壳聚糖构建细胞支架的研究现状

壳聚糖构建细胞支架的研究现状

孙铁锋1,2，王平2，高志惠1,2

(1.山东中医药大学，山东 济南 250014；2.山东省中医药研究院,山东 济南 250014)

摘要：壳聚糖为阳性线性多糖，具有很好的生物降解性、生物相容性和药理作用，以壳聚糖为基础制作的细胞支架，可以为细胞黏附、生长和增殖提供良好的三维生长环境，已在医用敷料、骨科材料、药物载体等方面取得广泛应用。

关键词：壳聚糖；细胞支架；研究进展

基金项目:国家自然科学

作者简介：孙铁锋，男，硕士研究生，研究方向：中药药理，E-mail：suntiefenglove@163.com

通讯作者：王平，女，副研究员，研究方向：中药药理，E-mail:wangpingjinan@163.com

中图分类号：R944.9文献标识码：A

Research status of construct cell scaffold of Chitosan

SUNTie-feng1,2,WANGPing2,GAOZhi-hui1,2

(1.ShandongUniversityofTraditionalChineseMedicine,Jinan250014,China;2.Shandong

AcademyofChineseMedicine，Jinan250014,China)

Abstract：Chitosan as a positive linear polysaccharide, has good biodegradability,biocompatibility and pharmacological effects, using chitosan as scaffold basedproduction, can provide a good 3D environment for the growth of cell adhesion,growth and proliferation, has obtained the widespread application in the medical dressing, department of orthopedics materials, drug carrier.

Key words:Chitosan;Scaffold;Research progress

壳聚糖的化学名为β-(1,4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖[1],是甲壳质经脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多糖，具有生物相容性好、无毒副作用、来源丰富等突出特点[2]，广泛应用于食品工业、医药、医用高分子材料等领域，并且已在基础生物医学与临床领域得到了应用。进一步改进壳聚糖，提高壳聚糖的化学和生物特性，丰富其作为细胞支架的使用范围，提升生物利用价值，已作为重点研究内容。本文主要从壳聚糖的生物特性、药理作用、新型复合细胞支架及应用和前景这几个方面进行综述。

1壳聚糖生物特性

1.1生物可降解性在水溶液和有机溶液中，壳聚糖的降解是非常缓慢的，但在生物体中，壳聚糖不仅可以通过溶菌酶、水解酶分解，还可以被多种酶制剂分解，具有高度的选择性。Onishi等[3]用异硫氰酸荧光素标记壳聚糖，运用腹膜注射法发现FTC-Chi在注射后很快到达肾脏和尿液中，具有很高的选择性。

1.2生物相容性壳聚糖的生物相容性即壳聚糖与生物体组织如骨骼、内部器官等之间的相互适应性。同时壳聚糖具有高等动物组织中胶原质生物相容性,在细胞水准上与生物体可以很好的切合,有利于壳聚糖支架的植入，产生抗原的可能性很小。黄攀等[4]将壳聚糖优化制作成N-羧甲基壳聚糖，相同质量N-羧甲基壳聚糖比膜剂更易被组织降解吸收;其良好的生物相容性可以运用制作生物医用材料，很好的存在生物体内。

1.3凝血、止血作用壳聚糖的脱乙酰度、物理形式密切影响它的止血能力。Suzuki等[5,6]研究表明，壳聚糖的脱乙酰度和补体系统的激活密切相关，脱乙酰度越高，补体的激活效应就越强。通过对红细胞的聚集，可以有效地刺激血小板，活化补体系统，使凝血系统激活，从而达到有效止血快速凝固目标。Wu等[7]通过实验发现壳聚糖对血小板有黏附作用，证实了壳聚糖具有很好的凝血、止血作用。卢斌等[8]研究由壳聚糖构成的发现壳聚糖/海藻酸钠—云南白药复合膜，止血作用显著强于其他各组。

2壳聚糖药理作用

2.1抑菌、抗菌功用壳聚糖拥有广泛的抗菌抑菌性,对几十种细菌和真菌生长都有明显的抑制作用。邓婧等[9]研究发现，壳聚糖对常见的伤口感染菌、皮肤癣菌、口腔致病菌均有较为显著的抑菌效果。王科兵等[10]通过实验发现，壳聚糖碘液对常见致病性皮肤癣菌有很强的杀菌作用，3 h就可以杀死全部真菌，证实了壳聚糖的抗菌抑菌特性。另外，相关的实验研究表明[11,12]，在分子量相同时，甲壳素的脱乙酞度越高，它的抑菌作用越强。但是我们对壳聚糖的抗菌机理还不非常了解，当前主要集中在以下三种机理：第一种机理是壳聚糖可以与微生物正常生长所必需的微量元素结合，从而抑制微生物生长[13]；第二种机理是酸性环境下，壳聚糖以聚阳离子方式存在，通过与带负电荷微生物细胞膜静电作用，使细胞发生凹下、变形和泄露[14]；第三种机理是壳聚糖可直接透过微生物细胞膜进入细胞内部，与DNA生成稳定的复合物，从而抑制微生物繁殖[15]。

2.2抗癌活性壳聚糖可以直接抑制肿瘤细胞生长，也可以通过增强免疫系统来促进机体的抗肿瘤作用。吴季霖[16]通过建立黑色素瘤小鼠模型，并把将壳聚糖应用于此模型，结果显示壳聚糖并不直接杀伤肿瘤细胞，而是明显地抑制朝向肿瘤生长的血管的生成，使肿瘤不能向周围组织浸润转移。Saiki等[17]通过研究发现,壳聚糖能通过诱导局部巨噬细胞，增强他的吞噬功能和水解活性，通过增强免疫系统来促进机体的抗肿瘤作用。

2.3降低血糖血脂壳聚糖具有降低血糖血脂的功效。魏涛等[18]实验研究发现壳聚糖所含的碱性氨基能与体内有机酸结合，提高内环境pH值，并且增强胰岛素活性，增强糖异生代谢，进而达到促进糖原的合成，以达到降低血糖的作用。艾永循等[19]制作高血糖小鼠模型(Al-loxan法)，发现壳聚糖对高血糖小鼠有显著的降血糖作用。证实了壳聚糖具有很好的降血糖作用。De Campos Grifoni等[20]研究发现，血液中的脂肪滴带负电荷，当带正电荷的壳聚糖与其结合时，在脂滴周围产生天然屏障，阻断脂肪分子分解，从而使脂肪在小肠内不被吸收而以脂肪微粒排出体外，降低了血脂含量，证实了壳聚糖具有很好的降血脂功能。

2.4其他特性性壳聚糖对血液成分如血清蛋白吸附能力很大，具有抗炎、镇痛作用。能提高肝脏抗氧能力，并且有良好的抗辐射作用。壳聚糖中的低聚糖能促进肠道益生菌增殖，改善肠道微环境。同时壳聚糖能值比蔗糖低，并伴有爽口的甜味，不增加胰腺的负担，因此广泛用于牙膏、牙粉、口香糖、牛奶巧克力等生产。另外，可溶性壳聚糖额外添加于食品中，还可帮助人体吸收所需矿物质元素如钙、铁、锌等。

3新型的壳聚糖复合细胞支架

壳聚糖也被称为水溶性甲壳素，甲壳素普遍存在于虾、蟹等节肢动物的外壳，真菌及一些藻类植物的细胞壁中，可以很好地应用在细胞支架上，满足细胞支架日益增长的需求。当今壳聚糖作为可降解支架已在组织工程领域具有广泛研究[21]。以壳聚糖作为细胞支架具有以下几点优势：优秀的生物相容性能并能维持支架能，维持细胞形态和表型，能促进细胞黏附与增殖，诱导组织再生；细胞的亲和性，不仅支持细胞黏附，也使细胞黏附生长良好的材料；维持三维开放孔结构，为细胞生长提供环境，壳聚糖凝胶在生物体内可以与组织进行相互适应；适当的生物可降解性，降解速率与组织形成率同步；无免疫原性、无毒性，具有一定机械强度；易加工成形。鉴于壳聚糖本身的结构和特性，将壳聚糖制成细胞支架，能够为细胞生长提供优秀的细胞支架外环境，是理想的细胞外基质材料。目前壳聚糖及其衍生物作为细胞支架主要应用在三个方面。

3.1药物载体由壳聚糖制成壳聚糖膜或包埋药物的载体，由于壳聚糖的无毒性，可以很好的运用到药物载体上。壳聚糖膜能允许分子量较低的药物分子通过,可作为理想的药物缓释材料。并可以延长包埋其中药物的释放时间。卢风琦等[22]研究发现,微囊中壳聚糖含量越多,其对海藻酸钠的缓释作用越强。舒晓正等[23]用乳化法制备了粒径小于200 μm可注射用壳聚糖-海藻酸钠微囊,其表面复合的牛血清蛋白持续释放时间从几小时延长到半个月以上，证实了壳聚糖作为药物载体可以延长药物的持续释放时间。

3.2骨科材料赵峰等[24]通过HE和von Kossa染色方法观察大鼠颅骨成骨细胞在壳聚糖-明胶网络/羟基磷灰石(CS-Gel/HA)复合材料支架上的生长情况，发现大鼠颅骨成骨细胞在复合材料支架上生长良好,增殖较快,周围分泌有大量细胞外基质,3周时局部已出现骨样组织。李忠等[25]将间充质干细胞负载到壳聚糖/β-甘油磷酸钠凝胶上,体外三维培养3周，发现间充质干细胞能良好地在壳聚糖/β-甘油磷酸钠凝胶内伸展、黏附、生长和增殖，细胞在新形成的组织内保持成活。韩宁波等[26]取30只新西兰大白兔制备兔膝全层软骨缺损模型。观察发现实验组缺损区大部分被修复，缺损区被软骨组织充填，组织学检查提示形成典型的透明样软骨结构。

3.3医用敷料由于创伤、烧伤和皮肤溃烂等多种原因，可能导致皮肤的大范围损坏，通常情况下采用医用敷料对伤口进行保护，以防止伤口的感染和脱水，从而进一步恶化。壳聚糖具有优秀的生物特性，以其为基础作为医用敷料有效地促进创面表皮重建和伤口愈合，减小瘢痕。达到止痛、止血、止痒的效果。Abul等[27]研究壳聚糖薄膜敷料在人体取皮创面的应用，组织病理学观察发现，壳聚糖敷料覆盖下的细胞能刺激皮肤层修复和组织结构重建，诱导创面快速而有序地愈合，生成良好的新皮肤组织，可以很好地运用在医用敷料上。郑婵颖[28]研究发现将高分子量的壳聚糖制成丝后再将其纺织成纱布，在此纱布上涂敷低分子量壳聚糖制得医用敷料，不仅具备物质本身良好的抗菌、止血和与人体组织融合的功能，还具有了其结构所体现的柔软、透气等特性。

3.4其他应用研究显示，壳聚糖在支架器官再造、皮肤再造和血管修复等方面获得了新的应用。陈刚等[29]利用自行研制的壳聚糖可吸收管型支架外覆自体颈部肌瓣，通过动物实验证实壳聚糖可吸收管型支架联合肌瓣修补维持了食管管道畅通，同时也起到了支撑作用，并且具有良好的生物相容性。郜俊青等[30]证实壳聚糖/肝素涂层西罗莫司DES具有较好的抗血栓作用，且能够在早期促进支架内皮化。

4应用及前景

壳聚糖作为药物载体，具有长效释放的优点。壳聚糖的多孔构造利于体内细胞生长和骨再建[31]。虽然壳聚糖作为支架载体可以很好地应用到载药系统，但药物装载效率和药物控制释放能力慢。壳聚糖与合成大分子虽可以较好的应用到支架材料上，但是壳聚糖的促凝血作用使其血液相容性差，目前研究人员关注这一问题并寻求解决办法，以待改善其血液相容性，扩展其在生物医学工程上的应用领域，使其更加安全有效地与人体心血管系统直接接触。天然材料虽然能很好地保有其生物特性[32]，但是其过于单一的特性极大限制了作为细胞支架的应用性。而人工合成的材料由于其生物特性差也限制了其适用范围，目前对单种支架材料和两种复合支架材料研究较多，并且取得了一定成果，但并不能完全满足试验预期结果和对多种复合支架的迫切需求，因此对多种支架材料进行聚合或化学修饰，从而改善其理化和生物学特性，研究新一代细胞支架将是今后细胞支架材料研究的主要方向[33]。我国特别是沿海地区,天然甲壳素/壳聚糖资源丰富，但是壳聚糖的工业化生产和制备工艺有待改进。随着研究的进一步深入，以壳聚糖为基础的细胞支架必将产生突破性进展，带来巨大的经济效益，具有非常大的发展前景。

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