壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展

第40卷㊀第5期2019年5月

纺㊀织㊀学㊀报

Journal of Textile Research

Vol.40,No.5May,2019

DOI :10.13475/j.fzxb.20180406107

壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展

秦益民1,2

(1.嘉兴学院材料与纺织工程学院,浙江嘉兴㊀314001;2.海藻活性物质国家重点实验室,山东青岛㊀266400)

摘㊀要㊀为促进壳聚糖纤维在医疗和卫生产品中的应用,开发壳聚糖基功能纺织材料和先进医用纺织品,总结了壳聚糖纤维的理化特性及其吸附铜离子和锌离子的性能,分析了壳聚糖纤维的细胞活性㊁生物相容性及其在与伤口㊁血液㊁人体组织接触过程中产生的止血㊁抗菌㊁抑制基质金属蛋白酶㊁促进伤口愈合等生物活性㊂指出壳聚糖的氨基多糖结构及其对体液中金属离子的吸附性能使壳聚糖纤维和壳聚糖基纺织品在医用止血材料㊁伤口敷料㊁面膜制品㊁日用卫生品㊁抗菌纺织品等领域起到止血㊁抗菌㊁排毒㊁促愈㊁美白等生物活性和应用功效,具有很高的应用价值㊂

关键词㊀甲壳素;壳聚糖;功能纤维;医用敷料;生物医用材料;生物活性中图分类号:TS 131.9㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀

Physicochemical properties and bioactivities of chitosan fibers

QIN Yimin 1,2

(1.College of Materials and Textile Engineering ,Jiaxing University ,Jiaxing ,Zhejiang ㊀314001,China ;

2.State Key Laboratory of Bioactive Seaweed Substances ,Qingdao ,Shandong ㊀266400,China )

Abstract ㊀In order to promote the application of chitosan fibers in medical and hygiene products,and develop functional textile materials and advanced medical textile products,this paper summarized the chemical and physical properties of chitosan fibers and their absorption properties for copper and zinc ions,and analyzed their cell activities,biocompatibilities and the various bioactivities while in contact with wound,blood and tissue,such as haemostasis,antimicrobial,enzyme inhibition,wound healing promotion,et al.It was pointed out that the glucosamine structure and the capability to bind metal ions play an important role in haemostasis,antimicrobial,detoxication,wound healing promotion,whitening and other bioactivities and functionalities,which are highly valuable in medical haemostatic materials,wound dressings,face masks,hygiene products and antimicrobial textile products.

Keywords ㊀chitin;chitosan;functional fiber;wound dressing;biomedical material;biological activity 收稿日期:2018-04-27㊀㊀㊀修回日期:2018-12-31基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1105600)

作者简介:秦益民(1965 ),男,教授,博士㊂主要研究方向为功能性纤维的研究与开发㊂E-mail :yiminqin1965@ ㊂

㊀㊀壳聚糖,也称甲壳胺,是甲壳素的脱乙酰基衍生物㊂以壳聚糖为原料通过湿法纺丝制备的壳聚糖纤维具有优良的生物相容性㊁生物可降解性㊁亲水性等特性,且其独特的化学结构赋予纤维一系列优良使用功效,在功能纺织材料及医疗卫生领域的应用中产生抗菌㊁止血㊁促进伤口愈合等优异性能[1-3]㊂通过与细胞和组织的相互作用,壳聚糖纤维可以影响人体中的酶㊁细胞㊁组织等生物活性,产生独特的医疗和保健功效[4-5]㊂

壳聚糖纤维可通过纺纱㊁机织㊁针织㊁非织造等

工艺制备医用纺织材料:以壳聚糖纤维为原料制备的手术缝合线具有生物可降解特性,可通过控制脱乙酰度调节其降解速度,壳聚糖纤维的机织和针织物是多孔结构支架材料,可用于细胞移植和组织再生,壳聚糖针刺非织造布可用于伤口护理,壳聚糖水刺非织造布在功能性美容化妆品领域具有独特的应用价值,其良好的吸湿性㊁保湿性以及排毒㊁养颜特性深受消费者喜爱㊂

本文结合壳聚糖纤维研究领域的最新成果,分析总结了壳聚糖纤维的离子交换特性及其在与人体

第5期秦益民:壳聚糖纤维的理化性能和生物活性研究进展㊀㊀㊀

细胞和组织接触过程中产生的抑制细菌增长㊁止血㊁抑制基质金属蛋白酶㊁促进伤口愈合等各种生物活性,对进一步开发其在医疗㊁卫生㊁保健㊁化妆品等领域中的应用有很高的实用价值㊂

1㊀壳聚糖纤维的离子交换性能

铜和锌离子在体液中的质量浓度约为1mg/L,在人体组织的各种生物活性中起重要作用㊂文献[6]显示铜离子在诱导血管生成㊁血管内皮生长因子㊁皮肤细胞外蛋白的表达和稳定过程中起关键作用㊂糖尿病足溃疡㊁静脉溃疡㊁褥疮等慢性伤口的患者,局部铜离子含量较低时伤口愈合缓慢㊂壳聚糖分子结构中的氨基对铜㊁锌等金属离子有很强的螯合作用,在与伤口接触时,壳聚糖纤维可通过其对铜离子的富集作用促进血管生成和皮肤再生,对伤口愈合有促进作用㊂图1示出与CuSO4水溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量的变化㊂发现

Cu(II)离子很快被纤维吸收,其含量达到纤维质量的9.0%[7]㊂表1示出乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子的影响㊂充分吸附后纤维中铜离子与氨基的量比约为3ʒ1[8]㊂

图1㊀与硫酸铜溶液接触后壳聚糖纤维中的铜离子含量

Fig.1㊀Copper ion content in chitosan fiber while in

contact with CuSO4solution

表1㊀乙酰度对壳聚糖纤维吸附铜离子性能的影响Tab.1㊀Influence of degree of acetylation on absorption

of copper ions by chitosan fibers

乙酰度/%铜离子质量分数/% NH2与Cu(II)的量比0.868.2 2.9 36.6 5.4 2.9 60.8 3.6 2.8 97.20.6 1.2

锌离子与壳聚糖纤维的螯合作用在临床上也有重要的应用价值㊂张海峰等[9]研究表明,在糖尿病患者的伤口上局部涂抹硫酸锌可降低基质金属蛋白酶MMP-2活性,强化创面组织微血管密度,提高增殖性细胞核抗原阳性细胞表达,创面局部富集锌离子对慢性伤口愈合有较强的促进作用㊂

2㊀壳聚糖纤维的生物相容性

壳聚糖具有良好的生物相容性,在体内和体外可通过各种化学催化作用使其分子结构中的

β(1-4)糖苷键在脂肪酶㊁溶菌酶㊁淀粉酶等催化作用下分解为氨基葡萄糖,而被组织细胞吸收㊂程友等[10]研究了壳聚糖非织造布在体外㊁体内的降解性能及其生物相容性,首先将其加入溶菌酶溶液中,于37ħ恒温振荡水浴中放置一定时间后取出,依据质量变化跟踪降解速度㊂结果显示,壳聚糖在质量分数为1%溶菌酶溶液中放置1周和2周的平均降解质量损失分别为5.52%和9.36%㊂植入体内后,壳聚糖非织造布周围无结节,随时间延长淋巴细胞浸润减少,具有良好的生物相容性[11]㊂

3㊀壳聚糖纤维的细胞活性

壳聚糖纤维的细胞活性体现在其与细胞接触后的黏附㊁形态㊁生长㊁增殖㊁分化㊁再生等状况㊂在与细胞接触时,纤维的理化性质决定了其表面黏附的蛋白质种类㊁数量㊁构像和分布[12-13]㊂丁勇等[14]研究了壳聚糖对巨噬细胞活性的影响,结果显示壳聚糖在活化巨噬细胞后促进其分泌出多种细胞因子,有利于慢性伤口愈合㊂张文达等[15]用壳聚糖溶液培养人体上皮细胞,溶液中上皮细胞数量随壳聚糖质量浓度增加而增多,在壳聚糖质量浓度为0.6g/L 时能明显增殖㊂杨红等[16]研究了壳聚糖质量浓度对神经细胞生长的影响,把乳鼠视网膜神经细胞在有壳聚糖存在的环境中体外培养,结果显示细胞不仅生长良好,其存活时间及存活细胞数量均较优㊂Heinemann等[17]的研究结果显示壳聚糖纤维支架对小鼠成骨细胞的增殖分化有促进作用㊂

壳聚糖的细胞活性可通过理化改性技术的应用进一步改善[18]㊂Budirahar等[19]通过共价键合把骨形态发生蛋白与壳聚糖结合,促进了成骨细胞的黏附㊁增殖和分化㊂Yang等[20]把壳聚糖与白细胞介素等细胞因子结合后有效增强其抗肿瘤作用㊂Custodio等[21]的研究证明壳聚糖及其衍生物可提高细胞通透性,对酶具有抑制作用,同时增强亲水化合物的通透作用,提高其跨膜转运能力[22]㊂Jiang 等[23]通过物理包埋及化学键合蛋白质㊁寡肽等生物活性分子改善细胞与壳聚糖的相容性,使壳聚糖具有更好的稳定性,在组织工程领域有特殊的应用

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