智能型水凝胶用于皮肤烧伤治疗的研究进展

陈晶晶，冯高科，陈玺宇，陈 涛，蒋学俊

(武汉大学人民医院心血管内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室， 武汉 430060)

皮肤是人体最大的器官，也是人体的首要防线。大部分情况下，皮肤损伤后的再生并不困难，通过一系列重叠过程，包括最初的免疫反应、组织重塑、细胞增殖和成熟而再生[1]。但当损伤广泛并深入到真皮层或亚真皮层,如深Ⅱ度烧伤或Ⅲ度烧伤，会导致皮肤再生困难。伤口愈合缓慢、感染、疼痛以及增生性瘢痕是烧伤管理和研究的主要难题[2]。全球范围内，每年因严重烧伤而需要治疗的人数超过1 100万，烧伤在人体最常见的外伤损伤中位居第4位[3]。局部和全层烧伤治疗的金标准是早期切除坏死组织，然后进行自体皮肤移植，这需要从患者未受伤的供体部位向伤口部位移植健康皮肤，但供体皮肤是有限的，且供体部位愈合缓慢，并伴有瘢痕和色素沉着。虽然自体移植物可被切割成网状以增加移植物的可用表面积，但修整过程损害了原始移植物的质量，且受体区域以不规则的网状图案愈合，影响了皮肤美观，并可导致严重的瘢痕。智能型水凝胶因其良好的生物相容性和环境响应性在烧伤治疗领域引起了广泛关注和研究。现就多糖类衍生物、聚乙二醇类嵌段共聚物及两性离子聚合物等智能型水凝胶在皮肤烧伤治疗中的研究进展进行综述。

1 水凝胶的定义及其性能

水凝胶是一种由亲水性聚合物链交联形成的三维交联网络结构，因生物相容性以及结构上与原生细胞外基质相似而被广泛研究。研究证明，水凝胶作为生物相容性材料在治疗领域具有广泛的应用前景[4-5]。水凝胶可吸收伤口渗出液，促进成纤维细胞增殖和角质形成细胞迁移，这是创面完全上皮化的必要条件。此外，水凝胶的致密网孔(溶胀状态大小为100 nm)能防止细菌到达伤口，同时能有效运送生物活性分子(如抗菌剂和药物等)到创面上。这种生物活性分子在凝胶过程中易被截留在聚合物网络中，在水凝胶吸收渗出物和膨胀时逐渐释放到伤口上。水凝胶特有的、可调的力学性能也为适应不同部位的创面提供了适宜的弹性和柔韧性[6]。

2 智能型水凝胶与烧伤

相对于传统水凝胶，智能型水凝胶可以响应特定的环境刺激，如温度、pH值、光和电等，这种针对生理变量而发生变化的智能行为使其在烧伤治疗领域具有广泛的应用前景。近几年用于皮肤烧伤治疗的智能型水凝胶有多糖类衍生物(壳聚糖、葡聚糖、普鲁兰多糖以及纤维素系列如甲基纤维素、细菌纤维素等)、聚乙二醇类嵌段共聚物以及两性离子聚合物高分子材料等。

2.1多糖类衍生物-壳聚糖基水凝胶 壳聚糖是一种由氨基葡萄糖与乙酰氨基葡萄糖单体通过β-糖苷键连接的共多聚体，可增强细胞的免疫反应，促进免疫调节。壳聚糖能诱导局部巨噬细胞增殖、活化，促进肉芽组织形成，炎细胞迁移以及早期伤口愈合，并刺激细胞外基质胶原纤维重塑[7]。壳聚糖基水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性、低毒性、无抗原性、抗微生物活性、凝血和止血作用以及独特的物理特征(如亲水性、功能性氨基酸基团和一个阳离子净电荷)，使其成为智能化运载某些活性物质(如抗菌剂、生长因子和干细胞等)的完美工具[7-9]。

Miguel等[10]制备的温敏性壳聚糖-琼脂糖水凝胶敷料为烧伤创面提供了一个理想的愈合环境，其促进了创面真皮形成和再上皮化，保持创面湿润，伤口部位无细菌感染。提示温敏性壳聚糖-琼脂糖水凝胶敷料具有抗菌活性，可避免创面延迟愈合或不愈合。另有研究采用冷机械法制备了3种浓度的(25%，50%，75%)的蜂蜜-壳聚糖水凝胶，结果发现，75%的蜂蜜-壳聚糖水凝胶具有最大的抗菌性能和促伤口愈合作用，其治疗烫伤的效果最好，表现为表皮组织再生和新生毛细血管形成[11]。该研究表明，蜂蜜-壳聚糖基水凝胶在伤口愈合中起着积极的调节作用，75%的蜂蜜-壳聚糖水凝胶伤口敷料不仅为创面愈合提供了清洁湿润的环境，也有助于组织再生和恢复[11]。这种廉价、无毒、高效的天然蜂蜜-壳聚糖水凝胶缓释系统更具临床实用性。国内也有研究者制备了壳聚糖-角蛋白/氧化银纳米复合水凝胶绷带用于烫伤大鼠的治疗，结果显示，该复合材料具有良好的拉伸强度、抗菌活性、持续溶胀性以及生物降解性，可加速皮肤细胞结构的恢复，促进创面愈合[12]。还有学者发现，海洋肽-壳聚糖水凝胶也显示出抗菌活性，可促进细胞增殖和迁移，明显缩短创面愈合时间，有助于烧伤愈合[13]。

2.2多糖类衍生物-葡聚糖水凝胶 葡聚糖是由数个葡萄糖分子经葡聚糖蔗糖酶作用生成的同多糖，是细菌性多糖之一，又称右旋糖酐。葡聚糖可增强皮肤自身的免疫保护功能，高效修护皮肤。血管生成和新生血管形成是深部烧伤创面愈合的决定因素。Sun等[14]研究证实，在小鼠Ⅲ度烫伤模型中植入脱细胞(即不加入额外的生长因子、细胞因子或细胞)的葡聚糖水凝胶可促进新生血管形成和皮肤再生。研究发现，葡聚糖水凝胶支架在烫伤初期能促进早期炎性细胞浸润，然后迅速降解，促进血管生成细胞进入伤口；治疗第21天，用水凝胶处理的烧伤创面形成了一个具有毛囊和皮脂腺的成熟上皮结构；经过5周的治疗，可见新生毛发生长，表皮形态和厚度与正常小鼠皮肤相似[14]。随后Shen等[15]研究了葡聚糖水凝胶对猪深度烧伤创面愈合的作用及机制，首先该水凝胶可促进初始炎症反应,持续刺激肉芽组织内的新生血管；其次是有效的血管消退，促进再生愈合过程。葡聚糖水凝胶可显著提高创面愈合质量，减少植皮事故，为临床研究提供依据。

2.3多糖类衍生物-普鲁兰多糖 目前，皮肤替代物已被广泛用于烧伤和慢性皮肤创伤的治疗，但其还存在感染、免疫排斥、不能重建皮肤附属器官以及成本高等问题[16]。普鲁兰多糖是一种相对廉价的微生物多糖，其在自然界中可被微生物降解利用，不污染环境，被誉为无公害塑料。普鲁兰多糖无毒、无免疫原性、无诱变，具有良好的抗氧化能力，因而被认为是一种理想的复合皮肤替代物。明胶是一种不可逆转的胶原蛋白水解形式，被广泛用于水凝胶中。Nicholas等[17]采用溶剂浇铸法和冷冻干燥法将普鲁兰多糖与明胶结合，制造了一种新型廉价的水凝胶——第一代普鲁兰-明胶水凝胶，再用体外培养的人成纤维细胞和角质形成细胞建立蜂窝状双层皮肤替代物，并在皮肤缺损的裸鼠模型中进行体内和体外动物实验，结果显示，蜂窝状普鲁兰-明胶水凝胶结合成纤维细胞和角质形成细胞所形成的这种双层皮肤替代物，具备良好的力学性能和细胞活性以及增殖、分化能力，可促进肌肤再生，加速烧伤和慢性伤口等高炎症性伤口的愈合过程。

2.4多糖类衍生物-纤维素及其衍生物 纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物。纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理学及化学学科的创立、发展以及丰富做出了重大贡献。甲基纤维素(methylcellulose，MC)是一种水溶性纤维素衍生物，以往被用作黏合剂、保水剂、油漆以及食品增稠剂。通过调节分子量、取代度、浓度以及添加电解质等可控制MC的溶胶-凝胶转变。MC在取代度为1.7～2.0时，通过疏水作用在水溶液温度上升时引起可逆的溶胶-凝胶转变，这为制备温度敏感型MC水凝胶提供了必要条件[18]。最近Kim等[19]使用一步法合成了含氧化银纳米颗粒的温敏型MC水凝胶，分别用摇瓶法和烧伤创面实验检测其在大鼠烧伤模型中的抗菌活性和伤口愈合效果。结果显示，含氧化银纳米颗粒的MC水凝胶具有良好的抗菌活性和烧伤创面愈合效果[19]。这种具有温度响应性的MC水凝胶作为一种可用于创伤再生的可注射水凝胶具有巨大的潜力。

相对于植物产生的天然纤维素，细菌纤维素(bacterial cellulose，BC)具有较强的持水能力、较高的生物相容性、良好的生物可降解性、生物合成时的可调控性以及超精细网状结构，以上特性提示其在烧伤领域具有巨大的应用前景[20]。既往研究显示了基于BC的伤口愈合材料的有效性，如采用BC-壳聚糖膜制作的伤口敷料较医用Tegaderm透明敷料表现出显著的上皮化速度和促皮肤再生作用[21]。有研究者从腐烂的苹果中分离出醋酸菌A10，制备了细菌纤维素膜，其通过调节血管生成和结缔组织形成加速烧伤创面的愈合过程[22]。随着研究的深入，有研究者利用微波辐射合成了以BC和聚丙烯酰胺为材料的水凝胶微粒，并验证了其作为局部烧伤创面覆盖材料的可行性。研究表明，该水凝胶微粒是非细胞毒性的，可促进伤口愈合，无局部炎症反应迹象[23]。Mohamad等[24]利用电子束辐照合成了BC/丙烯酸水凝胶，并应用于大鼠烧伤创面。结果发现，BC/丙烯酸水凝胶通过促进新生血管形成、再上皮化以及成纤维细胞增殖，加速创面愈合。在此基础上，该团队在BC/丙烯酸水凝胶中加入了人表皮角质形成细胞和真皮成纤维细胞发现，该水凝胶具有良好的细胞附着性，保持了细胞的迁移能力，并允许细胞转移[24]。动物实验发现，加载细胞的BC/丙烯酸水凝胶加速了烧伤创面的愈合，提示其在烧伤敷料和细胞载体方面具有广阔的应用前景[25-26]。

2.5聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)类嵌段共聚物 PEG水凝胶作为一种水溶性高分子,因具有良好的生物相容性、对水和离子的高渗透性以及可调的力学性能，在组织工程、药物缓释等方面显示出广泛的应用潜能[27-29]。根据疏水性脂肪族多酯类的不同而分类的各种PEG类嵌段共聚物如聚乳酸羟基乙酸-PEG-聚乳酸羟基乙酸嵌段共聚物、PEG-聚三甲基碳酸酯嵌段共聚物、甲氧基聚乙二醇-聚己内酯-聚乳酸三嵌段共聚物等均无毒或具有低毒性、可降解、生物相容性较好，如聚乳酸羟基乙酸-PEG-聚乳酸羟基乙酸嵌段共聚物可作为药物载体承载多肽类及蛋白质类药物，使多肽类及蛋白类药物更具稳定性和溶解性[30]。

刃厚皮片移植(split thickness skin grafts，STSG)治疗深度烧伤虽然可使创面愈合，但由于所用刃厚皮真皮结构较薄，常造成植皮区域愈合后出现瘢痕和挛缩。Burmeister等[31]研究了聚乙二醇纤维蛋白水凝胶(polyethylene glycol fibrin hydrogel,FPEG)搭载脂肪干细胞(adipose-derived stem cells，ASCs)辅助治疗深度烧伤网状刃厚皮片移植术(mesh split thickness skin grafts，mSTSG)后瘢痕挛缩的可行性和安全性。该研究以深Ⅱ度烫伤猪为实验动物，常规行清创术，术后4 d按创面处理术式将实验动物分为STSG组、mSTSG组、搭载脂肪干细胞(剂量递增)的mSTSG+FPEG组，研究发现，搭载脂肪干细胞的mSTSG+FPEG组可促进新生血管形成，且呈剂量依赖性，并最大限度地减少患者供皮数量，加速患者创面愈合，改善深度烫伤患者的预后。Konieczynska等[32]开发了一种可按需溶解的PEG基水凝胶敷料用于Ⅱ度烧伤的治疗，其由树枝状大分子单体赖氨酸和PEG交联聚合、以N-羟基琥珀酰亚胺封端而成，该敷料采用密封伤口设计，可防御细菌感染，并可按需溶解，防止更换敷料所致的二次创伤，为更有效地治疗Ⅱ度烧伤提供了基础。然而更深入的研究表明，相对于PEG或PEG聚合物，具有pH值敏感性的两性离子聚合物具有更广泛的应用潜力[33]。

2.6两性离子聚合物及其水凝胶 两性离子聚合物是指大分子链上同时带有阴、阳离子基团的聚合物。两性离子聚合物具备众多特性如反聚电解质效应、pH值敏感性、等电点现象、挤出效应等。根据阴、阳离子基团所处的位置，两性离子聚合物可以分为polyampholyte类和甜菜碱类，后者大致上可以分为羰基甜菜碱、磺基甜菜碱以及磷基甜菜碱3种，其中磺基甜菜碱具有良好的化学和热稳定性、相等数目的季铵阳离子和磺酸盐阴离子，水化能力强不易受溶液pH值影响。Wu等[33]合成了硫酸化的两性离子聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜碱水凝胶用于小鼠创面，结果发现，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜碱水凝胶能够促进细胞增殖，上调生长因子分泌，激活巨噬细胞从M1到M2的极化。此外，在伤口愈合的过程中，聚甲基丙烯酸甲酯磺基甜菜碱水凝胶可减少亲炎性因子(肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β和诱导型一氧化氮合酶)，从而促进伤口创面愈合[33]。

3 结 语

一个理想的烧伤敷料应:①符合伤口的不规则形状；②具有良好的弹性；③能吸收伤口渗出液，保持伤口湿润；④减少伤口换药时的创伤；⑤具有良好的生物相容性；⑥具有屏障作用，保护伤口免受感染。各种智能型水凝胶因具有较好的环境响应性、细胞黏附性、生物相容性、低毒环保等特点，在烧伤领域显示出巨大的应用前景，但目前智能型水凝胶的开发及应用尚处于基础阶段，大多局限于动物实验，仍需进行不断的探索和实践，从而使智能型水凝胶能够更广泛地应用于烧伤治疗领域。