基于壳聚糖的纳米材料在骨组织工程与再生医学中的研究进展

基于壳聚糖的纳米材料在骨组织工程与再生医学中的研究进展李晓静;王新木;董研;苟中入

【摘要】壳聚糖是目前发现的唯一与细胞外基质糖胺聚糖的化学结构相似的天然阳离子多聚糖,具有极为优良的生物相容性、生物可降解性和生物学活性.近年来,基于壳聚糖的纳米材料在组织工程中的研究较为广泛.对壳聚糖的纳米材料、壳聚糖复合纳米材料、壳聚糖纳米纤维和壳聚糖纳米粒子等在骨组织工程与再生医学中的研究进展进行回顾和阐述.近年来的研究显示,壳聚糖复合纳米材料生物支架、壳聚糖纳米纤维支架及包载具有骨诱导性的生物活性因子,以及外源基因的壳聚糖纳米粒子及纳米纤维,在骨组织工程与再生医学中具有良好的应用前景.

【期刊名称】《中国生物医学工程学报》

【年(卷),期】2013(032)005

【总页数】6页(P620-625)

【关键词】壳聚糖;纳米材料;骨组织工程

【作者】李晓静;王新木;董研;苟中入

【作者单位】浙江大学医学院附属第二医院口腔修复科,杭州310009;杭州市第一人民医院口腔科,杭州310006;浙江大学医学院附属第二医院口腔修复科,杭州310009;浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院,杭州310029

【正文语种】中文

【中图分类】R318

引言

骨组织工程与再生医学，是指体外构建人工骨组织或者利用生物装置、植入生物材料来刺激骨原细胞或干细胞分化，维持和促进成骨细胞增殖，以重建缺损的骨组织。骨组织工程与再生医学依赖于多个因素，主要包括细胞、生长因子、生物支架和稳定的机械环境［1］。自体骨和同种异体骨移植可满足以上要求，但两者均存在不足之处:自体骨骨量极为有限，并且增加了手术部位和伤口愈合期并发症［2］;同

种异体骨移植可能引发慢性炎症，甚至产生免疫排斥反应。因此，骨移植修复术的不足促进了人工骨修复生物材料的发展。譬如，已对羟基磷灰石 (HA)、A-W玻璃陶瓷、壳聚糖、胶原以及复合材料等已在骨损伤修复中的应用开展了广泛研究［3－4］。

甲壳素，又名甲壳质、几丁质，化学名称为聚N-乙酰葡萄糖胺，主要存在于甲壳

类动物虾、蟹、昆虫的外壳及高等植物的细胞壁中，是世界上第二丰富的天然生物聚合物［5－6］。壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的衍生物，又名几丁糖，具有良好的

生物相容性、生物可降解性。大量研究已证实，壳聚糖还具有抗菌［7］、止血、促进伤口愈合［8］、促进骨再生［9］等优良的生物学效应，也可与胶原、HA、二氧化硅等复合制备成为薄膜、海绵、可注射型水凝胶形式，应用于骨组织修复领域［10－11］。

但是，采用常规方法制备的壳聚糖多孔支架的不足之处在于材料的综合力学性能差，对成骨细胞生长刺激效应以及促进成骨细胞分化相关生长因子表达的效应低［12］。为了弥补这些缺陷，纳米材料逐渐应用于骨损伤修复领域。纳米材料指

某一维度具有1～100 nm尺寸的材料，具有高表面积体积比，在骨损伤修复领域具有广泛的应用前景［13］。基于目前壳聚糖纳米材料在骨损伤修复中的广泛研

究及取得的相关成果，下面就壳聚糖以及所涉及的纳米纤维支架、纳米粒子和纳米

复合支架材料的制备方法以及在骨组织工程与再生医学领域的研究进行综述。

1 基于壳聚糖的纳米材料的制备方法

1.1 壳聚糖纳米纤维

壳聚糖纳米纤维的制备方法包括静电纺丝法［14］、自组装法［15］和热诱导相分离法［16］等，其中静电纺丝法的应用较多。静电纺丝法的基本原理是:带电的聚合物溶液或熔体在外加高压静电场力作用下形成喷射流，经溶剂蒸发或熔体冷却干燥后形成纳米纤维。影响电纺射流稳定性和纳米纤维形态的因素较多，主要包括聚合物的性质(如溶液浓度、黏度、表面张力、导电性等)、操作参数(如电压、接收距离、溶液推射速度)以及外部环境(如温度、湿度等)［17］。

静电纺丝技术制备的壳聚糖纤维直径通常在数十纳米至数微米之间，无规则沉积后形成无纺布状的纤维膜，其显著特征是纳米纤维支架具有极高的表面积体积比和高的孔隙率，形态类似于天然细胞外基质的纤维结构［18］。但静电纺丝技术制备的膜通常是二维(2D)的纳米纤维膜，其高孔隙率利于蛋白吸收及细胞黏附，但其孔径较小，使得细胞只能在其表面生长而不能伸入其内部。为了得到大孔径的三维(3D)支架，有学者采用NaCl作为致孔剂，使纳米纤维膜的孔径及孔隙率均有所提高［19］，或采用改变接收装置法［20］、超声法［21］与其他支架复合［22］等方法。

自组装方法制备的纳米纤维较细小，直径平均200 nm，长度仅为几微米。纳米纤维直径受壳聚糖分子量、壳聚糖浓度、溶液pH和温度等影响［23］。

1.2 壳聚糖纳米粒子

壳聚糖纳米粒子的制备方法有离子交联法、聚电解质复合法、乳化交联法、乳化液滴聚集法、乳化溶剂扩散法、反向微乳法等［24］。离子交联法中最常使用的离子交联剂是三聚磷酸钠 (TPP)，多用作药物缓释载体的制备，由于其反应条件简单温和，成为目前壳聚糖纳米粒子制备研究中最常使用的方法。在制备体系中，壳聚

糖分子量及浓度、壳聚糖/TPP质量比以及溶液的pH值等均会影响纳米粒的粒径

及表面电荷。聚电解质复合法的反应原理同离子交联法的反应原理，壳聚糖与大分子聚阴离子(如羧甲基羟乙基纤维素、肝素、胰岛素和DNA等)可聚合为纳米粒子，作为生物大分子的运输载体。

乳化交联法、乳化液滴聚集法、乳化溶剂扩散法、反向微乳法等通常在有机溶剂体系中使用，或制备程序繁琐，所以用其制备纳米颗粒作为生物材料受到一定限制［25］。

1.3 壳聚糖纳米复合材料

磷酸钙是一类包括天然骨组织细胞外无机矿物基质主要成分在内的无机化合物，其最稳定的一种形式是HA，骨骼中的无机矿物为碳酸化羟基磷灰石(CHA)。人们已

经发现，不少磷酸钙均可作为骨移植材料植入骨缺损区，逐渐被新形成的骨组织所取代，具有良好的骨引导性。碳纳米管 (CNTs)是碳的同素异形体，呈圆柱形纳米

结构，长度与直径比可达28000000∶1，结构与化学性能稳定，其最显著的特征

是具有较高的机械性能。已有研究证明，将纳米羟基磷灰石(nHA)、纳米磷酸钙、CNTs与壳聚糖基质混合后，采用冷冻干燥、原位合成、沉淀法等方法，可制备成多孔的壳聚糖复合纳米材料支架［2］。另外，人们也发现，nHA、CaO-P2O5-SiO2组成的生物活性无机纳米粒子等与壳聚糖基质混合，逐滴加入甘油磷酸酯二

钠盐(GP)，持续搅拌后可制备成热塑型的可注射型复合凝胶［26－27］，由于其

具有微创可注射特性，因而在骨损伤修复中备受关注。

2 在骨组织工程及再生医学中的研究

2.1 作为骨组织工程生物支架

在骨组织工程与再生医学中，生物支架的性能至关重要。良好的生物相容性、可降解性、高孔隙率、具有一定的机械稳定性和骨引导性等，是骨组织工程中生物支架所应满足的基本要求［28］。壳聚糖生物支架具有极好的生物相容性，在体内可