壳聚糖在组织工程支架材料中的应用进展

高嘉 伍尚敏

[摘要]壳聚糖作为一种天然生物材料，其资源丰富，经济实用。多项研究证实其无毒，具有可降解性、可塑性及良好的生物相容性等多项优点。可用于组织损伤的修复和生物组织工程支架材料的应用等。近年来，随着对壳聚糖研究的深入，研究者们将壳聚糖作为组织工程支架材料，发现其物理性质和生物学功能更加优良且多样化，作为支架材料在整形外科应用中具有良好前景。

[关键词]壳聚糖；生物材料；组织工程；支架

[中图分类号]Q53 [文献标志码]A [文章编号]1008-6455（2018）03-0155-03

Research Advance of Chitosan in Tissue Engineering Scaffold Materials

GAO Jia，WU Shang-min

（Department of Plastic Surgery， Ganmei Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650011，Yunnan，China）

Abstract： Chitosan， as a natural biological material， is rich in resources ，economical and practical.Many studies have proved that it is nontoxic， biodegradable， plastic and biocompatible. It can be used for the repair of tissue injuries， and the application of scaffold materials for biological tissue engineering.In recent years， with the intensive study of chitosan， the researchers used chitosan as scaffold material for tissue engineering， and found that the physical and biological functions of chitosan are better and diversified. Chitosan is a promising scaffold material in tissue engineering. In this paper， the progress of chitosan and its derivatives in tissue engineering is reviewed.

Key words： chitosan； biomaterials； tissue engineering； scaffolds

組织工程学是利用工程学和生命科学的原理和技术，对具有功能缺损的组织进行修复及再造，可构建出具有生物活性的组织与器官。其实质是利用细胞培养技术在体外培养出细胞或将支架组织结构物移至体内，在体内建成具有相应功能的结构与组织器官[1-2]。将组织工程合理利用的关键是找到合适的支架材料，使细胞在支架组织中良好的生长、增殖至最终达到具有生物学活性的组织，可以发挥其修复功能。可利用组织工程学技术提高自体脂肪术后的存活率，将组织工程学在医学美容方向广泛应用。

壳聚糖（chitosan，CS）是一种天然可吸附阳离子生物多糖的生物材料，因此具有生物相容性较好、亲水性、可塑性、易降解性和无毒副作用等特性[3]。壳聚糖及其衍生物应用于组织工程学材料制作中，为各功能损伤的器官组织再生提供支架空间，弥补其功能缺陷[4]。近几年来，研究者们将壳聚糖制作为凝胶、微球以及三维支架等支架结构，用于对组织工程的研究，本文就其相关进展综述如下。

1 壳聚糖的概述

壳聚糖（CS）是由甲壳素经过脱乙酰化后形成的产物，属于天然的高分子聚合物。在自然界广泛存在，含量位列第二位，仅低于纤维素。壳聚糖的具体形成是一种由葡萄胺和N-乙酰葡萄胺通过脱乙酰化的 B-1，4糖苷键连接组成的线性多糖[5-6]，与软骨基质糖氨多糖（Glycosaminoglycan，GAG）的分子结构类似，降解后形成氨基葡萄糖单体，对人体无毒副作用，有较好的生物相容性、可降解性、无免疫原性、具有抗炎灭菌等作用[7]。

壳聚糖有着甲壳素的优良特性：具有亲水性、吸水性和可降解性等特点，降解后产物为单糖，对组织、细胞无毒副作用，不会对组织产生异物反应和组织免疫原性，壳聚糖是一种带正电荷的聚合糖，有利于与细胞非特异性吸附，物理和化学性能非常稳定，是组织工程中应用较多的生物支架材料[8]，同时，氨基的存在使壳聚糖能够溶解于稀酸溶液，大大扩展了其应用范围[9]，并且能够实现可循环利用，是理想的生物医用材料[5]。

2 壳聚糖的应用

2.1 壳聚糖水凝胶的研究：水凝胶是一种较强的吸水材料，由水溶性高分子交联形成，其交联的网格在遇水后膨胀，且分散，高含水量但不溶解，将其牢固于高分子三维网络中，整个水凝胶体系保持良好的稳定性。水凝胶的柔软、高含水量，与活体组织质感相似，生物相容性较良好，因此水凝胶多被用于药物递送材料、隐形眼镜、人造血浆以及皮肤组织填充材料、组织工程支架等。壳聚糖水凝胶的特性为毒性小、与生物易溶[10]。且壳聚糖水凝胶具有酸碱度敏感性，温度敏感性，但酸碱度和温度改变不会影响壳聚糖水凝胶的正常作用。

水凝胶具有三维网络结构，结构中含大量的水，可利于营养物质和代谢产物的运输，为细胞提供营养。水凝胶有流动性的特点，可采用注射的方式进入人体。所产生的创口较小，并且可在体内改变凝胶的形态及位置，为细胞递送生长因子和药物，是最适宜的载体材料，且易降解，水凝胶的理化特性决定其制备组织工程支架最为合适。壳聚糖水凝胶降解后的产物具有较好的生物相容性，且壳聚糖的杀菌、防粘连等特点可以帮助组织功能进行修复，是较好的制备组织工程支架的材料。

Bio Syntech Canada公司研发包含壳聚糖和甘油磷酸二钠盐水凝胶，该体系在室温下表现为液态，在接近体温下可凝固为胶状。并且水凝胶的制备过程中无需添加任何有机溶剂和交联剂，无形中降低水凝胶的毒性并提高生物相容性，可用于药物缓释材料、骨或软骨填充材料等组织工程领域。Chenite等[11]研究发现甘油磷酸盐调控壳聚糖及水分子间相互作用，制备壳聚糖/甘油磷酸盐水溶性复合物，通过注射方式将复合物注入体内，植入后可原位凝胶化，正好展示壳聚糖水凝胶具有良好的生物相容性特点。在壳聚糖的水溶液中加入多元醇盐如甘油磷酸二钠，由于氢键、静电和疏水的协同作用下，壳聚糖水凝胶溶液在机体生理pH条件下仍可保持溶胶状态，当壳聚糖水溶液温度升至体温时则转变成凝胶。中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所王勇等研究可注射的温敏性壳聚糖水凝胶的组织工程材料，将带有促血管生长因子的注射水凝胶注射至动物心肌梗死模型特定区中，观察修复心机梗死区域的情况。发现实验组血管密度增高，并降低了纤维化程度，心肌存活数也有所增加，正是因为壳聚糖水凝胶其灭菌、生物相溶等优点，使其在临床组织工程中被广泛应用。

2.2 壳聚糖微球的研究：近年来，微球是组织工程学中正蓬勃发展的新剂型，由组织工程支架材料制成为球状载体给药系统。由于将药物分散或包埋在微球中而形成外形类似球状实体，微球直径大小一般0.3～100μm，微球的不同粒径范围作用于不同的靶器官组织[12]。壳聚糖微球制备方法有许多种，如：乳化交联、蒸发溶剂、液中干燥、喷雾干燥等方法。微球载体作为新型药物环节控释系统，其优点具有不仅可以缓解药物、靶向输送，而且在保障药物剂量的前提下，减少药量，降低药物的毒性。研究发现[13]使用乳化化学交联法，再经戊二醛固化得到的微球结构，密度致密，其外形形态大小分布都满足需求，且缓释效果良好。李雅兰等[14]研究表明，使用不同的交联剂用量对微球载药量、递送量和释放量均有影响，为选择合适的微球制备条件提供依据，所制备的微球粒径应该最好为20 pm左右，并且微球的载药量随着所添加的药物量的增加。

2.3 壳聚糖复合三维支架的研究：合适的组织工程支架材料应符合三个特性：首先，生物相容性，可降解性，无细胞毒性，无免疫原性；其次，一定的機械强度，易于加工成型；最后，具有一定的通透性，有利于细胞渗透和药物的进入[4，12]。壳聚糖支架可为种子细胞、细胞提供三维立体的培养环境，使细胞在支架材料中能够正常生长、增殖，并分泌细胞外基质取代植入的支架材料，再逐渐降解材料，最终形成具有生物活性的组织，达到修补组织缺损的目的。临床所应用的支架材料除了要求具有良好的生物相容性，可降解性及可塑性外，还应具有三维立体结构。三维立体结构多为孔状，外形似于海绵状，孔隙率一般达到80%以上，随着内表面积增加，可以方便带负电荷的细胞在支架组织中牢固粘附。其次，三维立体的组织结构有助于营养物质的递送和代谢产物的排泄，且支架材料在生物降解后只产生少量的产物，对组织修复功能影响较弱。

单一的支架材料通常无法达到三维立体结构的要求，即使具备理想支架的优点，在临床上却不易单独使用。因此，壳聚糖复合其他生物材料制备三维多孔立体支架，利于细胞的粘附和生长，具有良好的机械性能，相容性，可降解，无酸性降解物等特点，是符合组织工程理想支架材料的要求，具有潜在的临床应用前景[1]。壳聚糖-明胶复合支架已成为近几年研究的热点，多被用在人造皮肤、骨移植和组织工程支架等诸多方面。明胶虽具有较好的生物相容性和可降解性，但仍存在可塑性较差，难以成形，无法满足组织的构建，而壳聚糖可以克服明胶的缺点，并且易于成型，加工简易，完全满足真皮支架材料的要求。郭宏磊等[15-16]研究表明在壳聚糖-明胶支架复合过程中，由于壳聚糖带正电荷，静电作用下壳聚糖可与带负电荷的明胶蛋白分子紧密结合，明胶分子结构含有氨基和羧基类似的亲水基团，明胶的引入便可增加壳聚糖的亲水性能，其溶质的透过能力及透氧性能有所提高，明胶还可以促进软骨细胞在三维支架上吸附、生长增殖、分化和分泌细胞外基质。有研究表明制备壳聚糖和明胶复合纤维支架的过程中，可用静电纺丝技术提高壳聚糖灭菌和防粘连的特点，合并明胶吸水和防渗出的特点，在模拟皮肤结构的同时，促进伤口愈合，最终达到皮肤组织工程支架材料的条件[3，6]。

3 小结

壳聚糖是人类接触较晚但在自然界极其丰富的天然资源，随着对壳聚糖的深入研究，还有更多的奥妙等着人们去发现，并在多个领域中壳聚糖都起到重要作用。如在皮肤组织工程中，因壳聚糖所具有的无毒、抗菌、良好的生物降解性能，可作为伤口敷料，能有效防止粘连，促进伤口愈合。在软骨组织中，可以通过体外培养的方法，将分离的关节软骨细胞或体细胞相融在支架中，植入到受伤的关节处。近年来，随着对壳聚糖及其衍生物的研究，其延伸到神经、肝脏等其他组织中，其在组织工程中的潜力不可小觑。壳聚糖作为现今发现的唯一荷正电的天然多糖，一种资源丰富且性能优异的生物材料，在组织工程材料的应用中，在不同的组织都展现出其应用的潜力。虽然仍存在一些不足，如当作支架材料时，其力学强度、降解速度以及与宿主之间的结合能力都有待提高和优化。优化和改善壳聚糖材料成为一个重要的方向。壳聚糖支架材料作为一种新型的药物递送材料和修复功能材料，将会在整形外科更为普遍地利用[17]。因此，随着生物材料学和临床医学的不断发展，通过壳聚糖在组织工程学的方法来提高自体脂肪移植术后脂肪的存活率将成为研究热点，为医学美容中体表软组织的修复和功能重建带来了新的希望。

[参考文献]

[1]刘建斌.壳聚糖-明胶/β-磷酸三钙复合体作为组织工程软骨支架材料的实验研究[J]. 组织工程与重建外科，2010，6（6）：319-322.

[2]司海朋.纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合VEGF转染BMSCs构建骨复合体修复骨缺损的实验研究[D].山东大学，2012.

[3]Park Y，Lee YS，Sheen S，et al. Platelet derived growth factor releasing chitosan sponge for periodontal bone regeneration[J].Biomaterials，

2000，21（2）：153-159.

[4]刘冰，钟代琴，王永兰，等.不同孔径聚乳酸-壳聚糖-明胶支架对成纤维细胞粘附效果的研究[J].口腔医学研究，2013，29（2）：117-120.

[5]刘璐.医用壳聚糖水凝胶研究进展[J].科技创新与应用， 2017，8（8）：87.

[6]何晨光，赵莉.静电纺丝壳聚糖-明胶复合纤维的制备和体外生物相容性評价[J].组织工程与重建外科，2012， 8（6）：316-322.

[7]宋克东，杨延飞，李文芳，等.ADSCs-壳聚糖/明胶水凝胶工程化软骨的三维动态构建[J]. 功能材料， 2015， 46（15）：15021-15030.

[8]唐大川，杨红.壳聚糖及其衍生物在神经组织工程中的研究进展[J].中华实验眼科杂志， 2014，32（8）：752-755.

[9]姜晓蕾，杨朝忠，韩宝芹，等.壳聚糖及其衍生物作为组织工程角膜支架的研究进展[J]. 眼科新进展，2017，37（4）：392-395.

[10]韩雪，刘洪臣，刘世森，等.可注射壳聚糖水凝胶复合犬骨髓基质细胞在裸鼠体内的组织学观察[J].临床口腔医学杂志，2010，26（10）：597-600.

[11]Chenite A，Chaput C，Wang D，et al.Novel injectable neutral solutions of chitosan form biodegradable gels in situ[J].Biomaterials，2000，21（21）：2155-2161.

[12]Deschaseaux F，Sensébé L，Heymann D.Mechanisms of bone repair and regeneration[J]. Trends in Molecular Medicine，2009，15（9）：417-429.

[13]高艳，王瑄，万明，等.壳聚糖微球的制备及其在药物载体中的应用[J].功能材料，2015， 46（2）：2007-2012.

[14]李雅兰，廖锦华，胡冬华，等.吗啡-壳聚糖缓释微球的制备及其体外药物释放性能研究[J].南方医科大学学报，2010，30（3）：490-493.

[15]郭宏磊，孙静雅，蔡梁婧，等.壳聚糖/明胶/卡拉胶支架材料的细胞毒性检测研究[J].武警后勤学院学报（医学版），2014，23（9）：725-728.

[16]Arpornmaeklong P，Suwatwirote N，Pripatnanont P，et al.Growth and differentiation of mouse osteoblasts on chitosan-collagen sponges[J].Int J Oral Maxillofac Surg， 2007，36（4）：328-337.

[17]伍尚敏，洪晓娅，伍可，等.VEGF-壳聚糖微囊复合缓释载体的制备[J].中国美容医学， 2015，24（22）：29-32.

[收稿日期]2017-10-13 [修回日期]2018-12-23

编辑/李阳利