天然多糖及其衍生物在生物材料领域内的应用

姜富馨

(天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

天然多糖类物质是一类非常重要的天然高分子物质，广泛存在于动物、植物、海藻等有机体中。本文中主要介绍几种常见的天然多糖类物质：壳聚糖、海藻酸盐、葡聚糖，因其优异的性能而成为新型天然医用生物材料并广泛用于多种领域。

1 常见的几种天然多糖

1.1 壳聚糖

壳聚糖是一种天然的线性半结晶多糖，由甲壳素的部分脱乙酰作用制备而成[1]；其分子中的伯羟基、仲羟基以及伯胺基能够被化学修饰，从而满足相应的使用场合[2]；它优异的抗微生物和抗炎特性，使其成为促进伤口愈合的极佳选择[3]。在阳离子非病毒载体中，壳聚糖及其衍生物所携带的正电荷可以与带负电荷的核酸相互作用形成复合物，从而保护缩合的核酸免于酶促降解，有效提高基因递送和转染效率[4-5]。

1.2 海藻酸盐

海藻酸盐是一种天然阴离子聚合物，从褐色海藻中提取，由于其良好的生物相容性、生物可降解性、低细胞毒性以及良好胶凝能力、非抗原性、粘膜粘附等优势，成为伤口敷料[6]、组织工程[7]和凝胶-胶粘剂[8]等生物医学应用过程中的理想选择。此外，海藻酸钠能够与Ca2+发生交联，为实现药物递送提供优良的载体选择[9-10]。

1.3 葡聚糖

葡聚糖是一种具有高水溶性的支链多糖，广泛用于食品和医药领域[11]。葡聚糖能够减少炎症反应、减少血管血栓形成和预防缺血[12]。它也可以作为一种温和的活性氧清除剂，减少器官移植灌注过程中过多的血小板活化[13]。此外，从工程学的角度来看，葡聚糖可用作保护和改善基体材料生物相容性的涂层材料，也可以被化学修饰，并用于形成水凝胶[14]或纳米颗粒[15]。

2 天然多糖类物质作为生物材料的应用

2.1 天然多糖类物质在组织工程和再生医学的应用

组织工程已成为修复受损组织或器官的一种新的研究领域，聚合物支架必须满足以下条件：①高孔隙率，具有足够的表面积和孔径分布；②生物降解速率与新组织再生速率匹配；③较好的结构完整性，以防止支架在新组织形成过程中全部塌陷。多糖基支架应用领域涵盖了骨骼、软骨和皮肤组织再生等[16]。最近，Sharma,C等利用明胶、海藻酸盐、壳聚糖和纳米羟基磷灰石制备出新型纳米生物复合支架，这一支架在生理条件下显示出极好的机械稳定性，体外细胞培养研究表明，成骨细胞能够在支架上良好的生存[17]。此外，Ghaffari,R等利用分子间离子相互作用和氢键将葡聚糖与纳米β-磷酸三钙颗粒结合形成多孔杂化水凝胶，随后制备成可用于骨组织工程中的支架[18]。随着3D打印技术的不断完善，研究人员着眼于利用该技术对生物支架进行优化，提高了综合力学性能、改善了空隙率、实现了连通孔的定向排列。目前，这些优化的生物支架被广泛用于身体内的许多系统[19]。

2.2 天然多糖类物质在伤口愈合和伤口敷料中的应用

伤口愈合涉及分子和细胞活动的一系列程序化步骤，这些阶段与细胞外基质的形成，可溶性介质以及实质细胞的迁移有关[20]。近年来，研究发现具有所需物理和化学性质的可生物降解材料能够加速伤口愈合，天然多糖被认为是潜在的伤口处理助剂。Wang等开发了一种由壳聚糖、明胶和蜂蜜组成的水凝胶片，用于烧伤伤口敷料，这一敷料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌株具有100%抗菌功效，能够在短时间内实现伤口收缩，与此同时，这些凝胶对皮肤和身体无毒且无刺激性[21]。He等利用静电纺丝技术，将聚己内酯和季铵化壳聚糖-聚苯胺接枝聚合物混合溶液制得成纳米纤维膜，该膜具备类似于软组织的机械性能、清除自由基的能力、抗菌性能和生物相容性[22]。最近，Liu等开发了一种用于控制局部区域出血的乙醛葡聚糖海绵，它能够快速阻塞伤口、止血、降低溶血作用、毒性小、可生物降解、对皮肤无刺激，是有应用前景的快速止血敷料[23]。此外，Li等将邻苯二酚改性的聚赖氨酸和氧化葡聚糖作为天然聚合物的主链，并通过希夫氏碱性动态键和邻苯二酚-Fe配位动态键原位交联，形成具有较高的机械强度和粘合强度生物粘合剂，同时保持了快速解离和良好的自愈能力，该生物粘合剂在处理皮肤伤口方面显示出巨大的潜力[24]。

2.3 天然多糖类物质在化学药物输送系统中的应用

如何将治疗分子递送到特定靶位一直是制约致病治疗效果的主要问题。常规的药物递送系统存在一些局限性，例如不良的生物分布、较差的有效性、酸水解、较短的生物学半衰期、副作用以及不良的药代动力学[25]。天然多糖具有多种优异性能，使其成为药物输送系统中合适的候选材料[26]。研究人员通过利用三聚磷酸钠作为溶液交联剂，将带正电的壳聚糖和带负电的棕榈酸结合，开发了新型的自组装纳米载体，这一两亲性壳聚糖纳米载体可在不同pH值和药物浓度下受控释放[27]。Hou等基于葡聚糖的两亲性聚合物(Dex-DOCA)，提出了一种紫杉醇和水飞蓟宾共输送的联合疗法，在酸性内涵体/溶酶体模拟环境中，载药纳米颗粒以预期的剂量比有效地、同步地排出了两种药物，从而获得最佳的协同抗肿瘤效果[28]。Zeng等通过乙缩醛或酯键合成吲哚美辛-葡聚糖接枝共聚物，随后利用其包载阿霉素形成前药胶束；pH敏感的前药胶束具有长期的血液循环稳定性和较高的肿瘤蓄积性，从而减少了副作用并提高了生物利用度[29]。

2.4 天然多糖类物质在基因疗法中的应用

基因治疗的定义是将外来基因组物质引入宿主细胞，从而产生治疗益处的过程。与基于蛋白质的药物的直接给药相比，基因治疗具有很多优势：更高的生物利用度、高特异性、更低的全身毒性、体内稳定性好、肝和肾清除率降低、长期疗效好以及较低的制造成本[30]。基因治疗成功的关键点在于基因转染的效率。目前用于基因传递的两种主要方法是：病毒载体和非病毒载体，鉴于病毒载体临床使用中的关键安全性问题，研究人员着眼于开发非病毒载体，可生物降解的天然多糖作为赋形剂发挥重要作用[31]。海藻酸盐衍生的多功能碳量子点具有很强的凝聚pDNA的能力，它能通过小窝蛋白和网格蛋白介导的内吞途径被细胞摄取，具有较高的转染效率和可忽略的毒性[32]。Liu等利用乙醇胺功能化的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯与功能化的葡聚糖-量子点制备一种新的纳米杂交体，它能够作为安全有效的基因载体。这一纳米杂交体兼具响应微环境刺激和优异的基因转染性能；同时，可以实时跟踪基因的递送过程，并实现治疗过程的可视化，应用前景明朗[33]。

3 总结与展望

就自然界的可持续性而言，天然多糖的丰富性降低了其作为生物材料的经济成本。由于其生物相容性，无毒性和非免疫原性，在过去的几十年中已变得非常重要。这些天然多糖带有可以在温和条件下修饰的活性官能团，能够应对各种生物医学应用的需求。基于天然多糖的生物支架通过刺激特定的细胞反应而提供与活体组织极为相似的结构，成为了一种非常有前途的材料。此外，由于它们与细胞外基质的相似性，天然多糖还可以减少慢性炎症或免疫反应。但是它也存在某些关键缺点，如难以用单独化学官能团实现降解速率、机械性能和化学性质的可控调节，所以，它们仍需要被进行设计。因此，多糖复合材料受到了更多的关注，并进行了广泛的研究以实现某种高级的特定功能。然而，迄今为止，对基于天然多糖及其衍生物的生物材料的体内研究是有限的，未来的研究应集中在评估这些生物材料在应用于体内治疗时的生物活性以及毒性，以使其在早日应用于临床。