殼聚糖的生物相容性

殼聚糖的生物相容性

0生物相似性的鑒定貝殼聚糖是唯一的聚陽離子堿性糖。自然界中的含量低于維生素，資源豐富。在人體內(nèi)可發(fā)生生物降解,降解產(chǎn)物安全、有益,通常認(rèn)為其具有良好的生物相容性,但是這樣的說法有失準(zhǔn)確。殼聚糖在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用目的不同,與人體直接相接觸的部位不同,其生物相容性有不同的呈現(xiàn),分別有組織相容性和力學(xué)相容性、血液相容性3種。確切地說殼聚糖具有良好的組織相容性和力學(xué)相容性,而單純殼聚糖的血液相容性是不良的,這些特性與其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)有關(guān),并且可以通過一些方法改變相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來提高其血液相容性。1數(shù)據(jù)和方法1.1納入與排除標(biāo)準(zhǔn)由第一作者檢索1990/2011PubMed數(shù)據(jù)庫、中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫及萬方數(shù)據(jù)庫。英文檢索詞為“chitosan,biocompatibility,bloodcompatibility,biomedical”,中文檢索詞為“殼聚糖,生物相容性,血液相容性,生物醫(yī)學(xué)”。1.2納入與排除標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn):(1)文章所述內(nèi)容需關(guān)于殼聚糖在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,與其生物相容性等方面的研究密切相關(guān)。(2)同一領(lǐng)域選擇近期發(fā)表或在權(quán)威雜志上發(fā)表的文章。排除標(biāo)準(zhǔn):重復(fù)性研究和報(bào)道。1.3文獻(xiàn)綜述過程共檢索到82篇文獻(xiàn),其中中文文獻(xiàn)65篇,英文文獻(xiàn)17篇,排除與研究目的相關(guān)性差及內(nèi)容重復(fù)的文獻(xiàn)60篇,納入22篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。2結(jié)果2.1殼聚糖對(duì)金屬蛋白和細(xì)胞活性的影響殼聚糖的組織相容性是指殼聚糖與生物體組織,如骨骼、牙齒、內(nèi)部器官、肌肉、肌腱、皮膚等的相互適應(yīng)性。即當(dāng)殼聚糖進(jìn)入心血管系統(tǒng)以外的組織和器官時(shí),組織對(duì)殼聚糖的反應(yīng)和殼聚糖在周圍組織作用下持續(xù)保持有效生物功能的能力。由于殼聚糖本身的結(jié)構(gòu)和特性,表現(xiàn)為與組織良好的相互作用,其組織相容性非常優(yōu)良,這也是殼聚糖具有良好生物相容性的原因。殼聚糖及其衍生物的組織相容性不僅優(yōu)良,而且還表現(xiàn)一定的生理活性:提高免疫活性:殼聚糖對(duì)體液免疫和細(xì)胞免疫都有促進(jìn)作用。這種作用不僅通過大量的整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到證實(shí),而且低分子殼聚糖對(duì)免疫系統(tǒng)某一特定環(huán)節(jié)的直接作用正在引起研究者的關(guān)注。Nishimura等對(duì)殼聚糖的免疫活性進(jìn)行研究,結(jié)果表明:不僅能激活吞噬細(xì)胞及刺激產(chǎn)生單核細(xì)胞激活因子,而且還能刺激T淋巴細(xì)胞的分化增殖,提高NK細(xì)胞活力,誘導(dǎo)白細(xì)胞介素1、白細(xì)胞介素2的產(chǎn)生。石明健等通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究殼多糖對(duì)小鼠免疫功能的影響,結(jié)果表明:能夠促進(jìn)巨噬細(xì)胞的吞噬能力,即增強(qiáng)機(jī)體非特異性免疫功能的作用,同時(shí)還促進(jìn)脾臟抗體生成細(xì)胞的能力,增強(qiáng)刀豆蛋白A誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞增殖,可增強(qiáng)體液免疫及T淋巴細(xì)胞免疫功能。柯海萍等將殼聚糖作用于體外培養(yǎng)的小鼠巨噬細(xì)胞,運(yùn)用相對(duì)定量反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)技術(shù)和酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)(ELISA)技術(shù),檢測(cè)殼聚糖對(duì)巨噬細(xì)胞白細(xì)胞介素18基因轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平的影響。RT-PCR和ELISA結(jié)果表明,巨噬細(xì)胞加入殼聚糖作用24h后,白細(xì)胞介素18基因轉(zhuǎn)錄水平為對(duì)照組的1.7倍(P<0.01),其分泌量為空白對(duì)照組的1.8倍(P<0.01)。證實(shí)殼聚糖可以增強(qiáng)小鼠巨噬細(xì)胞白細(xì)胞介素18的基因表達(dá),使細(xì)胞因子白細(xì)胞介素18基因轉(zhuǎn)錄及翻譯水平增高?？鼓[瘤特性:小分子量的殼聚糖即殼寡糖具有免疫調(diào)節(jié)作用,有抗感染及抗腫瘤活性。Saiki等研究證實(shí):殼聚糖通過誘導(dǎo)局部巨噬細(xì)胞,增強(qiáng)其吞噬功能和水解活性,刺激其產(chǎn)生淋巴因子和炎性遞質(zhì),啟動(dòng)免疫系統(tǒng),有效提高機(jī)體腫瘤免疫等功能。王芳宇等分別用不同濃度水溶性殼聚糖腹腔注射荷瘤小鼠研究其對(duì)抗腫瘤活性因子和NK細(xì)胞活性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)水溶性殼聚糖可顯著促進(jìn)荷瘤小鼠一氧化氮、腫瘤壞死因子、干擾素的生成,提高NK細(xì)胞活性。殼聚糖通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)功能,能增強(qiáng)機(jī)體對(duì)多種病原微生物的抵抗作用,對(duì)實(shí)驗(yàn)性小鼠MethA纖維肉瘤、S180腫瘤、MM44實(shí)體瘤及Lewis肺癌等腫瘤細(xì)胞有抑制效應(yīng)?？咕钚?殼聚糖具有抗菌作用,對(duì)多種細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用,表現(xiàn)出類似抗生素的特征。殼聚糖的分子量、脫乙酰度、溶解用酸、pH值都對(duì)其抗菌作用有很大的影響。劉艷如等采用固體培養(yǎng)基體外抑菌法,觀察了水溶性殼聚糖對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,一定濃度的水溶性殼聚糖對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草桿菌,八疊球菌及放線菌5406有不同程度的抑制作用。促進(jìn)組織愈合和修復(fù)的特性:創(chuàng)面愈合過程主要包括血小板聚集、血液凝固、纖維蛋白形成、炎性反應(yīng)發(fā)生、基質(zhì)變化、細(xì)胞增殖和再生,受損組織修復(fù)和重塑等過程。殼聚糖可促進(jìn)上皮細(xì)胞的再生,通過介導(dǎo)細(xì)胞增殖而促進(jìn)傷口愈合,通過溫和的急性炎性反應(yīng)吸引大量的多形核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞以清除組織碎片和血凝塊。殼聚糖可促進(jìn)纖維細(xì)胞的遷移,對(duì)基質(zhì)細(xì)胞有趨化、遷移、激活作用,并加速細(xì)胞增殖和組織重塑過程,促進(jìn)皮膚組織修復(fù)。吳德升等將2%殼聚糖充入硅膠管再生室中,然后將之套接在10mm間距的大鼠坐骨神經(jīng)缺損處,對(duì)照組以空白硅膠管再生室套接,術(shù)后16周時(shí)對(duì)再生室進(jìn)行電鏡觀察和圖像分析。結(jié)果顯示:殼聚糖可促進(jìn)再生軸突數(shù)目的恢復(fù)以及橫斷面髓鞘面積的增加?？缮锝到庑?殼聚糖是由葡萄糖胺以β-1,4-苷鍵連接而成的線形氨基多糖,一定分子量的殼聚糖在人體的食道、組織內(nèi)都能夠代謝、分解和吸收,具有良好的可生物降解性。苷鍵在酶的作用下容易發(fā)生斷裂,導(dǎo)致生物降解,產(chǎn)物為甲糖和低聚糖,不僅能夠被人體組織吸收,而且呈現(xiàn)良好的組織作用。殼聚糖的降解產(chǎn)物N-乙酰葡糖胺對(duì)組織的瘢痕修復(fù)非常重要。Onishi等用異硫氰酸熒光素標(biāo)記殼聚糖,并采用腹膜注射法將標(biāo)記產(chǎn)物異硫氰酸熒光素(FTC-Chi)注射到小鼠體內(nèi),來研究殼聚糖在體內(nèi)的降解和分布情況,發(fā)現(xiàn)FTC-Chi在注射后1,4,24h快速到達(dá)腎臟和尿液中,幾乎不分布到肝、脾和血液等腎臟以外的組織,在14hFTC-Chi在尿中的含量最高。2.2殼聚糖的血液局域生物醫(yī)用藥物殼聚糖血液相容性是指當(dāng)殼聚糖與血液直接接觸時(shí),血液對(duì)殼聚糖產(chǎn)生的反應(yīng)和殼聚糖在血液中持續(xù)保持有效生物功能的能力。良好的血液相容性應(yīng)該表現(xiàn)為與血液接觸后,不引起血漿蛋白的變性,不破壞血液的有效成分,不導(dǎo)致溶血、血液的凝固和血栓的形成。而單純的殼聚糖本身具有促凝血作用,所以血液相容性很差,常常作為一種很好的止血材料在體外使用。殼聚糖促凝血的原因:目前的研究結(jié)果歸因于殼聚糖的聚陽離子電解質(zhì)的特性,即殼聚糖鏈上的氨基,在凝血過程中起重要作用,可以和血液中的多種成分之間產(chǎn)生反應(yīng),包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板以及各種血漿蛋白。Okamoto等報(bào)道,血小板能夠強(qiáng)烈黏附在殼聚糖的表面,認(rèn)為殼聚糖上帶正電荷的基團(tuán)-NH3+,在血小板的聚集中起重要作用。Carreno等報(bào)道,殼聚糖對(duì)于紅細(xì)胞具有溶血作用,原因是紅細(xì)胞膜表面帶負(fù)電荷的糖蛋白和殼聚糖上的氨基作用,引起紅細(xì)胞膜的彎曲,導(dǎo)致紅細(xì)胞膜破裂,釋放出血紅蛋白。Suzuki等報(bào)道,殼聚糖的脫乙酰度顯著影響其對(duì)補(bǔ)體系統(tǒng)的激活作用,脫乙酰度越高,補(bǔ)體的激活效應(yīng)就越強(qiáng),并且只有水不溶性的分子量相對(duì)較高的殼聚糖才能引起補(bǔ)體反應(yīng),相對(duì)分子質(zhì)量在8800~33000之間殼聚糖的氨基數(shù)量和血液中C3的激活量具有線性關(guān)系。改善殼聚糖血液相容性的方法:殼聚糖的凝血作用,使得殼聚糖的血液相容性較差,作為生物材料與人體的心血管系統(tǒng)直接相接觸時(shí)容易引起血栓,限制了其在生物醫(yī)學(xué)工程特別是與血液相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此,改善殼聚糖的血液相容性成為眾多科學(xué)工作者追求的目標(biāo)。提高殼聚糖血液相容性的方法可以通過化學(xué)方法,也可以使用物理方法。具體包括:(1)對(duì)殼聚糖上的-NH2進(jìn)行化學(xué)修飾,使之呈現(xiàn)負(fù)電性,阻止或降低其和血液中各種成分的作用。殼聚糖上的-NH2和-OH均具有較強(qiáng)的化學(xué)活性,在一定條件下可轉(zhuǎn)化為多種功能基團(tuán),如?；?、磺酸基、羧基等,使殼聚糖分子呈現(xiàn)負(fù)電荷性。由于血液中多種組分,如血紅蛋白、血小板、部分血漿蛋白質(zhì)等,在血液環(huán)境中呈負(fù)電性,血管內(nèi)壁也呈負(fù)電性,因此靜電排斥有利于阻止殼聚糖與血液之間的相互作用,防止凝血的發(fā)生。(2)對(duì)殼聚糖進(jìn)行接枝改性是從減少殼聚糖與血液成分的相互作用、阻抗血漿蛋白吸附的角度來改善其血液相容性的。通常是選用接枝親水性基團(tuán)或鏈,減少殼聚糖表面與血液中多種組分的作用,而呈現(xiàn)優(yōu)良的抗凝血性。(3)殼聚糖的生物化。正常情況下生物體自身具有完備的抗凝血系統(tǒng),含有許多抗凝血活性較高的物質(zhì),將這些具有抗凝血功能的生物活性物質(zhì)通過共價(jià)鍵合、離子鍵合、交聯(lián)等化學(xué)作用負(fù)載到殼聚糖的材料表面或分子鏈上是提高血液相容性的有效手段。其中以肝素化方法的研究最多。(4)物理混合。這是一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法,主要通過吸附方式等分子間的物理作用,將殼聚糖和其他具有較好血液相容性的材料混合使用,以提高殼聚糖的血液相容性。例如將肝素和殼聚糖直接混合,可以在一定程度上改善殼聚糖的血液相容性。但是由于吸附作用比較弱,容易受破壞而使這種改善結(jié)果不能持久有效。2.3殼聚糖在生物材料中的應(yīng)用力學(xué)相容性是指生物材料與人體組織在力學(xué)性能上的匹配。對(duì)于植入體內(nèi)承受負(fù)荷,甚至要求具有彈性形變等力學(xué)性能的材料,其力學(xué)性能要能夠和植入部位的組織相適應(yīng)或相匹配。用于人體的生物材料或多或少要承受一定的負(fù)荷,同時(shí)與周圍組織發(fā)生協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)一定的生物機(jī)械功能,在這個(gè)過程中生物材料會(huì)與周圍組織產(chǎn)生相互作用,所以與周圍組織在力學(xué)性能上相互匹配是保證發(fā)揮其生物機(jī)械功能的基礎(chǔ)。由于殼聚糖具有和纖維素類似的大分子鏈結(jié)構(gòu),剛性很強(qiáng),所以有較高的強(qiáng)度和模量,力學(xué)性能良好。另外,還可以通過化學(xué)方法調(diào)節(jié)其分子量來獲得與人體不同部位組織的強(qiáng)度相匹配的改性殼聚糖衍生物,以滿足臨床要求的需要。殼聚糖及其衍生物可以加工成為絲、膜等用于手術(shù)縫合線、人工皮膚、血液透析膜、骨骼修復(fù)材料等。殼聚糖手術(shù)縫合線的機(jī)械強(qiáng)度好,其強(qiáng)度與Dexon相當(dāng)。力學(xué)性能良好,打結(jié)不易滑脫,在膽汁、尿、胰液中拉力強(qiáng)度的延續(xù)性比腸線、PGA纖維好。在使用初始的10~15d中有很大的強(qiáng)度,然后強(qiáng)度迅速下降,有利于生物體的迅速吸收,傷口愈合后,縫合線可自動(dòng)分解被組織吸收,無須拆除手術(shù)線。并且還可以通過將殼聚糖與其他功能材料混合使用,根據(jù)不同傷口愈合速度,制作具有不同降解速率的手術(shù)縫合線。3殼聚糖衍生物生物醫(yī)用材料的合成殼聚糖具有優(yōu)良的組織相容性、無生物排斥性、不引起過敏反應(yīng),生物可降解性,可以在抗菌消炎、促傷口愈合等方面發(fā)揮其生理功能,是優(yōu)異的醫(yī)用敷料及組織工程材料。單純的殼聚糖血液相容性很差,只可用作止血材料。殼聚糖分子鏈上活潑基團(tuán)的存在為有效解決這個(gè)問題提供了基礎(chǔ),現(xiàn)已合成多種具備抗凝血性能的殼聚糖衍生物,并且有越來越多的研究者從事這方面的研究工作。殼聚糖力學(xué)相容性良好,可以很方便地獲得與人體不同部位組織力學(xué)性能相適宜、臨床治療需要的殼聚糖及其衍生物生物醫(yī)用材料。綜上所述,殼聚糖作為可生物降解的高分子材料,具有良好的組織相容性及與人體的組織相匹配所需要的力學(xué)相容性,所以被逐漸應(yīng)用于人工皮膚、手術(shù)縫合線、眼科修復(fù)、人工骨骼、牙齒修復(fù)、腫瘤治療等方面。但由于殼聚糖的