殼聚糖複合材料及其細胞生物相容性的研究進展
綜述
作者：陳怡霏等
殼聚糖（chitosan，CTS）作為甲殼素脫乙酞氨基後的一種產物，又稱為脫乙酞甲殼素，是纖維素以外第二大最豐富的天然高分子化合物[1]。殼聚糖具有抗微生物、調節血脂、增強機體免疫能力以及抑製腫瘤等生物活性。由於殼聚糖與機體內的氨基葡萄糖類具有相似結構，類似於人體骨膠原組織，而且具有無毒害、良好的生物相容性等特點，在骨組織工程的應用和研究中發展迅速，現針對殼聚糖及其衍生物的生物相容性綜述如下。
1 CTS的結構特點及其生物活性
CTS作為一種甲殼素的脫乙酞化產物，結構上與聚多糖類似，遊離的氨基可使其溶解度及其生物活性大幅度提高[2]。研究表明，CTS具有良好的促成骨作用[3-4]，還可促進小血管生成[5]。Muzzarelli [6]對犬類的研究發現，CTS對成年犬骨缺陷的治療具有良好療效。由於在中性以及堿性環境中溶解度較低，在酸性環境下溶解較大，從而導致其在機體內的運用受到較大限製。Wang[7]提出根據仿生構建的相關理論，對CTS進行磷酸酯化處理，同時引入鈣離子，使之親水性增加。李曉龍[8]對磷酸化的CTS研究發現，由於其具有磷酸酯集團，從而對血漿中磷酸酯有較好的吸附作用，同時將磷酸酯固定在其表麵，形成仿生生物膜，有效地降低了表麵物質與血漿蛋白的作用，且可降低血小板的粘附及其活性，進而防止血栓形成。CTS作為羥基磷灰石類無機質以及膠原蛋白為主要成分的有機物，而在仿生材料中將其具有生物活性的部分植入其骨組織的連接界麵，從而對缺損部位進行修複[9]。對改性後的CTS研究發現，它具有良好的生物活性，有利於成骨細胞、牙周膜細胞等吸附以及聚集，從而促進細胞的分化以及增殖[10]。
2 CTS在羥基磷灰石複合材料中的應用
羥基磷灰石複合材料作為一種具有表麵活性物質的陶瓷，廣泛用於骨組織工程，其不僅具有良好的強度，適應機體運動力學性質要求，而且具有良好的韌性，確保長期使用不會變形[11]。Wang [12]指出當羥基磷灰石複合材料植入機體後，將加速機體的骨礦化過程，從而誘導骨再生，且由於其降解後無毒害物質產生而被廣泛運用。多孔陶瓷由於空隙大、表麵粗糙、脆性大而難以塑性，而CTS具有良好的修飾性，且可加速細胞的吸附，從而可將其塑造成為多種形狀[13-14]。Chen [15]對單純CTS支架與納米羥基磷灰石/殼聚糖複合支架的研究發現，種子細胞在後者中增殖分化的程度明顯高於前者。複合支架可檢測到骨鈣素的表達，而且複合支架具有良好的生物相容性以及骨傳導性[16]。CTS作為一種可降解的生物材料，其結構與聚多糖類似，在機體中遊離的氨基可使其溶解度以及生物活性明顯增加，但是將其作於一種植骨材料時則暴露出其缺乏生長引導和誘導特性的缺點。為了提高其在骨修複中的作用，將CTS與促進骨生長以及相關細胞增殖的材料進行複合使用，磷酸鈣鹽不但具有良好的生物相容性，而且具有變異低等特點，其鈣離子以及磷離子可釋放並沉積在新生骨中，而其釋放的類骨磷灰石微晶可加速骨細胞的增殖和分化，提高其生物相容性以及生物作用[17]。
3 CTS與可吸收膠原複合支架材料的聯合應用
CTS以及膠原作為一種生物體內的高聚物，是骨組織中的主要構成蛋白，而且也是天然的骨移植支架生物材料，具有植骨後生物相容性好，來源充足以及免疫排除反應小等特點[18-19]。但是由於其機械強度低，含水量過大以及骨誘導性差等缺點，使其在骨移植中的應用受到限製[20]。膠原具有特異性分子的識別功能，可促進細胞的增殖和粘附，而且可對細胞的分化有一定的誘導作用，且膠原在機體內降解為氨基酸，具有無刺激、無毒以及無過敏原等特點而作為細胞支架材料廣泛應用於組織工程，但同時由於其力學特點差，且在體內使用時降解速度過快，也使其應用受到一定限製[21-24]。Ragetly等 [25]采用可吸收膠原海綿作為載體研究骨再生作用，發現CTS與可吸收膠原海綿聯合組患者，新骨區以及損傷恢複區明顯高於單純組，從而認為骨可吸收膠原海綿可作為一種對殼聚糖進行緩解的良好載體，使其以穩定速度的釋放，保證骨的形成。
4 CTS與聚乳酸複合支架的聯合應用
聚乳酸作為一種人工合成的高分子物質，不但具有良好的生物活性，而且具有降解可調控，可誘導部分基因轉錄上調等優點，但該類物質也具有親水能力差且降解產物為酸性物質，可改變局部環境的酸堿度等缺點[26]。實驗發現，聚乳酸聯合CTS的骨修複材料，既能良好地保留兩種生物材料的優點，如：生物活性、生物相容性以及力學性質等，而且還改善了生物材料的加工性能，同時，它們的降解產物可相互中和，從而減小了對局部環境酸堿度的影響[27]。Cai [28]對CTS的研究發現，CTS具有較多的氫鍵，從而保證了在其水解過程中對水的滲透以及擴散進行抑製，降低聚乳酸的降解速度。體外研究發現，細胞可迅速擴散到聚乳酸聯合殼聚糖支架的間隙，而且吸附能力較好，提示這種複合材料具有良好的親水性[29]。通過植入肌肉的實驗也證實，聯合材料植入後局部炎症反應少，其生物活性和組織相容性明顯提高[30]。
5 含有生長因子的CTS複合材料的應用
生長因子通過調節細胞的分化以及細胞產物的合成，對成骨過程進行調節[31]。其中轉化生長因子作為一種多功能的生長因子，能夠促進細胞的分化、增殖以及細胞外基質的合成，從而提高了生物材料的活性[32]。此外，生物因子在促進新骨形成、創傷愈合以及骨組織重建等過程中也有較好作用[33]。Lopes等 [34]對骨形態發生蛋白的研究發現，它具有良好的骨誘導作用，主要誘導間充質細胞分化成為骨細胞以及軟骨細胞。同時，骨形態發生蛋白可異位誘導新骨的形成，但其本身不能作為支架材料，需要一種支架材料進行複合作用。而CTS本身含有大量的帶有正電的自由氨基，具有良好的吸附能力，複合加入生長因子後，能夠促進骨的生長[35-36]。
6 展望
骨組織工程作為一種新興學科，主要研究方向為支架材料、種子細胞以及調節因子等[37-38]。而現階段的骨組織工程主要由生長因子以及細胞外基質構成，其中細胞外基質作為一種非細胞性物質，作為軟骨和骨種子的重要構成部分，它為非膠原蛋白和膠原蛋白與糖胺聚糖構成的化學以及物理方法進行聯絡的網絡[39]。CTS作為一種與機體內糖胺聚糖的類似物，具有良好的生物相容性[40]。由於它可與多種生物材料相複合，從而達到可促進骨生長的目的[41]。但現階段對於支架的研究仍有較多問題需要解決，如支架材料降解與新骨形成的速率不相同，生物材料表麵活性物質程度較差，材料的細胞吸附以及促進增殖功能較差等[42]。隨著生命科學以及材料科學的發展，從而保證了生物材料向組織工程學等發展，同時隨著納米材料的廣泛運用，也是生物材料的發展方向。
[參考文獻]
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