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壳聚糖纳米纤维制备在生物医学中的应用

[摘要]本文主要讨论了壳聚糖纳米纤维的制备及在生物医学领域的应用。壳聚糖纳米纤维主要采用静电纺丝的方法制备,为改善壳聚糖的可纺性将其与其他高分子进行混合纺丝;壳聚糖纳米纤维的应用主要集中在医用敷料、组织支架、仿生细胞质基质等方面。通过对壳聚糖纳米材料的制备及应用的文献综述,对壳聚糖纳米材料进行了展望。

[关键词]壳聚糖;纳米纤维;医用敷料;组织支架

壳聚糖是天然高分子材料甲壳素脱N-乙酰基的产物,其全称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖,外观是一种白色或灰白色半透明的片状或粉状固体。壳聚糖因其独特的分子结构,是天然多糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖,因而具有一系列特殊功能性质[1]。壳聚糖制成的人工皮肤与创面的贴合性、透气性、透水性好,既具有抑制疼痛和止血的功能又可以抑制创面常见的金黄色葡萄糖球菌等细菌的生长。据报道,日本应用人工皮肤已经治疗了几百例烧伤患者。在制作人工皮肤的过程中发现,膜的透气性和透水性都不如纳米纤维,由此壳聚糖纳米纤维的研究日益受到关注[2]。

1壳聚糖纳米纤维的制备

静电纺丝工艺是制备壳聚糖纳米纤维最常用的一种方式,这种方式使将壳聚糖纺丝液在强电场作用下,使壳聚糖分子突破液体表面张力的束缚,以纺丝细流的方式喷射出去,在接收器上形成纳米纤维。纯壳聚糖溶液比较难于静电纺丝,这是由于壳聚糖分子上存在大量的氨基,氨基在酸性溶液中质子化,从而使壳聚糖溶液变成了聚电解质,在静电纺丝过程中高电场的作用下,聚合物骨架内离子基团的排斥力增加,限制了连续纤维的形成,经常产生珠状颗粒物[3]。真正实现壳聚糖溶液电纺是以三氟乙酸作为溶剂,它与壳聚糖分子上的氨基作用形成铵盐,有效的降低了壳聚糖分子间的相互作用,而三氟乙酸的高挥发性也使纺丝细流容易脱除溶剂,使其能迅速固化下来。这种纺丝方式中,壳聚糖浓度对纺丝的形态有重要影响,当浓度超过8%时能形成直径为390~610nm的纤维,而浓度低于7%时会明显出现珠状物,在纺丝液中加入二氯甲烷能明显减少珠状物的出现,提高纤维的均匀性,纤维的平均直径为330nm[4]。由于壳聚糖水溶液的粘度高、分子间作用力大,难于纺丝,常与其他水溶性高分子,如聚氧乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等混合纺丝的方式制备纳米壳聚糖纤维[5]。PVA混合纺丝做的比较多,PVA的特点是无毒、生物相容性好,成丝性能好且能与壳聚糖分子形成分子间氢键。通过这种混合纺丝制得的纤维直径都比较细,一般在20~100nm之间。制得的CS/PVA纳米纤维用NaOH溶液处理,去除PVA成分,可以得到多孔壳聚糖纳米纤维,这种多孔纤维用戊二醛交联,既能提高其在水中稳定性,又能把生物酶固定在多孔壳聚糖纳米纤维上,酶固定后的活性能保持49%以上[6]。PVA毕竟不是生物质材料,与人体的相容性不如天然高分子。壳聚糖和蛋白质的混合物的静电纺丝,能与壳聚糖混合纺丝的蛋白质具有很好的成丝性能,同时,能与壳聚糖分子相互作用,有效提高壳聚糖的成丝性能。胶原蛋白用六氟异丙醇(HFIP)为溶剂可以进行静电纺丝,胶原蛋白的质量分数为8%时,纤维的平均直径为460nm(直径分布范围为100~1200nm),可以用作组织工程的功能性仿生细胞外基质[7]。为了改进这种细胞外基质,Chen[8]等以HFIP/TFA为纺丝溶剂制备了壳聚糖/胶原蛋白静电纺纳米纤维。壳聚糖/胶原蛋白纳米纤维膜中存在分子间的相互作用,分子间的相互作用使得壳聚糖和胶原蛋白可以很好地混合。

2壳聚糖纳米纤维的应用

2.1医用敷料

近几年,静电纺丝制成壳聚糖纳米纤维在作为敷料用于伤口愈合已展示出巨大的潜力。壳聚糖纳米纤维材料本身具有的微小毛孔和高的比表面积使它可以抑制外来的微生物入侵并且能辅助控制伤口液体的流出。理想的医用敷料应当具有透气性、透湿性和保湿能力,抵御外界细菌的侵入,防止创口感染。此外,敷料要柔软以便与皮肤粘合,并且生物相容性好能促进新组织地再生。壳聚糖纳米纤维作为性质比较符合的一种材料,正在研究中[9]。此外,抗菌剂和药物也可以容易在纺丝过程中被纳入到材料中,使其能成为多功能纳米纤维,这种材料以其良好的生物相容性、无毒亲水而被广泛应用[10]。但是单组分的壳聚糖可纺性差,如已经使用聚氧乙烯的醋酸水溶液对高脱乙酰度的壳聚糖进行静电纺丝,制得直径在60~80nm的纤维。有研究表明,壳聚糖纳米纤维敷料能够通过刺激皮肤细胞的增殖来缩短皮肤伤口的愈合时间。

2.2支架

静电纺壳聚糖纳米纤维复合材料还可以被用作骨支架血管支架等,生物降解塑料聚乳酸和壳聚糖复合纳米纤维材料就是其中应用最为广泛的一个。用同轴电纺技术将聚乳酸/壳聚糖制成纳米纤维制作血管垫片支架,与纯聚乳酸纤维网格血管支架相比聚乳酸-壳聚糖纤维机械强度较高[11]。对骨缺损模型兔分别采用空白植入、髂后上棘自体松质骨移植、聚左旋乳酸/壳聚糖纳米纤维多孔支架移植和复合了骨髓间充质干细胞的聚左旋乳酸/壳聚糖纳米纤维多孔支架移植修复缺损部位。由于壳聚糖具有好的生物降解性、生物相容性并且无毒,这种材料在支架上得以应用可以使其代谢在人体,也可用于外科缝合手术线等。另外,壳聚糖纳米纤维还可以做骨组织工程支架材料,用于提供形成细胞附着骨的临时衬底,从而增殖,形成新的组织。保持适当的细胞表型功能性骨形成,支架应能引导成骨前体细胞的成骨分化通过适当的细胞材料的相互作用[12]。最近的研究结果表明纳米纤维支架有利于骨成骨这表明,壳聚糖纳米纤维支架与地形骨细胞外基质(ECM)部分拥有的天然ECM的生物学功能特点。利用纳米纤维是归因于组合的影响的空间排列的纳米纤维及其形态相似的天然细胞外基质纤维。

2.3仿生细胞外基质

组织工程是一种将细胞生物学和材料学相结合形成的新兴生物医学技术,目的是通过活细胞再生天然组织去代替缺损的组织或器官[13]。方法是在外源性细胞外基质(ECMs)中种植细胞组成复合物,在生物反应器中培养扩增,在体外形成新组织后植入患者体内,与组织整合构建新的组织。组织工程学通过将种子细胞种植于支架材料上,并在体外培养增殖,在形成新的组织后植入受损部位,从而达到修复和重建原人体组织结构和功能的目的。理想的组织工程支架应仿生天然细胞外基质的结构和生物学功能,并有良好的生物相容性和适当的力学性能,作为一种再生治疗,它不存在器官移植中存在的供体短缺和免疫处理等问题,也不存在人造生物材料的生物相容性差的问题。将壳聚糖明胶复合静电纺纳米纤维材料用来制作组织工程支架,这种复合纤维既生物相容性好,又机械强度高。在壳聚糖与不同种类材料进行静电纺丝制成纳米纤维过程中,由于壳聚糖有较好的生物相容性,壳聚糖与材料有一定的相互作用,并且利用静电纺丝技术形成纳米纤维材料,组分使细胞的粘附和增殖速度加快,这种可能性对临床医学进展有巨大作用。在未来的生物医学发展方面有着更多的研究价值[14]。

3展望

综上所述,纳米科技作为当代的一种经济的可持续发展的技术,这种技术的成本、可推广性、对人体有无伤害都将是人们关注的重点,因此壳聚糖作为一种来源丰富,生物相容性好又无毒的材料将会被越来越多的国内外研究者所关注,而目前这种研究也正在深入中。壳聚糖独特的性质,当它与其他纳米材料复合形成壳聚糖纳米复合材料或者器件时,是材料具有了抗菌性能,或是当做药物的载体亦或是人体内血管或是骨骼的支架,这些材料能够结合纳米材料和壳聚糖各自的特性,而探索结合的复合材料的性能将是未来研究的方向之一。

作者:吴敬瑞 于亚兰 赵薇 余祥艳 王莹 杨帅 张大伟 单位:东北林业大学

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