殼聚糖(CS)及其衍生物因具有生物降解性、生物相容性、抗菌性和粘附性等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。作為殼聚糖的水溶性衍生物，羧甲基殼聚糖(CMC)具有某些改進的性質(zhì)，使其更適合用于傷口愈合、藥物遞送和組織工程應(yīng)用。為此，來自華中科技大學同濟醫(yī)學院協(xié)和醫(yī)院骨科劉國輝教授、米博斌團隊對CMC進行了總結(jié)，重點介紹了羧甲基殼聚糖的抗菌、抗癌、抗腫瘤、抗氧化和抗真菌等生物活性，以及羧甲基纖維素在傷口愈合、藥物釋放、組織工程、生物成像和化妝品等方面的最新應(yīng)用（圖1）。相關(guān)綜述論文以“Recent advances in carboxymethyl chitosan-based materials for biomedical applications”為題于2023年1月6日發(fā)表在《Carbohydr. Polym.》上。
圖1 羧甲基殼聚糖的概述
1.羧甲基殼聚糖的制備和表征
作者首先介紹了幾種羧甲基殼聚糖(CMC)衍生物的化學結(jié)構(gòu)和制備方法：O-CMC、N,O-CMC、N,N-CMC（圖1），同時介紹了用來表征幾種羧甲基殼聚糖的手段，如核磁共振分析、紅外光譜、XRD、SEM等。
2.羧甲基殼聚糖衍生物的生物學特性
（1）抗菌性能
CS和各種CMC對大腸桿菌(E.coli)的抗菌活性由N,O-CMC<CS<O-CMC依次增強，這是由于N,O-CMC中質(zhì)子化氨基的數(shù)量減少所致。相反，在O-CMC中，僅在OH基團中發(fā)生替換，因此，氨基的數(shù)量保持不變，從而增強了O-CMC的抗菌活性。水溶性CS的抗菌活性機制之一是它們能夠與帶電細菌表面負結(jié)合，干擾細胞膜并促進細胞凋亡；另一個機制是滲透殼聚糖低聚物可能會阻止DNA的轉(zhuǎn)錄，干擾RNA和蛋白質(zhì)的合成。
（2）抗真菌性能
CS及其衍生物具有抗生物膜活性等獨特的生物特性，是目前較為流行的抗真菌材料；而CMC已經(jīng)顯示出比CS具有更強的抗真菌活性，這一結(jié)論也得到了諸多研究工作的證實。
（3）抗氧化性能
CMC具有優(yōu)異的抗氧化性能，其活性氨基和羥基的含量決定了CMC的抗氧化活性。分子量較低的CMC具有較強的抗氧化活性，因為其分子內(nèi)/分子間氫鍵減少。低分子量的CMC對超氧陰離子的清除能力較強，高分子量的CS和CMC會降低抗氧化能力，但會增強保濕性能。
（4）抗癌和抗腫瘤特性
由于CMC具有良好的抗腫瘤和抗癌特性，已廣泛應(yīng)用于抗癌藥物的輸送系統(tǒng)中。研究人員發(fā)現(xiàn)CMC通過抑制腫瘤血管生成和刺激免疫系統(tǒng)，具有較強的抗腫瘤作用。后來人們發(fā)現(xiàn)羧甲基殼聚糖(CM-COS)具有促進吞噬、免疫刺激、抗轉(zhuǎn)移、抗血管生成和誘導細胞凋亡等抗腫瘤活性。因此，CM-COS是一種很有前途的抗肝細胞癌藥物。
3.羧甲基殼聚糖衍生物的生物醫(yī)學應(yīng)用
（1）在傷口愈合中的應(yīng)用
CMC因其具有固體溶解性、抗菌性、生物降解性、抗氧化性能和良好的生物相容性等特點，為開發(fā)多功能傷口敷料提供了機會。作者對羧甲基殼聚糖基水凝膠材料促進傷口愈合的幾種機制進行了總結(jié)，同時介紹了用于傷口愈合的羧甲基殼聚糖基水凝膠。
（2）在組織工程中的應(yīng)用
組織工程通常通過將細胞或信號分子整合到三維多孔生物活性材料(如支架)中，并將其應(yīng)用于相應(yīng)的受損組織來生產(chǎn)雜交材料。生物材料在組織工程中的應(yīng)用過程中，許多研究人員利用CMC制備了不同的組織工程生物材料，包括水凝膠、支架、納米顆粒、納米纖維、復(fù)合材料、樹狀大分子和膜，并利用CMC在這些結(jié)構(gòu)中的易加工性進行功能化，并將其應(yīng)用在骨/軟骨和器官組織工程領(lǐng)域。
（3）在藥物遞送中的應(yīng)用
藥物遞送一直是一個特別活躍的領(lǐng)域，特別是CMC可以作為各種生物活性物質(zhì)的載體，如抗炎、抗菌、抗癌和抗真菌藥物、蛋白質(zhì)、多肽、DNA和基因。水凝膠、聚電解質(zhì)復(fù)合物、可生物降解釋放系統(tǒng)和藥物佐劑是利用CMC衍生物進行藥物傳遞的主要載體平臺。
（4）在生物成像中的應(yīng)用
生物成像可以非侵入性地研究組織結(jié)構(gòu)，并有助于闡明生物體的多種生理功能。眾多研究者利用CMC衍生物結(jié)合其他有機分子、無機半導體等物質(zhì)用于生物成像，所涉及的成像體系具有高選擇性、快速性和超敏感性，為生物成像的發(fā)展提供了一個有前途的概念。
（5）在化妝品中的應(yīng)用
水溶性CS衍生物在化妝品工業(yè)中具有潛在的應(yīng)用前景，CMC衍生物已被用于化妝品的開發(fā)，如吸濕或保水劑、乳液穩(wěn)定材料、抗氧化劑或抗菌等。CS及其衍生物由于具有相當高的分子量和正電荷，能夠粘附在皮膚上并提供皮膚滋潤效果。
本文綜述了羧甲基殼聚糖衍生物在組織工程、藥物釋放、傷口愈合、生物成像和化妝品等生物醫(yī)學領(lǐng)域的最新研究進展。CMC衍生物具有各種獨特的性質(zhì)，如抗菌、抗氧化、抗真菌、抗腫瘤、吸濕和保水、水溶性、生物降解性和生物相容性，被廣泛用于多功能傷口敷料、組織工程材料、藥物遞送、生物成像和化妝品制造。
雖然CMC基材料已被證明是有前途的，但臨床應(yīng)用的一系列挑戰(zhàn)和前景仍有待闡明。首先，CMC的性能高度依賴于它們的合成條件，不同的合成條件導致CMC產(chǎn)品具有不同的性能；其次，天然水凝膠材料，如基于CMC的水凝膠的機械性能差，限制了它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用；最后，由于組織修復(fù)的復(fù)雜性，多功能和智能材料的發(fā)展是未來的方向，特別是按需功能的CMC功能材料。因此，需要進一步克服這些挑戰(zhàn)并為CMC基材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用鋪平道路。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120555