羧甲基壳聚糖基材料在生物医用领域中有什么用？

壳聚糖(CS)及其衍生物因具有生物降解性、生物相容性、抗菌性和粘附性等优点而广泛应用于生物医学领域。作为壳聚糖的水溶性衍生物，羧甲基壳聚糖(CMC)具有某些改进的性质，使其更适合用于伤口愈合、药物递送和组织工程应用。为此，来自华中科技大学同济医学院协和医院骨科刘国辉教授、米博斌团队对CMC进行了总结，重点介绍了羧甲基壳聚糖的抗菌、抗癌、抗肿瘤、抗氧化和抗真菌等生物活性，以及羧甲基纤维素在伤口愈合、药物释放、组织工程、生物成像和化妆品等方面的最新应用（图1）。相关综述论文以“Recent advances in carboxymethyl chitosan-based materials for biomedical applications”为题于2023年1月6日发表在《Carbohydr. Polym.》上。

图1 羧甲基壳聚糖的概述

1.羧甲基壳聚糖的制备和表征

作者首先介绍了几种羧甲基壳聚糖(CMC)衍生物的化学结构和制备方法：O-CMC、N,O-CMC、N,N-CMC（图1），同时介绍了用来表征几种羧甲基壳聚糖的手段，如核磁共振分析、红外光谱、XRD、SEM等。

2.羧甲基壳聚糖衍生物的生物学特性

（1）抗菌性能

CS和各种CMC对大肠杆菌(E.coli)的抗菌活性由N,O-CMC<CS<O-CMC依次增强，这是由于N,O-CMC中质子化氨基的数量减少所致。相反，在O-CMC中，仅在OH基团中发生替换，因此，氨基的数量保持不变，从而增强了O-CMC的抗菌活性。水溶性CS的抗菌活性机制之一是它们能够与带电细菌表面负结合，干扰细胞膜并促进细胞凋亡；另一个机制是渗透壳聚糖低聚物可能会阻止DNA的转录，干扰RNA和蛋白质的合成。

（2）抗真菌性能

CS及其衍生物具有抗生物膜活性等独特的生物特性，是目前较为流行的抗真菌材料；而CMC已经显示出比CS具有更强的抗真菌活性，这一结论也得到了诸多研究工作的证实。

（3）抗氧化性能

CMC具有优异的抗氧化性能，其活性氨基和羟基的含量决定了CMC的抗氧化活性。分子量较低的CMC具有较强的抗氧化活性，因为其分子内/分子间氢键减少。低分子量的CMC对超氧阴离子的清除能力较强，高分子量的CS和CMC会降低抗氧化能力，但会增强保湿性能。

（4）抗癌和抗肿瘤特性

由于CMC具有良好的抗肿瘤和抗癌特性，已广泛应用于抗癌药物的输送系统中。研究人员发现CMC通过抑制肿瘤血管生成和刺激免疫系统，具有较强的抗肿瘤作用。后来人们发现羧甲基壳聚糖(CM-COS)具有促进吞噬、免疫刺激、抗转移、抗血管生成和诱导细胞凋亡等抗肿瘤活性。因此，CM-COS是一种很有前途的抗肝细胞癌药物。

3.羧甲基壳聚糖衍生物的生物医学应用

（1）在伤口愈合中的应用

CMC因其具有固体溶解性、抗菌性、生物降解性、抗氧化性能和良好的生物相容性等特点，为开发多功能伤口敷料提供了机会。作者对羧甲基壳聚糖基水凝胶材料促进伤口愈合的几种机制进行了总结，同时介绍了用于伤口愈合的羧甲基壳聚糖基水凝胶。

（2）在组织工程中的应用

组织工程通常通过将细胞或信号分子整合到三维多孔生物活性材料(如支架)中，并将其应用于相应的受损组织来生产杂交材料。生物材料在组织工程中的应用过程中，许多研究人员利用CMC制备了不同的组织工程生物材料，包括水凝胶、支架、纳米颗粒、纳米纤维、复合材料、树状大分子和膜，并利用CMC在这些结构中的易加工性进行功能化，并将其应用在骨/软骨和器官组织工程领域。

（3）在药物递送中的应用

药物递送一直是一个特别活跃的领域，特别是CMC可以作为各种生物活性物质的载体，如抗炎、抗菌、抗癌和抗真菌药物、蛋白质、多肽、DNA和基因。水凝胶、聚电解质复合物、可生物降解释放系统和药物佐剂是利用CMC衍生物进行药物传递的主要载体平台。

（4）在生物成像中的应用

生物成像可以非侵入性地研究组织结构，并有助于阐明生物体的多种生理功能。众多研究者利用CMC衍生物结合其他有机分子、无机半导体等物质用于生物成像，所涉及的成像体系具有高选择性、快速性和超敏感性，为生物成像的发展提供了一个有前途的概念。

（5）在化妆品中的应用

水溶性CS衍生物在化妆品工业中具有潜在的应用前景，CMC衍生物已被用于化妆品的开发，如吸湿或保水剂、乳液稳定材料、抗氧化剂或抗菌等。CS及其衍生物由于具有相当高的分子量和正电荷，能够粘附在皮肤上并提供皮肤滋润效果。

本文综述了羧甲基壳聚糖衍生物在组织工程、药物释放、伤口愈合、生物成像和化妆品等生物医学领域的最新研究进展。CMC衍生物具有各种独特的性质，如抗菌、抗氧化、抗真菌、抗肿瘤、吸湿和保水、水溶性、生物降解性和生物相容性，被广泛用于多功能伤口敷料、组织工程材料、药物递送、生物成像和化妆品制造。

虽然CMC基材料已被证明是有前途的，但临床应用的一系列挑战和前景仍有待阐明。首先，CMC的性能高度依赖于它们的合成条件，不同的合成条件导致CMC产品具有不同的性能；其次，天然水凝胶材料，如基于CMC的水凝胶的机械性能差，限制了它们在生物医学领域的应用；最后，由于组织修复的复杂性，多功能和智能材料的发展是未来的方向，特别是按需功能的CMC功能材料。因此，需要进一步克服这些挑战并为CMC基材料在生物医学领域的广泛应用铺平道路。

文章来源：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120555