二十一世纪医药领域新材料：甲壳素

二十一世纪医药领域新材料：甲壳素
时间：2009-7-17 14:09:49 作者： 来源： 浏览：热门关注
早在400年前，《本草纲目》中就有螃蟹壳应用的记载，这是甲壳素最早的应用纪录。
1811年，法国H.Braconnot教授最早分离出甲壳素，他用温热的稀碱处理蘑菇，得到一些纤维状的残渣，他以为是纤维素，并命名为Fungine,意思是真菌纤维素。12年后也就是1823年，另一位法国科学家A.Odier从昆虫的翅鞘中分离出同样的物质，命名为Chitin，即铠甲、信封的意思。
1859年法国C.Rouget第一次分离出壳聚糖，命名为Chitosan。
从发现甲壳素后的一个半世纪，甲壳素的研究进展缓慢。20世纪下半叶，随着对纤维素、蛋白质和甲壳素及其他糖类等生物大分子的研究，有机化学诞生和发展起来。甲壳素的研究重心也从欧洲转向日本。
1977年英国Muzzarelli教授发起并主持了第一届甲壳素和壳聚糖国际会议，以后每2年召开一次。在1991年的会议上，美、欧的医学科技界、营养食品研究机构将其誉为第六要素。
我国于1952年开始研究。20世纪90年代是研究的全盛时期。1997年，研究开发课题列入国家科委九五攻关计划，归属863计划。2000年前后酶法生产壳寡糖的方法被攻克。
近年来，我公司研究人员对甲壳素及其衍生物进行了深入研究，提供了许多有价值的资料，展示了它广阔的应用前景。本文对甲壳素在医药上的应用做一简介，以利于这一资源的开发和利用。
下面就甲壳素及衍生物的生物功能及其临床应用综述如下：
甲壳素及几丁聚糖的许多临床医学应用不仅仅是依据其独特的理化性质、无毒性、生物可降解性以及良好的生物相容性，更重要的是基于其优异的生物学功能。为全面了解认识其生物学功能，国内外做了大量基础研究，我们在此基础上也做了许多实验研究。在此，仅以其重要的五大功能，即：对机体细胞生长的调节作用、抑制微生物生长的作用、对凝血功能的调节作用、促进创面愈合作用以及吸附作用逐一予以阐述。值得着重指出的是，对机体细胞生长的调节作用不仅对临床某些疾病的治疗发挥巨大作用，而且这几项功能协同作用发挥了较为完整且十分理想的临床治疗效果。总结几年的经验，提出治疗术后组织粘连的理想模式或基本要求：1、能有效地防止组织粘连的形成，但不能影响切口愈合；2、能有效止血；3、能抑制微生物生长；4、不影响细胞及细胞的正常功能；5、无毒性、不致敏、生物相容性好。显然某一种物质能同时满足上述几项要求是十分困难的，但是几丁聚糖却以其独特的生物学功能，较为完整地适应上述要求，即

：几丁聚糖能抑制成纤维细胞的生长，从粘连的源头之一发挥作用，又能有效地调节止血功能，从粘连的源头之二予以控制。同时，它在防止术后组织粘连的过程中，不仅促进上皮细胞生长，还能促进伤口愈合，提高愈合质量。作为一种生物医用材料，经过检测及几十年实践均已证实是十分安全的。因此，当今临床医学上防止术后组织粘连方面，几丁聚糖以其完整的多功能协同作用，理所当然成为首选。下面本文就从抗菌抗感染、对机体细胞生长的调节作用、对凝血功能的调节作用、促进创面愈合作用以及吸附作用这五个方面予以阐述。
一、甲壳素的生物功能
1、抗菌抗感染
甲壳素及其多种衍生物均具有不同程度的抗感染作用，以甲壳素六聚糖为最强。小分子的脱乙酰甲壳素具有质子化铵，质子化铵与细菌带负电荷的细胞膜作用，吸附和聚沉细菌，同时穿透细胞壁进入细胞内，扰乱细菌的新陈代谢及合成而具有抗菌作用。夏文水、吴焱楠研究认为，相对分子量为1500的脱乙酰甲壳素对大肠杆菌的抑制效果最强，随着分子量增大，则抑菌作用下降。正光华发现，脱乙酰甲壳素对金黄葡萄球菌、大肠杆菌、小肠结尖耶尔氏菌、鼠伤害沙门氏菌和李斯特单核增生菌，均有较强的抑制作用。中国纺织大学吴清基教授已成功地将甲壳素制成无纺布、流延膜、涂层纱布等多种医用敷料用于临床，其中甲壳素与醋酸制成的无纺布透气透水性能极佳，用于大面积烧伤烫伤，抗感染和促进伤口愈合效果很好。目前上海市每年可生产甲壳素医用材料约100吨。
2、细胞生长的调节作用
几丁质及其衍生物对机体细胞生长的调节作用着重表现在两个方面：促进作用和抑制作用。文献报道较多的是几丁聚糖的细胞吸附作用，主要是对红细胞和肿瘤的吸附作用，这直接与其止血、抗肿瘤转移等生物功能有关。对机体细胞的激活作用也许是几丁质及其衍生物最令人感兴趣的一个生物特性，这个特性是使其具有免疫调节、促进创面愈合等作用的主要原因。此外，还表现在对培养细胞生长的影响上。一些研究人员发现，几丁质及其衍生物能激活巨噬细胞、T和B淋巴细胞、NK细胞等，几丁聚糖能诱导一些细胞因子的产生，如IL-1、干扰素、巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤坏死因子等的产生，通过这些因子的作用可影响其他一些细胞的功能，如淋巴细胞活性、成纤维细胞功能、内皮细胞的功能等。其中对成纤维细胞功能的作用主要是影响其增殖和胶原合成等。在细胞培养实验中可观察到，含几丁质及其衍生物的培养基可使内皮细胞和上皮细胞的活性有所增加。几丁

质及其衍生物对机体细胞的抑制作用，主要是抑制成纤维细胞、肿瘤细胞和平滑肌细胞的生长。
3、对凝血功能的调节作用
几丁质及其衍生物对凝血机制的影响表现在两个方面：一是很早就发现几丁质本身具有止血作用；二是几丁质的某些衍生物具有抗凝血功能，取决于其化学结构和分子量。
止血作用，Klokkevold等通过实验直观地观察到几丁聚糖的止血活性。他们给兔舌的两侧作切口，一侧以几丁聚糖治疗，另一侧为无几丁聚糖治疗的对照组。结果发现，接受几丁聚糖治疗的兔舌切口的止血功能得到提高，其出血时间比对照组缩短32%；用血小板功能拮抗剂epoprostenol制成兔血小板功能障碍模型，作舌侧切口后应用几丁聚糖治疗组，与对照组相比出血时间缩短56%；进一步用肝素破坏兔正常的3倍，出血时间也延长时间比对照组缩短43%，从而能使肝素化动物模型的舌切口的出血时间恢复到正常的范围，可见几丁聚糖的止血活性是相当强的。
关于几丁聚糖止血作用的机制，众多学者认为，与正常的血液凝固机制有关，这一点得到血细胞凝固试验和聚集试验的证明。现在已经很明确的是，几丁聚糖能通过其与红细胞膜之间的相互作用，主要是对红细胞的凝集作用而实现其止血作用。
早在20世纪60年代，Evans和Kent就描述过几丁聚糖的细胞吸附和细胞凝集作用。他们观察到几丁聚糖能有效地吸附和凝集很多种哺乳动物细胞和微生物细胞，这也就是几丁聚糖后来用于抑菌和杀虫的理论基础，而几丁聚糖对哺乳动物细胞的吸附和凝集作用，特别是在很低浓度时就能使红细胞凝集，是其具有止血活性的主要原因。
正常的凝血过程就是纤维蛋白质在一系列凝血因子的作用下转化为纤维蛋白，线状的纤维蛋白纵横交错并将血细胞网织其间，便形成了正常的纤维蛋白凝血块。将人的血液肝素化后，肝素会抑制血清中的纤维蛋白原转化为纤维蛋白，而使血细胞不能凝集，导致凝血障碍。几丁聚糖（1g/L）能介导肝素化人血凝固，产生凝血块。与正常纤维蛋白血凝块中具有干净而光滑的表面的红细胞相比，此凝血块中的红细胞膜表面有片状物吸附，并有非纤维蛋白线状物存在，这些物质也能导致红细胞的凝集。此外，以几丁聚糖制成的纤维海绵对红细胞也有明显的吸附作用。
在几丁聚糖介导的凝血块中，可见到红细胞膜表面有明显的几丁聚糖包被，还能观察到明显的红细胞变形现象，这种红细胞变形现象在应用抗-A或抗-B血清凝集红细胞时也非常普遍。红细胞经过洗涤后与几丁聚糖反应仍能生成凝血块，这就进一步说明了排除其他因

素几丁聚糖也能直接促使红细胞发生凝集。所有这些都表明，几丁聚糖对红细胞有明显而直接的吸附作用和凝集作用。
4、促进创面愈合作用
创面或伤口快速、有效的愈合，对于所有病人无疑都是非常重要的。那些创面愈合能力低下或者因创面不迅速愈合就会有很高并发症发生率的病人，如糖尿病、接受激素消费治疗、压疮、大面积或严重组织损伤、烧伤等病人，若创面不能很快愈合则情况更为严重，甚至是致命的，应想方设法寻求创面尽快愈合。如何促使创面快速、有效地愈合，一直是医学界不懈探索的领域和方向之一。
创面愈合，就是恢复活组织的连续性，是有关类型细胞对损伤的一种整体性反应。其过程包括：血小板聚集、血液凝固、纤维蛋白形成、炎性反应发生、基质变化、内皮细胞及毛细血管增殖和表面覆盖。某些类型细胞再生，可变的收缩和再塑形，直到受损组织表面，被胶原等所覆盖，愈合过程才算完成。对愈合过程中任何一个环节发生影响，也就能影响到整个愈合的过程。
早在20世纪初，人们已经注意到不同动物来源的软骨组织都具有强大的加速创面愈合的作用，并开始进行研究。到60～70年代，许多学者发现不同软骨组织所具有的促进创面愈合活性作用强弱在于其葡糖胺浓度高低。因为葡糖胺是几丁质的主要成分，也因为软件包骨组织的来源并不算很丰富，这些学者转达而将几丁质作为创面愈合的促进剂。研究发现，几丁质及其衍生物具有止血、止痛、抑制微生物生长等作用，这些作用对于创面愈合都有积极意义，而其对巨噬细胞、成纤维细胞等的调节作用是可能的作用机制。现在几丁质及其衍生物具有促进创面愈合作用已被众多学者的研究所证明。Yano等的研究也证明，几丁质能加速鼠皮肤伤口愈合，且伤口的抗张强度增加。几丁质及其衍生物所具有的促进创面愈合作用已在临床得到应用，在日本和欧洲等国已有其不同的制品如绷带和人工皮上市，并服务于
社会。
5、吸附作用
几丁聚糖及其衍生物作为吸附剂，在生物学、临床医学中的应用近年来越来越受到广泛重视。基于几丁聚糖独特的分子结构以及分子中大量存在的羟基、氨基等活性基团，行施着强力的吸附作用。实验表明，吸附有化学吸附和物理吸附，吸附能力的强弱受环境条件，如温度、PH、离子强度以及其本身的形状，如粉末、多孔状等因素的影响，但目前人们已能较好地掌握并运用。如对金属离子的吸附，掌握其螯合作用条件，不仅能很好地富集所需的金属离子，而且能在临床医学中，为解救重金属离子中毒发挥十分重要的

作用。又如，几丁聚糖能吸附胆固醇、胆红素、脂蛋白，不仅参与其调节并能获得控制以致降低了冠心病的发病，使动脉粥样硬化指数显著降低。再如，几丁聚糖藉其吸附作用机制能有效地吸附氨基酸、蛋白质、核酸以及酶类，并在蛋白质纯化、酶的固体，类毒素的清除方面取得了明显有效和结果。
二、甲壳素在制药上的应用
1、药物制剂方面
含甲壳素60％的片剂可按零级动力学释放药物有效成分，并完全符合药典规定的崩解要求。沢柳等将甲壳素与乳糖、盐酸心得安混合后直接压片，井上等将难容于水的泼尼松与脱乙酰甲壳素混合后直接压片，溶出实验均证明其在胃液中呈零级释放。川岛等用湿法制备甲壳素与阿司匹林颗粒，干燥后压片，此片剂在人造胃液或肠液中均呈缓释性，释放速度与甲壳素的浓度有关。
李平等将洛美沙星、明胶与脱乙酰甲壳素制成每片含洛美沙星13.33毫克的药膜，用于治疗口腔溃疡，疗效很好。孙多生应用甲壳素制得微型胶囊的半透膜可以阻止动物细胞抗体蛋白进出，但允许营养物质、代谢产物和细胞分泌的激素等生理活性物质出入，保证了细胞的长期存活。甲壳素还可以作为辅料制成微粒、微囊、粉剂及栓剂等。
2、在发酵及酶工程领域
Weir等1993年成功地将难以与发酵液分离的酵母用脱乙酰甲壳素进行了分离。青岛海洋大学刘万顺等将脱乙酰甲壳素作为絮凝剂用于谷氨酸发酵液菌体絮凝技术
5、吸附作用
几丁聚糖及其衍生物作为吸附剂，在生物学、临床医学中的应用近年来越来越受到广泛重视。基于几丁聚糖独特的分子结构以及分子中大量存在的羟基、氨基等活性基团，行施着强力的吸附作用。实验表明，吸附有化学吸附和物理吸附，吸附能力的强弱受环境条件，如温度、PH、离子强度以及其本身的形状，如粉末、多孔状等因素的影响，但目前人们已能较好地掌握并运用。如对金属离子的吸附，掌握其螯合作用条件，不仅能很好地富集所需的金属离子，而且能在临床医学中，为解救重金属离子中毒发挥十分重要的作用。又如，几丁聚糖能吸附胆固醇、胆红素、脂蛋白，不仅参与其调节并能获得控制以致降低了冠心病的发病，使动脉粥样硬化指数显著降低。再如，几丁聚糖藉其吸附作用机制能有效地吸附氨基酸、蛋白质、核酸以及酶类，并在蛋白质纯化、酶的固体，类毒素的清除方面取得了明显有效和结果。
二、甲壳素在制药上的应用
1、药物制剂方面
含甲壳素60％的片剂可按零级动力学释放药物有效成分，并完全符合药典规定的崩解要求。沢柳等将甲壳素与乳糖、盐酸

心得安混合后直接压片，井上等将难容于水的泼尼松与脱乙酰甲壳素混合后直接压片，溶出实验均证明其在胃液中呈零级释放。川岛等用湿法制备甲壳素与阿司匹林颗粒，干燥后压片，此片剂在人造胃液或肠液中均呈缓释性，释放速度与甲壳素的浓度有关。
李平等将洛美沙星、明胶与脱乙酰甲壳素制成每片含洛美沙星13.33毫克的药膜，用于治疗口腔溃疡，疗效很好。孙多生应用甲壳素制得微型胶囊的半透膜可以阻止动物细胞抗体蛋白进出，但允许营养物质、代谢产物和细胞分泌的激素等生理活性物质出入，保证了细胞的长期存活。甲壳素还可以作为辅料制成微粒、微囊、粉剂及栓剂等。
2、在发酵及酶工程领域
Weir等1993年成功地将难以与发酵液分离的酵母用脱乙酰甲壳素进行了分离。青岛海洋大学刘万顺等将脱乙酰甲壳素作为絮凝剂用于谷氨酸发酵液菌体絮凝技术的研究，发酵液中菌体的去除率达98％以上，此项技术已获国家发明专利。姜涌明等用脱乙酰甲壳素为载体，对木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶及胃蛋白酶进行固定化，其活力回收率分别达47％、50％、74％和55％，酶的稳定性得到明显提高。
3、在细胞工程领域
利用动物细胞大规模培养技术，可以制备稀有的生化药物和细胞活性因子等产品。研究证明，脱乙酰甲壳素是一种新型的细胞大规模培养用的优质材料。陈西广等已利用其作为主要原料制成一系列微载体，这种微载体耐高温高压，可湿热除菌。通过细胞培养实验，这种微载体能适宜来源于不同物种的细胞在其表面高密度生长。
4、化学反应的催化剂
脱乙酰甲壳素因分子链上具有相邻的羟基和氨基，对过渡金属和稀土金属有选择性螯合作用，形成的配合物能催化某些化学反应。如甲壳素－钯配合物对某些有机化合物氢化反应显高的催化氢化活性。
5、分离膜
甲壳素可制成交联膜、共混膜、超滤膜等，在工业中有很大用途。脱乙酰甲壳素制成的膜，与传统的醋酸纤维膜比较，具有较高的脱盐和透水性能，可以透过尿素、氨基酸、肌酸内酰胺等有机低分子，但不透过K+、Na+、Cl-等无机离子，对2价金属盐的截留效果更好。日本人用甲壳素制成高性能分离膜，与蒸馏法分离水和乙醇相比，能耗降低1/2至1/3。另外，甲壳素在某些混合溶剂中经处理可做超滤膜使用，拉伸强度是铜玢膜的2倍。
三、甲壳素在医疗卫生方面的应用
1、缝合线
脱乙酰甲壳素可制成纤维做手术缝合线使用，其强度与Dexon相当，在血清、尿、胆汁、胰液中仍保持良好的拉力。在伤口愈合后，缝合线可自动分解被

组织吸收。
2、人造皮肤
1986年，楼宝成等研制成功人造皮肤，并在临床应用中取得可喜成果，1987年该技术获国家发明专利。这种人造皮肤不致敏、无刺激、无吸收中毒及占位排斥现象，而且透气性能好，还具有止血、抑痛和促进皮肤生长的作用。
3、骨组织、神经组织修复
1994年Muzzavelli等发现与咪唑基共价交联的脱乙酰甲壳素可以促进羊股骨的损伤修复。Klokkcvold P.R等研究表明，脱乙酰甲壳素能促进骨源细胞的分化，并能促进骨骼的形成。吴德升等将2％脱乙酰甲壳素充入硅胶管再生室中，然后将之套接在10毫米间距的大鼠坐骨神经缺损处，对照组以空白硅胶管再生室套接，手术后16周时，对再生室进行电镜观察和图像分析。结果显示：脱乙酰甲壳素可促进再生轴突数目的恢复以及横断面髓鞘面积的增加。
4、止血剂
与抗凝血作用相反，甲壳素的某些衍生物具有优良的凝血作用。
5.用几丁质纤维制成新生儿护脐敷料
在临床上得到很好效果，它不仅能减少新生儿脐炎、脐水肿的发生；防止脐渗血、加速脐愈合，而且还能降低新生儿中、重度黄疸的发生率。
6、降脂和防治动脉硬化
魏涛等采用含胆固醇1％和脱氧胆酸钠0.2％的合成饲料喂大鼠28天，在诱发高血脂症的同时，经口服脱乙酰甲壳素观察其对高血脂症的影响。实验设高脂对照组和低、中、高三个剂量实验组。结果表明，脱乙酰甲壳素中、高剂量组的总胆固醇及总甘油三酯含量与高脂对照组比较，前者降低了10.5％、14.2％，后者降低了18.8％和26.1％，低、中、高剂量三实验组的高密度脂蛋白胆固醇与高脂对照组比较，分别升高了16.5％、32.7％和50.4％。顾云等对31例高血脂成人患者进行口服脱乙酰甲壳素降脂试验，30日后检查，胆固醇、甘油三酯下降，低密度脂蛋白胆固醇下降，高密度脂蛋白胆固醇、脂蛋白均无明显变化。
7.抗病毒
许多科学家已从多方面证实了甲壳素硫酸酯的抗病毒活性。Derek Horton等证明氨基上含有SO42-的甲壳素衍生物对血液病毒有显著抑制作用。1992年Vorcellotti等发现甲壳素磺化衍生物能抑制哺乳动物的病毒感染，特别是能抑制和治疗艾滋病病毒感染，抑制其复制的IC50为7微克/毫升，同时也能抑制劳舍氏白血病病毒和单纯疱疹病毒。
8.抗肿瘤
小分子甲壳素具有优良的抗肿瘤活性，特别是甲壳素六聚糖具有很强的抑制肿瘤的作用。日本爱媛大学奥田教授经实验确认，甲壳素在64微克/毫升的浓度时就能增强淋巴球细胞杀死癌细胞的作用。铃木茂生报道，脱乙酰甲壳素能直接抑制艾氏腹水癌细胞的作用，在含有1×105的癌细胞溶

液中，加入0.5毫克/毫升的脱乙酰甲壳素，24小时后癌细胞完全死亡。Saiki I报道，硫酸甲壳素和硫酸羧甲基甲壳素对黑色素瘤肿瘤细胞有明显的抑制作用，且作用呈量效关系。福建师范大学刘艳如等对小白鼠接种S180肿瘤细胞，设对照组和甲壳素实验组，实验表明脱乙酰甲壳素对S180小鼠癌细胞有明显的抑制作用。目前国内外研究者对其抗肿瘤作用十分关注。
9.抗凝血
Muzzarelli等在五六十年代就充分认识到甲壳素硫酸酯的化学结构与肝素相似，预示此类化合物有抗凝血活性。1985年Hirano报道，分子量26000,O-位双硫酸酯甲壳素的抗凝血活性是肝素(174单位/毫克)的1.9～2.2倍。
10.烧伤创面的治疗
研究者最初应用几丁聚糖溶液作实验时，出乎意料的是几丁聚糖的酸性溶液用于开放性皮肤伤口后，产生一种凉爽、宜人镇痛效果，但溶液的酸性并未表现出一般常有的收敛（致痛）效应，这了就意味着Ⅰ、Ⅱ度烧伤病人的躯干或肢体如浸入无菌的酸性几丁聚糖溶液中，病人就无须忍受恼人的疼痛了。
几丁聚糖的另一个优点是氧通透性高（7×10～11×10cm2/s）,这对于预防深部伤口、眼肉伤口等出现的氧缺乏非常有益。
几丁聚糖膜还有一个优越之处就是其吸水性，其平衡含水量可在达50%质量。几丁聚糖最终会被水解酶缓慢降解，而水解酶是由炎性细胞（多形核白细胞）转运到伤口区的，这就意味着应用几丁聚糖薄膜治疗创面无须定时换药。
11.压疮的治疗
Hirota等将几丁质和几丁聚糖制成海绵、薄片、软膏和粉末等多种剂型。
12.实验性脓肿的治疗
Okamoto 等在狗的皮下接种葡萄球菌形成实验性脓肿模型。
13.指端损伤的治疗
Lee等报道以含几丁聚糖的闭合性敷料（fingertipcap，指端帽）治疗156例指端损伤病人，结果都恢复了接近正常的指端结构。
14.几丁质人工皮用于创伤和溃疡创面
用几丁质纤维制成人工皮对创面治疗方便而且有效。几丁质人工皮避免了这些不足，而且对深部伤口愈合也有一定作用，即使发生组织坏死或液化的溃疡创面，几丁质人工皮也可以应用。几丁质工人皮还可保持和促进深产小腿溃疡和压疮的肉芽组织生长，但治疗的时间需要更长。
15.其他
张桂英等证明，脱乙酰甲壳素具有良好的抗辐射性能。蒋莉等研究表明，脱乙酰甲壳素能保护肝脏，提高肝脏抗氧化能力。沈阳铁路总医院高风兰应用脱乙酰甲壳素口服治疗心绞痛5人、心律失常4人、顽固性心衰4人，均收到满意疗效。此外，某些甲壳素衍生物能结合Fe2+，增强胃肠道的吸收功能，用于治疗铁缺乏症。
甲壳素是目前地球上储存仅次于纤维素的

丰富的天然资源之一，其应用研究也已渗入到医药卫生领域的诸多方面，并发挥了独特的作用，同时为化学、生物及医学工作者提供了众多研究项目和巨大的发展机会。我们有理由相信，甲壳素及其衍生物必将在医药领域发挥越来越大的作用，为人类健康事业做出更大的贡献.