壳聚糖复合材料及其细胞生物相容性的研究进展

陈怡霏等

壳聚糖（chitosan，CTS）作为甲壳素脱乙酞氨基后的一种产物，又称为脱乙酞甲壳素，是纤维素以外第二大最丰富的天然高分子化合物[1]。壳聚糖具有抗微生物、调节血脂、增强机体免疫能力以及抑制肿瘤等生物活性。由于壳聚糖与机体内的氨基葡萄糖类具有相似结构，类似于人体骨胶原组织，而且具有无毒害、良好的生物相容性等特点，在骨组织工程的应用和研究中发展迅速，现针对壳聚糖及其衍生物的生物相容性综述如下。

1CTS的结构特点及其生物活性

CTS作为一种甲壳素的脱乙酞化产物，结构上与聚多糖类似，游离的氨基可使其溶解度及其生物活性大幅度提高[2]。研究表明，CTS具有良好的促成骨作用[3-4]，还可促进小血管生成[5]。Muzzarelli [6]对犬类的研究发现，CTS对成年犬骨缺陷的治疗具有良好疗效。由于在中性以及碱性环境中溶解度较低，在酸性环境下溶解较大，从而导致其在机体内的运用受到较大限制。Wang[7]提出根据仿生构建的相关理论，对CTS进行磷酸酯化处理，同时引入钙离子，使之亲水性增加。李晓龙[8]对磷酸化的CTS研究发现，由于其具有磷酸酯集团，从而对血浆中磷酸酯有较好的吸附作用，同时将磷酸酯固定在其表面，形成仿生生物膜，有效地降低了表面物质与血浆蛋白的作用，且可降低血小板的粘附及其活性，进而防止血栓形成。CTS作为羟基磷灰石类无机质以及胶原蛋白为主要成分的有机物，而在仿生材料中将其具有生物活性的部分植入其骨组织的连接界面，从而对缺损部位进行修复[9]。对改性后的CTS研究发现，它具有良好的生物活性，有利于成骨细胞、牙周膜细胞等吸附以及聚集，从而促进细胞的分化以及增殖[10]。

2CTS在羟基磷灰石复合材料中的应用

羟基磷灰石复合材料作为一种具有表面活性物质的陶瓷，广泛用于骨组织工程，其不仅具有良好的强度，适应机体运动力学性质要求，而且具有良好的韧性，确保长期使用不会变形[11]。Wang [12]指出当羟基磷灰石复合材料植入机体后，将加速机体的骨矿化过程，从而诱导骨再生，且由于其降解后无毒害物质产生而被广泛运用。多孔陶瓷由于空隙大、表面粗糙、脆性大而难以塑性，而CTS具有良好的修饰性，且可加速细胞的吸附，从而可将其塑造成为多种形状[13-14]。Chen [15]对单纯CTS支架与纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架的研究发现，种子细胞在后者中增殖分化的程度明显高于前者。复合支架可检测到骨钙素的表达，而且复合支架具有良好的生物相容性以及骨传导性[16]。CTS作为一种可降解的生物材料，其结构与聚多糖类似，在机体中游离的氨基可使其溶解度以及生物活性明显增加，但是将其作于一种植骨材料时则暴露出其缺乏生长引导和诱导特性的缺点。为了提高其在骨修复中的作用，将CTS与促进骨生长以及相关细胞增殖的材料进行复合使用，磷酸钙盐不但具有良好的生物相容性，而且具有变异低等特点，其钙离子以及磷离子可释放并沉积在新生骨中，而其释放的类骨磷灰石微晶可加速骨细胞的增殖和分化，提高其生物相容性以及生物作用[17]。

3CTS与可吸收胶原复合支架材料的联合应用

CTS以及胶原作为一种生物体内的高聚物，是骨组织中的主要构成蛋白，而且也是天然的骨移植支架生物材料，具有植骨后生物相容性好，来源充足以及免疫排除反应小等特点[18-19]。但是由于其机械强度低，含水量过大以及骨诱导性差等缺点，使其在骨移植中的应用受到限制[20]。胶原具有特异性分子的识别功能，可促进细胞的增殖和粘附，而且可对细胞的分化有一定的诱导作用，且胶原在机体内降解为氨基酸，具有无刺激、无毒以及无过敏原等特点而作为细胞支架材料广泛应用于组织工程，但同时由于其力学特点差，且在体内使用时降解速度过快，也使其应用受到一定限制[21-24]。Ragetly等 [25]采用可吸收胶原海绵作为载体研究骨再生作用，发现CTS与可吸收胶原海绵联合组患者，新骨区以及损伤恢复区明显高于单纯组，从而认为骨可吸收胶原海绵可作为一种对壳聚糖进行缓解的良好载体，使其以稳定速度的释放，保证骨的形成。

4CTS与聚乳酸复合支架的联合应用

聚乳酸作为一种人工合成的高分子物质，不但具有良好的生物活性，而且具有降解可调控，可诱导部分基因转录上调等优点，但该类物质也具有亲水能力差且降解产物为酸性物质，可改变局部环境的酸碱度等缺点[26]。实验发现，聚乳酸联合CTS的骨修复材料，既能良好地保留两种生物材料的优点，如：生物活性、生物相容性以及力学性质等，而且还改善了生物材料的加工性能，同时，它们的降解产物可相互中和，从而减小了对局部环境酸碱度的影响[27]。Cai [28]对CTS的研究发现，CTS具有较多的氢键，从而保证了在其水解过程中对水的渗透以及扩散进行抑制，降低聚乳酸的降解速度。体外研究发现，细胞可迅速扩散到聚乳酸联合壳聚糖支架的间隙，而且吸附能力较好，提示这种复合材料具有良好的亲水性[29]。通过植入肌肉的实验也证实，联合材料植入后局部炎症反应少，其生物活性和组织相容性明显提高[30]。

5含有生长因子的CTS复合材料的应用

生长因子通过调节细胞的分化以及细胞产物的合成，对成骨过程进行调节[31]。其中转化生长因子作为一种多功能的生长因子，能够促进细胞的分化、增殖以及细胞外基质的合成，从而提高了生物材料的活性[32]。此外，生物因子在促进新骨形成、创伤愈合以及骨组织重建等过程中也有较好作用[33]。Lopes等 [34]对骨形态发生蛋白的研究发现，它具有良好的骨诱导作用，主要诱导间充质细胞分化成为骨细胞以及软骨细胞。同时，骨形态发生蛋白可异位诱导新骨的形成，但其本身不能作为支架材料，需要一种支架材料进行复合作用。而CTS本身含有大量的带有正电的自由氨基，具有良好的吸附能力，复合加入生长因子后，能够促进骨的生长[35-36]。

6展望

骨组织工程作为一种新兴学科，主要研究方向为支架材料、种子细胞以及调节因子等[37-38]。而现阶段的骨组织工程主要由生长因子以及细胞外基质构成，其中细胞外基质作为一种非细胞性物质，作为软骨和骨种子的重要构成部分，它为非胶原蛋白和胶原蛋白与糖胺聚糖构成的化学以及物理方法进行联络的网络[39]。CTS作为一种与机体内糖胺聚糖的类似物，具有良好的生物相容性[40]。由于它可与多种生物材料相复合，从而达到可促进骨生长的目的[41]。但现阶段对于支架的研究仍有较多问题需要解决，如支架材料降解与新骨形成的速率不相同，生物材料表面活性物质程度较差，材料的细胞吸附以及促进增殖功能较差等[42]。随着生命科学以及材料科学的发展，从而保证了生物材料向组织工程学等发展，同时随着纳米材料的广泛运用，也是生物材料的发展方向。

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[收稿日期]2012-04-16[修回日期]2012-06-05

编辑/李阳利