壳聚糖及其衍生物在生物工程领域中的应用研究

≥∂壳聚糖及其衍生物在生物工程领域中的应用研究ΤΗΕΣΤΥ∆ΨΟΦΤΗΕΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΟΦΧΗΙΤΟΣΑΝΑΝ∆ΙΤΣ∆ΕΡΙςΑΤΙςΕΣΟΝΒΙΟΕΝΓΙΝΕΕΡΙΝΓ郎刚华陈西广刘成圣刘万顺青岛海洋大学海洋生命学院壳聚糖是甲壳质部分和全部脱乙酰基的产物由于其分子中含有2和2所以可酰基化!磺化!羧甲基化!羟基化!酯化!醚化!交联!螯合等获得溶解性和生物活性不同的衍生物从而拓宽了壳聚糖的应用领域∀本文对壳聚糖及其衍生物在生物工程领域中的应用研究进行评述∀在细胞工程领域中的应用研究利用动物细胞大规模培养技术可以制备出稀有的生化药物和细胞活性因子等医疗产品∀微载体是直径在∗Λ能够适于贴壁细胞在其上附着生长的微珠研究表明壳聚糖是一种新型的细胞大规模培养用优质材料∀≥等年用胶原和壳聚糖制成漂浮床状或多孔纤维状细胞载体利用一个特制的细胞反应器进行了重组人细胞2生产≤蛋白的研究∀陈西广等≈以壳聚糖为主要原料通过戊二醛交联和分散研制出了一系列微载体研究证明壳聚糖微载体耐高温高压可方便地用湿热法进行除菌其密度稍大于在轻微搅拌条件下可悬浮当停止搅拌时微载体即下沉从而便于将它与培养基分离∀通过对2∂等细胞的培养实验证明来源于不同物种的细胞株均能在其表面进行高密度生长∀而且此微载体可反复使用多次∀在组织工程领域中的应用研究组织工程是利用组织或细胞以及有关的生长因国家自然科学基金资助项目号∀收稿日期22修回日期22以上资料都应迅速进行分析去伪存真转换为计算机输入资料∀预测计算内容流场预报根据溢油地点和时间预报影响范围内自溢油时刻起各时间步长的流场∀海面油膜扩展与漂油的预测扩展过程中考虑油的蒸发和进入水中而减少的量∀水中浮游油的扩散!输运的预测考虑油微粒的沉降∀预测结果的审编计算结果包括图象和文字数据尚需根据现场监测资料进行修正∀修正采用人机界面方式由计算机进行经过修正后的图文昀后编辑输出∀预测结果的处理方式预测结果立即传输给指挥中心收集的信息资料和计算结果存入资料库备以后查用∀溢油应急处理系统它担负对流出的原油进行团围栏!回收!消油!焚化和灭火等任务并及时通知可能受到污染的单位如养殖场!旅游区等做好防护措施以便能使损失减小到昀小∀总之在指挥中心指导下开展溢油应急工作∀结语海上溢油应急反应系统的框架是建立溢油应急反应系统的基础其框架的工作流程可有效地组织溢油的应急处理实施抗溢油措施∀为我国政府及有关部门建立溢油应急反应系统提供参考∀主要参考文献张波!吴冠∀海洋环境科学17∗本文编辑张培新研究综述∞∂∞•≥海洋科学年第卷第期子和做为载体的生物材料培养出相应的组织或器官用于替代或修复损伤!病变或老化的组织与器官∀组织工程所使用的载体材料主要有聚羟基乙酸!明胶!胶原!聚乳酸或它们的复合物等∀壳聚糖及其衍生物具有良好的组织相容性和抑菌活性可被生物组织降解能够加速组织的修复易于进行分子改造!改性及加工成型∀人们利用壳聚糖及其衍生物已开发出了人造皮肤!手术缝合线!人造肾膜!止血海绵!烧伤膏等生物医用材料∀目前壳聚糖及其衍生物已被用在培养皮肤!肝!肾!软骨!神经等器官或组织的骨架材料中∀在皮肤修复及组织工程中的应用研究我国是昀早将壳聚糖及其衍生物应用于生物医学领域中的国家之一年楼宝城等研制成功壳聚糖人工皮肤并应用于临床年该技术获国家发明专利年月美国×杂志报道了伊利诺斯大学∂等用蟹壳!人发等材料制成人造皮肤∀动物实验及大量临床病例证明壳聚糖人工皮肤不致敏!无刺激!无吸收中毒及占位排斥现象透气性好!可促进皮肤生长且有止血和抑制斑痕生长效果∀包括糖胺多糖在内的细胞外基质在细胞的贴附!生长分化和形态发生中起重要作用壳聚糖具有类似糖胺多糖的结构而且拥有上述有利于皮肤修复的特性所以在皮肤组织工程中是理想的骨架材料之一∀年法国≥等用壳聚糖将型胶原!型胶原及糖胺聚糖交联后制成了一种多孔的支架然后将人皮肤成纤维细胞接种在此支架上从而得到了适合于上皮细胞生长的类真皮层∀培养的角质层细胞可迅速贴附于这种类真皮层上经过有丝分裂后形成一层连续的上皮层∀培养周后进行组织切片可以看到一层附着于类真皮层上的柱状基底层细胞和几层包括生长旺盛的生发层在内的细胞∀此皮肤从形态上与人正常皮肤相当所以可以作为体外毒性检验的实验工具和治疗皮肤深度烧伤的医用材料∀⁄∏等年将胶原2黏多糖2壳聚糖类真皮应用于临床他们将这种类真皮移植于皮肤切除后的区域然后在其上移植剪碎的或经培养的自体皮块此类真皮通过与下部组织粘附而代替切除的真皮∀后类真皮可上皮化而且用类真皮与经培养的自体上皮结合所得到的修复效果比用类真皮与剪碎的自体皮肤相结合的效果好∀虽然此种类真皮仍不能取代高质量的自体供皮但它方便易得便于保存而且可免于微生物的污染所以仍是一种较理想的真皮代用材料∀∏∏≤等≈将人成纤维细胞接种于由壳聚糖与胶原!黏多糖交联成的基质材料上制备成了一种离体皮肤模型他们以××还原反应!乳酸还原酶活性和白细胞介素2的释放作为毒性反应鉴定指标研究了此模型对刺激的反应∀通过对氯化镉!硫酸十二醇!氯化苯并蒽这种化工产品刺激的反应对这种皮肤模型的用途及对预测人皮肤对刺激反应的能力进行了评价∀证明此皮肤模型可以代替在体实验进行化妆品!家用化工产品及药物等对皮肤或眼睛的刺激性实验∀欧盟关于化妆品性能的测试必须用非动物手段的规定大大推进了这种体外药物毒性实验模型的研究进展∀此外ƒ等≈研制了一种在皮肤中血管发生的模型即将内皮细胞与皮肤细胞共培养于由壳多糖与胶原!糖胺多糖交联而成的基质上在只含有由成纤维细胞和角质层细胞合成的细胞外基质的条件下可形成毛细血管样结构并在体外研究了血管形成过程中管状结构的组织!基底膜的沉积以及细胞间连接的形成过程∀由弹性纤维组成的复杂的网状结构对结缔组织的弹性起重要作用弹性蛋白网的改变将引起多种器官的病变∀⁄∏2°ƒ等≈用此皮肤模型研究了角质细胞对弹性蛋白网成熟和组织的影响他们将成纤维细胞接种于胶原2糖胺多糖支架上构成一种皮肤模型在平行组中同时接种上角质层细胞∀研究发现培养后通过免疫染色的方法可以检测到纤层蛋白2和弹性蛋白的合成并且通过扫描电子显微镜观察到了弹性蛋白网的典型结构从而在皮肤模型中检测到了弹性纤维的合成并证明角质层细胞影响着弹性蛋白网的组织和成熟∀在神经组织工程中的应用研究作为神经修复材料必须有良好的组织相容性!可适时地被组织降解!具多层结构!并可以提供神经生长所需的通道∀清华大学生命科学与工程研究院用海洋活性多糖为原料进行了开发周围神经修复材料的研究并已证明经修饰!改构后的壳聚糖及其衍生物对神经细胞有良好的亲和性和组织相容性能够诱导神经纤维生长≈∀吴德升等≈将的壳聚糖充入硅胶管再生室中然后将之套接在间距的大鼠坐骨神经缺损处对照组以空白硅胶管再生室套接手术后周时取再生室进行电镜观察和图象分析结果显示壳聚糖可促进再生轴突数目的恢复以及横断面髓鞘面积的增加而髓鞘横断面积是有髓神经再生成熟程度的标志且与其功能密切相关∀利用壳聚糖作为神经修复导管的新技术有望克服移植法的弊端该材料可粘合或缝合于患者断裂的两段神经之间用作神经组织生长的/脚手架0∀当神经纤维长到研究综述∞∂∞•≥≥∂所需长度并开始执行正常功能时此修复材料则开始降解∀∞∞等≈研究了嗜铬细胞在胶原与壳聚糖组成的基质上的贴附性和活性发现在此基质上生长的细胞在体外可存活两周并植入大鼠蛛网膜下也获得了成功∀在肝组织工程中的研究当肝脏发生病变或损伤时就必须将其切除可能时将不得不移植入异体肝但是合适的异体肝不易获得而且即使获得也可能会因发生排异反应而使移植失败∀所以如果通过组织工程技术将病人自身的健康肝细胞经培养后移植到适当的细胞支架上制备成有功能的肝组织然后将其植入病人体内这将更完善地解决异体移植中所存在的问题∀为实现上述设想大量研究人员以胶原!明胶!褐藻酸钙等聚合物作为细胞支架进行了培养动物肝细胞的研究以期培养出具有肝功能的肝组织∀而以壳多糖为材料进行肝组织培养是近几年才开展起来的研究∀等年以戊二醛交联的壳聚糖作为大鼠肝细胞附着的基质发现这些肝细胞不但保持了与体内一样的球形状态而且具有肝细胞的许多功能∀∞≠等≈将壳聚糖与胶原!明胶或白蛋白等混合后制备成膜再将胎猪和大鼠的肝细胞接种于其上确定了细胞的昀适接种密度并对细胞的粘附动力学特性进行了分析∀在两周的培养过程中通过每天测定尿素和总蛋白的合成研究了细胞的代谢活性结果表明胶原与壳多糖混合组成的膜适于大鼠肝细胞帖附白蛋白!明胶和壳多糖混合制成的膜非常适于胎猪肝细胞贴附∀当用分子量⁄道尔顿的壳多糖制成的膜每平方厘米接种∗个细胞时可获得昀适的贴附效率∀经细胞形态观察和代谢物分析证明此材料可为细胞生长和形成拟肝组织提供适当支持∀在骨组织工程中的应用研究寻找一种生物亲和性好!可被降解和吸收的高分子材料作为骨骼替代材料或骨骼细胞的支架一直是临床上治疗开放性骨折!关节软骨损伤等骨损伤时所面临的课题∀∏等年研究发现与咪唑基共价交联的壳聚糖可以促进羊股骨的损伤修复∀√°等年研究了壳聚糖在体外对成骨细胞分化和骨形成的作用结果表明壳聚糖能促进骨源细胞的分化并且促进骨骼的形成∀倪斌等年用壳聚糖制成厚的膜然后将之环形包裹在兔桡骨骨干缺损处以另一侧桡骨骨干缺损作为对照对愈合情况采用÷射线及组织学检查∀实验组在昀初周无任何骨痂生长及钙化征象第周时在壳聚糖的近端及远端有骨膜反应同时有稀疏!不连续!密度增高影在两骨断端处形成∀第周时特殊的!薄形的!连续性较好的外骨痂在壳多糖表面形成成为较为清晰的外骨桥两骨断端有少量骨痂生长∀空白组无外骨痂形成在昀初周÷线片上可见密度稍高影在骨断端出现第周骨端变得圆钝并形成硬化骨组织断端间无骨痂连接导致愈合失败呈典型骨不连接表现∀因此证明壳聚糖对骨组织修复有传导成骨作用∀大量临床病例也已证明壳聚糖对促进人骨折的愈合有一定的作用∀≥∂ƒ≈等将硫酸软骨素与甲壳胺结合后制成了一种支持软骨生长的材料他们将原代培养的牛关节软骨细胞接种于此材料制成的薄层上发现它们保持了分化软骨的许多表型特征从而证明这种材料非常适合作为自体软骨细胞移植或骨骼代用品的材料∀在酶工程领域中的应用研究据⁄∏≥等年报道固定化酶是被结合到特定支持物上并能发挥作用的一类酶甲壳质壳聚糖是一种很有前途的固定化载体∀可将其制备成凝胶对酶或微生物进行直接包埋∀又据∂等年报道因其分子中存在有氨基所以可用多功能试剂使酶与其共价结合也可直接用物理吸附法对某些酶进行固定化∀另外据等年研究报道因壳聚糖能络合重金属离子从而可保护酶的活性∀年等报道了以壳聚糖为载体制备出固定化的青霉素酰化酶的研究∀÷∏等年将的壳聚糖溶液用的戊二醛交联然后分别用和的多磷酸使之发生离子转变而凝胶化并使此介质有良好的机械性能和通透性∀再用的戊二醛和甲苯磺酰氯使之双活化昀后使青霉素酰化酶与之交联∀同其他青霉素酰化酶固定化载体相比壳多糖亲水性强酶活半衰期时间长∀在生物医学领域年报道了用壳聚糖固定化尿素酶在体外循环装置中清除尿素的研究∀×等年将短刀豆脲酶和杆菌脲酶分别用的戊二醛一步交联法固定在壳聚糖上结果表明固定化杆菌脲酶比固定化短刀豆脲酶的昀适!昀适温度和活性均高而米氏常数低∀但固定化短刀豆脲酶较固定化杆菌脲酶稳定性高∀将固定化脲酶装入小柱中进行血脲降解实验发现此固定化酶性能稳定并可重复使用∀在食品工业上壳聚糖已被用于固定化葡萄糖异构酶陈盛等年以甲壳素为研究综述∞∂∞•≥海洋科学年第卷第期原料进行了纤维素酶的固定化研究∀姜涌明等以高分子壳聚糖为载体以戊二醛为交联剂对木瓜蛋白酶!≥中性蛋白酶!胰蛋白酶!胃蛋白酶进行了固定化其活力回收率分别达以上种酶对热!酸!碱!乙醇!尿素的稳定性明显提高前种酶的操作半衰期分别达以上∀实验表明壳聚糖固定化木瓜蛋白酶能使啤酒澄清壳聚糖固定化≥中性蛋白酶能有效地水解猪血清蛋白质和大豆蛋白质这将有助于猪血和大豆的综合利用∀在发酵工程领域中的应用研究壳聚糖已被广泛应用于工业废水的净化和食品加工废水中蛋白质的沉降及发酵液中菌体的絮凝∀•等年成功地将难以与发酵液分离的酵母用壳聚糖进行了絮凝∀刘万顺等用壳聚糖作为絮凝剂用于谷氨酸发酵液菌体絮凝技术的研究∀结果表明发酵液中菌体的