玻璃酸钠的润滑功能

陈建英，金 艳，凌沛学,2*

（1. 山东福瑞达医药集团有限公司 山东省黏膜与皮肤给药技术重点实验室，山东 济南 250101；2. 山东省药学科学院 山东省生物药物重点实验室，山东 济南 250101）

玻璃酸（hyaluronic acid，HA）又名透明质酸，是人和所有脊椎动物体内广泛存在的物质，具有多种重要的生理作用，包括与细胞表面的受体（CD44）结合，形成细胞外基质，参与胚胎形成、细胞迁移、细胞增殖、创伤修复、肿瘤形成等[1]。商品HA多为钠盐，来源于动物组织（如鸡冠、牛眼和人脐带）提取和微生物发酵，与人体含有的HA具有同源性和良好的生物相容性。HA溶液为典型的非牛顿流体，具有卓越的润滑性和黏弹性，使其得以广泛应用于眼科、骨科、妇科和普通外科等领域。近年，HA对人体多种组织器官的润滑功能及机制得到了深入研究。本文对HA的润滑功能及其在眼科和骨科等领域的应用进行了综述。

1 HA对关节软骨的润滑及在骨科疾病中的应用

1.1 HA对关节软骨的润滑

关节面之间的润滑优于机械润滑，关节的摩擦系数约0.002，而设计最好的金属制件的摩擦系数在0.02以上。其润滑机制极为复杂，为多种机制并存，且随负荷和运动迅速转化[2]。许多学者提出了不同的润滑机制来解释软骨的低摩擦特性，包括流体润滑、增压润滑、渗透润滑、挤压润滑和边界润滑等[3]。从工程角度看，润滑剂单分子层吸附在软骨表面的边界润滑作用和薄层液膜将软骨表面与表面分开的液膜润滑作用，在各种环境下的关节软骨中同时发生。

HA在边界润滑和液膜润滑中起着不可或缺的作用。HA是由N-乙酰氨基葡糖和葡糖醛酸为双糖单位重复连接组成的一种糖胺聚糖，具有极强的亲水性，与其他润滑成分，如润滑素（一种含少量硫酸软骨素和硫酸角质素的葡糖胺多糖[4]）和表面活性磷脂（surface-active phospholipid，SAPL）结合，稳定地附着于软骨组织表面，在摩擦界面（关节面）形成度厚约为1～100 nm、能承担负荷、可有效地减轻摩擦耗损的寡聚物层（oligolamellar），防止两关节面直接接触，实现边界润滑。HA能与蛋白质分子结合形成具有三维结构的糖蛋白复合体，在密闭空间（关节腔）中，由于关节的运动在关节面之间形成一厚度小于20 μm的润滑物薄层，使关节面分离，负荷由液膜压力支撑，实现液膜润滑。

SAPL的主要成分是二棕榈酰磷脂酰胆碱（di palmitoylphosphatidylcholineid，DPPC）。DPPC分子中，磷酸根带有负电荷，与其相连的胆碱上的季铵离子荷正电。生理条件下，组织间存在的Na+，K+，Ca2+等离子与磷酸根结合，使DPPC显正电。因此，DPPC通过化学吸附作用固定在带负电的组织界面，其脂肪链伸向外侧，在组织界面形成薄膜，使界面呈现疏水性，构成组织界面上具有润滑作用的一道屏障[5]。

随着研究的不断深入，多数人认为表面活性磷脂、润滑素和HA在一个完整界面的润滑系统中均有特定的作用。分布于正常关节软骨表面由磷脂、多糖和蛋白质组成的伪膜含丰富的HA，这种不连续的单层或多层伪膜可防止关节软骨直接接触并隔离滑液中存在的有毒物质，在关节中发挥润滑作用[6]。

据报道，1 % HA溶液与正常人关节润滑液的黏度值相似，剪切率为1.4，270 s-1时分别为22，0.4 Pas。完整离体犬髋关节的摩擦系数为0.007±0.004，经生理盐水冲洗关节表面后为0.020±0.009，添加HA后为0.013±0.005，其对关节的润滑作用显著好于生理盐水（P＜0.01）[7]。

众多实验数据证明HA可改善关节的润滑。Tanaka等[8]测得完整猪颞下颌关节的摩擦系数为0.0154±0.0043，磷酸盐冲洗和砂纸擦洗损伤后分别升高至0.0235± 0.0052和 0.0520±0.0088，平均增加约350 %，随后应用不同分子量的HA则可将摩擦系数降低43 %～56 %（平均约50 %）。Kawai等[9]的实验也支持了上述结果，HA应用于损伤关节可将摩擦系数降低50 %～75 %。

Tsutomu等[10]通过动物实验，首次证明了关节腔注射HA-磷脂（PHA）作为边界润滑剂可以提高关节的润滑，从而保护关节软骨，防止其退行性改变，而单独使用两种分子量的HA作用并不明显。

不同滑膜关节PC在建立润滑边界层方面可能有协同作用，在整个生理压力范围内有效地减少滑动摩擦[11]。王丽等[12]的研究结果显示，HA溶液而加入Lα-DPPC磷脂以后，摩擦系数和表面张力均显著降低，初步证实Lα-DPPC磷脂在润滑剂体系中起到了表面活性剂的作用。

Mabuchi等[13]对HA润滑特性的分子量依赖性进行了测试，结果显示，HA的润滑效果与其分子量无关。李峰等[14]采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究，发现透明质酸溶液可有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦。

Murakami等[15]针对自然的滑膜关节运动提出的适应性多模润滑机制中（见图1），缓慢运动条件下，自然滑膜关节的润滑以双相润滑、边界润滑、凝胶膜润滑和水合润滑为重要特征，关节软骨的摩擦受间质流体负荷支持和表面润滑性的控制。HA是滑液中不可或缺的成分之一，对降低关节摩擦和减轻软骨磨损有重要作用。

图1 适应性多模润滑机制构架[15]

1.2 HA的润滑作用在骨关节疾病中的应用

骨关节疾病多伴随关节润滑性的改变。Edward等[16]采用类Stribeck模型评估受冲击后软骨固有的边界润滑作用的变化及高黏度润滑剂（HA）对减低摩擦的效果，揭示了创伤性冲击后软骨润滑的确切机制和软骨损伤诱发骨关节炎的关键力学现象。试验结果表明，在经受冲击之后，边界摩擦的增加正好对应润滑素分布的改变，在混合模式的润滑中，摩擦系数较大程度的提高可根据软骨裂纹引起表面粗糙度的增加而预测。由于润滑素促进混合润滑的转变和HA在软骨表面的聚集，因此认为润滑素分布改变和表面粗糙度增加是抑制受冲击软骨向混合润滑转变的关键因素，而关节腔间歇性注射润滑剂是干预治疗的途径之一，能提高混合润滑的转变数、使摩擦系数降至最低的HA是世界范围内使用最广泛的黏弹性补充剂[17-19]。

HA关节腔注射液可治疗和预防多种骨关节疾病，包括轻、中度骨关节炎；关节镜下关节清理术、半月板修整成形或缝合修复术后；关节内创伤或骨折术后，或需要长时间关节制动；类风湿性关节炎患者出现骨关节炎表现时。症状缓解率和治疗满意度高，治疗效果较好。

2 HA对眼的润滑及应用

眼的润滑依赖于眼表的泪膜，正常的泪膜从外到内包括3层：油性层、水性层和黏液层，其清洁、润滑、保湿、免疫保护等功能的发挥依赖于其质和量的正常及泪液分泌与消除之间的动态平衡。泪膜由结膜杯状细胞分泌的黏液、由睑板腺和泪阜皮脂腺分泌的脂质及由主泪腺和副泪腺分泌的浆液共同形成。天然泪液主要成分为水、电解质、蛋白质和脂质，泪膜成分的缺乏和分布异常则可引起眼干燥症。

HA因带有大量负电荷的阴离子，因而具有较强的保水功能, 可使其黏附的物质表面保持润滑；HA还具有较强的黏弹性, 可在角膜表面存留较长时间，因此，HA是目前人工泪液中使用最为广泛的糖胺聚糖[20]。

研究表明，HA可通过其羧基和极性基团吸附水分，延长泪膜破裂时间，增加泪膜厚度[21]。无防腐剂的HA滴眼液可以替代泪液中的有效成分，补充泪液，从而增加泪膜稳定性而改善干眼症状[22]。但人工泪液很难与人体分泌的天然泪液完全相同，也很难真正模拟泪膜的3层结构，且患者只能间歇地使用人工泪液，无法模拟泪液的连续分泌状态。干眼症状的消除和眼表泪膜的恢复依赖于结膜上皮细胞、睑板腺和泪阜的皮脂腺及泪腺等眼组织的正常分泌功能。HA通过对眼组织的保护作用促进泪膜恢复正常，研究表明，HA具有保护上皮细胞的作用，可减轻防腐剂对角结膜上皮细胞的毒性，预防眼角膜上皮损伤，与具有上皮细胞保护作用的硫酸软骨素等配合可加速角膜损伤修复[23-25]。

HA可降低滴眼剂中防腐剂的毒性作用，从而减少防腐剂对眼表组织的损害。该作用通过3个途径实现：一是通过HA聚阴离子特性与带正电荷的防腐剂发生离子吸引，从而中和防腐剂对结膜和角膜上皮的毒性作用；二是防腐剂与聚阴离子HA之间的结合，使防腐剂与细胞膜的结合这一可逆过程的平衡向解离的方向移动，从而减轻其对细胞的毒性作用；三是防腐剂分子进入HA形成的大分子网状结构区内并且分散在其中，阻隔了防腐剂对角膜和结膜上皮的损害[26]。

此外，在眼科显微手术中，HA作为具有一定黏弹性、无毒、无抗原性的透明大分子胶体物质，注入组织腔隙中，除了起到填充、占位作用，HA形成一层薄膜黏附固定在组织表面，起到润滑和保护作用，在手术过程中通过减少组织与手术器械及组织间的摩擦，提高手术的质量和安全性。

手术黏弹剂现已成为眼内手术必不可少的工具之一，即所谓“黏弹性手术”。在眼科显微手术中，HA作为具有一定黏弹性、无毒、无抗原性的透明大分子胶体物质，注入组织腔隙中，起填充、保护、润滑等作用，可提高手术质量和安全性。现阶段HA黏弹剂广泛应用于在白内障摘除术，人工晶体植入和取出术，角膜手术，青光眼手术，眼外伤手术，眼后段手术，整形手术及眼外肌手术。

3 HA对人体其他部位的润滑

HA适用于人体多种部位的辅助润滑。HA是一种安全性较高的腔道润滑剂，在国内外，以HA作为润滑成分用于女性阴道润滑和医疗器械检查润滑产品已广泛使用，安全性已得到多方面的证实[27]。此外，基于HA的润滑和物理隔离作用，HA作为外科手术防粘连剂在临床也获得广泛使用，以HA作为主要成分开发的溶液、膜和凝胶广泛用于妇科和普外科手术后粘连的预防，效果显著。

4 HA衍生物的润滑作用

含HA滴眼液广泛用于润滑眼表面，减轻干眼病相关症状，但存在眼表面滞留时间过短的问题。Lee等[28]开发了一种双功能聚合物-肽复合物，此聚复合物一端可与HA结合，另一端可与眼表面上皮含唾液酸的糖基化跨膜分子或组织基质内的I型胶原分子相结合，可将HA靶向运输至眼表面。与HA滴眼液相比，加入复合物的HA滴眼液可延长HA在眼表面的滞留时间，且能降低眼表面的动力学摩擦系数，表现出良好的润滑性。

Valle-Delgado等[29]通过酯化反应将HA共价结合于纤维素纳米纤维（CNF）膜的表面，用原子力显微镜和胶体探针技术测定玻璃微球和薄膜之间的摩擦力，结果显示，HA的共价结合提高了CNF膜的润滑性，补充了CNF膜优良的机械性能，使其成为更有前途的软骨植入材料。

经十六烷基胺化学修饰的两性HA（AHA）凝胶也具有良好的关节润滑性能。Schiavinato等[30]的研究结果证明AHA凝胶加载于健康软骨关节可提供和滑液同等的润滑作用，而加载于磨损软骨关节可提供较滑液更加卓越的润滑效果，AHA可作为一种有效的润滑剂保护关节表面不受机械磨损。

5 展望

HA良好的润滑性，使其广泛应用于骨关节疾病、眼科疾病的治疗。但HA在体内易受酶的降解，有效时间较短。已有的研究显示，HA衍生物除具有良好的润滑性和黏弹性外，有效时间大大延长，其在临床中的应用前景值得期待。