壳聚糖基骨组织工程支架材料的研究进展

壳聚糖基骨组织工程支架材料的研究进展白永庆;张璐【摘要】壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，是第二大天然高分子，由于其良好的生物相容性、生物可降解性和成型性，作为骨组织工程支架材料越来越受到重视．对壳聚糖为主的复合骨组织工程支架的相关研究进行综述。

可以掌握其在不同的材料体系中的功能作用，并可预见壳聚糖基生物材料在骨组织工程中的发展潜力．%Chitosan (CS) is a deacetylated derivative of chitin, the second abundant natural biopolymer. Due to its interesting characteristics: bioeompatible, biodegradation and the ability to he molded in various geometries, it has more and more attention as bone tissue engineering scaffold materials gradually. It is more valuable to review the research articles about chitosan used in composite bone tissue engineering scaffold. The functions in composite scaffolds can be found by reviews and it would be applied worthily. Extensive using of Chitosan-based biomaterials in bone tissue engineering will be foreknown by this review【期刊名称】《宁夏工程技术》【年(卷),期】2012(011)003【总页数】5页(P280-284)【关键词】壳聚糖;骨组织工程;生物相容性;生物降解性【作者】白永庆;张璐【作者单位】防域港市质量技术监督局,广西防城港538001;惠禹饲料蛋白防城港有限公司,广西防城港538001【正文语种】中文【中图分类】O636.9组织工程可以说是在生命科学与工程技术的基础上，研究和开发具有修复或替代人体组织或器官功能的临床取代物，以承担部分或全部生理功能[1].组织工程的特点是不需要移植整个器官来完成机体修复任务，其研究主要包括3个方面：①细胞外基质替代材料；②细胞的体外培养增殖；③组织工程化组织体内移植[2].骨组织工程是组织工程中发展比较快，研究较多的分支，对其的研究主要集中在骨组织工程支架材料的选择、制备方法的设计优化、支架材料的生物学相关性能等方面.骨组织工程支架材料是种子细胞外基质的替代物，其引导细胞增殖分化与新骨生成，是组织工程化骨的重要组成部分，支架材料性能的优劣直接影响到细胞增殖和体内移植好坏.壳聚糖（chitosan,简称CS）是天然的带正电荷的直链多糖，是由虾、蟹等甲壳类动物提取的甲壳素脱乙酰基的产物，而且一般认为N-乙酰基脱去55%以上称为壳聚糖[3].壳聚糖具有无毒性、良好的组织相容性、可降解性等特点，在生物医药领域有广泛的应用.目前已有壳聚糖在载药释放[4]、牙周组织[5]、皮肤[6]、血管[7]、心瓣膜[8]、角膜[9]等方面修复的研究，在骨组织工程中也取得了可喜的成果.1 壳聚糖壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，由β-(1-4)-2-乙酰氨基-D-葡萄糖单元和β-(1-4)-2-氨基-D-葡萄糖单元共聚而成，基本单元为壳二糖.由于甲壳素脱乙酰度不同（40%～98%），壳聚糖的分子量在50～2000 kDa不等[10].壳聚糖脱乙酰度不同，分子量不同，相应的其生化性质区别也比较大[11].翟佳慧[12]等研究表明分子量为十万的CS，质量浓度为20 mg/L时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果明显.WIAFattah[13]等研究不同脱乙酰度壳聚糖微球发现,微球表面细胞的粘附培养受脱乙酰度影响明显，脱乙酰度越高细胞越容易在其表面生长增殖.壳聚糖是一种线性高分子电解质，并且每个单体带有一个氨基，其氮原子上有一个未结合的电子对，能结合一个氢离子，使氨基呈弱碱性，从而使壳聚糖成为带正电荷的电解质.壳聚糖因含有游离氨基，属于一级氨基，氨基上的氢较活泼，可以发生化学反应，可用具有双官能团的醛或酸酐等交联，其交联产物不易溶解，溶胀也小，性质较稳定.壳聚糖与酸可以生成盐，可以与金属或带负电的有机物结合[14]；其溶液具有一定的黏度，溶液的浓度越高或分子质量越大，黏度越大.壳聚糖在自然界的资源丰富，而且具有良好的生物相容性、生物可降解性、可塑性及抗菌等作用，在诸多组织工程中应用广泛.然而其机械性能差，骨传导性、骨诱导性不好等缺点，限制了它的应用，通过复合其他生物材料或者生化试剂改性以更好地满足骨修复中的要求，提高壳聚糖的应用.2 壳聚糖复合支架作为骨组织工程支架材料必须具备以下条件：三维多孔的连接网络，有利于细胞生长、养分传输和代谢产物的排放；生物相容性和可降解性好，降解速度和吸收速度可以调控，以适应细胞或组织在体内和体外的生长；化学表面适合细胞的粘附、增殖和分化；机械性能与所植入的组织的要求相匹配并具备一定的机械强度和良好的生物相容性[14].而单一材料很难满足这种综合要求，因此，复合支架材料成为人们共同关注的解决方法.常用于骨组织工程中的材料主要有无机材料和高分子有机材料，高分子有机材料主要分为人工合成与天然高分子两类.人工合成的高分子材料有：聚乳酸(polylactic acid,简称PLA）、聚羟基乙酸(polyglycolic acid,简称PGA)、前二者的共聚物(poly-lactic-co-glycolic acid,简称PLGA）及聚己内酯(po1ycapro1actone,简称PCL)；天然高分子材料除壳聚糖外还有胶原、琼脂糖、透明质酸、藻酸盐以及纤维蛋白等.无机材料主要以磷酸三钙 (tricalcium phosphate,简称TCP)、羟基磷灰石(hydroxyapatite,简称HA)为代表.2.1 壳聚糖/羟基磷灰石复合骨支架组织工程的研究最主要的任务是在细胞移植、培养、增殖的基础之上找到一种优良的生物材料作为细胞生长的基体材料，并且这种材料可以制作成多孔结构为移植的组织细胞提供养料.理想的骨支架材料应具备内部相连的多孔结构并能促进新骨向内生长和再生[15]，为达到这个目的，人们有必要寻找生物相容性好、可促进骨细胞增殖的复合生物材料.羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)，是天然骨中主要的无机成分，因其具有良好的生物相容性、骨传导性而被广泛应用在整形外科和骨修复移植中.M C Sunny[16]等用固/水/油（S/W/O）乳液法制备了包埋微米级HA颗粒的壳聚糖微球支架，1 150℃烧结CS后产生孔隙，烧结后的微球形态、大小都有较大变化.微球的大小及孔隙率可由HA的添加量控制.此种微球可以作为局部药物载体、骨损伤填充及引导骨形成的材料.P B Malafaya[17]等利用壳聚糖pH值依赖性，在NaOH溶液中加入HA颗粒与CS混合溶液使其固化析出得到均匀的CS/HA复合微球，将其任意堆叠在3D模具中得到多孔的支架.该支架压缩模量达到132 MPa，孔隙率30%，孔径分布100～400 μm，内部相互连通孔适合细胞培养.YLu[18]等用丙烯酸改性壳聚糖（NCECS）与纳米HA制备复合膜支架.NCECS是一种新的两性聚电解质，包含正电基团（ NH3+）和负电基团（ COO-），比CS具有更好的细胞兼容性，与HA所形成的复合膜力学性适中，细胞粘附及生长实验表明均优于纯NCECS膜.P B Malafaya[19]等用高温烧结的HA与未烧结HA作对比加入到壳聚糖中，并采用一种粒子聚合法制备双膜骨软骨支架.对L929成纤维细胞系采用MTS法测试细胞毒性，结果表明，未烧结的HA复合支架体外实验呈现细胞毒性，可能是二价阳离子的引入诱导细胞毒性.Y Z Zhang[20]等利用两步法合成CS/HA复合材料，运用静电纺丝技术制备生物纳米复合纤维，其中聚乙醇对苯（PEO）作为添加剂用于纤维形成.当HA的量达到30%可以形成稳定的纳米纤维，用醋酸溶液对HA晶体结构起到一定保护；通过细胞增生、矿物沉积等测试，复合纤维相对CS材料，虽然初期抑制了骨形成，但后期表现出明显的诱导骨形成的能力.W W T Han[21]等为提高CS作为骨修复材料的强度添加纳米HA，与纯CS支架材料相比，虽然结构相似，但纳米HA的加入极大地提高了细胞在支架表面的增殖、粘附、扩展，说明HA是影响细胞增殖的关键因素.Q L Hu[22]在醋酸溶液中先加入Ca(NO3)2·4H2O和KH2PO4在搅拌溶解后再加入CS，搅拌，原位生成CS/HA混合高分子溶胶，置于涂有CS膜的圆柱形模具中，在5%NaOH溶液中浸渍、成型、干燥.该方法制备的复合材料呈层状结构，原位生成的HA均匀分散在CS基质中，有效地提高了材料的弯曲强度和弯曲模量，是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和骨水泥的2～3倍，也优于外加混合制备的CS/HA材料.L Zhang[23]等也用壳聚糖与Ca(OH)2,H3PO4的共沉积法合成CS/HA复合骨替代材料，最大压缩强度达到120 MPa，模拟体液浸泡有类骨磷灰石生成，表现出高的生物降解性和生物活性.张利[24-25]等通过共沉淀法合成了CS/n-HA复合材料并研究了其固化机理.复合材料中的羟基磷灰石类似于自然骨矿物相的弱结晶含碳酸的纳米晶体，并均匀分散于有机相壳聚糖中.复合后壳聚糖红外吸收峰均向低波数方向移动，证明复合材料中两相间发生了相互作用.当纳米羟基磷灰石与壳聚糖的质量比为70∶30时，复合材料的抗压强度最高，达120 MPa左右，可满足骨组织修复与替代材料的要求.他们认为骨水泥在介质中快速固化的机理是二价金属阳离子(Zn2+，Ca2+)与壳聚糖的氨基之间发生络合反应，形成了密实的网状结构，赋予固化体较高的固化强度.李红[26]等、王新[27]等、孔丽君[28]等也利用原位沉积法分别制备了CS/HA复合支架材料，其生物活性、生物相容性良好，细胞可以很好地粘附增殖，可以用作骨组织支架材料.综上所述，CS与HA的复合主要有物理混合和原位沉积两种方法，而且原位合成的HA表现出更好的均匀性和键合作用.由于HA的加入，复合材料的力学性，生物活性，细胞粘附、增殖等都有很大的提高，可见CS/HA体系复合材料是很重要的一种骨修复替代材料.不足之处在于其成型技术还有待进一步提高，以便制备出孔隙率适合、孔径大小适中、力学强度更好的复合支架材料.2.2 壳聚糖/磷酸钙复合支架磷酸钙（TCP）是可吸收性生物陶瓷材料，由于其组成与骨材料相似也常被用于骨修复及骨损伤填充材料.它主要有高温相α-TCP和低温相β-TCP两种，两相转变温度为1 120～1 180℃.与HA相比，3种材料的降解速率从大到小为α-TCP，β-TCP，HA[29].在CS复合支架体系中，CS/TCP也是一类重要的材料体系.王彦伟[30]等以壳聚糖为原料,用乳液凝固法合成了壳聚糖微球并在有机模具中将其紧密堆积,形成多孔结构的框架,再将料浆灌注到框架中，干燥后经600℃煅烧、1 200℃烧结,将有机模具及壳聚糖微球烧去,获得具有大孔和贯通式微孔的多孔磷酸钙生物材料.材料孔隙率在60%～70%,大孔直径为80～250 μm,孔径可控且分布均匀,平均抗压强度为4.58 MPa.程文俊[31]等利用CS/β-TCP复合材料制备了一种初期为液态，逐渐固化成具有一定生物力学强度的可注射骨支架.将山羊骨髓基质干细胞（BMSCs）悬液与液态的CS/β-TCP 混合，固化，4h 后即有细胞贴壁，8～10 d后可汇成单层，可见复合材料的细胞相容性好.2.3 壳聚糖与胶原复合材料胶原是软骨组织的主要成分之一，具有良好的生物相容性和降解性，可为成骨细胞粘附、增殖及发挥成骨作用提供良好的微环境，是应用较多的骨组织工程支架材料. L M Wang[32]等用β-GP结合热凝结技术制备了壳聚糖与胶原复合支架，制备的凝胶状材料复合细胞之后可注射损伤部位，强度明显比纯CS凝胶好.在这种材料中胶原可以刺激细胞伸展、增殖，壳聚糖则可提高基因表达使细胞分化.D J Park[33]等在可注射的壳聚糖/明胶支架中加入骨形成蛋白-2和大脑干细胞，小鼠体内注射实验可刺激新骨的形成.姜华[34]等用戊二醛交联胶原-壳聚糖混合溶液，经冷冻干燥制得胶原-壳聚糖复合载体，并进行了系统的生物相容性研究和细胞培养的应用研究.这种复合载体具有良好的生物相容性，对人体无毒性，对细胞有一定的亲和作用，并适合细胞的三维生长，起到良好的支架作用，是一种符合组织工程要求的复合细胞载体.此外还有学者研究了壳聚糖/胶原中添加β-TCP的三元复合材料[35]，经无毒交联、冷冻干燥制备成上层以壳聚糖/胶原为主、下层为三元复合的层状梯度材料，该材料孔径100 μm，孔隙率≥90%，体外培养骨髓间充质干细胞[36]和软骨细胞[37]表明材料细胞相容性良好，表型稳定并能分泌细胞外基质.2.4 其他壳聚糖复合材料K T Shalumon[38]等将浓度为7%的羧甲基壳聚糖(CMC)与浓度为8%的聚乙烯醇(PVA)混合，运用静电纺丝技术制成层层堆积的纳米纤维结构，确保了支架具有良好的孔道连通性，为细胞的生存提供了良好的微环境，利于细胞的增殖分化.T Jiang[39]等制备了壳聚糖/聚乳酸-乙醇酸（PLAGA）三维复合微球作为骨组织支架.复合微球装入不锈钢模具过100℃加热后形成多孔支架，总的孔隙率在28%～37%，平均孔径在170～200 μm，压缩模量和压缩强度满足承重骨的要求；MC3T3-E1类骨细胞在复合支架中培养，增殖效果优于PLGA支架，说明壳聚糖的添加提高了成骨细胞的分化和成熟.他们还研究了复合支架表面固定肝素的效果，支架力学性能无明显变化，通过表面固定肝素提高了成骨细胞的增殖，是对照组的3倍[40]；体外降解性能实验表明加入壳聚糖后支架降解比对照组慢，力学强度逐渐下降；体内实验表明在兔尺骨缺损植入模型中，表面固定肝素钠或人体骨形成蛋白后可以促进早期骨的形成[41].Z S Li[42]等用冷冻干燥褐藻酸盐与壳聚糖混合溶液得到复合的支架.与CS支架相比，由于CS的氨基与褐藻酸的羰基形成离子键，褐藻酸盐的加入提高了支架力学性能，CS支架更稳定，且成骨细胞在表面粘附稳定、增殖良好，短时间即有骨钙化沉积.3 问题与展望壳聚糖在自然界的资源丰富，其结构类似于细胞外基质中的糖胺聚糖，因而具有良好的细胞组织相容性、可降解性及抗菌性，因此在骨组织工程及其他的组织工程中应用广泛.然而其机械性能差，骨传导性、诱导性不强等因素限制了它的应用，通过复合其他生物材料或者生化试剂改性以更好地满足骨修复中的要求，提高了壳聚糖的应用性.作为骨组织工程的支架材料研究只是组织工程的一个方面，种子细胞培养增殖以及材料的体内移植将是更为漫长的探索过程.随着材料科学、生命科学、医学等学科的发展，组织工程的研究已从简单适应生物向功能性、自主性方向，以及解决移植术后的感染和免疫反应方面发展，寻找更符合骨组织工程要求的材料体系将是研究的主要方向.参考文献:【相关文献】[1] LANGER R,VACANTI J P.Tissue engineering[J].Science,1993,260(5110):920-926.[2] 金岩.组织工程学原理与技术[M].西安：第四军医大学出版社，2004:4.[3] 蒋挺大.壳聚糖[M].北京：化学工业出版社，2001:9.[4] DODANE V，VILIVALAM V D.Pharmaceutical applications ofchitosan[J].PSTT,1998,1(6):246-253.[5] 王亚红，张文静，李全利，等.磷酸化壳聚糖膜引导牙周组织再生的实验研究 [J].安徽医科大学学报，2009，44（5）:573-576.[6] 王军，李新松，赵艳秋.壳聚糖多孔支架的制备与生物学性质[J].东南大学学报：自然科学版,2004，34（1）:67-71.[7] 杨文静，付静，何磊，等.静电纺丝制备壳聚糖/聚己内酯血管支架及表征[J].复合材料学报,2011，28(1):104-108.[8] 付建华，赵曼，杜桂英，等.应用骨髓干细胞和自制胶原壳聚糖构建组织工程心瓣膜 [J].第三军医大学学报,2011，33(2):152-155.[9] 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