鄭心怡，鄧麗珊，雷靜秋，余景紅，李庭曉

（上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201620）

新型醫(yī)用敷料是一種通過(guò)貼附于傷口上，促進(jìn)傷口愈合的材料。若傷口出現(xiàn)細(xì)菌感染，會(huì)引起傷口化膿等問(wèn)題使得傷口無(wú)法愈合，細(xì)菌感染嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)U(kuò)散到全身引發(fā)血液中毒，危及生命。新型醫(yī)用敷料能夠?yàn)閭谟咸峁┮粋€(gè)優(yōu)良的微環(huán)境，具備抗感染、止血、吸收創(chuàng)面組織滲出物等功能；能夠在創(chuàng)口愈合之前，為創(chuàng)口提供物理屏障，加速傷口愈合；能夠?yàn)閭谔峁駶?rùn)環(huán)境，避免換藥時(shí)傷口再次損傷。

新型醫(yī)用敷料不僅能夠減少換藥的次數(shù)，良好的抗菌性能也可以減少外部細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)，可有效降低傷口感染率?？咕轻t(yī)用敷料的基礎(chǔ)要求之一，殼聚糖作為唯一天然堿性多糖，本身自帶良好抗菌性，來(lái)源豐富且具有良好的生物相容性、降解性和無(wú)毒性，應(yīng)用在創(chuàng)口表面時(shí)能促進(jìn)血小板凝聚，增強(qiáng)止血效果。

在眾多制備抗菌敷料的技術(shù)中，納米纖維材料具有直徑小、比表面積高、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)敷料相比，納米纖維膜作為醫(yī)用敷料可以加速創(chuàng)面修復(fù)進(jìn)程且不易與傷口粘連。研究表明，納米纖維膜的微孔結(jié)構(gòu)使其透氣性透水性均優(yōu)于其他新型材料，殼聚糖又具有天然的抗菌性與良好的生物相容性，因此殼聚糖納米纖維膜是制作生物醫(yī)療用敷料的優(yōu)良材料之一。

靜電紡絲常用于制作納米纖維材料，但殼聚糖內(nèi)離子基團(tuán)的排斥力較大，即使低濃度的殼聚糖也難紡出理想的靜電紡絲膜，而殼聚糖靜電紡絲膜的抗菌性與靜電紡絲液中殼聚糖的濃度有著直接關(guān)系，因此殼聚糖納米纖維膜在運(yùn)用于醫(yī)用敷料時(shí)，需進(jìn)一步提升其抗菌性。

因此，本文綜述了殼聚糖納米纖維膜在醫(yī)用敷料方面的應(yīng)用，從脫乙酰度、靜電紡絲液中殼聚糖濃度、對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性、在靜電紡絲液中再添加其他抗菌劑等角度，分析了可以有效提升殼聚糖納米纖維膜抗菌性的方法，對(duì)提升殼聚糖納米纖維敷料的抗菌性具有借鑒意義。

1 傳統(tǒng)醫(yī)用敷料與新型納米纖維敷料

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍然以傳統(tǒng)醫(yī)用敷料為主。傳統(tǒng)醫(yī)用敷料一般由天然植物纖維構(gòu)成，例如脫脂棉紗布、凡士林紗布和棉墊等。傳統(tǒng)醫(yī)用敷料可以處理簡(jiǎn)單的傷口，吸收傷口創(chuàng)面的滲出液，阻隔外界細(xì)菌微生物，但是不能保持創(chuàng)面處于濕潤(rùn)的環(huán)境，在吸收力強(qiáng)的情況下會(huì)與傷口粘連，引起肉芽組織的二次創(chuàng)傷，而且屏障效果較差，換藥工作量大，對(duì)傷口的愈合幫助不大。

目前在生物醫(yī)療研究以及生產(chǎn)中有多種新型醫(yī)用敷料，如薄膜類、水膠體、水凝膠、泡沫類敷料等，其結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)如圖1 所示。其中納米纖維敷料借助納米纖維特性具有更高的比表面積，擁有大量相互連接的小孔和較好延展性，空隙小則讓它在抗菌的同時(shí)進(jìn)行氣體交換，有效孔隙率提高了滲透速率和污染物戒除率，能夠快速吸收創(chuàng)口上滲出的部分組織液，保證傷口濕潤(rùn)使后續(xù)不容易留疤。通過(guò)對(duì)制作材料的優(yōu)化可以賦予納米纖維膜特定的功能，例如吸液導(dǎo)濕、抗菌等。納米纖維醫(yī)用敷料不僅具有傳統(tǒng)醫(yī)用敷料的特點(diǎn)，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)敷料的缺陷，在加快傷口恢復(fù)方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。

圖1 不同類型新型醫(yī)用敷料優(yōu)缺點(diǎn)

2 殼聚糖納米纖維膜在醫(yī)用敷料方面的應(yīng)用

殼聚糖自身不但可以作為抗菌劑，還可以作為納米纖維敷料的載藥載體，通過(guò)同軸靜電紡絲等方法形成具有包芯結(jié)構(gòu)的納米纖維敷料，能有效對(duì)藥物進(jìn)行控釋并且發(fā)揮本身的抗菌作用。所制成的醫(yī)用敷料與傳統(tǒng)的傷口敷料相比，不只是簡(jiǎn)單的遮蓋傷口，在防止傷口脫水、抑菌與促進(jìn)愈合方面具有突出優(yōu)勢(shì)。

2.1 殼聚糖納米纖維膜敷料的制備方法

殼聚糖納米纖維膜通常使用靜電紡絲來(lái)制備。一般靜電紡絲裝置主要由高壓電源、注射泵與注射器、纖維接收器3 個(gè)部分組成。將紡絲液置入注射管，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，紡絲射流迅速拉伸，隨著溶劑蒸發(fā)在接收器上得到納米纖維。共混靜電紡絲法只需要將紡絲液注入一個(gè)注射器中，而使用同軸靜電紡絲技術(shù)則需要將殼、芯對(duì)應(yīng)的2 種紡絲液分別注入2 個(gè)注射器中，同時(shí)推進(jìn)，得到截面類似同心圓的納米纖維。制作殼聚糖納米纖維敷料時(shí)，也可以在配置紡絲液時(shí)加入所需功能藥物或者抗菌劑，利用共混靜電紡絲與同軸靜電紡絲制備不同結(jié)構(gòu)的納米纖維，如圖2 所示，可以達(dá)到雙重抗菌特性。靜電紡得到的納米纖維直徑分布較為均勻，納米纖維膜的結(jié)構(gòu)能夠很好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)[1]，在傷口區(qū)吸收滲出液并保存有益的液體與蛋白質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞增殖，加速傷口愈合。

圖2 共混（a）及同軸（b）靜電紡絲裝置示意圖及其纖維形貌與結(jié)構(gòu)

殼聚糖能夠溶于酸性條件，由于殼聚糖中氨基的存在，在酸性條件下溶解的殼聚糖容易質(zhì)子化，變成聚電解質(zhì)，在靜電紡絲過(guò)程中，會(huì)使得聚合物離子基團(tuán)之間的排斥力增加，容易形成珠狀顆粒物。分子間作用力大，聚合物難以從針頭處噴射出來(lái)，因此含有殼聚糖的靜電紡絲液可紡性較差，純CS 紡絲液通常很難制備出連續(xù)纖維。為此常常加入聚乙烯醇（PVA）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）等助紡劑，通過(guò)氫鍵與殼聚糖的相互作用，降低靜電斥力和表面張力，以此來(lái)獲得理想的電紡絲溶液，提高殼聚糖紡絲液的可紡性能，在一定程度上解決了靜電紡絲工藝制備含有天然聚合物的納米纖維紡絲困難的問(wèn)題。

2.2 殼聚糖抗菌原理

殼聚糖以及殼聚糖的衍生物均具有廣譜抗菌性。有研究表明殼聚糖以及殼聚糖的衍生物對(duì)革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌以及白色念珠菌有抑菌效果，兩者都屬于非溶出型抗菌劑，需要與微生物接觸才能生效，因此抗菌效果較為持久。殼聚糖對(duì)不同種類的細(xì)菌攻擊機(jī)制不同，抑菌方式也與殼聚糖分子量有關(guān)，短鏈殼聚糖可以穿透質(zhì)膜和細(xì)胞壁，而較長(zhǎng)的分子鏈可以包裹細(xì)菌，進(jìn)而阻止細(xì)胞與外界介質(zhì)的交換。目前殼聚糖抑菌的機(jī)理主要分為以下4 種。

（1）殼聚糖線型分子鏈上的胺基側(cè)基能夠在酸性條件下生成正電荷，而正電荷能與細(xì)菌細(xì)胞壁中的金屬離子競(jìng)爭(zhēng)，與蛋白質(zhì)中帶負(fù)電的部分結(jié)合，細(xì)菌表面正負(fù)電荷分布不均勻，導(dǎo)致膜穿孔和通透性改變從而使細(xì)菌失去活性[2]。

（2）殼聚糖中未酸化的氨基與金屬離子結(jié)合產(chǎn)生螯合效應(yīng)，讓金屬離子（例如Ca2+）發(fā)生位移，最終使得與細(xì)菌生長(zhǎng)相關(guān)的微量金屬不穩(wěn)定，從而抑制微生物的整體生長(zhǎng)。

（3）高分子量殼聚糖通過(guò)離子鍵形成網(wǎng)狀膜能將細(xì)菌包裹起來(lái)，阻礙細(xì)胞對(duì)外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，阻礙細(xì)胞代謝，并建立一個(gè)內(nèi)部滲透壓，最終細(xì)胞會(huì)因缺乏營(yíng)養(yǎng)而死亡。

（4）低分子量的殼聚糖穿透細(xì)胞，與細(xì)胞內(nèi)帶陰離子的物質(zhì)結(jié)合，阻礙DNA 聚合酶、DNA 的復(fù)制，損害細(xì)菌生理活動(dòng)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁（肽聚糖）較薄主要是殼聚糖抗菌機(jī)理（4）起到主導(dǎo)作用，而革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁比較厚，并且表面的磷壁酸含有磷酸基團(tuán)會(huì)與殼聚糖結(jié)合，則是殼聚糖抗菌機(jī)理（2）起到了主導(dǎo)作用，可以從抗菌機(jī)理看出殼聚糖抗菌效果與殼聚糖的濃度、分子量、脫乙酰度、環(huán)境的pH 值等因素均有關(guān)。

3 不同方面對(duì)殼聚糖納米纖維敷料抗菌性能的影響

3.1 脫乙酰度與粘度對(duì)殼聚糖納米纖維膜抗菌性的影響

不同脫乙酰度的殼聚糖抗菌效果不同。Eun Ju Jung[3]使用了6 種不同脫乙酰度的酸溶性殼聚糖，抗菌結(jié)果表明脫乙酰度越高，殼聚糖抗菌活性越強(qiáng)，而低粘度的殼聚糖抗菌活性最強(qiáng)。而楊梅[4]研究發(fā)現(xiàn)脫乙酰度的大小與殼聚糖的粘度有關(guān)，殼聚糖自身分子量大，分子間作用力強(qiáng)，在與PVA 混紡后CS 中的鍵合與陽(yáng)離子行為阻礙了電紡過(guò)程的順利進(jìn)行。在相同比例的CS/PVA 納米纖維膜中，脫乙酰度較低的更容易產(chǎn)生紡錘體納米纖維。脫乙酰度越高，殼聚糖的分子量則越小，粘度也隨之減小。過(guò)高的粘度電壓將不足以克服溶液的粘度，過(guò)低則又會(huì)因?yàn)榫酆衔镦溊p繞不夠而形成串珠。因此，雖然低粘度的殼聚糖更具有抗菌活性，但考慮到其成絲性及纖維形貌，靜電紡絲中更傾向選擇中粘度殼聚糖。

3.2 殼聚糖改性對(duì)納米纖維膜抗菌性的影響

結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和附著在聚合物骨架上的取代基是影響抗菌活性的重要因素。因此，可以通過(guò)對(duì)殼聚糖改性來(lái)提高其抗菌性，而改性同時(shí)也可以解決殼聚糖可紡性較差的問(wèn)題。具有抗菌性能的殼聚糖衍生物中最常見(jiàn)的官能團(tuán)有季氨酰、胍基、羧烷基、羥基烷基、含巰基和疏水基團(tuán)，如長(zhǎng)烷基鏈、取代苯基和芐基環(huán)，最為廣泛的則是羧甲基殼聚糖。殼聚糖在經(jīng)過(guò)羧甲基處理后，增大了其在水中的溶解度，并且保留了原本殼聚糖的優(yōu)勢(shì)，但在溶解過(guò)程中仍然在一定程度上受pH 值影響。而殼聚糖季銨鹽則是因?yàn)槠涔羌苌蠋в袕?qiáng)正電荷，自己所具備的陽(yáng)離子和正電性對(duì)比未改性殼聚糖有很大增強(qiáng)，因此殼聚糖季銨鹽也具備了優(yōu)良的溶解性，并且能在更為寬泛的pH 值下發(fā)揮其抗菌性能。

3.3 殼聚糖濃度對(duì)納米纖維膜抗菌性的影響

盡管殼聚糖擁有良好生物相容性以及較好抗菌性，但仍有可紡性差、溶解度不高等缺陷，加入相關(guān)助紡劑來(lái)輔助靜電紡絲是常用的方法之一，而混合溶液中殼聚糖濃度對(duì)納米纖維膜抗菌性能影響較大。李選[5]以不同比例殼聚糖、膠原蛋白、聚乙烯氧化物為原料來(lái)紡絲，分析納米纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌與大腸桿菌的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)證明無(wú)殼聚糖的納米纖維膜無(wú)抗菌性，當(dāng)殼聚糖的比例高于65%時(shí)，靜電紡絲膜的抑菌效果達(dá)到90%。因此，在可成絲的條件下，可以適當(dāng)提高殼聚糖濃度來(lái)增加納米纖維膜的抗菌性。

3.4 抗菌劑對(duì)殼聚糖納米纖維膜抗菌性的影響

由于靜電紡絲使用純殼聚糖可紡性低，因此大部分研究者均選擇與其他材料共混紡絲，但這會(huì)使抗菌成分在靜電紡絲膜中占比減小，而殼聚糖本身溶出性不強(qiáng)，因此在進(jìn)行靜電紡絲時(shí)，通常需要適當(dāng)加入其他抗菌劑來(lái)增強(qiáng)其抗菌效果。例如可以直接在靜電紡絲液中加入左氧氟沙星、抗生素類等醫(yī)藥抗菌抗菌劑，同時(shí)也可以加入具有抗菌效應(yīng)的有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)，許多自然界物質(zhì)也可以同殼聚糖配合（如表1 所示），起到增強(qiáng)納米纖維膜的抗菌性能的作用。

表1 不同抗菌物質(zhì)與殼聚糖共紡的研究

3.4.1 無(wú)機(jī)物質(zhì)在殼聚糖納米纖維膜中的應(yīng)用

通過(guò)在殼聚糖納米纖維中注入無(wú)機(jī)納米顆粒，可以改善殼聚糖納米纖維的創(chuàng)面處理和抗菌性能，金屬納米顆粒的滲入對(duì)各種醫(yī)用紡織品的功能都具有增益效果，常用于增強(qiáng)抗菌活性的無(wú)機(jī)物質(zhì)有納米二氧化鈦、納米銀[7]、納米氧化鋅[8]等。劉彤[6]等的研究表明殼聚糖主要是通過(guò)與被作用物體接觸發(fā)揮抗菌效果，而二氧化鈦對(duì)于空氣中游離的細(xì)菌也能發(fā)揮作用，與殼聚糖可起到協(xié)同抗菌作用。但是二氧化鈦的抗菌作用需要光催化產(chǎn)生自由基才能擁有較強(qiáng)的抗菌效果，在使用條件上有一定的限制。徐雄立等[7]加入納米銀制備納米纖維，制成的納米纖維膜抗菌活性得到了顯著提高。Lemke Philipp 等[15]將殼聚糖進(jìn)行部分水解，產(chǎn)生更小的聚合物與低聚物的混合物，在抗菌方面發(fā)生了協(xié)同作用，又可以與醋酸銅此類銅的復(fù)合物結(jié)合，再次產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)獲得更好的抗菌效果。由此可見(jiàn)，混入無(wú)機(jī)物質(zhì)的殼聚糖納米纖維敷料抗菌性有所提高，但有部分成分如二氧化鈦需要光催化等特定反應(yīng)條件才能達(dá)到良好的抗菌活性。

3.4.2 有機(jī)物質(zhì)在殼聚糖納米纖維膜中的應(yīng)用

除了無(wú)機(jī)納米顆粒，天然有機(jī)物質(zhì)也可以用來(lái)增加殼聚糖納米纖維的抗菌特性。自然界中常用于增加抗菌性的有機(jī)物質(zhì)有蜂蜜[9]、茶樹油脂質(zhì)體[10]、植物精油如檸檬香脂與蒔蘿精油[11]以及大蒜油[12]等。雖混入有機(jī)物質(zhì)的紡絲液通常可紡性不高，但能在一定程度上增強(qiáng)抗菌性。

3.4.3 醫(yī)藥用抗菌劑在殼聚糖納米纖維膜中的應(yīng)用

添加醫(yī)藥用抗菌劑可以顯著提高殼聚糖納米纖維的抗菌能力，慶大霉素、左氧氟沙星、鹽酸丙環(huán)沙星以及鹽酸莫西沙星常常用作醫(yī)療抗菌藥物，Shahla Mirzaeei 等[14]采用靜電紡絲制備了CS/PVA 納米纖維膜，加入左氧氟沙星進(jìn)行眼部治療，可以保持藥物最低抑菌濃度在90%以上，時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到95h，主要是通過(guò)緩釋的左氧氟沙星發(fā)揮抗菌效果。使用同軸靜電紡絲法，殼聚糖也可以作為殼結(jié)構(gòu)，抗菌劑包埋于芯層，在保證與創(chuàng)口接觸發(fā)揮殼聚糖優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，更好地達(dá)到穩(wěn)定的藥物控釋。但是醫(yī)用抗生素具有一定的抗藥性，生產(chǎn)使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意用量。

4 總結(jié)與展望

本文從殼聚糖脫乙酰度與粘度、殼聚糖濃度對(duì)殼聚糖改性等方面、不同種類抗菌劑對(duì)殼聚糖納米纖維膜抗菌性的影響討論了增強(qiáng)殼聚糖納米纖維敷料抗菌性的可行性及局限性。增強(qiáng)殼聚糖濃度與使用高脫乙酰度的殼聚糖可以增加殼聚糖納米纖維敷料的抗菌性，但濃度與可紡性有關(guān)，無(wú)法提升過(guò)多?？梢酝ㄟ^(guò)改性得到具有更強(qiáng)抗菌性的，或者具有更優(yōu)秀可紡性的殼聚糖衍生物。其中增強(qiáng)抗菌性的衍生物通常是在聚合物骨架上加上一些陽(yáng)離子基團(tuán)，例如季銨鹽、胍基等。也可以通過(guò)加入其他抗菌劑達(dá)到增強(qiáng)抗菌效果。

因此，研究者可以從殼聚糖本身抗菌機(jī)理角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性來(lái)增強(qiáng)抗菌性，但應(yīng)當(dāng)對(duì)其抗菌機(jī)理進(jìn)行深入探究。也可以通過(guò)改變分子量、脫乙酰度來(lái)改善抗菌性。低分子量殼聚糖能夠與一些無(wú)機(jī)物質(zhì)發(fā)生協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)抗菌活性，這也是一個(gè)可以研究的方向。還可以通過(guò)同軸靜電紡絲技術(shù)或是其他靜電紡絲技術(shù)從納米纖維本身的結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)效抗菌效果。殼聚糖納米纖維敷料的研究仍舊處于初始階段，相信在未來(lái)，殼聚糖納米纖維敷料能夠在生物醫(yī)學(xué)方面得到更加廣泛的應(yīng)用。