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評論文章
幾丁質納米纖維和納米木質素:具有生物醫學價值的天然聚合物

Pierfrancesco Morganti1 *Pietro Febo2瑪麗亞·卡迪羅3.喬凡娜Donnarumma4布洛尼操刀5

1意大利那不勒斯第二大學皮膚學係,意大利Aprilia (LT)納米科學中心MAVI研發主任
2意大利佩斯卡拉的Atertek研發公司
3.皮膚科醫生,意大利羅馬ISCD研究中心
4意大利那不勒斯坎帕尼亞大學實驗醫學係
5意大利那不勒斯坎帕尼亞大學"beplay最新下载路易吉·凡維泰利"皮膚科精神健康和預防醫學係

*通訊作者:Pierfrancesco Morganti,意大利那不勒斯第二大學皮膚學係,意大利Aprilia (LT)納米科學中心MAVI研發總監,電話:+ 39 06 92 86 261;電子郵件:pierfrancesco.morganti@mavicosmetics.it


摘要

甲殼素和木質素是兩種從廢物中提取的建築材料,分別為甲殼類動物和植物細胞的外骨骼提供了力量。這兩種聚合物似乎都是激發人體免疫反應的分子的動態結構來源。此外,由於覆蓋在這些天然成分表麵的不同電荷,它們可能會形成微/納米粒子和創新的納米複合材料,嵌入到無紡布組織中,以生產先進的藥物,在其納米尺寸使用時更有效。通過使用這些聚合物,有可能生產多孔支架,模仿天然的細胞外基質,可以促進適當的細胞浸潤,增殖和分化。實際上,幾丁質和木質素都具有有趣的抗氧化、抗炎和愈合效果,它們很容易從環境和人類的酶中代謝,而不會產生有毒的次級成分。本文報告了一些數據來支持這些活動。

關鍵字

幾丁質;木質素;甲殼素nanofibril;幾丁質酶;Biocomposite;Nanofiller


簡介
Nanopolymers作為承運人

可降解和天然聚合物是一類生物材料,通常用於化妝品和生物醫學應用,作為納米載體或組織工程支架[1]。由於其有趣的特性,科學家們被鼓勵將其用作給藥係統,提高其效率,改善其功能和生物利用度,以實現最大的臨床效果。在不同的科學論文中,最受關注的納米載體是聚合物化合物,如脂質體、殼聚糖、幾丁質和幾丁質納米纖維[2-7],它們可以將活性成分裝載到細胞內位置。這些天然纖維被用於製造生物複合材料,作為生產安全矩陣和創新載體的最先進和適應性最強的工程聚合物。聚合物基質和增強性天然纖維的正確組合可以產生具有每種成分最佳性能的複合材料。事實上,纖維增強複合材料在濃度為1%到10%[8]的情況下,可以改善或調整基體的變化或可變的性能(機械、熱、光學或電學)。然而,生物醫學應用的理想材料應該是生物相容性、仿生性、無毒、非免疫原性的[9],同時具有促進細胞粘附、生長、遷移的能力,並在分子和物理水平上負責在活的有機體內環境(10、11)。此外,所有使用的材料的生物降解性應該是組織工程設計的另一個重要特征功能,記住,緩慢的生物降解是長期人體植入物的首選,而快速的生物降解是修複組織的賴特重建的基礎[10-12]。此外,使用與皮膚細胞外基質(ECM)[13]結構相同的聚合組織可促進細胞增殖和分化。此外,納米顆粒技術可能有助於通過控製聚合物係統的藥物/活性成分的生物利用度和釋放,使治療效果最大化,並最小化聚合物係統的不良副作用[14,15]。例如,這種釋放係統可以通過表皮運輸多種活性成分,使其在適當的時間和劑量內保持在作用部位[16,17]。因此,納米技術可能旨在(a)促進成分運輸,增加其療效並減少可能的毒副作用;(b)盡量延長與皮膚接觸的時間,盡量減少經皮吸收;(c)在設計位點釋放活性物質(圖1)。此外,這些聚合物納米結構更傾向於與皮膚角質層接觸,增加了活性成分的數量,以達到作用位點[17]。因此,有必要設計正確的方案,(a)表征納米顆粒和纖維的大小和形態,(b)實現有效成分的適當納米封裝及其在聚合物纖維/組織中的包含,考慮整個係統的穩定性及其負載效率、釋放模式和活性

圖1:在設計的地點釋放有效成分

幾丁質納米纖維和納米木素

幾丁質(圖2)是僅次於纖維素[18]的第二豐富的天然多糖。另一方麵,木質素(圖3)負責植物細胞壁的強度和剛性結構,是木質纖維素生物質造紙和乙醇生產的一種可用的副產物。它是木材和一年生植物的第二大成分[19,20]。

圖2:甲殼素作為甲殼類“外骨骼和真菌”壁的建築材料

圖3:木質素提出的化學結構

不幸的是,甲殼素和木質素作為天然聚合物主要用於生產燃料,在製造附加值產品方麵未得到充分利用,如果它們是約3000億噸/年[21]的廢物的話。

值得注意的是,由晶體和非晶態結構域組成的可再生多糖幾丁質已被證明是有用的有機納米填料[22]。根據專利技術[23],可以將非晶態部分從納米晶體中分離出來,納米晶體具有高模量和生物利用度的特點,可作為生物機體的支撐材料。幾丁質納米晶體,實際上也被稱為幾丁質納米纖維(CN),在活的植物和動物中形成微纖維排列,大小從簡單分子和高度納米的晶體纖維增加,複合基質在微米級以上(圖4)[18,24]以同樣的方式,木質素(LG),溶解在堿化水中,被一層薄薄的聚乙二醇電冕覆蓋,可以很容易地通過噴霧幹燥機處理得到平均尺寸約為163nm的棕色微/納米顆粒粉末(圖5)。此外,將電正的CN與電負的LG結合,可以獲得含有多種活性成分(親水和/或親脂)的微/納米顆粒,因其特殊而有效的特性和性能可用於醫學。特別是,簡單的CN-LG納米顆粒(圖6)已被證明具有有趣的抗菌和抗炎性能[25],可用於製作針對老年人[6,26]、問題和敏感皮膚[22,27]的創新化妝品,或用於女性或嬰兒護墊的無紡布和穿孔薄膜[28]。

圖4:甲殼綱動物甲殼素的微纖維排列(來源:Raabe et al modified)

圖5:在掃描電鏡下,木質素的微/納米顆粒被薄的聚乙二醇電暈所覆蓋

圖6:複合甲殼素納米articlenanolignin的微/納米粒子

幾丁質

回到幾丁質的化學和生物學特性,有人假設,這種天然和普遍存在的聚合物是先天免疫[29]的大小依賴性調節器。事實上,真菌、螃蟹和昆蟲不僅使用它來保護它們的結構不受惡劣環境條件的影響,而且還作為宿主抗寄生蟲/病原體的免疫反應。幾丁質的生物合成和降解之間的平衡調節了其在相對環境中的積累,這是由幾丁質酶(即內源性- β -1,4- n -乙酰葡萄糖酰胺酶)介導的,這是對含有幾丁質的病原體產生的免疫反應產生的酶[30,31]。雖然幾丁質和幾丁質酶在植物和微生物免疫[32]領域作為微生物和寄生蟲入侵的信號傳感器的作用已經明確,但它們在人體中調節局部炎症細胞功能的能力還不夠清楚[29-31]。無論如何,這種類糖聚合物是許多引發過敏的環境成分的主要成分,如室內塵蟎、甲殼綱動物食物和真菌孢子[33-36](圖7),被認為是一種未被診斷的疾病實體。事實上,不同的研究清楚地表明,幾丁質和幾丁質衍生物可以刺激先天免疫細胞,如巨噬細胞、嗜堿性粒細胞和嗜酸性粒細胞,並通過多種細胞表麵受體,包括巨噬細胞甘露糖受體、toll樣受體2和dectin-1,調節適應性I型或2型反應,通過一個大小依賴的途徑介導它們的細胞和組織效應(圖8)[37-39]。此外,最近,我們的團隊已經證明幾丁質納米原纖維具有複合不同活性成分的能力,以獲得能夠增加的微/納米粒子和聚合物,例如,一種專門設計的化妝品乳劑和無紡布組織的美白活性和有效性(圖9)。此外,CN與納米木素複合已證明具有有趣的抗炎和免疫調節活性。加速燒傷皮膚的修複活性(圖10)[25,40]。為此,值得注意的是,幾丁質降解酶是18-糖基水解酶的一部分,由人類產生,主要由中性粒細胞和巨噬細胞表達和分泌,在炎症和感染部位被誘導,重構組織結構[41]。這表明該蛋白可能在抗感染防禦和資源反應中發揮積極作用[31,42-44],我們最近的研究也顯示[25-27,40]。 This the reason why CN has evidenced an increased release of skin defensins with a contemporary modulation of metalloproteinases, when used in culture of human keratinocytes and fibroblasts (Figure 11 and 12) [25-27,40]. It is to remember, in fact, that chitin has a repeating molecular pattern analogous to other Toll-like receptor 2, i.e., TLR-2, encoded in humans by the TLR-2 gene [45]. These TLR receptors have shown to function as sensors of microbial and parasitic invasion by the inflammation cascade, as immune response to the pathogens [46,47]. Recently [48], it has been also evidenced that chitin seems to be a pathogen-associated molecular pattern (PAMP), capable to mediate some cellular and tissue effects in a size-dependent and specific-manner pathway. It seems to serve as a PAMP that, according to the chitin size, activates macrophages via TLR-2, regulating also在體外而且在活的有機體內它們的功能和急性炎症現象都是通過促炎和抗炎細胞因子的刺激釋放來實現的。事實上,幾丁質片段已被證明對巨噬細胞活性具有大小依賴性,顯示出作為免疫佐劑的潛在用途(圖7)[48,49]。平均大小甲殼素證明促炎症活動,而其體積小片段(< 40µm)已顯示出抗炎功能,在巨噬細胞激活TNF和il - 10(圖8)。也許,CN所表現出的有趣的有效性不僅是因為它非常小的大小為240×7×5海裏,但也顯示相同的透明質酸骨幹(圖13),這可能被降解分子作為報警信號(32歲,50)。為此,有人認為幾丁質被某些受體識別,觸發幾丁質酶的誘導,導致產生被宿主細胞[35]吸收的小幾丁質顆粒。然而,多糖誘導炎症的能力,根據它們的大小,可能是乙二醇生物學的一個普遍原理[35,39,51],甲殼素片段或納米甲殼素可以調節局部炎症的強度和慢性,以及隨之而來的細胞凋亡[25,52]。

圖7:幾丁質、幾丁質酶和幾丁質酶樣蛋白作為過敏/觸發環境成分的擬議作用。[35]。

圖8:幾丁質大小在產生不同促炎細胞因子的抗病原體反應中的作用。[49]。

圖9:納米CN-LG包裹不同活性成分的化妝品乳液的美白活性

圖10:納米Ag包埋納米結構Ag納米粒子的無紡布組織修複燒傷皮膚的活性

圖11:用CN-LG纖維非織造組織處理HaCat細胞24小時後防禦素-2 mRNA的表達

圖12:CN-LG纖維無紡布處理HaCat細胞6和24小時後金屬蛋白酶-9 mRNA表達的變化

圖13:幾丁質與透明質酸具有相同的骨架

木質素

木質素是一種工業副產物,從植物生物量中獲得大量木質素,主要用於能源生產。然而,這種有趣的天然聚合物在其分支分子中含有許多酚、羥基、羧基羰基和甲氧基,其結構是生產具有抗氧化、抗菌和抗突變性能的有價值分子和功能產品[53]的優良來源。木質素被研究最多的特性之一是它的抗氧化性能與羥基和甲氧基相連,它們作為質子供體可以穩定醌共振結構[54]中的自由基。自然地,不同類型的木質素具有不同的抗氧化、抗菌和紫外線吸收性能,這取決於來源和所使用的加工方法,以及後處理和植物的不同地理來源。然而,任何聚合物都可因其分子量、理化特性和多分散性而被識別[55,56]。這就是為什麼需要對工藝條件進行微調,以平衡木質素與其他木材成分的回收率和質量。事實上,它含有各種酚基,主要基於苯甲酸和肉桂酸的結構(即對香豆酸和阿魏酸)。酚基賦予了這種天然大分子有趣的抗菌和抗氧化性能[57,58],特別是集中在酚官能團[59]的性質和側結構上,特別是通過其納米尺寸加強。因此,木質素可以抑製其酚基,穩定由氧、活性氧和氮(ROS和RNS)引起的反應,減緩由這種天然高分子實現的聚合物複合材料的老化過程,以及生物係統,當用作化妝品和醫療配方的活性成分時。事實上,它被認為是一種安全的抗氧化和抗菌化合物,也是一種生物可降解的成分,當用作高分子基質填料或用於醫療目的的生物活性成分[60]時,具有低毒。

此外,由於其抗氧化、防紫外線和抗菌性能,木質素還是一種很有前途的綠色天然成分,有助於平衡一般微生物群,減少與石油衍生化學品有關的環境問題[61]。基於這些原因,我們用明膠法製備了納米CN-LG,將其與不同的活性成分混合,用靜電紡絲技術製成無紡布。事實上,CN是陽離子聚合物,而納米木素是陰離子,因此聚電解質絡合物CN- lg是通過離子鍵相交的。如先前報道的[25,40,62],這些創新組織已被應用於燒傷皮膚,目的是獲得快速、抗氧化、抗炎、抗菌和再生上皮活性。

甲殼素Nanofibril-Nanolignin粒子

由於幾丁質納米纖維和木質素的獨特特性,設計了將CN-LG納米顆粒作為活性成分的功能性載體,用於人體組織再生。為了達到這個目的,主要的努力是開發模仿皮膚行為的無紡布組織。不同的研究[22,46]表明,通過電紡絲將一種CN-LG共混物與PEO和殼聚糖結合而成的無紡布組織,似乎在提供一個能夠影響人類細胞對皮膚組織的感知和反應的平台方麵發揮了重要作用。這種天然基質,應用於受傷和/或燒傷的皮膚,已證明具有化療吸引力的性質。它似乎不僅能夠激活巨噬細胞和中性粒細胞以啟動愈合過程,而且還能攻擊微生物生物膜(圖14)[22]。此外,有研究表明CN促進組織肉芽化和再上皮化,限製肥厚瘢痕和瘢痕疙瘩的形成(圖15)[63]。幾丁質納米顆粒實際上可以激活角質形成細胞和成纖維細胞的增殖,調節膠原蛋白的合成以及細胞因子和巨噬細胞的分泌[64]。根據最近的一項研究[65],這種創新的非織造組織的傷口愈合能力似乎也基於免疫功能細胞的激活。這些特化細胞通過幾丁質酶的酶活性作用於幾丁質,導致葡萄糖胺和乙酰氨基葡萄糖胺的釋放,調節ECM的合成。綜上所述,在殼聚糖/PEO基質中引入CN,可以形成生物合理的複合纖維和無紡布組織,對皮膚友好,具有良好的粘附性能。 Likewise, the CN electro spun nanofibers, exhibiting an ECM-like architecture (Figure 16) together with interesting antibacterial and anti inflammatory effectiveness, seem to open new perspectives to make future innovative and biodegradable babies and feminine pads [28].

圖14:幾丁質納米纖維對微生物生物膜的殺菌活性

圖15:cnn -殼聚糖作為再上皮化劑的活性在限製肥厚性瘢痕和瘢痕疙瘩形成中的作用

圖16:CN支架(左)具有與皮膚ECM(右)相同的結構

結論

總之,在無脊椎動物和脊椎動物中,對生物和環境應激源的防禦可能集中在內分泌調節、免疫係統合成和生產幾丁質[66]。因此,一方麵,幾丁質和幾丁質樣蛋白似乎在細胞生長、周轉和重塑等正常過程中發揮著重要作用,而皮膚抗菌肽似乎也在哺乳動物和人類中受到幾丁質酶活性的緊密觸發[67]。

另一方麵,木質素作為以碳水化合物為基礎的聚合物,不僅可以被認為是抵禦病原體攻擊的機械和被動防禦屏障,而且也是觸發人體免疫反應的信號分子的動態結構來源[66]。此外,正如之前報道的那樣,它是一種多功能生物聚合物,似乎具有其他一些有用的特性,如紫外線吸收、抗真菌、抗生素和抗癌性能[68]。因此,根據所獲得的結果,有可能解釋使用含有CN和LG納米顆粒的無紡組織所獲得的抗菌和皮膚修複反應。這種創新基質已被證明能在較短的時間內使燒傷皮膚再生上皮,並在適當的劑量和時間內改善所含活性成分的釋放[6,25,40]。皮膚表麵菌群也得到了再平衡,愈合過程未出現異常瘢痕形成。總之,更好地了解幾丁質酶和cn -木質素活性所涉及的所有物理化學和生物學意義,對於理解它們與人類皮膚不同層之間可能的相互作用似乎具有極大的興趣。從這些研究中,通過使用納米甲殼素、納米木素和其他對人類和環境友好的天然副產品,將有可能找到創新的化妝品和生物醫學應用,以及確定新的生物標記和/或真菌和其他病理條件的治療方法。我們認為,這是我們未來研究項目的必要目標,以保護我們星球的生物多樣性,為子孫後代保留天然原材料。


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Aritcle類型:評論文章

引用:Morganti P, Febo P, Cardillo M, Donnarumma G, Baroni A(2017)甲殼素納米纖維和納米木質素:具有生物醫學價值的天然聚合物。J臨床美容皮膚素1(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-2826.113

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出版的曆史:

  • 收到日期:2017年2月17日

  • 接受日期:2017年3月29日

  • 發表日期:2017年3月04