葉翔凌，夏遠(yuǎn)軍，章 瑩

作者單位：510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院創(chuàng)傷骨科通信作者：章瑩，E-mail：zhangying_doc@yahoo.com.cn

海藻酸鹽是一種聚陰離子的天然親水性多糖，主要來源于海藻和微生物，水解產(chǎn)物主要是D-甘露糖醛酸（M）和L-古洛糖醛酸（G）[1-2]。作為一種天然高分子生物材料，海藻酸鹽不僅具有良好的生物相容性和降解性，還具備優(yōu)異的成凝膠性和成膜性，目前已被美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)使用。它可以被制成多種生物材料形式，如水凝膠、微球、多孔支架、纖維、膜、栓塞劑等，廣泛應(yīng)用于創(chuàng)面敷料、組織工程、生物制藥等方面。本文就海藻酸鹽生物材料在傷口敷料、組織工程、栓塞劑和載藥微膠囊領(lǐng)域的臨床應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 傷口敷料

傷口敷料是指用以臨時(shí)覆蓋各種傷口的材料，不僅為創(chuàng)面提供保護(hù)，還可防止微生物侵入，預(yù)防創(chuàng)面交叉感染。傳統(tǒng)敷料主要是指天然紗布（棉墊）或合成的繃帶和紗布，吸水能力強(qiáng)，成本低廉，便于操作，但易引起繼發(fā)性剝離損傷，且無法提供潮濕的傷口環(huán)境，不利于傷口愈合[3]；而現(xiàn)代敷料能夠在傷口周圍創(chuàng)造一個(gè)潮濕封閉的環(huán)境，促進(jìn)傷口愈合，常用的有薄膜類、水凝膠類、藻酸鹽類、泡沫類、生物類、水膠體類以及載藥類敷料等。

Blaine[4]于1946年首次將海藻酸鹽敷料用于傷口愈合，療效顯著。其治療機(jī)制可能在于某些海藻酸鹽敷料可吸收傷口滲液并形成凝膠，為傷口提供相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境并減少細(xì)菌感染，從而促進(jìn)傷口快速上皮化及肉芽組織形成；同時(shí)，海藻酸鹽的免疫原性受M-嵌段量的影響，具有高M(jìn)-嵌段量的海藻酸鹽可以誘導(dǎo)更高水平的細(xì)胞因子產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)了傷口愈合[5]。目前臨床常用的有海藻酸鈉、海藻酸鈣和海藻酸銀等敷料，制備方法通常是通過藻酸鹽溶液與鈣離子（Ca2+）交聯(lián)形成凝膠，然后加工制成冷凍干燥的多孔片（即泡沫）和纖維無紡布敷料。

藻酸酸鹽敷料的主要性能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①優(yōu)良的吸水性能?？捎糜诖罅繚B出性傷口，同時(shí)防止傷口干燥，更好地修復(fù)創(chuàng)面。②強(qiáng)大的抗菌性能。傷口滲出液和壞死組織為細(xì)菌提供有利的生存環(huán)境，可能導(dǎo)致感染和延遲愈合，海藻酸鹽敷料通過大量吸收傷口滲出液，保持濕潤(rùn)的微環(huán)境，最大限度地防止創(chuàng)傷部位的細(xì)菌感染[6]；在海藻酸鹽基敷料中加入抗生素還可進(jìn)一步加強(qiáng)抗菌作用，有學(xué)者制備了一種含四環(huán)素的殼聚糖-海藻酸鹽抗菌水凝膠，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)均有明顯的抑制作用[7]。③良好的止血性能[8]。海藻酸基生物材料可通過提供“濕性愈創(chuàng)”環(huán)境，從而達(dá)到快速止血的目的。④易揭除性。海藻酸鹽敷料與傷口滲出液結(jié)合后可形成水凝膠，易于整片揭除，避免敷料剝離引起的繼發(fā)性損傷。

除此之外，該敷料還具有高透氧性以及凝膠阻塞性、生物相容性和降解性良好等優(yōu)點(diǎn)[9]；而近年來海藻酸鹽與銀離子、殼聚糖、膠原復(fù)合以及與負(fù)壓引流等技術(shù)相結(jié)合的多功能敷料也陸續(xù)問世，進(jìn)一步提升了敷料的抗菌性能、止血性能和促愈合能力，并在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用[10-13]。

2 組織工程

在組織工程領(lǐng)域，支架材料的選擇至關(guān)重要。水凝膠是一類具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以水為分散介質(zhì)，通過一定的化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)方式形成的凝膠[14-15]。由于能夠保持一定形狀，水凝膠可以很好地模擬人體組織結(jié)構(gòu)，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程支架的制作。海藻酸鹽在二價(jià)陽離子存在的條件下可形成水凝膠，生物安全性良好，具有可降解性，在軟骨修復(fù)、骨支架、軟骨支架等組織工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。按性狀分類，組織工程支架可分為預(yù)成型支架和可注射支架，目前海藻酸鹽在兩種形式的組織工程支架構(gòu)建中均有應(yīng)用[16]。

2.1 軟骨修復(fù)

關(guān)節(jié)軟骨創(chuàng)傷性和退行性損傷是致殘的重要原因。組織工程方法制備軟骨修復(fù)植入物的優(yōu)勢(shì)在于，不僅可將植入物固定在缺損區(qū)域內(nèi)，而且本身具有一定的剛度和強(qiáng)度，承重效果良好[17]。

Vacanti等[18]的研究表明，將海藻酸鹽水凝膠作為軟骨細(xì)胞接種載體植入動(dòng)物體內(nèi)，可以促進(jìn)新的軟骨生成。Ma等[19]將包埋在藻酸鹽凝膠中的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）置于無血清培養(yǎng)基中，同時(shí)加入轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（transforming growth factor，TGF）-1、地塞米松和抗壞血酸-2-磷酸共培養(yǎng)1周以上，結(jié)果證實(shí)有軟骨形成；而將干細(xì)胞分裝在海藻酸鹽凝膠中則可調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化，具有加速軟骨形成的作用。

動(dòng)物模型中將種子細(xì)胞與海藻酸鹽基材料相結(jié)合，亦被證實(shí)可用于修復(fù)受損的軟骨。Chang等[20]在含有硫酸鈣的藻酸鹽溶液中加入軟骨細(xì)胞，將該懸浮液注射到面部植入物的模具中預(yù)先形成軟骨，皮下植入小鼠和綿羊，植入30周后形成具有三維形狀的軟骨，其蛋白多糖、膠原蛋白含量及彈性模量可達(dá)到天然軟骨的80%，說明海藻酸鹽可以作為軟骨細(xì)胞的有效載體；張伊[21]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，海藻酸鹽支架植入類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎新西蘭長(zhǎng)耳白兔模型1個(gè)月后，軟骨缺損得到明顯修復(fù)。

為更好地發(fā)揮海藻酸鹽在修復(fù)軟骨過程中的作用，學(xué)者們還通過RGD多肽等生長(zhǎng)因子對(duì)海藻酸鹽支架進(jìn)行一定的修飾。Shin等[22]的研究結(jié)果證實(shí)，經(jīng)RGD多肽修飾的大孔海藻酸鹽支架可以促進(jìn)TGF-β生成，并誘導(dǎo)人MSC分化，其作用機(jī)制在于RGD多肽能增強(qiáng)支架與軟骨細(xì)胞之間的黏附作用，使細(xì)胞更容易獲得TGF-β；亦有學(xué)者將小鼠胚胎瘤細(xì)胞（ATDC5）接種在經(jīng)RGD修飾的海藻酸鹽水凝膠中，結(jié)果顯示細(xì)胞活力提高，同時(shí)加速了軟骨結(jié)構(gòu)的形成[23]。

2.2 骨再生

創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨髓炎以及各種先天性疾病是導(dǎo)致骨缺損的重要原因，而修復(fù)骨缺損的理想方法就是原位誘導(dǎo)成骨。海藻酸鹽水凝膠可通過運(yùn)載骨誘導(dǎo)因子，進(jìn)而誘導(dǎo)骨細(xì)胞生成和增殖。它能以注射的方式進(jìn)入人體，不僅微創(chuàng)，而且便于控制骨誘導(dǎo)因子的釋放，在骨再生方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[24-25]。

諸多研究表明，將海藻酸鹽作為未分化MSCs的載體，所形成的復(fù)合材料具有刺激骨再生的作用[26-27]。Park等[28]使用殼聚糖-海藻酸復(fù)合凝膠作為MSCs和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein，BMP-2）的載體，結(jié)果表明該可注射復(fù)合材料在小鼠體內(nèi)能刺激新骨的形成；Kolambkar等[29]引入一種混合生長(zhǎng)因子遞送系統(tǒng)，通過海藻酸鹽水凝膠持續(xù)輸送重組BMP-2，用于大段骨缺損的治療，效果良好；Xia等[30]將BMSCs植入海藻酸鈉/明膠支架中，亦表現(xiàn)出良好的成骨效應(yīng)。

人們還發(fā)現(xiàn)，將含有RGD的多肽與海藻酸鹽耦合，可以促進(jìn)其與細(xì)胞之間的黏附、分化及增殖作用。Alsberg等[31]采用RGD-海藻酸鹽包裹M3T3細(xì)胞，24周后活體骨生成；Kang等[32]將RGD多肽與3D海藻酸鹽水凝膠相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)經(jīng)RGD-修飾的海藻酸鹽水凝膠明顯促進(jìn)了人類脂肪干細(xì)胞（adipose-derived stem cells，ASCs）的形成分化；亦有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)在人工骨支架中添加RGD多肽，可以改善人MSC細(xì)胞黏附和增殖并促進(jìn)骨再生[22]。

總之，海藻酸鹽水凝膠在骨修復(fù)方面具有巨大的治療潛力。相較于其他材料，運(yùn)載成骨干細(xì)胞或生長(zhǎng)因子的海藻酸鹽水凝膠有以下特點(diǎn)：①可通過微創(chuàng)方式進(jìn)入體內(nèi)；②能充分填充不規(guī)整的骨缺損部位；③易被RGD表面修飾，利于成骨細(xì)胞對(duì)材料的黏附；④可以控制BMP-2、TGF-β等生長(zhǎng)因子的釋放，對(duì)骨再生進(jìn)程具有促進(jìn)作用。

2.3 血管修復(fù)

組織工程化血管修復(fù)手段主要包括血管支架材料制作、細(xì)胞移植以及血管組織修復(fù)等[33]。將血管生長(zhǎng)因子植入材料中并控制其釋放，是促進(jìn)血管生成的主要途徑。海藻酸鹽可作為各種血管生長(zhǎng)因子的載體，具有緩釋作用，對(duì)促進(jìn)血管修復(fù)有重要意義[34]。

血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是血管內(nèi)皮細(xì)胞的特異性肝素結(jié)合生長(zhǎng)因子，具有促進(jìn)血管生成的重要作用。將VEGF通過噴霧干燥包封在海藻酸鹽微粒（MP）中，然后摻入膠原-羥基磷灰石支架，最終發(fā)現(xiàn)該支架能夠持續(xù)釋放VEGF多達(dá)35 d[35]。說明MP包封后可起到緩釋作用，其半衰期也有所延長(zhǎng)。

海藻酸鹽可通過細(xì)胞移植促進(jìn)血管生長(zhǎng)，尤其是當(dāng)宿主細(xì)胞無法與遞送的血管生長(zhǎng)因子響應(yīng)時(shí)，更加凸顯出細(xì)胞移植的意義。王淞等[36]將人臍帶MSCs與海藻酸鈣支架復(fù)合培養(yǎng)，結(jié)果顯示在海藻酸鈣凝膠中VEGF可持續(xù)表達(dá)，提示人臍帶MSCs能夠在海藻酸鈣支架中較長(zhǎng)時(shí)間地生長(zhǎng)、增殖。

海藻酸鹽水凝膠還可將不同的血管生長(zhǎng)因子結(jié)合起來用于血管修復(fù)。向小鼠缺血部位輸送VEGF，隨后將載有血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet derived growth factor，PDGF）的海藻酸鹽水凝膠輸入至缺血部位，在兩種因子的共同作用下，不僅加速了血管形成進(jìn)程，而且還實(shí)現(xiàn)了血管功能的有效恢復(fù)[37]。

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在血管外科的應(yīng)用，目前血管重建手術(shù)已無需從患者身上截取血管，通過3D打印技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、個(gè)體化腔內(nèi)移植物及人工血管的制備，減輕了患者的痛苦，提高了療效。Gao等[38]運(yùn)用3D生物打印技術(shù)制作出具有多層流體通道的3D海藻酸鹽水凝膠血管，并植入小鼠成纖維細(xì)胞（L-919），1周內(nèi)L-919細(xì)胞存活超過90%；毛偉等[39]通過3D打印技術(shù)制備藻酸鹽水凝膠空心圓管，并用氯化鐵增強(qiáng)其力學(xué)強(qiáng)度?？梢?，運(yùn)用3D打印技術(shù)制備海藻酸鹽凝膠血管不僅生物學(xué)性能良好，還可通過化學(xué)改性增強(qiáng)其力學(xué)性能。

2.4 其他組織器官修復(fù)

2.4.1骨骼肌修復(fù) 海藻酸鹽可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、黏附和遷移，是生長(zhǎng)因子良好的遞送載體，在骨骼肌修復(fù)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛能。而骨骼肌再生的方法除了輸送生長(zhǎng)因子外，MSCs移植也是有效途徑之一[40-41]。Ansari等[42]制備一種3D可注射耦合RGD海藻酸鹽支架，用于封裝牙齦MSCs，將其注射至免疫受損小鼠體內(nèi)，4周后牙齦MSCs顯示出與肌肉再生有關(guān)基因標(biāo)志物的高水平mRNA表達(dá)。2.4.2神經(jīng)修復(fù) 通常基于3D支架或“生物模板”進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)，其目的是建立一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞軸突可沿支架表面或支架內(nèi)發(fā)育的環(huán)境[43]。海藻酸鹽水凝膠具有良好的孔隙率、孔徑和連通性，有助于細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖，因此常被用于中樞和外周神經(jīng)修復(fù)。Lin等[44]制作含有明膠和大鼠背根神經(jīng)元（orsal root ganglion，DRG）的大孔海藻酸鹽纖維并進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，第11天時(shí)發(fā)現(xiàn)DRG神經(jīng)突觸明顯生長(zhǎng)，表明海藻酸鹽水凝膠內(nèi)的孔隙和通道結(jié)構(gòu)為神經(jīng)元發(fā)育提供了有利環(huán)境；畢擎等[45]應(yīng)用海藻酸鹽修復(fù)兔坐骨神經(jīng)缺損取得良好效果，從而為臨床修復(fù)坐骨神經(jīng)提供了新的思路和方法。

2.4.3肝組織修復(fù) 肝組織工程技術(shù)的具體方法是將合適的細(xì)胞接種在生物材料上，待細(xì)胞分化、生長(zhǎng)并形成一定量的肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞和組織后，再將其移植到患者的肝損傷部位[46]。具備多孔結(jié)構(gòu)的海藻酸鹽水凝膠為細(xì)胞提供良好的封裝結(jié)構(gòu)，接種在水凝膠上的細(xì)胞可以很好地保持活性。Lin等[47]觀察BMSC復(fù)合海藻酸鹽支架對(duì)大鼠急性肝衰竭的治療作用，結(jié)果提示海藻酸鹽與BMSC復(fù)合支架可促進(jìn)肝組織再生，進(jìn)而提高細(xì)胞移植的治療效果。

2.4.4胰腺組織修復(fù) 胰島移植被認(rèn)為是1型糖尿病的潛在替代治療方法[48]。Yin等[49]將胰島封裝在耦合有VEGF的海藻酸鹽水凝膠里，隨后植入糖尿病小鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海藻酸鹽復(fù)合材料表現(xiàn)出持續(xù)促進(jìn)血管生成的性能，且包封在材料中的胰島在動(dòng)物體內(nèi)可維持長(zhǎng)達(dá)50 d的治療效果，這一研究結(jié)果可能為1型糖尿病的治療提供了新的選擇。

將不同生物材料制備成微球作為胰島素載體，目前也逐漸成研究的熱點(diǎn)，其中以海藻酸鹽為代表的天然生物可降解高分子材料，因其來源廣泛、成本低廉、生物相容性和降解性良好以及具備成膜性和成球性，目前已經(jīng)成為胰島素緩釋微球載體的首選材料[50]。

3 栓塞劑

栓塞術(shù)是介入治療中的重要技術(shù)，栓塞材料的選擇對(duì)于保證治療效果起著關(guān)鍵作用，由海藻酸鹽制作而成的載藥微球栓塞劑目前廣泛應(yīng)用于肝癌、子宮肌瘤、脾功能亢進(jìn)等疾病的栓塞治療。

在肝癌治療領(lǐng)域，Huang等[51]制備基于泊洛沙姆407、海藻酸鈉、羥甲基纖維素、碘克沙醇（PSHI）和Ca2+的熱敏復(fù)合水凝膠，作為動(dòng)脈栓塞治療肝癌的液體栓塞劑，用于兔VX2肝癌模型后腫瘤完全閉塞。孫偉等[52]使用海藻酸鈉微球聯(lián)合動(dòng)脈栓塞化療治療原發(fā)性肝癌患者，結(jié)果證實(shí)其可增強(qiáng)血管栓塞效應(yīng)，提高生存率；劉太鋒[53]的臨床研究結(jié)果則顯示，國(guó)產(chǎn)海藻酸鈉微球血管栓塞劑具有良好的生物相容性及優(yōu)異的血管栓塞作用，顯著提高了原發(fā)性肝癌患者肝動(dòng)脈化學(xué)性栓塞的治療效果。

有學(xué)者應(yīng)用海藻酸鈉微球血管栓塞劑治療100例多發(fā)性子宮肌瘤患者，發(fā)現(xiàn)可有效縮小子宮肌瘤，療效顯著[54]；陳磊等[55]則將其用于62例肝硬化門靜脈高壓致脾功能亢進(jìn)患者，治療后的平均栓塞面積達(dá)到50%～70%，白細(xì)胞和血小板數(shù)量明顯升高，治療安全有效。

4 載藥微膠囊

微膠囊（microcapsules）是指由天然或合成的高分子材料制成，用于封裝固體、液體或氣體的微小容器，其粒徑約為5～1 000 μm。1964年chang[56]首次將酶、蛋白質(zhì)和激素等生物活性物質(zhì)包封在選擇性透過膜中，形成球狀微膠囊，其原有生物活性仍可保持。近年來，人們采取組織細(xì)胞移植方法，通過手術(shù)、注射和口服等方式將細(xì)胞微膠囊植入受體適當(dāng)靶位，憑借膜的選擇滲透作用將待移植的細(xì)胞隔離，既能避免免疫排斥反應(yīng)，又能維持移植物的生物活性，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)受損組織或器官的目的。由于海藻酸鹽是一種無毒、無刺激性、生物相容性良好的生物材料，因此人們制備基于海藻酸鹽的生物微膠囊，將其作為植入人體的免疫隔離裝置，在人體內(nèi)長(zhǎng)期發(fā)揮治療作用，為糖尿病、帕金森病、癌癥等提供新的治療選擇。

1996年Sun等[57]將APA微膠囊技術(shù)與胰島細(xì)胞移植結(jié)合用于治療糖尿病猴，之后O'Sullivan等[58]將海藻酸鈉包裹小鼠胰島細(xì)胞用于異體糖尿病移植，取得良好效果；而微囊化胰島移植也為糖尿病患者提供了新的治療方案[59]。

羅賢明和王維[60]用海藻酸鹽多微囊包裹豬脈絡(luò)膜細(xì)胞，移植至偏側(cè)帕金森病樣猴黑質(zhì)-紋狀體通道，結(jié)果顯示移植后6個(gè)月該脈絡(luò)膜細(xì)胞微膠囊能促進(jìn)多巴胺生成并糾正偏側(cè)帕金森病猴的行為，微膠囊形態(tài)完好，組織相容性和通透性良好，起到了較好的免疫隔離作用。

目前微膠囊有望成為治療腫瘤的新型有效手段。Du等[61]制備用葉酸連接的脂質(zhì)上皮光敏劑修飾的Ca-ALG水凝膠微膠囊，并將封裝化療藥物的微膠囊用于癌癥治療。結(jié)果表明，該微膠囊具有更高的腫瘤細(xì)胞攝取率，治療的針對(duì)性和效果明顯提高，這一研究還發(fā)現(xiàn)，將微膠囊作為聯(lián)合抗癌藥物的載體，比單獨(dú)的化療或光動(dòng)力治療都更為有效。

5 研究方向與展望

海藻酸鹽是一種具有良好生物相容性的生物材料，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在傷口敷料、組織工程、栓塞劑和藥物控釋等領(lǐng)域。存在的不足主要是：①敷料功能仍較單一，未來將開發(fā)兼具止血、鎮(zhèn)痛、抗菌、促愈合甚至抗腫瘤等功能的復(fù)合敷料[62-63]，例如，可將具備某種或多種生物活性的物質(zhì)負(fù)載至海藻酸鹽敷料中，用以拓展敷料的功能，使敷料的治療作用更加持久和可控等；②機(jī)械強(qiáng)度不足，未來可通過改進(jìn)支架的制作工藝和方法，制備出用途更廣、適用范圍更寬的海藻酸鹽支架；③在栓塞治療領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，需對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行深入研究，目前市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)海藻酸鹽栓塞劑，有待深度開發(fā)；④作為藥物載體材料，海藻酸鹽的相關(guān)開發(fā)應(yīng)用還需不斷深入和完善，其在藥物緩釋方面的發(fā)展仍有很大的空間。