總結

一方麵，皮膚是人體最大的器官，是抵禦外來物質的第一道天然屏障;另一方麵，全球市場價值超過470億美元的個人護理、衛生和生物醫藥產品，都是為了直接保護和治療皮膚而設計的。

在護膚產品和工具中，天然生物材料製成的無紡布可生物降解組織和創新組織工程在市場需求中占有舉足輕重的地位。因此，歐盟“多生物皮膚”研究項目的目標是使用生物基聚合物取代石油基聚合物，生產衛生、美容和先進的親膚和環保藥物，作為創新產品，挽救人類健康和地球的平衡和生物多樣性。

本文將報告一些前瞻性和設計的解決方案，基於多糖和生物聚酯的使用，以製造創新聚合物和無紡布組織，用於生產嬰兒/老人尿布，麵部美容麵膜和先進的藥物。

關鍵字

再生醫學;生物聚合物;嬰兒尿布;醫療設備;麵部美容麵具;傷口護理;Polybioskin;無紡布的組織;甲殼素紡錘

再生醫學

組織工程和再生醫學(TERM)是相互聯係的跨學科領域，應用工程學和生命科學的原理，開發能夠恢複、維持、改善或取代組織/器官功能或其受損部分[1]的生物基質。

TERM的基本概念是通過操縱細胞外環境來提高細胞的生物潛能，促進組織再生。它的應用範圍廣泛，需要深入了解細胞生物學和生理學，以及具有自身特定生化和理化特性的工程材料，以改善或取代受損組織或整個器官的整體功能。

TERM的最終目標是設計具有與細胞外基質(ECM)相同的結構組織和生物降解性的多功能支架，其中可以植入所需的細胞。事實上，ECM是一種由糖胺聚糖和纖維蛋白組成的變化結構，對大多數細胞過程至關重要。這些結構為細胞提供機械和錨定支持，指導細胞生長和功能，可能改善生理性組織結構，阻礙疤痕組織的形成。這就是幾丁質納米纖維有效的原因，與膠原肽靜電紡絲的幾丁質納米纖維已被證明在皮膚組織的發育、修複和內穩態中發揮重要作用，這得益於其模仿天然ECM的結構(圖1a和1b)[2,3]。

圖1a及1b:幾丁質納米纖維(左)結構與ECM(右)相比，SEM[24]。

幾丁質和透明質酸是ECM的基本成分，事實上，它們共享一個相當相似的骨架，由n -乙酰氨基葡萄糖重複單元組成(圖2)。

圖2:幾丁質(左)和透明質酸(右)有著相似的骨架。

由於所有這些原因，納米材料和納米結構繼續在世界範圍內吸引著巨大的關注，2013年全球組織工程市場達到170億美元，預計2019年將超過569億美元。

皮膚再生

皮膚再生是再生醫學的目標之一。事實上，皮膚(圖3)是我們身體的一個複雜的屏障結構，不斷暴露於潛在的傷害，如外部環境中的有害紫外線、空氣汙染中的微/納米顆粒、致病和危險微生物的入侵，以及表皮水平的聚絲蛋白缺乏和水分含量低的內表皮。然而，這些結構和生物壓力會導致皮膚脫水、氧化反應、DNA損傷、代謝紊亂甚至細胞死亡。事實上，通過細胞因子和白介素的酶促生產，轉化為大分子的降解，以及炎症反應和免疫抑製的出現，可能會產生間接影響。當損傷相對較低時，細胞啟動修複過程，當損傷中等時，實體細胞開始衰老，當損傷過度時，它們組織自己的死亡[5]。因此，使用不同種類的產品/工具來保護皮膚屏障對加速創麵修複/再生至關重要。

圖3:皮膚結構和環境。

這就是支持PolyBioSkin歐洲研究項目的原因，該項目的目標是利用生物基聚合物的巨大未開發潛力，將其應用於皮膚接觸產品。該項目的基本目標是開發“可再生的、可持續來源的生物聚合物，能夠提供前所未有的抗菌和抗氧化性能、吸收性和皮膚兼容性”。

該想法是使用天然的微/納米分子構建塊來創建新的聚合物和納米複合材料，具有前所未有的靈活性和改進的物理性能，能夠模仿皮膚ECM的分層組成。這些創新的“活化”類ecm聚合物將用於製造皮膚保護的無紡布組織，其特點是其可持續和特定的功能。它們將用於三個戰略市場:衛生、化妝品和生物醫學，全球市值超過470億美元。這些納米結構的組織由靜電紡絲和/或鑄造技術製成，並模仿皮膚的生物學特性，應該有可能調節細胞增殖、遷移、分化、細胞間通信和凋亡，促進營養支持和提供機械強化。

全球衛生用品市場與廢物問題“，

全球紙巾和衛生用品市場總額達1560億美元，其中亞太地區零售增長最快，銷售額達562億美元，而廢棄物的增長也非常快。

一方麵，進口、生產和分銷成本的增加影響著依賴進口原材料和商品的公司，另一方麵，全球塑料消費(普遍用於製造衛生用品)預計將達到2.975億噸，增加了不可降解材料的浪費[8,9]。為此，我們要記住，傳統塑料不會在短時間內降解，是造成土地填埋和海洋富營養化的原因之一[圖4a和4b]。相反，生物塑料被現有的環境酶和人類微生物群的活性迅速降解，試圖解決這些問題。因此，有必要尋找替代生物降解聚合物，如纖維素，木質素，甲殼素和殼聚糖，利用從農業和漁業廢物的天然原料，生產生物降解塑料[10]。然而，2016年全球可生物降解和生態友好型塑料市場總額為195.4億美元，預計到2022年將達到655.8億美元，預測期間的CARG估計為22.36%。

圖4a和4b:陸地和海洋的塑料汙染。

采用這些環保材料的原因是由於對全球變暖、碳排放、臭氧層損耗、環境危害和減少浪費的需求的日益關注。一方麵，填埋塑料廢物和健康危害導致對塑料材料的使用實施了更嚴格的條例。另一方麵，北美和歐盟預計將主導整個可生物降解材料和商品市場，因為它們有自覺的消費者和高消費人口。

此外，亞太地區大量人口的存在有望推動該市場的發展，這也是由於合同製造過程的增加，以及政府通過提供經濟激勵措施促進生物降解產品在一些國家(如中國和印度)的興趣增加。然而，生物可降解塑料與其他傳統塑料材料之間的巨大價格差異預計將阻礙全球生物可降解紙和生物基塑料市場的增長，例如，2016年該市場的總價值為1187億美元，2021年估計為1961億美元，增量增長774億美元。

醫療設備和嬰兒尿布趨勢

受人口老齡化增長、生物醫學組織使用增加和研發投資增加的驅動，全球基於納米技術的醫療設備市場預計將在2014- 2019年預測期內增長11-12%。此外，美國、歐盟和亞太地區等一些國家的政府正在大力投資開發和商業化創新醫療設備，促進采用先進的納米技術為基礎的非織造組織，並增加保健產品的可及性。因此，北美傷口敷料市場預計將達到140億美元左右，其中先進藥物的增長幅度更大(圖5)。

圖5:美國臨時傷口敷料市場。

同樣由於這些原因，生物納米技術的市場估計到2020年將達到3萬億美元。另一方麵，中國、印度、印尼、馬來西亞、巴西、埃及和土耳其這七個市場預計將占2013年至2018年全球嬰兒紙尿褲銷量增長的58%，未來5年可能達到95%左右。

關於獲得有競爭力的織物的工業過程，生產嬰兒尿不濕所需的不同成分，繼續對無紡布的供應商構成挑戰。事實上，需要解決的問題來自於需要保持有競爭力的成本和消費者要求以更低的成本獲得更具體的性能和美學性能的尿布和褲子。

一方麵，消費者更傾向於使用超柔軟、時尚、圖案獨特的無紡布來製作上片和後片組件，以及腿部袖口需要柔軟有效的隔液組織。另一方麵，為了獲得重量輕的護理包，生產者需要實現通過紙尿褲不同亞層的更高和更好的液體運輸，使用低成本的水絮無紡布，具有高吸水性的圍護性能。其中，生產嬰兒紙尿褲所需的不同無紡布層的主要特點，在其創新性能和成本方麵具有競爭力。

然而，今天的消費者關注高質量的尿布，以合適的價格為嬰兒和老人提供近12小時的漏氣保護!事實上，同樣的技術也可以用於生產老年人的紙尿褲，這主要是由於人口老齡化的增長。在組織和衛生領域，無紡布類產品中增長最快的是成人尿失禁，2015年為72億美元，年增長率為7%。然而，這些產品的不可生物降解性仍然沒有得到解決，造成了嚴重的廢物處理問題和嚴重的環境破壞。

基於所有這些原因，消費者意識的提高和零售網點對生物可降解紙巾材料的越來越多的采用將對全球生物可降解紙尿褲市場產生有利的影響。然而，消費者支出的增加和消費者對嬰兒和成人紙尿褲的需求的增加，具有優化的吸收芯和柔軟和可擴展的無紡布彈性層壓板，以及合適的價格，必須明確領先製造商的優先事項。此外，溫和的拉伸性能必須在體溫下持續12小時，提供可靠的身體擁抱性能，以及彈性層壓板的柔軟美學，可以有助於消費者對與尿布質量水平相關的滿意度。

展望了解決方案

PolyBioSkin[7]項目將重點關注兩大類生物基聚合物:(a)多糖，如纖維素、澱粉、幾丁質納米纖維(CN)和殼聚糖;(b)生物聚酯，如聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸鹽(PHA和PHB)，所有這些都從可再生資源中獲得，完全可被人類和環境酶生物降解，並以減少環境足跡為特點。這些生物基聚合物包含不同的填料和活性成分，製成納米複合材料，將被用於生產無紡布組織，使用綠色靜電紡絲技術，水作為溶劑或鑄造熔吹技術。因此，例如，帶負電的晶體納米纖維素(CC)將與帶正電的膠原蛋白結合，以及帶正電的晶體納米甲殼素(CN)將與帶負電的木質素結合。

因此，CC、CN或它們的配合物加入納米複合材料將導致不同的增強水平，這取決於聚合物基體和納米填料負載。然而，通過正確地研究和設計納米複合材料的結構性能和用於靜電紡絲的安全溶劑，將有可能獲得與天然ECM一樣具有物理化學、形態和生物性能的無紡布組織。此外，在纖維和納米複合材料結構中分別加入填料活性成分，將允許對非織造組織的性能進行修改，以更長的時間釋放所含成分來增強織物的強度。

因此，最終獲得的組織應該有可能再現細胞在其自然微環境中感知到的原生線索，相互作用和調節細胞的行為、功能和命運。然而，本研究項目的目標將是找到在生物結果和產品標準化、工藝簡單、生產成本等整體可行性之間達到最佳的無紡布，用於製作麵部美容麵膜、嬰兒/老人尿布和高級藥物。

甲殼素紡錘

在本項目研究和控製的不同生物源原料中，甲殼素被選為與人類皮膚具有特殊親和力的有趣的含氮多糖。它與透明質酸(細胞外基質(ECM)的組成部分)具有相同的骨架，在結構功能上與角蛋白相似，隻是碳水化合物成分不同(圖6)。此外，這種以葡萄糖為基礎的無支化聚合物廣泛分布於自然界，通常見於甲殼類動物的外殼或昆蟲的角質層，以及一些蘑菇的外殼、綠藻的細胞壁和酵母中。

圖6:幾丁質和角蛋白具有相同的結構功能[16]。

從結構上看，甲殼素為甲殼類動物組織提供結構支撐，角蛋白為人體皮膚、頭發和指甲細胞提供強化和彈性，支持成纖維細胞在體外的附著和增殖[15,16]。此外，要記住，人體中的透明質酸和植物中的幾丁質和纖維素是一種交聯聚合物，具有膨脹、吸附和在其結構中保持大量水分的能力。這種水是保持皮膚滋潤和年輕所必需的，也是用多糖和蛋白質製成聚陰離子凝膠，作為替代受損組織的生物材料。此外，本文還強調了纖維素和甲殼素都是由微纖維排列分層組織的，其中線性分子以平行的方式定向，由交替的非晶態和晶態結構域組成。這些天然聚合物的晶體形式自然地代表了它們最純粹和反應性的結構。

這就是為什麼參與PolyBioSkin項目的合作夥伴之一MAVI通過其專利工藝去除甲殼素的非晶態區域，保留高晶態區域。這些納米晶體被命名為幾丁質納米纖維(CN)，因為它們針狀的形狀[17](圖7)，已顯示出對皮膚組織具有修複和再生能力，加速肉芽形成過程，可能是因為它們的大表麵積體積比(高達超細纖維的1000倍)還與抗菌和抗炎活性[18]有關。事實上，CN已經被證明具有抗炎活性，可以監測金屬蛋白酶-2和-9的水平，還能夠誘導β防禦素-2的合成，作為免疫調節肽[19,20]。雖然在衰老過程中增加的金屬蛋白酶是ECM分子分解的主要原因，但被稱為抗肽-1的防禦素-2已發展出發揮重要的先天和適應性免疫反應的能力，對致病菌顯示出廣泛的抗菌活性[19,20]。

圖7:掃描電鏡下幾丁質納米纖維[17]的晶體和針狀結構。

這些活動是CN有效性的特征在體外以及在活的有機體內[21,22]，將被用於生產嬰兒尿布、麵部美容麵膜和先進藥物的無紡布。此外，CN還有另一個有趣的特征:它是一種電正性聚合物，容易與玻尿酸(HA)或木質素(LG)等電負性聚合物結合，能夠將不同的活性成分捕獲到這種雙層結構中[23,24]。HA可以刺激細胞轉導和其他細胞信號通路，調節細胞粘附、遷移、增殖和內吞等功能，而LG具有抗氧化活性，可以調節細胞氧化還原功能。

綜上所述，CN及其配合物可以作為活性載體和可生物降解聚合物支架，通過其結構和生化特性在組織工程中發揮中心作用，安排和指導細胞過程。最後，有趣的是，雖然幾丁質在哺乳動物中不表達，但幾丁質酶和幾丁質酶樣蛋白仍然會產生，以保護人類免受外源性病原體的傷害，這些病原體的結構[25]含有幾丁質。然而，甲殼素激活巨噬細胞，並根據其大小調節其功能。平均尺寸證明了促炎活性，而其小尺寸片段(<40毫微米)顯示了抗炎活性(圖8)。小尺寸幾丁質的抗炎活性與我們小組使用幾丁質納米纖維得到的結果一致，其特征是平均尺寸為240 × 7 × 5 nm。事實上，這種聚合物具有有趣的傷口愈合[21,22]、抗衰老[23]和抗炎抗菌活性[18,19,24]。

圖8:甲殼素的活性與其大小有關。

綜上所述，這種天然聚合物，保護皮膚免受外界應力因素的影響，防止細胞損傷，是一種聚合物，將用於製造創新無紡布組織，通過創新麵膜延緩皮膚過早衰老，或通過嬰兒尿布和先進藥物分別修複炎症和損傷的皮膚。

該項目的最終目標是利用幾丁質、纖維素和澱粉製作具有抗氧化、抗菌和免疫調節效果的不同無紡布組織，通過使用其他生物可降解聚合物(如聚乳酸、PHA、PHB)和這些結構中的活性成分，改善它們的理化特性，如抗拉強度和機械屏障，以及它們的生物和腐敗微生物的有效性。PLA實際上是脂肪族聚酯，來自澱粉等可再生資源，而PHA(聚羥基烷酸酯)和PHB(聚3-羥基丁酸酯)是由某些細菌處理葡萄糖、玉米澱粉或橄欖油廢水產生的。所有這些聚合物都是可生物降解的，對皮膚友好，顯示出良好的強度和硬度。

總之，該項目生產的非織造組織必須具有支持粘附的能力，並將細胞運送到目標底物，刺激細胞反應。此外，它們必須具有生物相容性和可生物降解性，通過對可再生木質纖維素生物質和食品工業副產品的生物轉化，通過簡單、經濟和可持續的工業過程製造，自然地，減少汙染，尊重實際的國際規則，保持地球環境和生物多樣性的平衡(圖9a和9b)，為下一代保護自然原材料。

圖9a和9b:減少汙染，尊重地球生物多樣性是我們社會的必須

致謝

根據第745839號協議，該項目從歐盟Horizon 2020研究和創新計劃下的生物基礎工業聯合項目(BBI JU)獲得了資金。

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Aritcle類型:評論文章

引用:Morganti P, Febo P(2017)麵向擴大市場的創新組織工程。J臨床美容皮膚素2(1):http://dx.doi.org/10.16966/2576-2826.119

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出版的曆史:

收到日期:2017年10月06

接受日期:2017年11月07

發表日期:2017年11月14日