甲壳素的医学应用

甲壳素的生物医学应用

摘要 甲壳素(Chitin).亦称甲壳质，是自然界中产量仅次于纤维素的天然多糖，广泛存在于昆虫，甲壳类动物外壳及真菌细胞壁中。经脱乙酰化反应转变成甲壳胺(chitosan)，即壳聚糖。甲壳素发现于1811年，1887年用化学方法和X射线衍射测定了结构。多年来对它的化学性能进行了广泛研究。脱乙酰化度和平均分子量是甲壳胺的两项主要性能指标。甲壳素一般不溶于水、碱和常规有机溶剂中。只溶于盐酸等无机酸及甲醇、乙醇等有机酸。高度脱乙酰化甲壳胺可溶于水。甲壳胺分子中有许多胺基和经基，容易进行化学修饰和改性。这类天然多糖具有明显碱性、良好的生物相容性和生物可降解性。降解产物为对人体无毒的的N一乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖。降解过程中产生的低分了量甲壳素(胺)或其寡聚糖在体内不积累，无免疫源性。随着研究的深入，甲壳素及其衍生物作为具有独特性能的生物材料越来越引起人们的注意。在生物医学领域有广泛应用前景。本文对其近年的应用研究作一简要介绍。

关键词 甲壳素；生物材料；医学应用

引言 1977年意大利科学家RAA Muzzarelli 出版专著《Chitin》，自它问世以来就备受各国科研工作者的青睐。甲壳素应用范围广泛，包括化工、医疗、食品、农业、环保、保健品等领域。 甲壳素是一种天然生物高分子，广泛存在于虾、蝎、虾蛤等许多低等动物中，是地球上含量丰富的可再生利用的自然资源之一，年产量仅次于纤维素，也是数量最多的含氮有化合物，同时也是目前自然界中唯一发现带正电荷的物质。 ①

1甲壳素的分子结构

甲壳素又名几丁质，其结构如图1-1所示，是由2一乙酰氨基一2一脱氧一β-D-葡萄糖以α-1,4-糖昔键缩合而成的多糖类生物大分子，广泛存在于自然界的昆虫类、甲壳类和软体动物骨骼以及某些真菌的细胞壁中。地球蕴藏量丰富，每年产量可达100亿吨，是产量仅次于纤维素的第二大天然有机物，也是数量仅次于蛋白质的含氮有机物，是地球上一大取之不尽用之不竭的可再生天然资源②。

图1- 1甲壳素的分子结构

2甲壳素的应用

从1811年被法国研究自然科学史的H. Braconnot发现以来，人类对甲壳素的利用和研究己有200多年，以甲壳素为原料开发新产:品，已成为最为热门的研究领域，在日本，平均三天就有一项关于甲壳素和壳聚糖的专利。甲壳素及其各种衍生产物己被作为混凝剂、膜材料、化妆品、催化剂、纤③

维材料、药物载体、吸附剂、酶和细胞固定定化载体、催化剂使用，在分析化学、食品工业、医药、农业、环境保护、及轻纺业中得到广泛的应用④⑤⑥⑦⑧。

2.1保健食品基料

甲壳素/壳聚糖被认为是继如维他命丸、麦乳精等具有一定营养索的第一代保健食品和如卵磷脂、螺旋藻等具有某项生理调节功能的第二代保健食品之后的第三代保健食品，己被大量用于功能食品的开发:(1)壳聚糖及其脂肪酸络盐在机体内可与油三酯、脂肪酸、胆固醇等脂类物质化合物生成络合物，该络合物不可被消化系统水解吸收而排除体外，因而可起到减脂的作用；(2)增强免疫和预防肿瘤:夏文水的报道中指出脱乙酰度为70%的壳聚糖具有增强免疫的作用，甲壳低聚糖具有显著地预防肿瘤的作用;(3)吸附食盐中的氯离子，抑制血压上升; (4)促进肠道有益菌增殖，改善肠道微生态环境;(5)壳聚糖具有爽口的甜味，而且热量低，被称为“无糖之糖”，制成牙膏、口香糖可以起到护齿、除口臭的效果。此外甲壳素类化合物还具有排除毒索、调节内分泌、延缓衰老等生理和治疗功能。 ⑫⑪⑩⑨

2.2甲壳素材料在医学中的应用

甲壳素可以方例地进行化学改性，同时具有良好的生物相容性和可降解性及多种生物活性，使它成为具有广誉医学用途的生物材料。

2.2.1抗微生物活性

甲壳胺具有抑制端菌、霉菌生长的活性。脱乙酰化度为30%和70%的甲壳素(DAC-30及DAC-70 )能提高宿主抗Sendai病毒及大肠杆菌感染的能力，提前静脉注射甲壳素的水解产物N一乙酰氨苦葡萄糖六聚体(NACOS-6)对绿浓杆菌感染大鼠有较强保护作用 。MuzzarelliR对N-丁基甲壳胺等物质的抗微生物活性作了研究。实验表明，浓度为4mg. ml-',pH5. 4- 6. 8的N-梭丁基甲壳胺-3.6一二硫酸酷对体外培养的金黄色葡萄球菌，链球菌，奇异变形菌，大肠杆菌、浓绿杆菌，肺炎杆菌和柠檬酸细菌属有抑制作用。 ⑭⑬

2.2.2伤口愈合促进剂

甲壳素能有效地促进伤口愈合。效果优于经胃蛋白酶处理过的软骨制剂。包扎用纱布经甲壳素粉处理后，愈合速度提高75%。目前已用于伤口敷料设计中。甲壳素膜吸水性及透气性良好，因而被用于人工皮肤。甲壳素有抗菌作用，可防止伤口感染，镇痛止血，抗原性低，能够加速伤口愈合及表皮再生。应用于大面积烧伤保护，愈合斑痕少，使用方便。国内亦有掺加诺氟沙星甲壳胺烧伤膜的报道，对烧伤、烫伤、化学灼烧等具有较好效果。目前也有甲壳素无纺布人工皮肤在国外销售，以用于整形内科、皮肤科作为I、Ⅱ度烧伤、采皮伤、植皮伤以肤介伤的被覆保护材料。

2.2.3手术缝合线与骨骼修复材料

甲壳素可制成可吸收型外科手术缝线及骨缺损支架材料。甲壳素缝线材料柔软，易打结，机械度较高，易被机体吸收，同时无炎症反应可加速伤口愈合，还可用常规方法消毒。甲壳素使用50/50

验表明，其打结强度保持率在5夭时为76%，10天时为52%，20天时为13%，30夭后强度完全丧失，与羊肠线比有较高的直拉强度及打结拉伸强度。由高纯度甲壳素制成的可吸收缝线主要用作消化道外科，整形外科等手术缝线，已制成不同型号出售并供临床使用。甲壳胺与氧化钙、氧化癣和氧化锌及β-磷酸三钙混合可制成有填充材料，调整氧化物含量可使凝固时间，PH值及抗压强度发生变化。

2.2.4人工肾膜

甲壳素及甲壳胺均易成膜，壳聚糖透过性优于纤维素膜，但强度稍低，经共混处理可提高甲壳胺膜强度.甲壳胺中加入聚乙烯醇制成的30μm膜，25℃时可吸收102%的水有较好的强度和尿素透过性可望在人工肾中获得应用。

2.2.5药物传递系统

甲壳素及其脱乙酰基化产物已广泛用作药物的赋形剂。已有多种剂型报道。膜制剂是研究较多的一类。作为药物控释膜。酸性药物的透过性好于碱性药物，小分子量药物较之大分子量药物易透过。甲壳胺与消炎痛混合制成颗粒.完全释药时间为8一10小时。调整甲壳胺含量或改变以戊二醛为交联剂的交联度。均可改变释放速率，适合于胃漂浮胶囊药物。对甲壳胺苹果酸盐用于数种小分子药物体外释放研究表明，其释药特性为近零级释放模式。甲壳胺凝胶应用于利多卡因药也证实了这一点。并且脱乙酰化度对转移扩散性能影响较大。Okya将包裹着多糖笔细胞特别识别物的S-氟尿嘧啶（5-Fu)固定化于甲壳胺微球，并对其释放行为进行了研究。作为蛋白质和多肤等不易透皮吸收的大分子药物和疫苗控释载体，甲壳素目前引起了人们关注。如骨形态发生蛋白（BMP)等生长因子陛甲壳胺包裹作为植入剂应用，可保持活怀，长效缓释。Jameela S. R.等对载有牛血清白蛋白及白喉毒素的戊二醛交联甲壳胺释放特性研究表明:微球在大鼠体内六个月未降解完全，对生物大分子有保护作用，可作长效疫苗。

2.2.6高分子药物

甲壳素及甲壳胺本身具有多种药理功能。可作为抗菌抗霉剂、伤口敷料、抑制胃酸及抗溃疡药物。甲壳胺可接枝药物，使小分子药物大分子化，具有长效、低副作用的特点，5-Fu与甲壳胺，CM-clitin接枝物显示了长效释放及低毒副作用的特点。利用甲壳胺水解得到的单体可合成水溶性抗癌药氯脉霉素。

该药具有亚硝基脉类化合物的抗癌活性。店床对黑色素瘤，结肠癌、痛癌、何杰金氏病有一事实上疗效，同时抑制骨髓毒性较小。

2.2.7神经再生导管

自20世纪初以来，周围神经损伤后的修复、再生和功能恢复一直是神经科学研究领域中的难题和热门课题。近年来，使用神经导管来促进周围神经再生以替代自体神经移植，达到神经快速生长、功能完全恢复，迅速成为研究的焦点。

自体神经虽然具有与肌体极好的生物相容性，但在缺血后存在管型塌陷、再生不良、吸收疤痕

组织增生及粘连等问题。脱钙骨管、尼龙纤维管、硅胶管等材料虽然能为神经再生起通道作用，但由于它们在体内不能被降解和吸收，在神经修复后会成为异物，对神经产生刺激作用，使神经产生异物反应，因此必须再行二次手术将其取出。将生物降解材料引人周围神经再生导管，避免了二次手术取出的不便，无疑具有良好的应用前景。

由甲壳素类纤维制成的神经导管，是目前研究得比较多的可吸收性神经导管之一。但由于其脆性较高，当管壁较薄时易碎裂塌陷;但管壁过厚则会延长吸收时间，对再生神经产生局部压迫作用，因此至今还未能在临床得到应用，需要进一步深人研究。

2.2.8止血用品

甲壳素的止血作用在我国的医学经典里早有记载。目前外科手术中已采用壳聚糖作止血材料。这种止血材料在创伤处与带负电的红细胞结合形成止血栓，从而达到止血的目的，因此其止血机理与常规凝血酶不同。

甲壳素纤维可以制成各种止血纤维毡、绷带和纱布，使用方便，止血效果好，非常适合在皮肤科、妇科、口腔科及外科等手术中使用。其废弃后可自然降解，不会污染环境.能快速消炎止血的甲壳素纤维产品近年来已被美国国防部装备于军队中。

2.2.9抗菌用纺织品

甲壳素及其衍生物具有良好的抑菌功能。日本开发的服装用甲壳素/纤维素共混纤维“蟹鳌纶”已应用于高级内衣、妇女保健用品领域。

我们用自制的壳聚糖纤维制成的内衣、内裤和袜子，经医院临床应用证实具有良好的抑菌性能。纯纺者抑菌率达99%以上，混纺者抑菌率达75%左右。我们还进行了甲壳素/纤维素共混纤维的研究，取得了成功，并申请了专利。现主要开发的产品有抗菌袜、抗菌裤、婴儿袍、文胸等。产品经上海市卫生防疫站检测，抑菌率达90%以上。 ⑮

2.2.10组织工程材料

甲壳素类纤维由于便于进行三维编织，而且能在有效工作期内很好地起到支撑作用，随后逐渐被组织吸收，因此是理想的组织工程支架材料。目前，已有许多关于以甲壳素纤维为原料，通过体外构建各种组织工程化组织以修复组织缺损的报道。例如，有研究者以骨骼肌是由许多肌纤维所组成，而这些肌纤维则由一些平行排列的类似圆柱体结构的肌原纤维依次构成为依据，将以甲壳素纤维为原料制备的缝合线平行排列成圆柱体状，体外复合大鼠成肌细胞L6，观察L6细胞是否可以沿着支架材料的纵轴生长，借以探讨甲壳素纤维作为支架构建组织工程化骨骼肌的可行性。结果显示，体外复合培养的最初两三天内，成肌细胞可以向任意方向伸展;随着体外培养时间的延长，逐渐呈现沿着支架材料纵轴生长的态势，细胞相互融合，可见肌小管样结构的形成，细胞外基质也有正常分泌。这表明，平行排列甲壳素缝合线有助于工程化骨骼肌纤维良好方向性的形成。

此外，甲壳素类纤维还可以制作人造血管等。甲壳素及其衍生物既无毒，又与组织相容亲和，还能抑制成纤维细胞生长，自然很适合作人造血管。1996年美国公开了一项世界专利，用甲壳素制成的人造血管内径小于6mm，内壁光滑而不会凝集血球，可以保持管腔通畅。

3总结与展望

生物医用高分子材料与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以部分或全部取代有关器官，是生物医学材料中应用最为广泛、用量最大的材料。其中最具代表性的是甲壳素、聚壳糖及衍生物。甲壳素又称几丁质(chitin)，广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。甲壳素可命名为(1,4)-2一乙酰氨基一2一脱氧-β-D-葡萄糖，是一种惰性多糖。用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖(chintosan)。

甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中HG水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。其中用聚壳糖醋酸溶液制成的聚壳糖无纺布，透气透水性能极佳，组织相容性良好。用甲壳素制成的吸收型外科手术缝合线柔软，机械强度高，易被机体吸收，同时不改变皮肤胶原蛋白中经脯氨酸的含量，无炎症反应，还可用常规方法消毒。过去，外科上使用的传统缝合线是羊肠线，它是用动物蛋白质制成的线。通过人体内蛋白水解酶作用，蛋白质大分子被分解成小分子。然而用羊肠线缝合伤口，病人往往有胀痛感。酶使羊肠线分解速度加快，在病人脏器、血管没长好以前，羊肠线就开始分解，强度逐渐降低。脏器、血管蠕动时，羊肠线就会松弛。没愈合的器官就会有阵痛感。用甲壳素制成缝合线是人工合成纤维，不受蛋白水解酶作用。在人体特有的酸碱条件下，会慢慢地分解成小分子。而且分解速度远远比羊肠线分解速度慢，能在一段时间内保持强度。脏器完全愈合后，才慢慢分解，最终被人体所吸收，避免了病人痛苦。

甲壳素又可制成骨缺损支架材料，骨细胞可在其支架上爬行代替，生长良好。人体原有的肝素和尿激素酶等物质能阻止或分解血栓的形成。甲壳素、聚糖素经硫酸醋化后的结构与肝素类似，一般具有15%-45%肝素活性，因而具有较高的抗凝血活性。由聚壳糖浇注成柔性的无色透明膜，具有良好的粘粘附性、抗血凝性、通透性。湿膜的抗拉强度随脱乙酰度的增加而明显增强，可制成人工透析膜，能经受高温消毒，对溶质如氯化钠、尿素、维生素Biz均有较好的通透性，可望在人工肾中获得应用。甲壳素、聚壳糖及其衍生物可为软硬性接触眼镜提供理想的材料。如用作最新品种的彩色

隐性眼镜，染色成份与聚壳糖的骨架以共价键相联，在水中长期浸泡也保持稳定。其优越的透氧性和促进伤口愈合的特性，也为发炎或受伤的眼睛辅助治疗提供了一个美好的前景。

参考文献 ①

②蒋挺大编著，甲壳素 化学工业出版社（第一版）[M]，北京 2003 Togawa, T., Nakato, H.&Izumi, S. Analysis of the chitin recognition mechanism of cuticle proteins from the soft cuticle of the silkworm, Bombyx mori[J]. Insect biochemistry and molecular biology, 2004, 34(10), 1059-1067.

③包光迪.甲壳质的利用[M].新疆:科技卫生出版社，1958, 1-9.

④

⑤王海青、高忠良 羧甲基壳聚糖的制备及应用现状【J】.中国食品添加剂、2002, 6,68-71 吴勇、黎碧娜. 羧甲基壳聚糖的制备与应用研究进展[J].香料香精化妆品,2001, 65(2),17-19

⑥ MuzJarelli,RiccardoA, A. Carboxymethylated chitins and chitosans [J].Carbohydrate polymers, 88,(8):1-21.

⑦唐星华、沈明才.壳聚糖及其衍生物应用研究进展[Jl日用化学工业，2005, 35(1), 40-44.

⑧ Gades, M. D二STERN, J. S. Chitosan supplementation and fat absorption in men and women[JI. Journal of the american dietetic association, 2005, 105, 72-77.

⑨Osamu, T. JP 98136878, 1998.

Ravikumarmn, V. A review of chitin and chitosan applications[J]. Reactive&functional polymers, 2009, ⑩

46,1-27

⑪米孔营，渠荣遴，李方.低分子量壳聚糖'制备与应用研究进展【J】高分子通报，2006. 1,41-45.

⑫夏文水.壳聚糖的生理活性及其在保健食品中的应用[J].中国食品学报，2003, 3(1),77-81.

⑬ Suzuki S. Suzuki k. Toboro A et al. Effct of N-acetyl-chi-to-ohgosaccharides on mouse penteneal exudate cells;Re-cent Adv Chemothert Proc. Lnt. Congr. chemother 14th,Univer. Tokyo Press，Tokyo 1985，819 ⑭M uzzarelli R，Tarsi R，Emanuell M et al. Antibacterialaction of amphoteric and cationic biopolymers. Prod.Chitin Aerosol sel. 28(1987).3.13(Ital)

⑮郑志清，沈新元，赵炯心，等.壳聚糖纤维的制备及应用.针织工业，2002,(4):44