀刃厚皮片移植術(shù)(mesh split thickness skin grafts，mSTSG)后瘢痕攣縮的可行性和安全性。該研究以深Ⅱ度燙傷豬為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，常規(guī)行清創(chuàng)術(shù)，術(shù)后4 d按創(chuàng)面處理術(shù)式將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物分為STSG組、mSTSG組、搭載脂肪干細(xì)胞(劑量遞增)的mSTSG+FPEG組，研究發(fā)現(xiàn)，搭載脂肪干細(xì)胞的mSTSG+FPEG組可促進(jìn)新生血管形成，且呈劑量依賴性，并最大限度地減少患者供皮數(shù)量，加速患者創(chuàng)面愈合，改善深度燙傷患者的預(yù)后。Konieczynska等[32]開發(fā)了一種可按需溶解的PEG基水凝膠敷料用于Ⅱ度燒傷的治療，其由樹枝狀大分子單體賴氨酸和PEG交聯(lián)聚合、以N-羥基琥珀酰亞胺封端而成，該敷料采用密封傷口設(shè)計(jì)，可防御細(xì)菌感染，并可按需溶解，防止更換敷料所致的二次創(chuàng)傷，為更有效地治療Ⅱ度燒傷提供了基礎(chǔ)。然而更深入的研究表明，相對(duì)于PEG或PEG聚合物，具有pH值敏感性的兩性離子聚合物具有更廣泛的應(yīng)用潛力[33]。

2.6兩性離子聚合物及其水凝膠 兩性離子聚合物是指大分子鏈上同時(shí)帶有陰、陽(yáng)離子基團(tuán)的聚合物。兩性離子聚合物具備眾多特性如反聚電解質(zhì)效應(yīng)、pH值敏感性、等電點(diǎn)現(xiàn)象、擠出效應(yīng)等。根據(jù)陰、陽(yáng)離子基團(tuán)所處的位置，兩性離子聚合物可以分為polyampholyte類和甜菜堿類，后者大致上可以分為羰基甜菜堿、磺基甜菜堿以及磷基甜菜堿3種，其中磺基甜菜堿具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、相等數(shù)目的季銨陽(yáng)離子和磺酸鹽陰離子，水化能力強(qiáng)不易受溶液pH值影響。Wu等[33]合成了硫酸化的兩性離子聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠用于小鼠創(chuàng)面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖，上調(diào)生長(zhǎng)因子分泌，激活巨噬細(xì)胞從M1到M2的極化。此外，在傷口愈合的過程中，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜堿水凝膠可減少親炎性因子(腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1β和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶)，從而促進(jìn)傷口創(chuàng)面愈合[33]。

3 結(jié) 語(yǔ)

一個(gè)理想的燒傷敷料應(yīng):①符合傷口的不規(guī)則形狀；②具有良好的彈性；③能吸收傷口滲出液，保持傷口濕潤(rùn)；④減少傷口換藥時(shí)的創(chuàng)傷；⑤具有良好的生物相容性；⑥具有屏障作用，保護(hù)傷口免受感染。各種智能型水凝膠因具有較好的環(huán)境響應(yīng)性、細(xì)胞黏附性、生物相容性、低毒環(huán)保等特點(diǎn)，在燒傷領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景，但目前智能型水凝膠的開發(fā)及應(yīng)用尚處于基礎(chǔ)階段，大多局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，仍需進(jìn)行不斷的探索和實(shí)踐，從而使智能型水凝膠能夠更廣泛地應(yīng)用于燒傷治療領(lǐng)域。