海洋源生物大分子具有資源豐富、功能獨特、生物安全、成本低廉等特點，是生物醫用材料研發的優良原料。海洋生物醫用材料目前已成為生物醫用材料產業的主要分支，符合全球倡導的“綠色產業、低碳經濟”的發展大趨勢，發展前景極為可觀。殼聚糖與海藻酸鹽是海洋源生物材料中商業化開發最多的兩類材料，在傷口敷料、牙科材料、抗菌處理、藥物控釋、組織工程等領域均有廣泛的應用。本文主要介紹殼聚糖與海藻酸鹽的性質及其在生物醫藥領域的應用，以及作為醫用材料發展面臨的瓶頸與挑戰。
引用本文： 張婕妤, 胡雪豐, 李高參, 巨曉潔, 褚良銀, 王云兵. 海洋源殼聚糖與海藻酸鹽在生物醫藥領域的應用. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(1): 164-171. doi: 10.7507/1001-5515.201803084 復制
引言
海洋源生物醫用材料是指提取自海洋生物的醫用材料，是海洋資源高技術開發利用的制高點之一[1]。海洋源生物醫用材料種類繁多，根據其分子組成可分為無機類材料如珊瑚礁基生物材料、高分子多糖類材料如海藻酸鹽和殼聚糖，以及蛋白類材料如膠原蛋白基生物材料等。海洋源生物醫用材料來源豐富，屬于天然生物再生資源，且結構多樣、功能獨特，具有一定的生物學活性。此外，大部分海洋生物醫用材料為可生物降解吸收材料，生產加工成本相對低廉，但產品附加值高。目前，海洋源生物醫用材料的制備與應用已成為生物材料領域研究的一個熱點。
在海洋源生物材料中，開發利用最多的是殼聚糖和海藻酸鹽。殼聚糖及其衍生物提取自水產品加工過程中的下腳料，如蝦殼、蟹殼等，目前年產量達 5 萬噸；而海藻酸鹽提取自海帶、巨藻、墨角藻、泡葉藻等褐藻，目前年產量超過 6 萬噸。殼聚糖及海藻酸鹽除應用于輕工業、農業、功能性食品、藥品、環保等領域外，也是功能性生物醫用材料的優質原料。本文主要介紹殼聚糖與海藻酸鹽在生物醫藥領域的應用。
1 殼聚糖及其衍生物在生物醫藥領域的應用
殼聚糖是甲殼素脫乙酰化后的產物，由隨機分布的 2-乙酰氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖和 2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖，通過 β-1,4 糖苷鍵連接而成的二元線型聚合物，是自然界唯一大量存在的堿性陽離子聚多糖（見圖 1）。殼聚糖具有生物可降解性，可以被氨基葡萄糖苷酶、脂肪酶、溶菌酶等分解，分解產物為氨基葡萄糖（glucosamine），可以通過新陳代謝排出體外。由于含有大量氨基、羥基、乙酰氨基等活性基團，殼聚糖具有良好的反應功能性和生理活性，已被廣泛應用于生物醫藥、化工、食品、環境等領域。
圖1
甲殼素、殼聚糖及常見的殼聚糖衍生物的化學結構
Figure1.
Chemical structures of chitin, chitosan and chitosan derivatives
對殼聚糖進行化學改性，可以得到一系列殼聚糖衍生物，比如羧甲基殼聚糖、N-三甲基殼聚糖和殼聚糖硫酸鹽等。在殼聚糖分子上引入羧甲基可以顯著提高殼聚糖的水溶性。根據羧甲基引入位置的不同，羧甲基殼聚糖可分為 O-羧甲基殼聚糖和 N-羧甲基殼聚糖（見圖 1）。O-羧甲基殼聚糖可通過殼聚糖與一氯乙酸反應制備[2]，N-羧甲基殼聚糖通過殼聚糖與乙醛酸反應得到[3]，產物中隨機分布著單羧基取代基團（-NH-CH2COOH）與雙羧基取代基團（-N-（CH2COOH）2）。羧甲基殼聚糖是一種兩性離子聚合物，其溶解度受 pH 值影響，與其氨基的質子化和羧基的解離平衡密切相關。
N-三甲基殼聚糖是另一類被廣泛研究的季銨鹽殼聚糖衍生物。其制備方法主要有三種：① 殼聚糖與甲醛-乙酸混合物反應得到 N-二甲基殼聚糖，之后再與碘甲烷和 N-甲基吡咯烷酮反應得到 N-三甲基殼聚糖[4]；② 殼聚糖與二甲基硫酸鹽和氫氧化鈉反應直接得到 N-三甲基殼聚糖[5]；③ 殼聚糖在甲磺酸鹽的存在下與叔丁基二甲基甲硅烷基（tert-Butyldimethylsilyl ether，TBDMS）氯反應得到二叔丁基二甲基甲硅烷基（Di-TBDMS）殼聚糖以保護殼聚糖 C-3 和 C-6 上的羥基，之后與碘甲烷反應得到 Di-TBDMS 保護的 N-三甲基殼聚糖，最后脫去 Di-TBDMS 基團得到 N-三甲基殼聚糖[6]。N-三甲基殼聚糖由于含有季銨基團，所以在酸性與堿性條件下均有良好的水溶性，且黏膜黏附性能優于殼聚糖。此外，帶正電 N-三甲基殼聚糖能與上皮膜（epithelial membrane）上帶負電的位點作用，增強小分子與大分子物質的穿透性。
1.1 殼聚糖及其衍生物在止血、抗炎、抗菌等方面的應用
殼聚糖是一種天然無毒的生物高分子，具有三種反應官能團即 C-2 上的氨基/乙酰氨基、C-3 上的羥基與 C-6 上的羥基，其中氨基是殼聚糖具有獨特結構和物理化學性能的主要原因。殼聚糖生物相容性與生物可降解性好，兼具抗氧化、抗過敏、抗炎、抗菌、止血、促進創面愈合、減少疤痕增生等多種生物學功能，通過控制分子鏈結構，能進一步調節殼聚糖及其衍生物的各項性能，因而已廣泛應用于生物醫藥領域。
迄今為止，國內已申請的殼聚糖相關的專利已超過 5 000 項，已公布了 9 項殼聚糖基生物材料相關行業的國家級標準（見表 1），國家食品藥品監督管理總局批準的殼聚糖基生物醫用材料生產企業超過 100 家。已商業化的殼聚糖基醫用產品在外科、婦科、燒傷科等多個方面有著廣泛的應用（見圖 2）。目前我國已上市的殼聚糖基醫用產品，超過 40% 應用在外傷處理上。殼聚糖基敷料、凝膠、止血粉等已被廣泛應用于處理具有大量滲出液的傷口，挫傷、擦傷、撕裂傷等無感染性淺層或表面傷口，外傷性創面，以及手術切口等，可預防創面感染，促進創面愈合，同時具有止血、消炎、減少組織液滲出、防止組織粘連的作用。在婦科應用上，殼聚糖凝膠栓劑和洗液可有效預防和減少女性下生殖道感染，祛除陰道過多的炎性分泌物，提高陰道清潔度，恢復陰道正常的生理酸性，調節陰道微生態平衡，改善陰道炎引起的陰部瘙癢灼痛、陰道分泌物增多、白帶異味、外陰或陰道黏膜充血腫脹潰瘍等不適癥狀。此外，殼聚糖痔瘡凝膠可用于改善內痔、外痔、混合痔及肛裂、肛瘺手術后引起的出血、疼痛、肛門墜脹等癥狀，促進痔核縮小，防止痔核脫垂和減輕痔黏膜充血水腫。殼聚糖漱口水可用于抑制口腔內細菌總數，改善口臭、口腔潰瘍等口腔狀況。目前，大部分商業化的抗菌、消炎、止血的產品仍使用未經改性的殼聚糖。其優點是成本低、生產工藝成熟、質量控制容易，但相比于抗生素、消炎類激素等藥物，殼聚糖的抗菌、止血、消炎性能仍較弱。因此，在分子水平上對殼聚糖進行改性，提升其抗菌、止血、消炎等的能力，并保持其良好的生物相容性，將有望大幅提升相關產品的性能。
表1
殼聚糖產品相關國家級標準
Table1.
Standards of chitosan products
圖2
我國商業化殼聚糖醫用產品的應用
Figure2.
Application of commercial chitosan-based medical products in China
1.2 殼聚糖及其衍生物在藥物輸送上的應用
藥物輸送是指通過合適的給藥方式或使用合適的載體，將目標藥物以合適的濃度輸送到預設部位。殼聚糖因具有黏膜黏附性、生物安全性、可降解性、易于化學改性等特點，是一類很好的藥物輸送載體。為了實現藥物的高效輸送，通常將殼聚糖制成微米或納米級的顆粒，藥物可以負載在顆粒的表面，也可以均勻地分散在顆粒中。殼聚糖優異的黏膜黏附性能夠顯著增加顆粒與黏膜的接觸時間，提高藥物的輸送效率。目前，許多研究小組設計了多種基于殼聚糖顆粒的藥物輸送系統，成功負載了如雙氯芬酸鈉、氟脲嘧啶、順鉑、非洛地平等各類藥物[7]。然而，影響殼聚糖顆粒藥物輸送效率的一個關鍵問題是負載藥物的不可控突釋。在殼聚糖載藥顆粒表面再包覆一層功能涂層是解決負載藥物不可控突釋的一個常用手段，選擇合適的涂層材料還可以同時增加藥物裝載效率，提高顆粒的穩定性甚至為載藥顆粒提供病灶靶向性。近年來，我們以利用毛細管微流控技術制備得到的 O/W/O 復乳體系作為模板，以對苯二甲醛作為交聯劑經界面交聯反應成功制備得到單分散的 pH 響應型殼聚糖微囊，該微囊具有明顯的 pH 突釋響應特性[8]。在此基礎上，利用微流控技術設計構建了以具有酸致分解的殼聚糖凝膠材料作為微囊囊壁以及內含油核的核-殼型微囊，油核同時負載游離藥物和載藥納米顆粒，成功實現了“先突釋后緩釋”的梯級控釋給藥新模式，為更合理的藥效發揮提供了新途徑[9]。為了進一步提升載藥量或者藥物輸送能力，殼聚糖衍生物作為藥物載體的可能性也被廣泛地研究。例如，使用 N-三甲基殼聚糖與聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）制備的納米粒子，胰島素的負載量能達到 47%，并且能幫助胰島素穿過口服給藥所遇到的胃腸黏膜等多重阻礙[10]。羧甲基殼聚糖也是一種良好的藥物載體，負載藥物的釋放曲線可以通過羧甲基的量以及環境 pH 值來調節[11]。
1.3 殼聚糖及其衍生物在骨、神經等組織修復上的應用
殼聚糖本身具有良好的骨傳導（osteoconductivity）性能，同時也是一種優異的細胞支架材料，易于加工成海綿、纖維、薄膜及其他各種復雜的形態，利于成骨細胞生長以及間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）向成骨細胞分化[12]。為了克服殼聚糖材料骨誘導（osteoinductive）能力相對較弱的不足，可以在殼聚糖基材中引入其他具有較強骨誘導能力的材料。研究表明，將羥基磷灰石引入殼聚糖細胞支架中，不僅能提高支架的力學性能，還能顯著增強支架的骨誘導能力，加速骨愈合[13-14]。我們將聚吡咯引入殼聚糖材料中，制備了二維的導電薄膜和三維的導電細胞支架。通過使用這種導電支架對骨細胞進行電刺激，發現電刺激能顯著促進骨質沉積[15-17]，為研發促進骨愈合的新型醫用技術提供了思路。
殼聚糖衍生物在骨修復應用方面也展現了獨有的特點。季銨鹽殼聚糖具有良好的水溶性和抗菌性能，而且可以通過調節季銨基團的取代度來控制季銨鹽殼聚糖的抗菌性能。季銨鹽殼聚糖修飾的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥[18]，以及表面富含裝載有季銨鹽殼聚糖納米管的鈦植入體[19]，在體內體外實驗中均展現了良好的骨細胞相容性和抗菌性能，在治療感染性骨缺損方面具有良好的應用前景。羧甲基殼聚糖因為羧基的存在，與殼聚糖相比，不僅具有水溶性，更易于加工，而且更容易與羥基磷灰石形成復合物。此外羧甲基殼聚糖的物理化學性質與透明軟骨中的細胞外蛋白多糖相似，能夠通過抑制 NO 的產生來減少軟骨細胞的炎癥反應，具有治療骨關節炎的潛力[19]。
神經修復的關鍵是橋接橫斷的神經組織之間的缺損，目前的金標準是神經自體移植。然而，自體移植需要從患者身體其他部位獲取神經組織，存在對獲取部位的破壞、供給量有限、需多次手術等不足。因此，開發具有神經修復功能的組織工程材料已成為一個研究熱點。研究發現，殼聚糖及殼聚糖衍生物均對雪旺細胞具有良好的生物相容性[20-21]，因而可以用于制備神經導管。然而，單純使用殼聚糖，制備的導管脆性較大，難以進行手術植入。南通大學的顧曉松院士團隊[22]制備了殼聚糖/聚乳酸神經導管，在臨床上實現了 30 mm 長的正中神經缺損的修復。他們還使用附著有 MSC 的殼聚糖/聚（乳酸-羥基乙酸）共聚物的神經導管，修復了猴子 50 mm 長的正中神經缺陷[23]。首都醫科大學李曉光團隊[24]制備了負載有神經營養因子-3（neurotrophin-3）的殼聚糖基神經導管，并用其修復了大鼠 5 mm 長的胸部脊髓缺損。中國醫科大學敖強教授團隊[25-26]采用附著有自體 MSC 的殼聚糖可降解神經導管，在大鼠上實現了 12 mm 坐骨神經缺損的修復，之后以羊為模型成功修復了 30 mm 的腓神經缺損。
2 海藻酸鹽在生物醫藥領域的應用
海藻酸鹽是一種天然陰離子聚合物，主要提取自海洋中的褐藻，生物相容性良好、毒性低、成本相對較低，此外還能被多價離子如 Ca2+等溫和地交聯形成凝膠。海藻酸鹽是以 L-古洛糖醛酸（G）和 D-甘露糖醛酸（M）為結構單元的共聚物（見圖 3a），其鏈段可以是連續的 G 鏈段（GGGGG）和 M 鏈段（MMMMM），也可以是交替的 MGMG 鏈段（見圖 3b）。目前認為，只有 G 單元會參與多價離子引起的海藻酸鹽交聯（見圖 3c），因而 G 單元的含量、單元序列、鏈段長度等均會對海藻酸鹽產品性能產生較大影響，增加 G 鏈段的長度能顯著增強海藻酸鹽水凝膠的力學性能。
圖3
海藻酸鹽化學結構及鈣離子交聯示意圖
a. G 單元與 M 單元的結構式；b. 海藻酸鈉分子中的 G 單元與 M 單元的構象；c. 鈣離子交聯海藻酸鹽的示意圖
Figure3. Chemical structure of alginates and scheme of Ca2+-crosslinked alginatea. structures of G and M units; b. configurations of G and M units in alginate; c. schematic showing of Ca2+-crosslinked alginate
2.1 基于海藻酸鹽的成熟商業化醫用產品
迄今為止，國內已申請的海藻酸鹽相關的專利已超過 1 300 項，已公布了 8 項海藻酸鹽基生物材料相關行業標準（見表 2），國家食品藥品監督管理總局批準的海藻酸鹽基生物醫用材料生產企業超過 20 家。已商業化的海藻酸鹽醫用產品主要用途是傷口敷料和齒科印模。海藻酸鹽傷口敷料多采用離子（通常使用 Ca2+）交聯海藻酸鹽水溶液得到水凝膠，然后通過冷凍干燥得到多孔片狀材料以及纖維狀的無紡布。干燥狀態下的海藻酸鹽敷料吸收傷口流出液重新成為凝膠，不僅能為傷口提供生理潤濕環境，降低感染概率，還能在一定程度上促進肉芽組織的形成，促進傷口重新上皮化。因此，海藻酸鹽類敷料適用于處理有中重度滲透液的各級傷口。海藻酸鹽齒模材料主要成分包括海藻酸鹽、鈣鹽、滑石粉等，用水調和以后形成膏狀物，可以用來塑型，隨著時間的增加，材料的交聯度增加，印模固化之后可灌注硬石膏。
表2
海藻酸鹽產品相關國家級標準
Table2.
Standards of alginate products
2.2 基于海藻酸鹽的在研新型醫用材料及產品
2.2.1 海藻酸鹽在藥物控釋方面的應用
海藻酸鹽凝膠是一種優異的藥物載體，可以負載小分子、蛋白質等不同種類的藥物。海藻酸鹽凝膠可以與多種小分子藥物形成包括共價鍵、氫鍵、離子鍵、配位鍵在內的多種強弱不一的相互作用，可以用來調控藥物釋放的速率，并且海藻酸鹽凝膠具有納米多孔結構（孔徑約 5 nm），有利于小分子藥物的擴散釋放[27]。此外，還可以對海藻酸進行部分氧化，破壞糖醛酸單元上的順式雙醇之間的碳-碳鍵，增加海藻酸的降解能力以控制藥物的釋放速率。海藻酸鹽還能與殼聚糖共混形成離子復合物作為藥物載體，可以利用殼聚糖的黏膜黏附性在一定程度上實現藥物靶向并提高藥物的通透性。除了負載小分子藥物，海藻酸鹽凝膠還是蛋白質藥物的良好載體，因為蛋白質藥物可以在比較溫和的條件下負載進海藻酸鹽凝膠中，在釋放之前水凝膠可以防止蛋白質的降解。一般來說，由于海藻酸鹽水凝膠的親水性與多孔性，蛋白質藥物從水凝膠中的釋放較快，通過改變海藻酸鹽凝膠的交聯方式、蛋白質與海藻酸鹽之間的相互作用等方式能進行蛋白質藥物釋放的控制。最近，我們利用微流控技術制備了一系列基于海藻酸鈣的中空纖維、膠囊膜、微球囊等不同形態的藥物載體，在實現藥物控釋的基礎上，還能兼具 pH 響應、溫度響應等先進功能[28-30]。
2.2.2 海藻酸鹽在組織再生上的應用
海藻酸鹽凝膠是一種優良的蛋白質和細胞載體，因而在組織與器官修復再生方面被廣泛研究。對于通過細胞移植進行血管修復的研究來說，主要的困難來自于移植細胞的大規模死亡，植入細胞無法融入原有血管系統，以及難以引導宿主平滑肌細胞遷移以促進血管成熟等。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginylglycylaspartic acid，RGD）多肽改性海藻酸鈉凝膠在輸送內皮祖細胞（endothelial progenitor cells）的同時還能負載相應的細胞生長因子，不僅能顯著提升移植細胞的存活率，而且能誘導植入的內皮祖細胞的分化和引導宿主平滑肌細胞的遷移，因而在血管組織修復的應用上展示了良好的前景。海藻酸鹽與具有肝素結合區（heparin-binding domain）的生長因子，如血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）之間有較強的相互作用，可以實現持續可控釋放[31]。如果將沒有肝素結合區的生長因子與 VEGF 同時負載入海藻酸鹽凝膠中，因為前者與海藻酸鹽的結合較弱，在初期會快速釋放，而 VEGF 與海藻酸鹽的作用較強，釋放期比前者延遲，從而實現不同生長因子的順序釋放，利于血管組織再生[32]。
海藻酸鹽水凝膠也是一種良好的骨修復材料，因為它具有一定的流動性，易于通過微創的方式植入體內，能修補不規則形狀的缺陷，容易進行化學修飾，將黏附因子如 RGD 多肽引入水凝膠以提高細胞黏附性。動物實驗表明使用海藻酸鈉輸送生長因子或者干細胞能顯著修復臨界骨缺損[33-34]。然而，海藻酸鹽水凝膠的力學強度較低，不適用于在沒有固定的情況下修復承重骨。為了增強力學強度，磷酸鈣被引入到海藻酸鹽水凝膠中[35]，這種水凝膠可以在中等應力的環境中作為骨修復材料使用。低分子量（35 kD）的海藻酸鹽可制備具有應力松弛和蠕變性能的黏彈性水凝膠，使用該水凝膠封裝軟骨細胞，能夠促進軟骨細胞形成相互連接的軟骨基質，實現軟骨細胞的三維培養，從而用于修復軟骨缺損[36]。此外，利用微流控技術，可以實現在單個細胞尾部包裹一層幾微米厚的海藻酸鈉水凝膠，外層水凝膠不僅顯著提高了細胞對流體剪切應力的抵抗，防止體內免疫系統對植入細胞進行清除，而且提高了外層水凝膠的模量，可以促進被包裹的鼠骨髓 MSC 向成骨細胞分化[37]。
2.2.3 海藻酸鹽在心衰治療中的應用
海藻酸鹽具有良好的生物相容性，且作為聚陰離子聚合物，具有一定的抗凝血性能。此外，海藻酸鹽交聯以后，其結構與細胞外基質類似，組織相容性優異。通過調控交聯程度，能夠得到具有流動性與力學性能可控的海藻酸鈉水凝膠，其在心衰治療上已展現了良好的應用前景。Jonathan Leor 團隊[38]將 Ca2+交聯的海藻酸鈉水凝膠注射于梗死的豬心肌組織中以促進心肌修復，成功地實現了豬心肌梗死后的左心室重建。加州大學舊金山分校的 Randall Lee 教授團隊[39]進一步在海藻酸鈉上修飾了 RGD 多肽以提高內皮細胞的黏附與增殖，將這種多肽修飾的海藻酸鈉經過 Ca2+交聯后植入心肌梗死模型大鼠的心衰部位，可顯著促進局部血管生成，增強左心室功能。杭州德諾科技有限公司目前與美國 LoneStar 公司合作開發的 Algisyl-LVR 可植入海藻酸鈉抗心衰水凝膠產品已進入臨床試驗階段，其控股的杭州瑯達醫療科技有限公司獨立開發的新一代海藻酸鈉抗心衰水凝膠產品已進入醫療器械指定注冊檢驗階段。相信此類產品不久即可面市，進入臨床應用。
2.2.4 海藻酸鹽在免疫治療中的應用
實體癌通常的治療方法是手術切除癌組織，但是對于某些癌癥，例如黑色素瘤、宮頸癌和滑液細胞瘤等，直接切除是非常危險或者難以實現的。針對不適合手術切除的實體癌，過繼細胞療法（adoptive cell therapy）是一種有效的治療手段。但是，傳統的過繼細胞療法是直接將淋巴細胞注射在腫瘤組織中或腫瘤組織周圍，淋巴細胞難以充分擴散至腫瘤組織中，并且在免疫抑制的腫瘤微環境中 T 細胞難以充分增殖，這些因素均會影響最終的治療效果。為了提高過繼細胞療法中移植的淋巴細胞的抗癌作用，有報道采用海藻酸融合膠原蛋白纖維制備的介孔細胞支架作為淋巴細胞的運送及釋放平臺，能夠有效地輸送 T 細胞至腫瘤組織并促進 T 細胞的增殖，且動物實驗結果表明在三周內就可清除小鼠體內的乳腺癌或卵巢癌組織[40-41]。此外，采用海藻酸制備的裝載有樹突狀細胞的可注射水凝膠，注入小鼠體內后可迅速成膠，形成疫苗接種節點，同時吸引宿主的樹突狀細胞和大量的 T 細胞遷移至此節點，從而激活免疫反應以提高過繼細胞療法的效率[42]。
目前，最常用的海藻酸鹽水凝膠都是通過離子交聯制備的。離子交聯的海藻酸鹽水凝膠在生理環境中缺乏長期穩定性，凝膠會因交聯離子與周圍環境中一價離子的交換而溶解。這種現象對于生物醫學應用既可以起到正面的作用，也可能出現負面的作用，取決于具體的產品。開發新型交聯技術如共價交聯、熱致交聯、細胞交聯等，則有助于進一步擴展海藻酸鹽水凝膠在生物醫學上的應用。
3 殼聚糖與海藻酸基醫用材料發展瓶頸與挑戰
經過多年的發展，海洋源生物醫用材料行業的發展已初具規模，殼聚糖與海藻酸鹽的制備與提純已實現大規模工業化生產，對于其性質和功能的控制與衍生化工藝等已有較為深入的研究和積累。殼聚糖及其衍生物在快速止血、創傷敷料、痔瘡凝膠等方面已有許多產品問世。我國在此領域已經具有相當強的研發實力。例如，中國海洋大學與青島博益特生物材料有限公司開發的殼聚糖手術止血材料在止血能力、生物降解能力等方面已經處于世界領先水平；海藻酸鈉水凝膠目前在傷口護理與牙科材料方面的研究成果也已經成功產業化。
盡管殼聚糖與海藻酸基醫用材料目前發展勢頭良好，但仍存在以下瓶頸與挑戰：① 目前殼聚糖及海藻酸鹽的生產工藝仍需進一步改進。目前的生產工藝得到的殼聚糖與海藻酸鹽產品，其品質嚴重依賴于初始生產原料。例如，不同種類的蝦蟹制備的殼聚糖品質差別巨大，從不同海藻中提取的海藻酸鈉 G 含量可相差幾倍。原材料的限制嚴重制約了醫用級殼聚糖與海藻酸鹽的產量。此外，目前的工藝涉及大量清洗步驟，耗水嚴重。開發可工業化生產的殼聚糖與海藻酸鹽的新型生物合成工藝特別是酶催化工藝，將可能突破此技術瓶頸。② 基于殼聚糖和海藻酸鹽的醫用產品產業化進程明顯滯后于基礎研究。在基礎研究方面，基于殼聚糖與海藻酸鹽的骨組織修復材料、神經導管、長效藥物靶向與控釋體系等，已取得了一定的階段性成果。下一階段相關的科研院所、企業與醫院應強化合作，對產業化前景好的成果，盡快開展科學、系統的臨床前研究和臨床試驗，產學研醫全鏈條結合，加速成果的產業化。
4 結論
殼聚糖與海藻酸基醫用材料是海洋源生物材料中開發利用最多的兩種材料，目前在生物醫用領域已經開始展現出獨特的優勢。殼聚糖因其殺菌、止血、促進傷口愈合的功能在快速止血、防止傷口感染、婦科炎癥處理等方面已有廣泛應用。海藻酸鹽因其生物相容性、交聯條件溫和等性能也已應用在傷口敷料與牙科造模等方面。盡管海洋源殼聚糖與海藻酸鹽作為生物材料已經展現出良好的前景，但其生產工藝仍需進一步優化改進，并且在藥物控釋與組織工程方面的產業化應用還面臨較大的挑戰。
引言
海洋源生物醫用材料是指提取自海洋生物的醫用材料，是海洋資源高技術開發利用的制高點之一[1]。海洋源生物醫用材料種類繁多，根據其分子組成可分為無機類材料如珊瑚礁基生物材料、高分子多糖類材料如海藻酸鹽和殼聚糖，以及蛋白類材料如膠原蛋白基生物材料等。海洋源生物醫用材料來源豐富，屬于天然生物再生資源，且結構多樣、功能獨特，具有一定的生物學活性。此外，大部分海洋生物醫用材料為可生物降解吸收材料，生產加工成本相對低廉，但產品附加值高。目前，海洋源生物醫用材料的制備與應用已成為生物材料領域研究的一個熱點。
在海洋源生物材料中，開發利用最多的是殼聚糖和海藻酸鹽。殼聚糖及其衍生物提取自水產品加工過程中的下腳料，如蝦殼、蟹殼等，目前年產量達 5 萬噸；而海藻酸鹽提取自海帶、巨藻、墨角藻、泡葉藻等褐藻，目前年產量超過 6 萬噸。殼聚糖及海藻酸鹽除應用于輕工業、農業、功能性食品、藥品、環保等領域外，也是功能性生物醫用材料的優質原料。本文主要介紹殼聚糖與海藻酸鹽在生物醫藥領域的應用。
1 殼聚糖及其衍生物在生物醫藥領域的應用
殼聚糖是甲殼素脫乙酰化后的產物，由隨機分布的 2-乙酰氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖和 2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖，通過 β-1,4 糖苷鍵連接而成的二元線型聚合物，是自然界唯一大量存在的堿性陽離子聚多糖（見圖 1）。殼聚糖具有生物可降解性，可以被氨基葡萄糖苷酶、脂肪酶、溶菌酶等分解，分解產物為氨基葡萄糖（glucosamine），可以通過新陳代謝排出體外。由于含有大量氨基、羥基、乙酰氨基等活性基團，殼聚糖具有良好的反應功能性和生理活性，已被廣泛應用于生物醫藥、化工、食品、環境等領域。
圖1
甲殼素、殼聚糖及常見的殼聚糖衍生物的化學結構
Figure1.
Chemical structures of chitin, chitosan and chitosan derivatives
對殼聚糖進行化學改性，可以得到一系列殼聚糖衍生物，比如羧甲基殼聚糖、N-三甲基殼聚糖和殼聚糖硫酸鹽等。在殼聚糖分子上引入羧甲基可以顯著提高殼聚糖的水溶性。根據羧甲基引入位置的不同，羧甲基殼聚糖可分為 O-羧甲基殼聚糖和 N-羧甲基殼聚糖（見圖 1）。O-羧甲基殼聚糖可通過殼聚糖與一氯乙酸反應制備[2]，N-羧甲基殼聚糖通過殼聚糖與乙醛酸反應得到[3]，產物中隨機分布著單羧基取代基團（-NH-CH2COOH）與雙羧基取代基團（-N-（CH2COOH）2）。羧甲基殼聚糖是一種兩性離子聚合物，其溶解度受 pH 值影響，與其氨基的質子化和羧基的解離平衡密切相關。
N-三甲基殼聚糖是另一類被廣泛研究的季銨鹽殼聚糖衍生物。其制備方法主要有三種：① 殼聚糖與甲醛-乙酸混合物反應得到 N-二甲基殼聚糖，之后再與碘甲烷和 N-甲基吡咯烷酮反應得到 N-三甲基殼聚糖[4]；② 殼聚糖與二甲基硫酸鹽和氫氧化鈉反應直接得到 N-三甲基殼聚糖[5]；③ 殼聚糖在甲磺酸鹽的存在下與叔丁基二甲基甲硅烷基（tert-Butyldimethylsilyl ether，TBDMS）氯反應得到二叔丁基二甲基甲硅烷基（Di-TBDMS）殼聚糖以保護殼聚糖 C-3 和 C-6 上的羥基，之后與碘甲烷反應得到 Di-TBDMS 保護的 N-三甲基殼聚糖，最后脫去 Di-TBDMS 基團得到 N-三甲基殼聚糖[6]。N-三甲基殼聚糖由于含有季銨基團，所以在酸性與堿性條件下均有良好的水溶性，且黏膜黏附性能優于殼聚糖。此外，帶正電 N-三甲基殼聚糖能與上皮膜（epithelial membrane）上帶負電的位點作用，增強小分子與大分子物質的穿透性。
1.1 殼聚糖及其衍生物在止血、抗炎、抗菌等方面的應用
殼聚糖是一種天然無毒的生物高分子，具有三種反應官能團即 C-2 上的氨基/乙酰氨基、C-3 上的羥基與 C-6 上的羥基，其中氨基是殼聚糖具有獨特結構和物理化學性能的主要原因。殼聚糖生物相容性與生物可降解性好，兼具抗氧化、抗過敏、抗炎、抗菌、止血、促進創面愈合、減少疤痕增生等多種生物學功能，通過控制分子鏈結構，能進一步調節殼聚糖及其衍生物的各項性能，因而已廣泛應用于生物醫藥領域。
迄今為止，國內已申請的殼聚糖相關的專利已超過 5 000 項，已公布了 9 項殼聚糖基生物材料相關行業的國家級標準（見表 1），國家食品藥品監督管理總局批準的殼聚糖基生物醫用材料生產企業超過 100 家。已商業化的殼聚糖基醫用產品在外科、婦科、燒傷科等多個方面有著廣泛的應用（見圖 2）。目前我國已上市的殼聚糖基醫用產品，超過 40% 應用在外傷處理上。殼聚糖基敷料、凝膠、止血粉等已被廣泛應用于處理具有大量滲出液的傷口，挫傷、擦傷、撕裂傷等無感染性淺層或表面傷口，外傷性創面，以及手術切口等，可預防創面感染，促進創面愈合，同時具有止血、消炎、減少組織液滲出、防止組織粘連的作用。在婦科應用上，殼聚糖凝膠栓劑和洗液可有效預防和減少女性下生殖道感染，祛除陰道過多的炎性分泌物，提高陰道清潔度，恢復陰道正常的生理酸性，調節陰道微生態平衡，改善陰道炎引起的陰部瘙癢灼痛、陰道分泌物增多、白帶異味、外陰或陰道黏膜充血腫脹潰瘍等不適癥狀。此外，殼聚糖痔瘡凝膠可用于改善內痔、外痔、混合痔及肛裂、肛瘺手術后引起的出血、疼痛、肛門墜脹等癥狀，促進痔核縮小，防止痔核脫垂和減輕痔黏膜充血水腫。殼聚糖漱口水可用于抑制口腔內細菌總數，改善口臭、口腔潰瘍等口腔狀況。目前，大部分商業化的抗菌、消炎、止血的產品仍使用未經改性的殼聚糖。其優點是成本低、生產工藝成熟、質量控制容易，但相比于抗生素、消炎類激素等藥物，殼聚糖的抗菌、止血、消炎性能仍較弱。因此，在分子水平上對殼聚糖進行改性，提升其抗菌、止血、消炎等的能力，并保持其良好的生物相容性，將有望大幅提升相關產品的性能。
表1
殼聚糖產品相關國家級標準
Table1.
Standards of chitosan products
圖2
我國商業化殼聚糖醫用產品的應用
Figure2.
Application of commercial chitosan-based medical products in China
1.2 殼聚糖及其衍生物在藥物輸送上的應用
藥物輸送是指通過合適的給藥方式或使用合適的載體，將目標藥物以合適的濃度輸送到預設部位。殼聚糖因具有黏膜黏附性、生物安全性、可降解性、易于化學改性等特點，是一類很好的藥物輸送載體。為了實現藥物的高效輸送，通常將殼聚糖制成微米或納米級的顆粒，藥物可以負載在顆粒的表面，也可以均勻地分散在顆粒中。殼聚糖優異的黏膜黏附性能夠顯著增加顆粒與黏膜的接觸時間，提高藥物的輸送效率。目前，許多研究小組設計了多種基于殼聚糖顆粒的藥物輸送系統，成功負載了如雙氯芬酸鈉、氟脲嘧啶、順鉑、非洛地平等各類藥物[7]。然而，影響殼聚糖顆粒藥物輸送效率的一個關鍵問題是負載藥物的不可控突釋。在殼聚糖載藥顆粒表面再包覆一層功能涂層是解決負載藥物不可控突釋的一個常用手段，選擇合適的涂層材料還可以同時增加藥物裝載效率，提高顆粒的穩定性甚至為載藥顆粒提供病灶靶向性。近年來，我們以利用毛細管微流控技術制備得到的 O/W/O 復乳體系作為模板，以對苯二甲醛作為交聯劑經界面交聯反應成功制備得到單分散的 pH 響應型殼聚糖微囊，該微囊具有明顯的 pH 突釋響應特性[8]。在此基礎上，利用微流控技術設計構建了以具有酸致分解的殼聚糖凝膠材料作為微囊囊壁以及內含油核的核-殼型微囊，油核同時負載游離藥物和載藥納米顆粒，成功實現了“先突釋后緩釋”的梯級控釋給藥新模式，為更合理的藥效發揮提供了新途徑[9]。為了進一步提升載藥量或者藥物輸送能力，殼聚糖衍生物作為藥物載體的可能性也被廣泛地研究。例如，使用 N-三甲基殼聚糖與聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）制備的納米粒子，胰島素的負載量能達到 47%，并且能幫助胰島素穿過口服給藥所遇到的胃腸黏膜等多重阻礙[10]。羧甲基殼聚糖也是一種良好的藥物載體，負載藥物的釋放曲線可以通過羧甲基的量以及環境 pH 值來調節[11]。
1.3 殼聚糖及其衍生物在骨、神經等組織修復上的應用
殼聚糖本身具有良好的骨傳導（osteoconductivity）性能，同時也是一種優異的細胞支架材料，易于加工成海綿、纖維、薄膜及其他各種復雜的形態，利于成骨細胞生長以及間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）向成骨細胞分化[12]。為了克服殼聚糖材料骨誘導（osteoinductive）能力相對較弱的不足，可以在殼聚糖基材中引入其他具有較強骨誘導能力的材料。研究表明，將羥基磷灰石引入殼聚糖細胞支架中，不僅能提高支架的力學性能，還能顯著增強支架的骨誘導能力，加速骨愈合[13-14]。我們將聚吡咯引入殼聚糖材料中，制備了二維的導電薄膜和三維的導電細胞支架。通過使用這種導電支架對骨細胞進行電刺激，發現電刺激能顯著促進骨質沉積[15-17]，為研發促進骨愈合的新型醫用技術提供了思路。
殼聚糖衍生物在骨修復應用方面也展現了獨有的特點。季銨鹽殼聚糖具有良好的水溶性和抗菌性能，而且可以通過調節季銨基團的取代度來控制季銨鹽殼聚糖的抗菌性能。季銨鹽殼聚糖修飾的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥[18]，以及表面富含裝載有季銨鹽殼聚糖納米管的鈦植入體[19]，在體內體外實驗中均展現了良好的骨細胞相容性和抗菌性能，在治療感染性骨缺損方面具有良好的應用前景。羧甲基殼聚糖因為羧基的存在，與殼聚糖相比，不僅具有水溶性，更易于加工，而且更容易與羥基磷灰石形成復合物。此外羧甲基殼聚糖的物理化學性質與透明軟骨中的細胞外蛋白多糖相似，能夠通過抑制 NO 的產生來減少軟骨細胞的炎癥反應，具有治療骨關節炎的潛力[19]。
神經修復的關鍵是橋接橫斷的神經組織之間的缺損，目前的金標準是神經自體移植。然而，自體移植需要從患者身體其他部位獲取神經組織，存在對獲取部位的破壞、供給量有限、需多次手術等不足。因此，開發具有神經修復功能的組織工程材料已成為一個研究熱點。研究發現，殼聚糖及殼聚糖衍生物均對雪旺細胞具有良好的生物相容性[20-21]，因而可以用于制備神經導管。然而，單純使用殼聚糖，制備的導管脆性較大，難以進行手術植入。南通大學的顧曉松院士團隊[22]制備了殼聚糖/聚乳酸神經導管，在臨床上實現了 30 mm 長的正中神經缺損的修復。他們還使用附著有 MSC 的殼聚糖/聚（乳酸-羥基乙酸）共聚物的神經導管，修復了猴子 50 mm 長的正中神經缺陷[23]。首都醫科大學李曉光團隊[24]制備了負載有神經營養因子-3（neurotrophin-3）的殼聚糖基神經導管，并用其修復了大鼠 5 mm 長的胸部脊髓缺損。中國醫科大學敖強教授團隊[25-26]采用附著有自體 MSC 的殼聚糖可降解神經導管，在大鼠上實現了 12 mm 坐骨神經缺損的修復，之后以羊為模型成功修復了 30 mm 的腓神經缺損。
2 海藻酸鹽在生物醫藥領域的應用
海藻酸鹽是一種天然陰離子聚合物，主要提取自海洋中的褐藻，生物相容性良好、毒性低、成本相對較低，此外還能被多價離子如 Ca2+等溫和地交聯形成凝膠。海藻酸鹽是以 L-古洛糖醛酸（G）和 D-甘露糖醛酸（M）為結構單元的共聚物（見圖 3a），其鏈段可以是連續的 G 鏈段（GGGGG）和 M 鏈段（MMMMM），也可以是交替的 MGMG 鏈段（見圖 3b）。目前認為，只有 G 單元會參與多價離子引起的海藻酸鹽交聯（見圖 3c），因而 G 單元的含量、單元序列、鏈段長度等均會對海藻酸鹽產品性能產生較大影響，增加 G 鏈段的長度能顯著增強海藻酸鹽水凝膠的力學性能。
圖3
海藻酸鹽化學結構及鈣離子交聯示意圖
a. G 單元與 M 單元的結構式；b. 海藻酸鈉分子中的 G 單元與 M 單元的構象；c. 鈣離子交聯海藻酸鹽的示意圖
Figure3. Chemical structure of alginates and scheme of Ca2+-crosslinked alginatea. structures of G and M units; b. configurations of G and M units in alginate; c. schematic showing of Ca2+-crosslinked alginate
2.1 基于海藻酸鹽的成熟商業化醫用產品
迄今為止，國內已申請的海藻酸鹽相關的專利已超過 1 300 項，已公布了 8 項海藻酸鹽基生物材料相關行業標準（見表 2），國家食品藥品監督管理總局批準的海藻酸鹽基生物醫用材料生產企業超過 20 家。已商業化的海藻酸鹽醫用產品主要用途是傷口敷料和齒科印模。海藻酸鹽傷口敷料多采用離子（通常使用 Ca2+）交聯海藻酸鹽水溶液得到水凝膠，然后通過冷凍干燥得到多孔片狀材料以及纖維狀的無紡布。干燥狀態下的海藻酸鹽敷料吸收傷口流出液重新成為凝膠，不僅能為傷口提供生理潤濕環境，降低感染概率，還能在一定程度上促進肉芽組織的形成，促進傷口重新上皮化。因此，海藻酸鹽類敷料適用于處理有中重度滲透液的各級傷口。海藻酸鹽齒模材料主要成分包括海藻酸鹽、鈣鹽、滑石粉等，用水調和以后形成膏狀物，可以用來塑型，隨著時間的增加，材料的交聯度增加，印模固化之后可灌注硬石膏。
表2
海藻酸鹽產品相關國家級標準
Table2.
Standards of alginate products
2.2 基于海藻酸鹽的在研新型醫用材料及產品
2.2.1 海藻酸鹽在藥物控釋方面的應用
海藻酸鹽凝膠是一種優異的藥物載體，可以負載小分子、蛋白質等不同種類的藥物。海藻酸鹽凝膠可以與多種小分子藥物形成包括共價鍵、氫鍵、離子鍵、配位鍵在內的多種強弱不一的相互作用，可以用來調控藥物釋放的速率，并且海藻酸鹽凝膠具有納米多孔結構（孔徑約 5 nm），有利于小分子藥物的擴散釋放[27]。此外，還可以對海藻酸進行部分氧化，破壞糖醛酸單元上的順式雙醇之間的碳-碳鍵，增加海藻酸的降解能力以控制藥物的釋放速率。海藻酸鹽還能與殼聚糖共混形成離子復合物作為藥物載體，可以利用殼聚糖的黏膜黏附性在一定程度上實現藥物靶向并提高藥物的通透性。除了負載小分子藥物，海藻酸鹽凝膠還是蛋白質藥物的良好載體，因為蛋白質藥物可以在比較溫和的條件下負載進海藻酸鹽凝膠中，在釋放之前水凝膠可以防止蛋白質的降解。一般來說，由于海藻酸鹽水凝膠的親水性與多孔性，蛋白質藥物從水凝膠中的釋放較快，通過改變海藻酸鹽凝膠的交聯方式、蛋白質與海藻酸鹽之間的相互作用等方式能進行蛋白質藥物釋放的控制。最近，我們利用微流控技術制備了一系列基于海藻酸鈣的中空纖維、膠囊膜、微球囊等不同形態的藥物載體，在實現藥物控釋的基礎上，還能兼具 pH 響應、溫度響應等先進功能[28-30]。
2.2.2 海藻酸鹽在組織再生上的應用
海藻酸鹽凝膠是一種優良的蛋白質和細胞載體，因而在組織與器官修復再生方面被廣泛研究。對于通過細胞移植進行血管修復的研究來說，主要的困難來自于移植細胞的大規模死亡，植入細胞無法融入原有血管系統，以及難以引導宿主平滑肌細胞遷移以促進血管成熟等。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginylglycylaspartic acid，RGD）多肽改性海藻酸鈉凝膠在輸送內皮祖細胞（endothelial progenitor cells）的同時還能負載相應的細胞生長因子，不僅能顯著提升移植細胞的存活率，而且能誘導植入的內皮祖細胞的分化和引導宿主平滑肌細胞的遷移，因而在血管組織修復的應用上展示了良好的前景。海藻酸鹽與具有肝素結合區（heparin-binding domain）的生長因子，如血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）之間有較強的相互作用，可以實現持續可控釋放[31]。如果將沒有肝素結合區的生長因子與 VEGF 同時負載入海藻酸鹽凝膠中，因為前者與海藻酸鹽的結合較弱，在初期會快速釋放，而 VEGF 與海藻酸鹽的作用較強，釋放期比前者延遲，從而實現不同生長因子的順序釋放，利于血管組織再生[32]。
海藻酸鹽水凝膠也是一種良好的骨修復材料，因為它具有一定的流動性，易于通過微創的方式植入體內，能修補不規則形狀的缺陷，容易進行化學修飾，將黏附因子如 RGD 多肽引入水凝膠以提高細胞黏附性。動物實驗表明使用海藻酸鈉輸送生長因子或者干細胞能顯著修復臨界骨缺損[33-34]。然而，海藻酸鹽水凝膠的力學強度較低，不適用于在沒有固定的情況下修復承重骨。為了增強力學強度，磷酸鈣被引入到海藻酸鹽水凝膠中[35]，這種水凝膠可以在中等應力的環境中作為骨修復材料使用。低分子量（35 kD）的海藻酸鹽可制備具有應力松弛和蠕變性能的黏彈性水凝膠，使用該水凝膠封裝軟骨細胞，能夠促進軟骨細胞形成相互連接的軟骨基質，實現軟骨細胞的三維培養，從而用于修復軟骨缺損[36]。此外，利用微流控技術，可以實現在單個細胞尾部包裹一層幾微米厚的海藻酸鈉水凝膠，外層水凝膠不僅顯著提高了細胞對流體剪切應力的抵抗，防止體內免疫系統對植入細胞進行清除，而且提高了外層水凝膠的模量，可以促進被包裹的鼠骨髓 MSC 向成骨細胞分化[37]。
2.2.3 海藻酸鹽在心衰治療中的應用
海藻酸鹽具有良好的生物相容性，且作為聚陰離子聚合物，具有一定的抗凝血性能。此外，海藻酸鹽交聯以后，其結構與細胞外基質類似，組織相容性優異。通過調控交聯程度，能夠得到具有流動性與力學性能可控的海藻酸鈉水凝膠，其在心衰治療上已展現了良好的應用前景。Jonathan Leor 團隊[38]將 Ca2+交聯的海藻酸鈉水凝膠注射于梗死的豬心肌組織中以促進心肌修復，成功地實現了豬心肌梗死后的左心室重建。加州大學舊金山分校的 Randall Lee 教授團隊[39]進一步在海藻酸鈉上修飾了 RGD 多肽以提高內皮細胞的黏附與增殖，將這種多肽修飾的海藻酸鈉經過 Ca2+交聯后植入心肌梗死模型大鼠的心衰部位，可顯著促進局部血管生成，增強左心室功能。杭州德諾科技有限公司目前與美國 LoneStar 公司合作開發的 Algisyl-LVR 可植入海藻酸鈉抗心衰水凝膠產品已進入臨床試驗階段，其控股的杭州瑯達醫療科技有限公司獨立開發的新一代海藻酸鈉抗心衰水凝膠產品已進入醫療器械指定注冊檢驗階段。相信此類產品不久即可面市，進入臨床應用。
2.2.4 海藻酸鹽在免疫治療中的應用
實體癌通常的治療方法是手術切除癌組織，但是對于某些癌癥，例如黑色素瘤、宮頸癌和滑液細胞瘤等，直接切除是非常危險或者難以實現的。針對不適合手術切除的實體癌，過繼細胞療法（adoptive cell therapy）是一種有效的治療手段。但是，傳統的過繼細胞療法是直接將淋巴細胞注射在腫瘤組織中或腫瘤組織周圍，淋巴細胞難以充分擴散至腫瘤組織中，并且在免疫抑制的腫瘤微環境中 T 細胞難以充分增殖，這些因素均會影響最終的治療效果。為了提高過繼細胞療法中移植的淋巴細胞的抗癌作用，有報道采用海藻酸融合膠原蛋白纖維制備的介孔細胞支架作為淋巴細胞的運送及釋放平臺，能夠有效地輸送 T 細胞至腫瘤組織并促進 T 細胞的增殖，且動物實驗結果表明在三周內就可清除小鼠體內的乳腺癌或卵巢癌組織[40-41]。此外，采用海藻酸制備的裝載有樹突狀細胞的可注射水凝膠，注入小鼠體內后可迅速成膠，形成疫苗接種節點，同時吸引宿主的樹突狀細胞和大量的 T 細胞遷移至此節點，從而激活免疫反應以提高過繼細胞療法的效率[42]。
目前，最常用的海藻酸鹽水凝膠都是通過離子交聯制備的。離子交聯的海藻酸鹽水凝膠在生理環境中缺乏長期穩定性，凝膠會因交聯離子與周圍環境中一價離子的交換而溶解。這種現象對于生物醫學應用既可以起到正面的作用，也可能出現負面的作用，取決于具體的產品。開發新型交聯技術如共價交聯、熱致交聯、細胞交聯等，則有助于進一步擴展海藻酸鹽水凝膠在生物醫學上的應用。
3 殼聚糖與海藻酸基醫用材料發展瓶頸與挑戰
經過多年的發展，海洋源生物醫用材料行業的發展已初具規模，殼聚糖與海藻酸鹽的制備與提純已實現大規模工業化生產，對于其性質和功能的控制與衍生化工藝等已有較為深入的研究和積累。殼聚糖及其衍生物在快速止血、創傷敷料、痔瘡凝膠等方面已有許多產品問世。我國在此領域已經具有相當強的研發實力。例如，中國海洋大學與青島博益特生物材料有限公司開發的殼聚糖手術止血材料在止血能力、生物降解能力等方面已經處于世界領先水平；海藻酸鈉水凝膠目前在傷口護理與牙科材料方面的研究成果也已經成功產業化。
盡管殼聚糖與海藻酸基醫用材料目前發展勢頭良好，但仍存在以下瓶頸與挑戰：① 目前殼聚糖及海藻酸鹽的生產工藝仍需進一步改進。目前的生產工藝得到的殼聚糖與海藻酸鹽產品，其品質嚴重依賴于初始生產原料。例如，不同種類的蝦蟹制備的殼聚糖品質差別巨大，從不同海藻中提取的海藻酸鈉 G 含量可相差幾倍。原材料的限制嚴重制約了醫用級殼聚糖與海藻酸鹽的產量。此外，目前的工藝涉及大量清洗步驟，耗水嚴重。開發可工業化生產的殼聚糖與海藻酸鹽的新型生物合成工藝特別是酶催化工藝，將可能突破此技術瓶頸。② 基于殼聚糖和海藻酸鹽的醫用產品產業化進程明顯滯后于基礎研究。在基礎研究方面，基于殼聚糖與海藻酸鹽的骨組織修復材料、神經導管、長效藥物靶向與控釋體系等，已取得了一定的階段性成果。下一階段相關的科研院所、企業與醫院應強化合作，對產業化前景好的成果，盡快開展科學、系統的臨床前研究和臨床試驗，產學研醫全鏈條結合，加速成果的產業化。
4 結論
殼聚糖與海藻酸基醫用材料是海洋源生物材料中開發利用最多的兩種材料，目前在生物醫用領域已經開始展現出獨特的優勢。殼聚糖因其殺菌、止血、促進傷口愈合的功能在快速止血、防止傷口感染、婦科炎癥處理等方面已有廣泛應用。海藻酸鹽因其生物相容性、交聯條件溫和等性能也已應用在傷口敷料與牙科造模等方面。盡管海洋源殼聚糖與海藻酸鹽作為生物材料已經展現出良好的前景，但其生產工藝仍需進一步優化改進，并且在藥物控釋與組織工程方面的產業化應用還面臨較大的挑戰。
