壳寡糖

什么是生物材料？

生物材料是一种经过工程改造，可与生物系统相互作用以达到医疗目的的物质，用于治疗（治疗、增强、修复或替代身体的组织功能）或诊断目的。医疗器械的性能和成功取决于其关键生物材料成分的特性。因此，选择合适的生物材料在医疗器械的开发和制造中起着至关重要的作用。

用于医疗器械的理想生物材料应具有以下特性：生物活性、生物相容性、无毒、无腐蚀性、生物惰性、生物适应性和可灭菌性。

生物材料分为四个不同的类别，即聚合物、金属、陶瓷和复合材料，它们可以单独使用或相互结合使用，以开发大多数市售医疗器械。生物材料在医疗器械开发中显示出广阔的应用前景，因为它易于材料制造、广泛的柔韧性和生物相容性，以及它们广泛的电气、机械、化学和热行为。

天然生物材料的类型

壳聚糖
胶原
纤维素
淀粉
明胶
海藻酸

什么是壳聚糖？

壳聚糖因其多功能性、优异的生物降解性、生物相容性、抗菌活性、无毒和广泛的应用而被认为是 21 世纪有前途的生物材料之一。壳聚糖来源于甲壳素，甲壳素是仅次于纤维素的第二大天然聚合物。

甲壳素天然存在于螃蟹和虾等贝类的外骨骼中，以及真菌、酵母菌和其他微生物的细胞膜中。甲壳素不溶于稀酸，而壳聚糖可溶于稀酸。

壳聚糖主要由氨基葡萄糖和 N-乙酰氨基葡萄糖残基组成，具有 1,4-β-键。壳聚糖中伯胺 （-NH2） 的存在使其具有净正电荷，并且对其生物学特性很重要。

壳聚糖的分子结构

• 目前，壳聚糖是研究最多和研究最频繁的生物材料之一
• 当甲壳素中的脱乙酰度 （DDA） 和氮含量分别超过 50% 和 7% 时，称为壳聚糖
• 甲壳类动物被认为是壳聚糖商业开发的主要来源

壳聚糖事实

• 壳聚糖来源于甲壳素。它是科学家发现的第一个多糖，甚至在纤维素发现之前
• Henri Braconnot 于 1811 年首次从蘑菇中分离出甲壳素
• “Chitin”的名字来源于希腊语“Chiton”，意思是包裹。
• 1859 年，C. Rouget 教授首次在碱性介质下加热甲壳素，发现了“壳聚糖”
• “壳聚糖”一词是由 Hoppe-Seyler 于 1894 年创造的

甲壳素和壳聚糖在自然界中的全球分布

• 几丁质天然分布在头足纲的内骨骼、节肢动物的外骨骼以及真菌和植物的细胞膜中。
• 每年，全球从虾、蟹、龙虾和鱿鱼的壳中产生 6-800 万吨甲壳类
• 印度、中国、日本、波兰、澳大利亚、美国和挪威等国家/地区发现了来自海洋来源的甲壳素生产

壳聚糖提取

壳聚糖的生产从选择合适的甲壳素提取来源开始。甲壳素可以从动物来源（如贝类）或非动物来源（如真菌）中提取。壳聚糖的物理化学性质可能因其来源而异。

甲壳素是通过脱矿化和脱蛋白从天然来源中提取的。然后用浓碱（例如氢氧化钠）处理纯化的甲壳素以获得壳聚糖。

这个过程被称为脱乙酰化，它会影响壳聚糖的最终特性，例如带正电荷的程度（聚合物中胺基的比例）和分子量。

壳聚糖生产

壳聚糖加工的种类

壳聚糖是一种用途广泛的生物材料。它可以加工成各种形式，例如微纤维或纳米纤维、微或纳米凝胶、珠子、薄膜或胶囊、海绵或支架、微或纳米颗粒、水凝胶和纱布。

壳聚糖的特性

壳聚糖作为一种用于各种应用的生物材料已被广泛研究。此图中列出了它的一些关键属性。由于其可生物降解和生物相容性，壳聚糖已用于外部和植入式医疗设备。

作为脂肪粘合剂，它已被用作减肥剂。粘膜粘附性和粘度调节特性使其可用于药物输送。止血、抗菌、抗炎和镇痛特性使其成为一种出色的伤口管理材料。

壳聚糖重要特性的机制

功能	机制
止血	阳离子壳聚糖与带负电荷的血细胞结合并导致血小板活化。
抗菌	带正电荷的壳聚糖分子与带负电荷的微生物细胞膜结合，导致微生物膜破坏，随后导致蛋白质和其他细胞内成分的泄漏。
疼痛控制	壳聚糖通过降低损伤部位炎症介质（缓激肽）的浓度，通过其镇痛作用缓解疼痛。它还吸收炎症部位释放的质子离子以控制疼痛。
伤口愈合	壳聚糖通过多种途径帮助伤口愈合，例如多形核细胞活化、成纤维细胞活化、细胞因子产生、巨细胞迁移和刺激 IV 型胶原蛋白合成。
预防疤痕	壳聚糖减少 TNF-β1&2的产生，这是导致疤痕形成的原因。在壳聚糖存在下产生的胶原蛋白是细小的网状蛋白样原纤维，而不是致密的成熟胶原蛋白带。

壳聚糖的应用

壳聚糖有潜力成为高级伤口护理、制药和化妆品行业领域的游戏规则改变者

伤口护理

• 壳聚糖的止血作用基于血浆的快速吸收，导致红细胞和血小板在受伤部位集中，然后是血小板活化和红细胞凝固
• 壳聚糖通过刺激真皮成纤维细胞的增殖和抑制角质形成细胞的增殖来促进再上皮化
• 壳聚糖通过基于电荷的相互作用引起细菌细胞壁泄漏并抑制细菌细胞核处的 mRNA 和蛋白质合成，从而起到抗菌剂的作用
• 壳聚糖的镇痛作用来自炎症部位缓激肽和质子离子的吸收，然后通过磷脂酶 A2 抑制阻断花生四烯酸途径
• 壳聚糖通过对白细胞介素 （IL） - 2、IL-4、IL-6、IL-10 和 IL-13 等炎症介质、TNF-α等细胞因子、NF-kβ 表达和 AP-1 激活产生显着的抑制作用，发挥抗炎作用
• 壳聚糖通过阻断基质金属蛋白酶-2 表达来保护皮肤细胞外基质的消化

化妆品

• 壳聚糖保护皮肤免受紫外线辐射，并起到防晒剂的作用（防晒系数约为 0.89）
• 壳聚糖是一种阳离子保湿剂，很容易被带负电荷的皮肤表面吸收并保持皮肤的水分含量。吸湿能力随着壳聚糖脱乙酰程度的增加而增强
• 壳聚糖的聚阳离子性质有助于与聚阴离子角蛋白相互作用，导致头发纤维周围容易形成薄膜。这种薄膜可以提高头发强度、头发柔软度，避免头发损伤。
• 抑制牙菌斑形成的最佳 pKa 值约为 6.3，该值在壳聚糖 pKa 值 （5.1-6.5） 的范围内
• 壳聚糖能够与牙釉质结合，形成保护层，从而减少牙齿磨损

药品

• 壳聚糖尤其被用作药物制剂中的辅料。由于其亲水性，可用作片剂剂型的崩解剂和粘合剂
• 壳聚糖基聚合物基质的凝胶形成能力有助于控制和维持药物输送
• 带正电荷的壳聚糖易与游离脂肪酸结合并阻止脂质在肠道中的吸收。壳聚糖还会乳化脂肪并破坏肠道中的脂质吸收
• 壳聚糖的高分子量和氨基和羟基的存在使其适合用作增稠剂、表面活性剂、乳化剂等药用辅料。

壳聚糖生物医学应用的关键部分

伤口愈合

壳聚糖如何帮助伤口管理？

• 通过保护伤口免受微生物的侵害
• 加速止血
• 促进伤口自然愈合
• 缓解疼痛
• 减少疤痕形成