壳聚糖-氧化石墨烯复合水凝胶在骨缺损中的应用*

王雅倩,洪莹莹,周小莉,宋健,詹玉林△

(1.上海海洋大学 水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306；2.上海海洋大学 科学技术部海洋生物科学国际联合研究中心，上海 201306；3.上海海洋大学 农业部淡水水产种质资源重点实验室，上海 201306；4.上海中医药大学健康医学院，上海201203；5.上海健康医学院附属第六人民医院东院骨科，上海 201306)

1 引 言

在骨科疾病中，因创伤、肿瘤切除等原因造成的骨缺损是临床上一个比较棘手的问题，目前采用可生物降解的生物医用材料结合抗炎、抗菌的药物或生长因子促进成骨细胞的生长，最终可达到治愈骨缺损的目的。应用于骨组织中的生物医用材料除可生物降解外，还应具有一定的机械性、低毒性和良好的生物相容性。水凝胶是一种交联的三维(3D)网络状聚合物,含有高密度的亲水基团，对水的亲合力较好，能够吸收数倍的水而不解体，可以加固骨缺损部位，并可作为传递治疗剂和药物的载体，具有显著的膨胀、渗透和易于调节等特性[1-2]。目前合成水凝胶的聚合物有壳聚糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素、明胶、聚乙烯醇、透明质酸钠、普鲁兰多糖和葡聚糖等，基于壳聚糖的水凝胶因具有良好的生物可降解性，已广泛应用于骨组织工程中。目前，壳聚糖及其复合物已在神经修复[3]、伤口愈合[4]、组织工程和药物运输等方面取得很大的进展。我们在此主要综述了壳聚糖和氧化石墨烯以及其衍生物在骨缺损中应用的研究进展。

2 壳聚糖的结构和特点

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由甲壳素经脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫等甲壳动物的外壳以及真菌的细胞壁中，价格低廉，获取方便[5]。壳聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性以及抗菌、抗氧化、低毒性等特点[6-7]。但在作为骨修复材料时，单一的壳聚糖具有机械强度差和溶胀率高的缺点[8]，存在一定的局限性。因此，目前通常使用壳聚糖与天然的聚合物、无机材料以及生物陶瓷等复合形成骨修复材料，以弥补其机械强度上的缺点。

3 氧化石墨烯的结构和特点

氧化石墨烯是通过强氧化剂改性石墨烯得到，它的每一层均由羟基和环氧官能团组成，边缘由羧基组成，这些含氧官能团使氧化石墨烯有利于提高水凝胶的机械强度和亲水性[9-14]。氧化石墨烯可通过疏水静电相互作用与蛋白质相互作用的能力[15]增强生物相容性，以适合在体内的应用。它还具有较高的机械强度和导电性[11]，在骨组织的应用中具有独特优势。氧化石墨烯具有大的特殊表面积，氢键与吸附物的静电相互作用[16-17]等特点，均有利于药物的转载，并且其在水和其他水性介质中的优异分散性以及制作简单，在药物输送和组织工程等生物医学领域发挥着独特作用。

4 壳聚糖/氧化石墨烯及复合物水凝胶材料在骨缺损中的应用

4.1 水凝胶的结构与特点

水凝胶是一类独特的材料，由高分子链通过物理、离子或官能团相互作用交联而成，形成能够吸收数倍水而不会崩解的3D网络结构[18-19]，并且可以向不同类型的细胞传递物理和化学信号，指导细胞的行为，如细胞粘附、增殖、迁移和分化[20-22]。通常使用京尼平、β-甘油磷酸钠、戊二醛等化学交联剂帮助形成水凝胶，其中较多戊二醛的使用对人体有一定的毒性，京尼平是传统中药杜仲的提取物，是一种天然的交联剂，具有低毒性、交联能力强等特点，但成胶时间过长。β-甘油磷酸钠主要应用于温敏性水凝胶的制作[23-25]，它可以与壳聚糖在生理温度(37℃)下短时间内形成水凝胶，是基于天然聚合物的水凝胶，与基于电学或pH的交联水凝胶相比，壳聚糖/β-甘油磷酸钠水凝胶对周围组织无潜在的不利影响[26-27]。

4.2 单纯的壳聚糖/氧化石墨烯复合水凝胶

壳聚糖是一种含有胺和羟基官能团的阳离子生物聚合物，具有良好的凝胶和成膜能力，无毒性和高PH敏感性，是用作智能药物递送系统的天然材料[28]。氧化石墨烯是一种阴离子化合物，可与壳聚糖通过静电相互作用形成水凝胶聚合物，氧化石墨烯的加入有效提高了复合水凝胶的孔隙率、机械强度和导电性等。Saravanana等[29]制备了含有氧化石墨烯的壳聚糖/β-甘油磷酸钠温敏性水凝胶，并评估了其对骨缺损再生的潜力，实验表明即使加入氧化石墨烯，水凝胶仍然保持其热敏性和注射性能，且加入氧化石墨烯显著提高了蛋白质的吸附和膨胀能力，还控制了合成水凝胶的降解行为，并且水凝胶与骨髓间充质干细胞生物相容性好。Mahboubeh等[30]制成了壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶，并分析其对神经细胞黏附和增殖率的影响。结果表明，氧化石墨烯的加入不仅改变了水凝胶的孔隙结构，而且提高了水凝胶的机械强度。此外，氧化石墨烯的加入使神经细胞的生长速度提高了20%，这是由于氧化石墨烯的加入，显著提高了水凝胶的孔隙率和褶皱程度，为细胞的粘附和增殖提供了足够的空间。但是单纯的壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶在许多方面还存在不足，如成胶时间过长、无法达到理想的凝胶效果和降解速度过快等，在以后的研究中可以通过尝试构成一些三相复合水凝胶或控制交联剂的用量等来进一步优化。

4.3 壳聚糖、氧化石墨烯和金属离子复合水凝胶

金属离子尤其是银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钙(Ca)、锌(Zn)、铜(Cu)[31]等，具有抗菌活性高、低毒、化学稳定性好、耐高温等特点，这些金属离子与天然或合成的生物聚合物结合后可应用于骨组织工程，研究表明微量金属离子的加入有效改善了材料的机械性能和生物活性。Ramesh等[32]成功合成了可注射锌掺杂壳聚糖温敏水凝胶，实验表明锌离子的加入增加了水凝胶的抗菌特性，且可以促进成骨细胞分化。Rasoulzadehzali等[33]研究了pH值为1.2和6.8时，含有不同量的氧化石墨烯/银离子纳米杂化颗粒的装载阿霉素的壳聚糖/氧化石墨烯/银离子纳米复合材料珠的药物释放行为,结果表明随着氧化石墨烯/银离子纳米杂化颗粒含量的增加，阿霉素的初始爆发释放显著降低，且银离子的加入也有效提高了材料的抗菌性。Shi等[34]描述了一种利用钙离子相互作用制备新型羧甲基壳聚糖-氧化石墨烯复合粒子，将水凝胶复合材料在水中混合，然后滴入氯化钙溶液中固化水凝胶微粒，微粒的平均尺寸是275 μm，钙离子的加入使该水凝胶吸附阿霉素、牛血清白蛋白等多种药物的效率提高，最高载药量达到(0.45±0.19) mg/mg，且缓释效果良好。金属离子的加入不仅降低了药物的初始爆发，增加了凝胶的孔隙率，而且还结合了金属离子的抗菌抗炎的优势，增加了复合水凝胶的抗菌效果，可以更好地治疗和修复由革兰氏阳性菌引起的骨感染和骨缺损。

4.4 壳聚糖、氧化石墨烯和无机材料复合水凝胶

人体骨骼由30%的有机物质(主要是胶原蛋白)和70%的无机物质组成，无机物质主要是羟基磷灰石，是一种磷酸钙，具有良好的骨传导性和无毒性，被认为是应用于骨组织中的理想材料，但由于羟基磷灰石固有的脆性和非常缓慢的降解速度，在制成水凝胶时受到了严格的限制[35]。Yu等[36]通过使用交联剂京尼平(GNP)和还原剂抗坏血酸钠(NaVC)制成的壳聚糖/氧化石墨烯/羟基磷灰石三维水凝胶，既有氧化石墨烯的致密定向微观结构和高机械强度，也有羟基磷灰石的固定能力和高孔隙率，这种三维结构增加了药物的装载量和细胞的附着面积，有利于细胞的附着和增殖。二氧化硅材料具有生物相容性好、比表面积大、孔隙大、载药量大、表面改性良好等[37]优点，还可以和混合物中的聚合物基体形成紧密的界面，现已成为药物输送系统的潜在候选材料。Khoee等[38]合成了一种用于阿霉素传输系统的pH反应壳聚糖包裹氧化石墨烯多孔二氧化硅纳米颗粒，对不同pH条件下的载药率和药物释放特性进行了表征分析，发现在较低的pH值下，阿霉素的累积释放量大于生理pH值，二氧化硅的加入增加了阿霉素的装载，延长了药物的缓释时间。不仅如此，壳聚糖/氧化石墨烯还可与来源广泛的海藻酸钠以及胶原、透明质酸等结合，协同三者特性以获取理化性质和载药性质更加优异的复合水凝胶材料。

5 总结与展望

临床上应用于骨组织工程的材料除了要具有良好的生物相容性、体内可降解以及低毒性外，还应具有良好的骨传导性和机械性能，有利于自体骨的紧密结合。壳聚糖与氧化石墨烯形成的复合水凝胶不但具有良好的生物相容性、生物可降解性、低毒性，而且具有一定的机械性能、孔隙大小均匀和表面积大等特点，有利于成骨细胞的粘附和增殖以及较高的载药能力，可用于亲水和疏水性药物的装载。在骨缺损和骨修复的治疗中，壳聚糖/氧化石墨烯水凝胶还存在一些短板，如交联剂β-甘油磷酸钠、戊二醛的过多使用对周围组织有一定毒性，以及成胶时间过长、无理想的抗菌抗炎效果和药物初始突释等。随着生物医学工程的发展，逐渐使用的三相复合水凝胶使之兼具三者的优点，以达到更好的临床效果。

综上所述，复合水凝胶今后可从以下几个方面开展研究：(1)选择无毒或低毒的交联剂以减少材料的细胞毒性，以及如何降低成胶时间。(2)深入分析壳聚糖/氧化石墨烯的混合比例对药物负载率、释放率以及对细胞增殖分化的影响，选择最优比；(3)优化水凝胶的制作方法，以实现低成本、大规模的制作。期待在不久的将来，壳聚糖/氧化石墨烯复合水凝胶能够早日应用到骨修复和骨缺损的临床治疗方面。