李 潔,許楗楨#,胡 萍,雷琪琪,張文檸,敖寧建,2*
(1.暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510632;2.廣東省教育廳生物材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632)
人體最大的器官——皮膚,它能最大程度地保護(hù)人體免受病原體及疾病的侵害,防止體液流失[1]。皮膚受傷經(jīng)6周無(wú)法治愈可能會(huì)受到病原菌的感染形成微生物膜[2],從而轉(zhuǎn)變?yōu)槁詡赱3]。皮膚慢性傷口是一項(xiàng)重要的醫(yī)療保健問題[4],以糖尿病足潰瘍?yōu)榈湫痛?。?jù)報(bào)道[5],約25%的糖尿病患者會(huì)患上足潰瘍。導(dǎo)致皮膚慢性傷口的因素很多,主要有微生物感染、循環(huán)障礙、糖尿病和外傷瘢痕等[6]。理想的傷口敷料不僅需要保持傷口透氣、濕潤(rùn)且能抵抗微生物[7],還可通過提高細(xì)胞增殖來(lái)增強(qiáng)人體的再生能力[8]。
魔芋葡甘聚糖(KGM)分子量較小、溶解度較大[9],還具有生物安全性、凝膠性、生物相容性、保水性、生物可降解性等優(yōu)良性能[10],且高碘酸鈉氧化的KGM避免了常用氧化法的缺點(diǎn)[11-12]。羧甲基殼聚糖(CMCS)無(wú)定型,易溶于任何pH值的水溶液中[13],且具有保濕、免疫原性低、生物降解速度快、抗氧化劑、抗微生物等優(yōu)異特性[14-15]。
目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于氧化魔芋葡甘聚糖(OKGM)的研究較少。因此,作者設(shè)計(jì)并研制一種新型醫(yī)用敷料的初形——羧甲基殼聚糖/氧化魔芋葡甘聚糖(CMCS/OKGM)復(fù)合海綿,通過吸水率、孔隙率、透氣率、對(duì)NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響、抗菌能力、急性全身毒性等測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合海綿的性能。
SPF級(jí)KM小鼠,廣州江高文毅公司。
魔芋葡甘聚糖(KGM,純度≥95%),湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司;羧甲基殼聚糖(CMCS,取代度≥80%)、氘代水(D2O),上海麥克林生化科技公司;高碘酸鈉,分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠;溴化鉀,光譜純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;PBS緩沖液,武漢普諾賽生命科技有限公司;CCK-8 試劑盒,上海貝博生物科技有限公司。
LGJ-12型真空冷凍干燥機(jī),北京松源華興科技發(fā)展有限公司;Lab Serv K3型酶標(biāo)儀,賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司;RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器廠;Tensor27型傅立葉紅外光譜儀、Bruker AV 500MHz型核磁共振波譜儀,德國(guó)Bruker公司;EVO MA 15型掃描電子顯微鏡,德國(guó)卡爾蔡司公司;101-1型恒溫鼓風(fēng)干燥箱,金壇華龍實(shí)驗(yàn)儀器廠。
稱取5.0 g KGM,置于500 mL去離子水中,攪拌至均一體系;加入6.0 g高碘酸鈉,持續(xù)攪拌下于暗環(huán)境、30 ℃水浴24 h;再加入2 mL乙二醇,反應(yīng)2 h以除去過量的高碘酸鈉;然后將混合液旋轉(zhuǎn)濃縮至溶液總體積的1/3;透析72 h后,取上清液,離心,旋轉(zhuǎn),干燥,研磨成粉末狀,即得OKGM。
1.3.1 FTIR分析
以溴化鉀壓片為背景掃描;取少量KGM粉末和OKGM粉末,采用壓片法按1∶100的比例分別與溴化鉀混合研磨,制成片劑,通過傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行FTIR測(cè)試。
1.3.21HNMR分析
稱取一定量的KGM和OKGM,按10∶1(mg∶L)的比例分別溶解在D2O中,完全溶解后,用移液管移取適量溶液于干凈的核磁管中,通過核磁共振波譜儀進(jìn)行1HNMR測(cè)試。
稱取一定量CMCS粉末,溶于去離子水中,配制成質(zhì)量濃度為5%的CMCS溶液;稱取一定量OKGM粉末,溶于去離子水中,配制成質(zhì)量濃度為5%的OKGM溶液,靜置脫泡。將上述兩種溶液分別按配比(CMCS與OKGM的體積比)10∶0、8∶2、5∶5、2∶8混合,加入2%(以混合體系質(zhì)量計(jì))的甘油,攪拌均勻,倒入干凈的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿中,靜置30 min進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng);反應(yīng)完畢,用保鮮膜蓋住培養(yǎng)皿以密封,置于4 ℃冰箱中1 h,再置于-30 ℃冰箱中過夜;經(jīng)冷凍干燥,即得4種不同配比的CMCS/OKGM復(fù)合海綿,分別記為CMCS/OKGM-0、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8,CMCS/OKGM-0即為CMCS海綿。
1.5.1 FTIR分析
對(duì)CMCS/OKGM復(fù)合海綿進(jìn)行FTIR測(cè)試,分析其化學(xué)鍵的變化情況。以溴化鉀壓片為背景掃描;將CMCS/OKGM復(fù)合海綿進(jìn)行充分干燥處理后,用研缽將其研成粉末,并采用壓片法按1∶99的比例與溴化鉀混合研磨,制成片劑,通過傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行FTIR測(cè)試。
1.5.2 SEM分析
將4種不同配比的復(fù)合海綿用手術(shù)刀裁剪成5 mm×5 mm×2.5 mm(厚)的塊狀,用導(dǎo)電膠將其固定在銅板上,送樣,通過掃描電子顯微鏡測(cè)試復(fù)合海綿的微觀形態(tài)。
1.6.1 吸水率測(cè)定
將4種不同配比的復(fù)合海綿切成相同大小的矩形條,于60 ℃干燥箱中烘干至恒重,待其冷卻至室溫后稱重(W0,g);隨后置于100 mL生理鹽水中浸泡3 min,靜置于潔凈斜臺(tái)上瀝干水分,用濾紙吸干表面多余的水分后稱重(W1,g)。每組實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次,取平均值,按式(1)計(jì)算吸水率(W,%):
(1)
1.6.2 孔隙率測(cè)定
采用稱重法測(cè)定孔隙率。在200 mL燒杯中裝滿水,稱重(M1,g);倒掉一部分水后放入一定量(M,g)復(fù)合海綿,待復(fù)合海綿充滿水后補(bǔ)足水稱重(M2,g);將復(fù)合海綿從燒杯中取出,對(duì)剩余水分和燒杯再進(jìn)行稱重(M3,g)。每組實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次,取平均值,按式(2)計(jì)算孔隙率(P,%):
(2)
1.6.3 透氣率測(cè)定
將4種不同配比的復(fù)合海綿置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,烘干至恒重;同時(shí)將30 mL蒸餾水放入細(xì)口瓶中后稱重;在瓶口涂滿凡士林,將恒重復(fù)合海綿放在瓶口處(注意將瓶口周圍用密封條密封);24 h后取出復(fù)合海綿,再次稱量細(xì)口瓶與蒸餾水總質(zhì)量。每組設(shè)3個(gè)平行,每個(gè)平行測(cè)定3次,取平均值,按式(3)計(jì)算透氣率(ε,g·cm-3·h-1):
(3)
式中:m1、m2分別為透氣前后細(xì)口瓶與蒸餾水的總質(zhì)量,g;t為測(cè)試時(shí)間,h;r為細(xì)口瓶的半徑,cm;h為復(fù)合海綿的厚度,cm。
1.6.4 對(duì)NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響
慢性傷口敷料必須具備的功能是增強(qiáng)表皮成纖維細(xì)胞的增殖,從而加快慢性傷口的愈合速度。因此,通常以成纖維細(xì)胞的增殖情況作為判斷傷口敷料的有效性依據(jù)[16]。以KM小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(NIH-3T3)為研究對(duì)象,按照GB/T 16886.5-2003《醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)》第5部分[17],采用CCK-8試劑盒測(cè)試4種不同配比的復(fù)合海綿中NIH-3T3細(xì)胞的增殖情況[16]。NIH-3T3細(xì)胞液為培養(yǎng)24 h、48 h、72 h的細(xì)胞液,用酶標(biāo)儀測(cè)定450 nm處吸光度(OD),按式(4)計(jì)算細(xì)胞生長(zhǎng)速率(G):
(4)
1.6.5 抗菌能力測(cè)試
以革蘭氏陰性菌大腸桿菌(Escherichiacoli)和革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)為供試菌,采用抑菌圈法測(cè)試CMCS海綿及CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的抗菌能力。樣品量5 mg,24 h后觀察抑菌效果,用高清設(shè)備拍照記錄。
1.6.6 急性全身毒性測(cè)試
遲立超課題組[18]曾研究過CMCS的毒性,認(rèn)為CMCS擁有比殼聚糖更好的生物安全性。本研究按照GB/T 16886.11-2011《醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)》第11部分[19],采用腹腔注射法測(cè)試CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的生物安全性。將CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿浸提液分離純化,按50 mL·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)劑量將0.9%的復(fù)合海綿浸提液注射到KM小鼠腹腔中,以注射生理鹽水作為對(duì)照,分別在注射后第1 d、第3 d和第7 d記錄KM小鼠的體重、運(yùn)動(dòng)量、食物攝入、腸蠕動(dòng)、呼吸頻率、健康狀況等。若KM小鼠在注射后7 d內(nèi)生理活動(dòng)正常,沒有中毒或死亡且體重稍有增長(zhǎng),則判定CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有生物安全性。
運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部按均值±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行處理,并且使用方差的單因素分析來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)組間差異的顯著性。
從圖1a可以看出,KGM在3 415 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)而寬的吸收峰,為多糖結(jié)構(gòu)的-OH吸收峰;1 735 cm-1處為乙?;腃=O吸收峰;1 653 cm-1處為水分子的面內(nèi)吸收峰[20]。OKGM在1 693 cm-1處有一個(gè)新的吸收峰,為醛基吸收峰,證明了氧化反應(yīng)的發(fā)生[16]。KGM 880 cm-1處和OKGM 886 cm-1處為β-D-糖苷鍵結(jié)構(gòu)的吸收峰,證明了KGM的主鏈結(jié)構(gòu)在氧化過程中沒有改變[16]。
從圖1b可以看出,CMCS/OKGM復(fù)合海綿在1 030 cm-1處有一個(gè)一級(jí)醇羥基吸收峰,而在1 693 cm-1處的醛基吸收峰消失,證明CMCS上的氨基和OKGM上的醛基發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)反應(yīng);CMCS、CMCS/OKGM、OKGM均在3 200~3 500 cm-1處存在多糖結(jié)構(gòu)的-OH吸收峰,其中CMCS/OKGM的吸收峰向右移動(dòng)并且信號(hào)增強(qiáng),表明CMCS上的氨基已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并且很可能兩者同時(shí)產(chǎn)生氫鍵。
圖1 KGM、OKGM、CMCS、CMCS/OKGM的FTIR圖譜
圖2 KGM、OKGM的1HNMR圖譜
從圖2可以看出,由于中性體系的影響,δ8.40~δ9.40處烯醇CH的質(zhì)子信號(hào)小到幾乎看不到,故看到KGM分子中沒有醛基。此外,在OKGM的1HNMR中,與水化醛基和聚縮醛連接的醛基的質(zhì)子顯示為δ4.65~δ5.50之間的信號(hào);而在KGM的1HNMR中,醚鍵的質(zhì)子顯示為δ2.20和δ3.70,這表明OKGM通過半縮醛和縮醛在分子間和分子內(nèi)發(fā)生交聯(lián)。從理論上來(lái)看,高碘酸鹽氧化可使KGM的鄰位羥基斷裂,形成雙醛衍生物OKGM。假設(shè)每個(gè)α-乙二醇基團(tuán)消耗一分子高碘酸鹽,使得KGM氧化以獲得理論上的氧化度,那么,OKGM實(shí)際醛含量表明氧化度為(17.20±0.21)%[18]。而本研究中實(shí)際OKGM的氧化度為烯醇CH的質(zhì)子與醚鍵所連的質(zhì)子之比(即取代度),用MestReNova軟件對(duì)相應(yīng)峰面積積分,計(jì)算得到OKGM的實(shí)際氧化度為27%,較KGM大幅提高。其氧化以后,CMCS上的氨基和OKGM上的醛基發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。
a~d:CMCS、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8
從圖3可以看到,CMCS海綿的孔洞形狀扁平內(nèi)陷、不夠飽滿(圖3a),導(dǎo)致其回彈性很差,機(jī)械性能一般;而在加入OKGM后(圖3b、c、d),OKGM與CMCS發(fā)生化學(xué)交聯(lián),且隨著OKGM添加量的增加,復(fù)合海綿的交聯(lián)度相應(yīng)增大,孔洞越來(lái)越密集、分布均勻且飽滿。表明,OKGM的加入大大改善了CMCS海綿的內(nèi)部微觀孔洞結(jié)構(gòu),故初步判定所制備的CMCS/OKGM復(fù)合海綿具有優(yōu)異的吸水率、孔隙率和透氣率等性能。
圖4 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的吸水率
從圖4可以看出,CMCS海綿具有較好的吸水性,吸水率高達(dá)180%;當(dāng)加入OKGM后,由于交聯(lián)度的影響,復(fù)合海綿吸水率隨OKGM添加量的增加先升高后降低,在CMCS與OKGM配比達(dá)到5∶5時(shí),CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的吸水率達(dá)到最高,為270%。因此,CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿擁有更優(yōu)異的吸水率。
圖5 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的孔隙率
從圖5可以看出,4種海綿的孔隙率均超過92%,且隨著OKGM添加量的增加,孔隙率先升高后降低。這是因?yàn)?,OKGM作為交聯(lián)劑加入到CMCS體系中形成了復(fù)合海綿的孔洞結(jié)構(gòu),孔隙率相比于CMCS海綿有所升高;但隨著體系交聯(lián)度的繼續(xù)增大,復(fù)合海綿的孔洞越來(lái)越密集,孔隙率反而下降。CMCS、CMCS/OKGM-2、CMCS/OKGM-5、CMCS/OKGM-8海綿的孔隙率分別為93.34%、97.19%、95.45%、94.48%,其中CMCS/OKGM-2復(fù)合海綿的孔隙率最高,CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿次之。
圖6 CMCS/OKGM復(fù)合海綿的透氣率
從圖6可以看到,透氣率與孔隙率的變化趨勢(shì)相似,均表現(xiàn)為隨OKGM添加量的增加先升高后降低,CMCS/OKGM-2復(fù)合海綿的透氣率最高,CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿次之。這是因?yàn)?,與CMCS海綿相比,加入OKGM后,CMCS/OKGM復(fù)合海綿的孔洞結(jié)構(gòu)顯著增加,導(dǎo)致透氣率明顯升高[16],在CMCS與OKGM配比達(dá)到8∶2時(shí),透氣率達(dá)到最高;但隨著OKGM添加量的繼續(xù)增加,交聯(lián)度會(huì)繼續(xù)增大,復(fù)合海綿的孔洞越來(lái)越密集,透氣率相應(yīng)降低。因此,CMCS/OKGM-2和CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿能確保傷口處的氣體交換,有利于傷口愈合[16]。
圖7 CMCS/OKGM復(fù)合海綿對(duì)NIH-3T3細(xì)胞增殖的影響
從圖7可以看到,培養(yǎng)24 h、48 h、72 h的NIH-3T3細(xì)胞在CMCS/OKGM-2和CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿中的增殖率均超過了90%,且高于在CMCS海綿中的增殖率;但是在CMCS/OKGM-8復(fù)合海綿中的增殖率明顯降低,甚至低于在CMCS海綿中的增殖率。這是因?yàn)?,OKGM的加入有利于NIH-3T3細(xì)胞活性的提高,但當(dāng)OKGM添加量過多時(shí),未交聯(lián)的OKGM保留在培養(yǎng)基中,破壞了營(yíng)養(yǎng)液的平衡,NIH-3T3細(xì)胞活性略有下降,導(dǎo)致增殖率下降。當(dāng)CMCS與OKGM配比為5∶5時(shí),所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿最有利于NIH-3T3細(xì)胞的增殖[16],能促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖,使傷口愈合。
A、A1為CMCS海綿;B、B1為CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿
從圖8可以看出,所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出明顯的抗菌能力,抑菌圈直徑均大于7 mm。表明,CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有較好的抗菌性能,符合醫(yī)用傷口敷料的基本要求。
腹腔注射CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿浸提液后,第1 d、第3 d、第7 d測(cè)試的KM小鼠體重見表1。
表1 KM小鼠的急性全身毒性試驗(yàn)體重變化
從表1可知,第1 d,CMCS/OKGM-5組和生理鹽水組的KM小鼠體重差別不大;第3 d、第7 d,兩組的KM小鼠體重逐漸增加,這與復(fù)合海綿對(duì)NIH-3T3細(xì)胞增殖影響的結(jié)論一致:CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿對(duì)NIH-3T3細(xì)胞的增殖效果最佳。表明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有較好的生物安全性,但相比于生理鹽水組,CMCS/OKGM-5組的KM小鼠體重增幅小些,說(shuō)明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿有略微毒性。
a.外觀 b.向內(nèi)彎曲 c.向外彎曲
從圖9可以看出,CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿的表面蓬松且凹凸不平(圖9a),可有效覆蓋創(chuàng)面;CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有很好的柔韌性(圖9b、c),可適用于關(guān)節(jié)處創(chuàng)面的粘附,并且其厚度適中,其間有均勻分布的蓬松小孔,有助于研發(fā)后期的載藥性復(fù)合海綿敷料。
皮膚慢性傷口以糖尿病足潰瘍?yōu)榈湫痛韀3],通常是由于組織水腫、炎癥、傷口不易愈合、傷口面積大所致,滲液形成的不良微生物膜會(huì)很大程度地阻礙慢性傷口愈合,還會(huì)干擾生長(zhǎng)因子、阻礙藥物作用并且會(huì)加重創(chuàng)面及周邊的炎癥反應(yīng)。一旦出現(xiàn)皮膚缺損,傷口就開始感染、化膿,接著病變成反復(fù)性傷口——“潰瘍”,即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間治療也不易愈合,甚至還會(huì)惡性發(fā)展為壞疽(足病)而導(dǎo)致截肢[21]。臨床上對(duì)于糖尿病足潰瘍的治療手段比較復(fù)雜,帶給患者生理及心理上的極大病痛和生活困擾[22]。故針對(duì)糖尿病足潰瘍這類慢性傷口,醫(yī)用敷料必須具有良好的透氣性、吸液性、無(wú)毒、抗菌性,能作為緩釋藥物載體且可促進(jìn)細(xì)胞增殖,能保持在對(duì)創(chuàng)面有利的濕潤(rùn)環(huán)境下吸收更多的不良滲液,減少微生物所致的感染及炎癥反應(yīng)。
本研究選用的CMCS、OKGM是天然生物材料,有著較高的生物相容性。研究表明,CMCS在細(xì)胞間相互作用使細(xì)胞增殖,從而達(dá)到傷口愈合的目的[23-24]。在結(jié)構(gòu)性能方面,CMCS/OKGM復(fù)合海綿有分布均勻的孔洞結(jié)構(gòu),使得復(fù)合海綿擁有優(yōu)良的吸水率、孔隙率及透氣率,有利于吸收傷口滲液并且保持傷口處的氣體交換,避免了滲液積留在傷口表面給不良微生物創(chuàng)造生長(zhǎng)環(huán)境造成感染,從而保證傷口愈合的環(huán)境[25],符合醫(yī)用級(jí)傷口敷料標(biāo)準(zhǔn)。在抗菌方面,CMCS表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌性[26],本研究也證明了所制備的CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿具有優(yōu)異的抗菌能力。在細(xì)胞增殖方面,由于CMCS的兩性電解質(zhì)特性使得成纖維細(xì)胞能夠很好地貼附材料生長(zhǎng)[27],極大地促進(jìn)NIH-3T3細(xì)胞增殖,使得慢性傷口能很好地愈合,NIH-3T3細(xì)胞增殖影響試驗(yàn)與急性全身毒性試驗(yàn)結(jié)果也表明CMCS/OKGM-5復(fù)合海綿有極好的生物安全性。
CMCS/OKGM復(fù)合海綿可以負(fù)載不同的藥物成分來(lái)加速傷口愈合,具有很大的開發(fā)潛力和臨床價(jià)值。本研究運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果P<0.05,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,數(shù)據(jù)有效。本研究未對(duì)傷口止血進(jìn)行探討,有待進(jìn)一步完善。
采用高碘酸鈉氧化制備OKGM,再按5∶5的體積比將質(zhì)量濃度均為5%的CMCS溶液和OKGM溶液混合,加入2%的甘油作為塑化劑,以冷凍干燥法制得CMCS/OKGM復(fù)合海綿。該復(fù)合海綿具有良好的吸水率、孔隙率、透氣率、抗菌活性、生物安全性且能促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖,是優(yōu)良的醫(yī)用慢性傷口敷料基礎(chǔ)底料。