铜基纤维、壳聚糖和透明质酸在治疗糖尿病足溃疡方面的研究

徐 刚，杨庆斌

(青岛大学纺织服装学院，山东青岛266071)

1 糖尿病足的概述

1.1 糖尿病足的简介

糖尿病足部病变，又称糖尿病足(Diabetic foot，DF)，是糖尿病患者下肢血管、神经病变合并溃疡、坏疽、感染引起组织破坏的一种病理状态，是糖尿病最常见而又严重的合并症，具有很强的致残性，最终可导致截肢和死亡［1］。溃疡发生机制上普遍被接受的观点是糖尿病足的三元学说:神经病变、缺血病变和局部感染［2，3］。

1.2 糖尿病足的治疗

目前国外含有镀银纤维的普通糖尿病足袜的价格在7～20美元之间，技术含量高的多达上百美元，甚至更高。我国对糖尿病足袜的研发还不多，没有十分成熟的产品。对于糖尿病足溃疡的治疗的手段［4］主要是严格控制血糖、减小足部压力、促进组织再生、改善扩张血管和抗菌。由于细菌感染会使得病情变得更加复杂，危及肢体存在甚至患者的生命，所以在糖尿病足溃疡的治疗中特别注重抗菌。

金属离子是通过接触反应杀菌［5］，其作用机理是:金属离子带正电荷，当微量金属离子与带负电荷的微生物细胞接触时，依靠库仑力引力牢固吸附在细胞膜上，同时金属离子穿透细胞膜进入细菌体内与细菌体内蛋白质上的巯基(—SH)、氨基(—NH2)等发生反应，使细菌的蛋白质凝固，破坏细菌的细胞合成酶的活性，造成微生物死亡或丧失分裂增殖能力。

金属基纤维是指纤维表面或内部含有金属离子，由于这些金属离子的存在，使纤维具有高效的广谱抗菌性能，主要对革兰氏阳性、阴性菌，真菌及病毒起到一定的抑制效果。常用的金属离子主要有 Ag(Ⅰ)、Cu(Ⅱ)和 Zn(Ⅱ)等［6］。

目前市场上用于糖尿病足溃疡治疗的金属基纤维制品是以镀银纤维制品为主。现在已有许多专利和产品问世［7］。如美国Noble Fiber Technologies的X-Static®镀银纤维，Sauquoil的Contax镀银纤维，日本Toyoshima＆ Co.Ltd的 μ-func镀银聚酯纤维(图1)，日本Mitsubishi Group的AGposs镀银纤维(图2)等。含有镀银纤维用于治疗糖尿病足溃疡的产品有Juzo压力长筒袜(图3)、Copper SoleTMSocks、SmartKnit®无 缝 袜、Silver-TheraTMSock、TheraSockTM双层袜等［8，9］。

图1 μ-func镀银聚酯纤维

图2 AGposs在SEM下放大1500倍(左)和7500(右)

图3 美国俄亥俄州Juzo的银纤维长筒袜

壳聚糖是一种天然氨基多糖，具有良好的生物降解性、生物相容性，且无毒副作用，其优越的生物活性功能、良好的成膜特性和较强的抗菌防腐保鲜能力已引起国内外研究人员的广泛关注和重视［10］。

壳聚糖不仅仅具有良好的抗菌性和生物活性，由于其特殊的分子结构，对过渡金属和重金属离子具有很好的螯合作用，是一种很有发展前景的天然高分子絮凝剂。由于壳聚糖及其衍生物与金属离子很好的配位作用，使其呈现出许多特殊的物理化学性质和生物活性，从而使其在废水处理、食品工业、化工、农业、生物工程和医药等方面得到了广泛的应用。用壳聚糖改性金属基纤维，可能会极大地改善金属基纤维不耐水洗的特性。

透明质酸(HA)是以葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖为双糖单位组成的直链高分子多糖，广泛存在于组织细胞基质中，在体内可被降解为氨基葡萄糖被人体吸收，具有优良的生物相容性和生物可降解性。透明质酸是细胞外基质中的主要成分之一，参与伤口愈合的整个过程中，在血凝块形成、血管再生、成纤维细胞的增殖和迁移及肉芽组织的再生等过程中起至关重要的作用，对治疗糖尿病足溃疡有良好的效果。

本文主要综述铜基纤维、壳聚糖和透明质酸在伤口愈合、抗菌等方面的应用，为新产品的开发提供新的思路。

2 目前研究现状

2.1 铜基纤维在治疗溃疡方面的应用

金属离子几个世纪以来已经被用于液体、固体的消毒［11，12］。自公元前 400年，古希腊人首先发现铜的消毒能力以来，铜的这种能力被广泛的用在人类的日常生活中。今天铜被用来做净水器、除藻剂、杀真菌剂、杀线虫剂、灭螺剂、抗污剂和抗菌剂［13-17］。Kuhn［18］把细条状的不锈钢、黄铜、铝和铜上分别接种大肠杆菌、金黄色葡萄糖球菌、D群链球菌和假单胞菌，培育一段时间发现铜片和黄铜片上有很少甚至没有细菌存在，而不锈钢片和铝片上生长有大量的细菌。说明铜能够很好的杀死细菌。

除此之外，铜是人类所必须的微量元素之一，是皮层形成和伤口愈合不可缺少的重要组成部分［19-21］。外用铜的硫酸盐已被证明可以加速上皮组织的增长［22］，可以通过诱导血管内皮生长因子(VEGF)分泌来促进血管生成［22，23］。Cu(Ⅱ)与甘氯酰组氨酰赖氨酸、真皮促生因子(GHK)有非常高的亲和力，可以形成GHK-Cu系螯合物，以促进胶原蛋白，弹性蛋白等蛋白质的合成，促进血管生成和创伤愈合［19］。此外，铜或氧化铜已被证实可以通过皮肤吸收进入人体［24，25］。含有镀铜纤维的袜子可以阻止糖尿病足患者的伤口感染，皮肤开裂，加快足部的血液循环，促进溃疡的愈合［26］，如美国的 Cupron公司开发的 Cupron铜基抗菌纤维［9］(图4)。

图4 Cupron铜基抗菌纤维的表面结构

近年随着平台技术的发展，已开发镀铜纤维制成的机织物和无纺布。Borkow等［27］用未经过处理的棉纤维作为对照组，用含20%镀铜纤维织物作为实验组。分别在对照组和实验组上接种金黄葡萄球菌和大肠杆菌。如图5所示，与铜浸渍纤维织物接触2个小时内，杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细菌的对数值大于2(即杀灭了99%以上的细菌)。此外，提供给50名患有足部溃疡的志愿者含有10%的镀铜纤维的袜子，经过2～6天的穿着，由真菌感染导致的起疱和裂纹完全消失，皮肤恢复正常颜色，没有引起不良反应。为了测试浸铜织物对皮肤的致敏性，Borkow采用10只豚鼠和3只兔子进行试验，结果显示，所有动物没有任何中毒或其他临床症状出现。铜被认为对人类是安全的，铜质节育环(UID)早已得到广泛的运用［28-30］。由此可见，铜浸渍的产品不仅具有广谱抗菌性而且对人类无毒性。铜在纺织上的应用已被美国环境保护局批准。

足癣是一种由细菌入侵引起的皮肤癣菌病［31，32］。Zatcoff等［33］研究用含有镀铜纤维的袜子来缓解和治疗各种急性和慢性的足癣，包括糖尿病足、老年人等。实验用的袜子是Renfro公司生产的Copper SoleTM，含有12%的Cupron镀铜纤维，袜子中铜的含量为1%。对照组采用不含镀铜纤维的普通袜子。56位志愿者［33］接受治疗，他们平均年龄在58岁，在治疗期间没有用任何抗真菌或激素类药物。结果显示穿着Copper SoleTM可以有效改善和治疗红斑，皮肤开裂，灼伤，瘙痒和疱疹。

2.2 壳聚糖在溃疡治疗方面的应用

壳聚糖对细菌的抑制机理大致可分为两个方面［34，35］:一是由于壳聚糖分子结构中存在带正电的氨基，它易与呈负电的菌体相吸，由外部对菌体细胞发生作用，通过改变细胞的选择透过性、阻断营养物质进入而导致菌体死亡;或与细胞壁中呈负电性的磷壁酸、荚膜多糖等结合，损坏细胞壁的完整性或使细胞壁趋于溶解，导致胞内的蛋白质及其它细胞成分泄漏，促使微生物细胞凋亡［36］。二是壳聚糖进入菌体内部，通过与细菌生存所必需的成分如蛋白质等结合，破坏其代谢平衡，或选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子，尤其是酶的辅助因子，从而抑制微生物的生长和繁殖;也可能同时与DNA相互作用，扰乱DNA的复制与转录［37］。郑连英等［38］通过对不同分子量的壳聚糖进行抗菌性能测试，结果显示当分子量为30.5万以下时，随着壳聚糖浓度的增加，其抗菌作用的效果增强。Rabea等［36］通过实验表明当壳聚糖浓度为1.0%时，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌率均达到100%。市场上已有多种用于防治感染、溃疡的产品。如用于烧伤感染治疗的壳聚糖医用敷料、壳聚糖抗菌生物医用膜凝胶(凯舒林)。

Abewidra曾推出一种修饰烧伤、溃疡及皮肤感染的新材料-“人造皮肤”，这种修饰材料具有天然皮肤的功能，不但能使伤口免受细菌的感染，而且还可以渗透空气和水分，促进伤口的愈合。据研究表明，壳聚糖组织工程皮肤［39］(一种新型含活细胞的组织工程皮肤，在Ⅰ型胶原、壳多糖、透明质酸等成分形成的凝胶中种植人源性成纤维细胞构成真皮层，表面再覆盖人源性角质形成细胞构成表皮层所组成)能够用于加速糖尿病足溃疡的愈合，如图6所示，壳聚糖组织工程皮肤为创面提供一个相对湿润而无氧的环境［40］加速其愈合，减少辅料和创面的粘连，治疗过程中患者均未诉疼痛及不适，无异常体征出现。此外，国外用于治疗烧伤及糖尿病足引起的皮肤溃疡产品还有Dermagraft、Apligraft和Xenograft，治疗效果良好。

图5 铜纤维织物的抗菌性能

图6 (a)治疗前溃疡;(b)伤口消毒后刮至点状出血;(c)覆盖壳聚糖中组织工程皮肤膜片;(d)治疗25天后溃疡基本愈合

除了具有良好的抗菌性和生物相容性，壳聚糖还是自然界存在的唯一碱性多糖，它的胺基极易形成四级胺正离子，有弱碱性阴离子交换作用，对过渡金属有良好的螯合作用［41］，并且，由于壳聚糖分子中同时含有大量的羟基和氨基，是典型的Lewis碱性基团，从构象上来看，它们都是平伏键，可借助氢键，也可借助离子键与金属离子形成具有类似网状结构的笼形配合物分子，这种特殊结构［42，43］使得壳聚糖对铜离子有出色的螯合作用。

Guibal等［44］对壳聚糖与金属离子的配位和吸附性能进行了较为系统的研究，发现壳聚糖能够很好的吸附过渡金属离子和重金属离子。Nair等［45］用壳聚糖来除去溶液中的Hg(Ⅱ)，并且Penichecovas等［46］研究了壳聚糖对 Hg(Ⅱ)的吸附动力学。研究显示，壳聚糖对Hg(Ⅱ)的吸附性与处理时间，Hg(Ⅱ)的粒径大小，Hg(Ⅱ)的浓度和壳聚糖的浓度有关。Jha等［47］研究发现壳聚糖是一种十分优良的絮凝剂，壳聚糖吸附Cd(Ⅱ)的能力由溶液pH决定，不受任何氯化物的影响。Weltrowski等［48］在酸性条件下，用壳聚糖的苄基磺酸盐衍生物吸附溶液中的金属离子，Bassi等［49］利用壳聚糖片去除水溶液中的金属离子，发现壳聚糖对Cu(Ⅱ)的吸附性能最好，并发现在pH为6.0和7.0时，壳聚糖的吸附性能达到最高。Kurita等［50］在均相条件下制得的脱乙酰度为50%的壳聚糖对Cu(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)具有很好的吸附性。魏永锋等［42］用高脱乙酰度的壳聚糖对Cu(Ⅱ)的吸附性能进行研究，结果表明壳聚糖与Cu(Ⅱ)发生了配位作用，且Cu(Ⅱ)与壳聚糖的物质的量之比为1:2。这些研究表明壳聚糖对金属离子有很好的吸附作用，是一种天然的络合剂，能够很好的固定Cu(Ⅱ)。织物用壳聚糖改性之后可以更好地络合Cu(Ⅱ)，增加抗菌织物的耐水洗性能，改善金属基制品不耐水洗的特性。

2.3 透明质酸在伤口愈合方面的应用

透明质酸是细胞外基质主要成分之一。透明质酸是一种线性多糖，可以促进真皮成纤维细胞的生长和迁移［51］。最先在眼睛玻璃体内被发现，随后在身体其他部位均发现有透明质酸存在［52］。透明质酸是皮肤真皮层细胞外基质的重要组成部分。透明质酸具有保湿、维持细胞外间隙，在胚胎生成、炎症、血管增殖［53］、细胞转化和迁移［54］、创伤愈合、细胞黏附性、免疫反应及肿瘤生物学等方面发挥重要作用［55，56］。目前已被广泛应用于美容业、眼科手术、关节病治疗、外科手术和软组织修复等领域［52］。

成人伤口的愈合是一个复杂的过程，是一个涉及多种细胞及其分泌的产物对基质的再建过程［57］。通过不同类型的细胞有序迁移入创面来完成的。该过程包括血凝块形成、中性粒细胞和单核细胞的浸润、再生血管、成纤维细胞和新血管系统迁移入创面形成肉芽组织、上皮再生、胶原沉淀及基质重建等［58］。Stern等［59］研究发现透明质酸参与伤口愈合的整个过程中，在伤口愈合的最初阶段，透明质酸大量分泌，大分子透明质酸出现在伤口愈合的初期，主要是促进早期的伤口收缩，加快中性粒细胞吞噬坏死组织、碎片和细菌。随着大分子透明质酸降解，低分子片段的透明质酸刺激血管的生成。CD44受体是表皮的正常生长和分化的标志［60］。透明质酸与表皮细胞表面的CD44受体结合，促进表皮细胞的正常分化［61，62］，Underhill等［63］经实验表明，HA能够促进细胞的凝聚。Rooney等［64］发现透明质酸低聚糖可诱导细胞增殖蛋白的生成，活化内皮细胞和促进血管生成的活性。Lees等［65］通过大鼠研究表明，血管生成时，透明质酸的浓度和分子量明显降低。Montesano等［66］发现透明质酸低聚糖可促进血管在胶原和血纤蛋白组成的三维基质内的生成。Casadei等［67］为了探明透明质酸对创伤愈合的促进作用，用一个环对大鼠背部由打孔器导致的创面边缘固定住，伤口局部涂布透明质酸凝胶，每日一次，连续18天，并在同时与临床上常规的方法如地塞米松软膏涂布、石蜡纱布贴敷等相比较。治疗结果表明，透明质酸凝胶组动物的创伤愈合效果最好，表现在创伤几乎全部愈合，上皮细胞覆盖率达到100%，并显示出复层鳞状上皮化的早期迹象，颗粒组织所含有的胶原纤维细胞，形成的基质呈疏松状，并存在肥大细胞，对照组则呈现出颗粒组织和上皮萎缩，上皮形成不明显，肥大细胞少。透明质酸降解为小分子时，具有促进血管生成的作用，该作用是通过促进内皮细胞的增殖、移动等发挥作用的［65，68］。

Ballard等［69］在实验研究中发现，在糖尿病足患者的皮肤创面是用透明质酸的酯化物［70］——透明质酸苄基酯(HYAFF11)或乙酯(HYAFF7)，由于透明质酸的极佳的保水性能，HYAFF遇到血清和创面渗出液时，表面会形成一层富含亲水性透明质酸的凝胶界面，在伤口处形成一个有利于肉芽组织增殖的湿润环境［71］。能够加速伤口愈合的过程和有效治愈糖尿病足溃疡。Foster等［72，73］在临床研究中用HYAFF治疗糖尿病足无痛性神经溃疡，通过对接收治疗30位患者的观察，结果表明HYAFF可以加速无痛性神经溃疡的愈合。Caravaggi等［74］用透明质酸苄基酯来治疗糖尿病足溃疡。志愿者有37位溃疡发生在足背，42位溃疡发生在足底。对照组采用不粘油纱布治疗，实验组用透明质酸苄基酯组织工程皮肤治疗。经过十一周治疗，结果发现，实验组有65.3%的患者溃疡完全愈合，而对照组仅有49.6%的患者溃疡完全愈合，数据分析显示相对概率 P=0.191，大于显著水平0.05，说明两者之间存在显著性差异，即透明质酸苄基酯对糖尿病足溃疡有明显的治疗效果。

目前，透明质酸及其衍生物在医用方面的产品越来越多，如:在糖尿病足溃疡治疗方面，透明质酸的应用也逐年增加，主要应用在人工组织。

3 前景与小结

近年来的研究表明，金属基纤维在治疗糖尿病足溃疡方面效果显著，由于银基纤维制品价格较高，可选用同样具有较好抗菌性并且价格低廉的铜基纤维，为改善金属基耐水洗性能差的缺点，选择对金属离子具有优越络合性能的壳聚糖对织物进行改性处理，增强金属基纤维制品的耐水洗性能。由于透明质酸在促进伤口愈合方面具有卓越的表现，可以加速溃疡的愈合，可以在产品中引入透明质酸，有望研发出一种价格低廉、具有较好耐水洗性能和促进溃疡愈合的新型材料，造福人类。

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