殼聚糖納米纖維制備及在皮膚創(chuàng)面修復(fù)的應(yīng)用

崔聰晶 周 芳 李金強(qiáng) 陳韶娟 馬建偉

（1.青島大學(xué)，山東青島，266071；2.山東服裝職業(yè)學(xué)院，山東泰安，271000）

殼聚糖納米纖維是脫乙酰化后的甲殼素及其衍生物，經(jīng)靜電紡絲工藝制成的超細(xì)纖維，具有很好的生物相容性、生物降解性和抗菌性能［1］。與傳統(tǒng)的纖維生產(chǎn)方式相比，靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有更大的比表面積，其纖維結(jié)構(gòu)可以模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域［2］。

由于殼聚糖大分子較差的水溶性和較弱的力學(xué)性能，限制了殼聚糖纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［3］。因此，如何對(duì)殼聚糖大分子和殼聚糖納米纖維進(jìn)行改性一直是業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的殼聚糖大分子改性方法包括官能團(tuán)改性和交聯(lián)改性［4］。其中交聯(lián)改性可分為物理交聯(lián)改性和化學(xué)交聯(lián)改性。官能團(tuán)改性和化學(xué)交聯(lián)改性都是作用于殼聚糖分子中的羥基或氨基，其中官能團(tuán)改性主要是通過(guò)將親水基團(tuán)添加到殼聚糖的活性基團(tuán)上，從而得到水溶性較好的羧甲基殼聚糖、烷甲基殼聚糖和殼聚糖季銨鹽等殼聚糖衍生物；而殼聚糖的化學(xué)交聯(lián)主要是脫乙酰殼聚糖上的氨基和羥基發(fā)生反應(yīng)形成亞胺鍵或者酰胺鍵［5］，從而達(dá)到改善殼聚糖性能的目的。與以上兩種交聯(lián)方式不同的是，物理交聯(lián)是不借用任何交聯(lián)劑，主要依靠分子鏈之間氫鍵和范德華力或相互纏結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)［6］。

1 殼聚糖納米纖維制備

1.1 殼聚糖無(wú)規(guī)納米纖維

殼聚糖靜電紡纖維通常是以無(wú)序結(jié)構(gòu)形式用于醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域，但近幾年，核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維由于其具有獨(dú)立顯示核殼功能的作用廣受研究者青睞。例如使用乳液靜電紡制備聚己內(nèi)酯/殼聚糖（PCL/CS）納米纖維時(shí)［7］，可以通過(guò)調(diào)節(jié)乳液體系中CS和PCL的濃度得到不同核-殼比的PCL/CS纖維，且去除PCL殼后，可得到平均直徑為（143±49）nm的中空CS納米纖維墊。

但是隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，單一無(wú)規(guī)的殼聚糖納米纖維墊的理化性能已無(wú)法滿足組織工程領(lǐng)域的使用需求［8］。

1.2 殼聚糖取向納米纖維

研究表明，取向納米纖維可以精確控制細(xì)胞排列方向，且取向排列的納米纖維在構(gòu)建模仿天然血管和神經(jīng)等各向異性結(jié)構(gòu)的移植支架中發(fā)揮重要作用［9］。相比于無(wú)規(guī)納米纖維，通過(guò)增加接收鼓轉(zhuǎn)速，獲得的取向結(jié)構(gòu)PCL/CS納米纖維表現(xiàn)出更高的模量和拉伸強(qiáng)度（12.0±1.4）MPa。但由于射流具有不穩(wěn)定性，導(dǎo)致接收的纖維無(wú)論在取向度還是機(jī)械強(qiáng)度方面都具有較大的差異性。因此，近幾年，穩(wěn)定射流靜電紡絲（SJES）備受科研工作者的關(guān)注。

袁卉華等［10］通過(guò)引入超高分子量PEO調(diào)節(jié)紡絲液的黏彈性，從而消除了射流彎曲不穩(wěn)定，并且通過(guò)SJES技術(shù)制得了連續(xù)性的CS纖維。該種超細(xì)纖維與常規(guī)靜電紡絲法制備的CS纖維相比，具有較高的取向度。NIEN Y H等［11］通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了取向和無(wú)規(guī)的PCL/PEO/CS超細(xì)纖維，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，取向的PCL/PEO/CS纖維具有良好的細(xì)胞活性和誘導(dǎo)細(xì)胞定向排列的能力。此外，通過(guò)常規(guī)SJES技術(shù)獲得取向的CS納米纖維方式還包括改變接收裝置、添加輔助電場(chǎng)［12］、低介電常數(shù)溶劑［13］等。

2 殼聚糖的交聯(lián)改性

殼聚糖靜電紡纖維具有良好的生物相容性，但在酸性和高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能較差［14］，而交聯(lián)改性已成為克服生物材料局限性的最常用方法。

2.1 物理交聯(lián)

物理交聯(lián)主要是依靠分子鏈之間氫鍵、極性鍵、靜電作用等物理力實(shí)現(xiàn)的，由于其不添加任何交聯(lián)劑就能形成凝膠，因此受到諸多學(xué)者喜愛(ài)。YANG Y Y等［15］先通過(guò)氫鍵作用將CS整合到聚丙烯酰（PAM）中制成PAM-CS水凝膠，進(jìn)而使用浸泡法將水凝膠轉(zhuǎn)化成高機(jī)械混合的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，該水凝膠不僅表現(xiàn)出較高的抗張強(qiáng)度（1.94 MPa～2.21 MPa）和超高的韌性，還具有自修復(fù)和抗疲勞特性。LEONHARDT E E等［16］通過(guò)質(zhì)子交換和絡(luò)合作用實(shí)現(xiàn)了CS的重新組裝，制備了由β-環(huán)糊精衍生的超支化聚酯水凝膠，探究了其在復(fù)雜的多孔網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載和組裝CS的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與市售可吸收的止血敷料相比，負(fù)載CS的環(huán)糊精水凝膠可顯著降低失血量并縮短止血時(shí)間。

物理交聯(lián)CS纖維材料的生物相容性較高，但是其無(wú)法精確控制物理凝膠的孔徑、化學(xué)功能化以及降解或溶解性能，從而導(dǎo)致材料體內(nèi)與體外性能差別大［17］，因此，在CS靜電紡纖維改性中應(yīng)用較少。

2.2 化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)改性是一種利用聚合物鏈之間的共價(jià)鍵產(chǎn)生永久性水凝膠網(wǎng)絡(luò)的方法，也是最常用的CS改性方法。化學(xué)交聯(lián)常用的試劑有戊二醛、京尼平、多巴胺類等。

CHEN H N等［18］采用戊 二醛為 交聯(lián)劑制備了載有四環(huán)素鹽酸鹽（TH）的氧化藻酸鹽-羧甲基殼聚糖復(fù)合凝膠敷料。該種敷料壓縮模量可達(dá)到9.21 kPa，經(jīng)過(guò)14天的溶脹動(dòng)力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該種凝膠敷料具有更低的溶脹比（小于41.14），而且能夠使TH從敷料中持續(xù)釋放，進(jìn)一步增強(qiáng)該種敷料的抗菌性能。KIANFAR P等［19］結(jié)合靜電紡絲和光交聯(lián)技術(shù)制備的二苯甲酮光引發(fā)交聯(lián)的CS/PEO納米纖維氈，極大地改善了纖維氈的穩(wěn)定性和耐水性，且調(diào)節(jié)靜電紡絲溶液最佳的共混比（即CS/PEO為70/30），制備出的含有CS的抗水光交聯(lián)納米纖維墊在接觸水后仍能保持納米結(jié)構(gòu)形態(tài)。

化學(xué)交聯(lián)后的CS靜電紡纖維不僅力學(xué)性能得到了很大的提高，而且賦予了CS更多的功能性。但是由于交聯(lián)劑的毒性及其添加量的不可控性，容易導(dǎo)致交聯(lián)劑殘留，從而影響纖維成型及其應(yīng)用領(lǐng)域［20］。

2.3 離子交聯(lián)

與化學(xué)交聯(lián)的試劑相比，應(yīng)用于離子交聯(lián)的試劑如單寧酸（TA）、三聚磷酸鈉（TPP）、磷酸甘油（GP）和檸檬酸（CA）等，大多價(jià)格較為低廉，毒性較小，對(duì)于環(huán)境污染較?。?1］。

TA是一種天然多酚化合物，具有抗腫瘤、抗氧化劑和抗菌活性等生物學(xué)特性。LAN G Q等［22］采用TA為交聯(lián)劑制備了殼聚糖（CS）/明膠海綿（CG），該種海綿沒(méi)有明顯的細(xì)胞毒性，而且兔皮下移植6周后，幾乎完全降解，促進(jìn)新生血管和組織修復(fù)。HUANG J等［23］采用CS、N-（2-羥丙基）-3-三甲基銨殼聚糖氯化物和TA為原料，制備了一種層層組裝（LBL）聚電解質(zhì)膜。結(jié)果表明，多層CS/TA的抗張強(qiáng)度約為8.82 MPa，比沒(méi)有LBL結(jié)構(gòu)的纖維膜抗張強(qiáng)度提高4.40 MPa，且親水性得到了一定的改善。

在用于離子交聯(lián)的試劑中，TPP由于具有毒性低且價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，受到諸多研究者的喜愛(ài)。OUYANG Q Q等［24］以TPP為 交 聯(lián) 劑 制 備的CS和羅非魚(yú)膠原肽復(fù)合止血海綿，不僅能夠促進(jìn)血小板黏附、加速血液凝固，而且還能促進(jìn)纖維蛋白原向纖維蛋白的轉(zhuǎn)變。RAO F等［25］采用TPP為交聯(lián)劑制備了定向排列的CS納米纖維水凝膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該纖維水凝膠能夠調(diào)節(jié)雪旺細(xì)胞的定向生長(zhǎng)，并且發(fā)現(xiàn)其彈性模量接近神經(jīng)組織的彈性模量，滿足神經(jīng)組織修復(fù)的基本力學(xué)條件。

3 改性CS納米纖維的應(yīng)用

3.1 抗菌纖維

細(xì)菌感染是皮膚創(chuàng)面中最常見(jiàn)的疾病之一，嚴(yán)重影響人類生活質(zhì)量，威脅人類健康。研究發(fā)現(xiàn)CS本身具有潛在的抗菌性能，是抗菌纖維的理想材料之一［26］。CS納米纖維的抗菌機(jī)制尚未探索完全，但其主要抗菌機(jī)制為殼聚糖中的氨基、分子構(gòu)象、小殼聚糖低聚物的釋放，以及在細(xì)菌周圍形成的殼聚糖層［27］?？紤]到殼聚糖有限的抗菌性能，常將其與抗菌物質(zhì)進(jìn)行共同使用。

RIEGER K A等［28］制備了包載肉桂醛（CA）的CS靜電紡納米纖維膜。該種CS納米纖維的直徑約50 nm，對(duì)大腸桿菌的抑菌率接近100%，對(duì)銅綠假單胞菌的抑菌率約為81%。DAI F F等［29］通過(guò)電噴技術(shù)將CS-TiO2微粒層層固定在聚乳酸（PLA）靜電紡纖維墊上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiO2含量為1.5%時(shí)，PLA/CS-TiO2纖維的抗菌效果最高，約95%，且第5天時(shí)的細(xì)胞活力高達(dá)95%。

3.2 止血敷料

止血治療是創(chuàng)面愈合的重要階段之一。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加速血紅細(xì)胞聚集，CS止血試劑可在較短的時(shí)間內(nèi)抑制出血，減少外科手術(shù)中的失血量［30］。

GAO Z F等［31］通過(guò)靜電紡絲制備了一種具備抗菌止血功能的皮膚創(chuàng)面敷料。該種敷料是PCL/季銨化硅（PQS）作為外層，聚乙烯醇/膠原/季銨化殼聚糖（PCQC）作為內(nèi)層的雙層納米纖維膜（PQCQS）。既利用了季銨化硅的抗菌性能，抑制瘢痕形成，又利用了PCQC良好的生物相容性和止血作用，進(jìn)而促進(jìn)創(chuàng)面愈合。通過(guò)對(duì)兔血的體外溶血和凝血測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相較于納米纖維膜創(chuàng)面敷料溶血率（小于5%），PQCQS的溶血率最低，為（2.115±0.597）%；PQCQS納米 纖 維 膜［凝血指數(shù)（35.97±15.35）%］的凝血能力明顯優(yōu)于其他對(duì)照樣［凝血指數(shù)≥（84.69±2.51）%］；凝血指數(shù)越高，凝血能力越差。SASMAL P等［32］以PVA和CS為原材料，通過(guò)靜電紡技術(shù)制備了含有抗纖溶劑氨甲環(huán)酸的抗菌止血貼劑。與對(duì)照組的凝血時(shí)間（約253 s）相比，該種止血貼的血液凝結(jié)時(shí)間更短（小于210 s），且具有良好的血液相容性和抗生物膜形成的特性。

3.3 促血管化

深度燒傷等慢性潰瘍創(chuàng)面愈合過(guò)程中，慢性炎癥和血管生成不足，導(dǎo)致愈合困難、癜痕組織增生，給患者帶來(lái)巨大的心理負(fù)擔(dān)。研發(fā)具有抗炎和促進(jìn)血管生成的纖維材料，有望加速傷口愈合和 組 織 再 生。GNIESMER S等［33］通 過(guò) 比 較Biomerix公司一種商用的多孔聚氨酯基支架與殼聚糖移植聚己內(nèi)酯涂層靜電紡PCL（CS-g-PCL）纖維墊在體內(nèi)的效果，發(fā)現(xiàn)與多孔聚合物補(bǔ)片和未涂覆PCL纖維墊相比，CS-g-PCL纖維墊在第14天血管化顯著增加。此外，CS-g-PCL纖維墊也顯示出免疫細(xì)胞活化降低。表明CS-g-PCL改善了血管化組織的形成和細(xì)胞向靜電紡絲PCL支架的生長(zhǎng)。CHEN Q C等［34］通過(guò)定向靜電紡絲工藝制備的摻雜CS-PVA三層納米纖維膜，不僅提供了更合適細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境，還能上調(diào)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和轉(zhuǎn)換生長(zhǎng)因子，下調(diào)炎性細(xì)胞因子，具有抗菌和促進(jìn)組織再生的作用。

3.4 免疫調(diào)控

CS在降低炎性反應(yīng)和調(diào)控機(jī)體免疫方面發(fā)揮重要作用。如針對(duì)聚（丙交酯-乙交酯）（PLGA）酸性降解物質(zhì)在體內(nèi)引發(fā)炎癥這一問(wèn)題，SHEN Y B等［35］提出了“中性纖維”的概念，并開(kāi)發(fā)了具有酸中和能力的CS/PLGA定向殼核結(jié)構(gòu)纖維，利用具有堿性的CS中和酸性環(huán)境，從而減輕了由PLGA的酸性降解產(chǎn)物引起的炎癥反應(yīng)。QIAO J等［36］制備的甲殼質(zhì)可生物降解疝氣貼片，可有效抑制TNF-α和IL-6等炎癥因子過(guò)度分泌。且隨著甲殼質(zhì)膜片的生物降解，無(wú)明顯的并發(fā)癥或疝氣發(fā)生，而且在體內(nèi)植入120天后，膜片的抗張強(qiáng)度仍然可以達(dá)到16 N/cm。

4 展望

交聯(lián)改性是提高殼聚糖納米纖維機(jī)械性能一種簡(jiǎn)單有效的方法，且制備的殼聚糖纖維可廣泛用于皮膚創(chuàng)面修復(fù)，拓寬了其在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。但是，仍然面臨一些亟需解決的問(wèn)題。殼聚糖納米纖維具有抗菌和緩解炎癥反應(yīng)的作用，但其抗炎和免疫調(diào)節(jié)的分子機(jī)制尚不完全清楚；如何選擇和控制交聯(lián)劑類型和劑量，在改善纖維力學(xué)性能的同時(shí)，保證移植材料具有良好的體外和體內(nèi)生物相容性等，這些都需要進(jìn)一步探索和完善。