小材大用!小翅膀刮出大旋风:感叹它们为人类健康做出怎样的贡献


甲壳素(chitin)首先是由法国研究自然科学史的H. Braconnot 教授于1811年在蘑菇中发现的。1823年,另一位法国科学家A. Odier从甲壳类昆虫的翅鞘中分离出同样的物质,并命名为chitin;1859年,法国科学家C. Rouget 将甲壳素用浓碱煮沸加热处理,得到了脱乙酰基甲壳素,命名为甲壳胺(chitosan),即壳聚糖。

壳聚糖是白色或灰白色无定形、半透明、略有珍珠光泽的固体,分子量因原料和制备方法的不同而有数十万至数百万不等。壳聚糖不溶于水和碱溶液,可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸,以及大多数有机酸。 

壳聚糖的用处很多,甚至可用于人体组织修复:

神经组织修复

Freier 等利用注塑成型的方法,将甲壳素凝胶制备成了凝胶管,然后将其干燥并通过脱乙酰化作用得到了壳聚糖管,作为神经系统的导管。其后将合成的壳聚糖导管植入雏鸡体内,实验结果表明导管支持雏鸡背根神经细胞的分化,故甲壳素和壳聚糖在神经系统的组织修复中有很好的发展前景。

Gerentes等通过将壳聚糖溶液注入模具的方法制备了壳聚糖膜,并在该膜上培养了神经中枢干细胞。实验结果表明,神经中枢干细胞在壳聚糖膜上能够很好地生长、增殖。而在4 天的培养后,大部分干细胞都分化成了像神经元的细胞。此外,王等还将壳聚糖通过编织和注塑成型的方法制成了导管,通过测试,编织法制成的壳聚糖导管具有较高的机械强度,而通过注塑成型法制备的导管则具有较好的柔韧性。这表明可以根据不同的需要分别应用两种不同的壳聚糖导管,也表明壳聚糖在神经组织损伤的修复中有很重要的作用。

牙周组织修复

Gerentes 等通过将壳聚糖在水醇溶液中与乙酸酐作用制备了可注射的壳聚糖凝胶,研究了该凝胶用于修复牙齿周围组织损伤的性能。实验结果表明,影响凝胶性能的参数很多,如凝胶中乙酸酐和氨基葡萄糖的比例、聚合物溶液的浓度及温度等。此外, Gerentes等还将壳聚糖粉末加入所制备的凝胶中,以此方法实现延长凝胶生物活性时间的目的。故而可以通过改变以上参数使所得到的凝胶最大程度地符合组织修复对其性能的要求,进而广泛应用于组织修复领域。

Richardson 等研究了由壳聚糖涂层的活性炭对血浆中有毒物质的吸附作用,实验证明有无壳聚糖涂层的活性炭在吸附速率上没有明显差别,但有壳聚糖涂层的活性炭对于血浆中有毒的尿酸、肌氨酸酐和胆红素等小分子物质有很好的吸附作用。此外,壳聚糖/羟磷灰石快速淬水膏可以用作牙科治疗中骨的替代材料。

椎间盘组织修复

椎间盘损坏是引起后背疼痛的主要原因。 Richardson等制备了壳聚糖-甘油磷酸共聚的热敏凝胶(C/ Gp),将其制备成细胞增殖的骨架,并在骨架上培养人体的间质干细胞。实验结果表明,间质干细胞可以分化成软骨细胞一样的椎间盘细胞。此外, Richardson 等还进一步研究了凝胶的性质,以使得凝胶的植入对人体的椎间盘产生最小的损伤。以上结果说明,壳聚糖-甘油磷酸共聚得到的热敏凝胶是椎间盘组织修复的良好骨架。

真皮组织修复

Kellouche等制备了胶原质-黏多糖-壳聚糖凝胶,以其作为包皮纤维原细胞的生长基体。实验表明在该基体上实验者培养出很多原纤维和弹性蛋白原。故而证明该基体在烧伤表皮组织的修复中可以发挥很重要的作用。Silva 等将大豆蛋白颗粒加入壳聚糖的乙酸溶液中得到悬浊液,通过搅拌等方法将其制备为均一溶液,并浇注到Petri 盘上,然后室温下干燥,从而得到了壳聚糖/ 大豆蛋白膜。接着Silva 等通过改变所使用的壳聚糖和大豆蛋白的量,制备了具有不同比例的壳聚糖/ 大豆蛋白膜,并利用FTIR、NMR等方法分析了膜的性质。实验结果表明,膜中所含壳聚糖比例越少,膜越易碎裂;而从形态学上看,壳聚糖/ 大豆蛋白膜拥有比壳聚糖膜更粗糙的表面,且随着膜中大豆蛋白含量的增加,粗糙度随之增加,粗糙度的增加表示壳聚糖和大豆蛋白颗粒的混合并不完全。故而通过控制膜中壳聚糖和大豆蛋白的含量比例,即可控制膜的性质。该膜体系是用于皮肤组织修复的潜力骨架。

其他组织修复

Gravel等将珊瑚粉末加入壳聚糖溶液中,配成具有不同珊瑚粉末比例的溶液,再将溶液倒在平板上,冷冻干燥得到珊瑚/ 壳聚糖膜。接着他们在该膜上培养了间质干细胞,通过研究发现,随着珊瑚/ 壳聚糖膜中珊瑚比例的增加,膜上生成的细胞总数增加,具有较高的碱性磷酸酶活性,且间质干细胞具有清晰的形态和显型。故珊瑚粉末的加入大大改善了壳聚糖作为细胞增殖骨架的性能。

Zheng等以戊二醛作交联剂,通过插入壳聚糖和高岭石的聚合物,然后将该聚合物倾注到Petri 盘中,利用冻干的方法制得了壳聚糖-高岭石的聚合物膜。接着他们用SEM等方法研究了膜的孔结构、吸水性、拉伸强度及其在体内的降解等性能。实验结果表明,插入的组织赋予了该膜良好的机械性能及可控制的降解速率。由于该膜具多孔结构,它很适合植入细胞的吸附及生长。以上实验结果表明该膜也是组织修复的良好骨架材料。

通常情况下,作为人体组织损伤的修复材料的羟磷灰石颗粒在与盐溶液或人体的血液混合后,其稳定性会受到影响,进而从损伤组织处迁移到健康组织处,给人体正常的组织带来不利的影响。而将壳聚糖作为机体与羟磷灰石混合后所得到的产物则可解决这个问题。除此之外,壳聚糖还有良好的生物相容性、止血等功效,使得这种新型材料更适合用于组织修复。Murugan 和Ramkrishna利用壳聚糖溶液和羟磷灰石的纳米级颗粒反应,再通过沉淀、搅拌及微波辐射等方法制备了壳聚糖/ 羟磷灰石的糊状膏体。由于壳聚糖的存在增大了合成物的黏弹性,从而使其可固定在组织损伤处,而该合成物的光滑形态保证了它在体内不会对其他柔软组织造成损伤。综上所述,壳聚糖/ 羟磷灰石的合成物可作为组织修复和替代的良好材料

Shen等以柠檬酸作反应溶剂,用沉淀反应制备了壳聚糖、碳酸磷灰石的纳米级颗粒。形态学上的分析表明,该颗粒的平均直径在50 ~100nm,且可通过控制壳聚糖的交联度控制颗粒的大小。此外,实验结果还表明每个颗粒都是由直径在2~5nm的小颗粒聚集在一起形成的。然后, Shen等利用在不同真空度条件下多步冻干的方法制备了多级可渗水的三维骨架作为生物细胞的生长基体。

本文摘编自沈青著《基于天然资源的先进材料》(北京:科学出版社,2017.6)一书第四章,内容有删节。

合理应用天然资源是有序社会、健康社会的一个基本要求,也是广大科技人员的基本使命。考虑到天然资源极为广泛,所以《基于天然资源的先进材料》主要介绍一些经常涉及的天然资源及利用它们加工形成的先进材料。这些天然资源主要是纤维素、木质素、半纤维素、壳聚糖、植物多酚、动植物油、加拿大一枝黄花、右旋糖酐、柿叶、软木脂、环糊精和蚕丝,而所形成的先进材料涉及广泛的材料领域,如智能材料、纳米材料、功能材料、复合材料、医用材料、环保材料、农用处理材料等。

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