摘要

甲壳素和木质素是两种从废物中获得的建筑材料，分别为甲壳类动物和植物细胞的外骨骼提供力量。这两种聚合物似乎都是一种动态的分子结构源，也触发了对人类的免疫反应。此外，由于覆盖在这些天然成分表面的不同电荷，它们可能会形成微/纳米粒子和创新的纳米复合材料，嵌入到非织造组织中，用于生产先进的药物，在纳米尺度上使用更有效。通过使用这些聚合物，有可能生产多孔支架，模仿天然的细胞外基质，可以促进适当的细胞浸润、增殖和分化。事实上，几丁质和木质素都有一种有趣的抗氧化、消炎和愈合作用，很容易从环境和人体酶中代谢而不产生有毒的次级成分。本文报告了一些支持这些活动的数据。

关键字

几丁质;木质素;甲壳素nanofibril;几丁质酶;Biocomposite;Nanofiller

介绍

Nanopolymers作为承运人

可降解和天然聚合物是一类更常用于化妆品和生物医学应用的生物材料，如纳米载体或组织工程支架[1]。由于其有趣的特性，科学家们被鼓励将其用作药物输送系统，提高其效率，改善其功能性和生物利用度，以实现最大的临床效果。可将活性成分装载到细胞内部位的最受关注的纳米载体的例子是聚合物化合物，如脂质体、壳聚糖、甲壳素和甲壳素纳米纤维，这些材料由不同的科学论文报道[2-7]。这些天然纤维用于制造生物复合材料，作为生产安全基质和创新载体的最先进、适应性最强的工程聚合物。聚合物基体和增强天然纤维的正确组合可产生具有每种成分最优良性能的复合材料。事实上，纤维增强复合材料可以改善或调整基体的改变或可变性能（机械、热、光学或电学），其浓度为1%至10%[8]。然而，理想的生物医学材料应具有生物相容性、仿生性、无毒性和非免疫原性[9]，同时具有促进细胞粘附、生长、迁移的能力，并在细胞的分子和物理水平上发挥作用在活的有机体内环境(10、11)。此外,所有使用的材料的生物降解性应组织工程设计的另一个重要的特征函数,记住的是,一个缓慢的生物降解是首选的长期人工植入物,而赖特重构的快速生物降解的结果基本的组织修复[10 - 12]。此外，使用与皮肤外细胞基质(ECM)[13]结构相同的聚合物组织可以促进细胞增殖和分化。此外，纳米颗粒技术可能有助于通过控制其药物/活性成分的生物利用度和释放来最大化治疗效果和最小化聚合物选择系统的不良副作用[14,15]。例如，这种释放系统可以通过表皮运输多种活性成分，使它们在适当的时间和剂量内保持在作用位点[16,17]。因此，纳米技术的目标可能是:(a)促进成分的运输，提高其功效和减少可能的毒性副作用;(b)最大限度地与皮肤接触，最大限度地减少透皮吸收;(c)在设计的位点释放活性物质(图1)。此外，这些聚合物纳米结构有利于与皮肤角质层的更多接触，增加了加入的活性成分的数量，以达到作用位点[17]。因此，有必要设计正确的方案，(a)表征纳米粒子和纤维的尺寸和形态，(b)考虑到整个体系的稳定性及其负载效率，实现活性成分的适当纳米包封及其在聚合物纤维/组织中的包封，释放模式和活动

图1:在设计地点释放有效成分

甲壳素纳米纤维和纳米木质素

几丁质(图2)是继纤维素[18]之后含量第二丰富的天然多糖。另一方面，木质素(图3)负责植物细胞壁的强度和刚性结构，是木质纤维素生物质造纸和乙醇生产的可用副产物。它代表木材和一年生植物的第二大主要成分[19,20]。

图2:甲壳素作为甲壳类动物外骨骼和真菌壁的建筑材料

图3：提出木质素的化学结构

不幸的是，作为天然聚合物的几丁质和木质素主要用于生产燃料，在生产附加值产品方面未得到充分利用，即使它们是大约3000亿吨/年的废物。

值得注意的是，由晶体和非晶态结构域组成的可再生多糖甲壳素已被证明是有用的有机纳米填料[22]。根据一项专利技术[23]，可以从纳米晶体中去除和分离非晶态部分，纳米晶体作为生命体的支撑材料，具有高模量和生物利用度的特点。甲壳素纳米晶体，实际上也被称为甲壳素纳米原纤维(CN)，在活着的植物和动物中形成一种微原纤维排列，从简单的分子和高度纳米晶原纤维的大小增加，复合基质在微米级向上(图4)[18,24]。可溶性于碱性水,盖着薄电晕挂钩,可以很容易地采用喷雾干燥获得一个棕色粉末微/纳米颗粒的平均尺寸约为163纳米(图5)。此外,结合电负性的阳性CN LG,可以获得微/纳米颗粒,捕获各种各样的活性成分(亲水和/或亲脂)，可用于医学，因为他们的具体和有效的特性和性质。特别是，简单的CN-LG纳米颗粒(图6)显示出具有有趣的抗菌和消炎特性[25]，可用于老年[6,26]、问题和敏感皮肤[22,27]的创新化妆品或用于女性或婴儿垫的无纺布组织和穿孔膜[28]。

图4：甲壳类动物中甲壳素的微纤维排列(来源:Raabe et al modified)

图5:扫描电镜下木质素微纳米颗粒被薄的聚乙二醇电晕覆盖

图6:复合甲壳素纳米颗粒纳米木质素的微/纳米颗粒

几丁质

回到几丁质的化学和生物学特性，有人假设，这种天然和普遍的聚合物是先天免疫[29]大小依赖的调节剂。事实上，真菌、螃蟹和昆虫不仅利用它来保护它们的结构免受恶劣环境条件的影响，而且还作为宿主抗寄生虫/病原体的免疫反应。几丁质生物合成和降解之间的平衡是由几丁质酶(即β -1,4- n -乙酰氨基葡萄糖酰胺酶)介导的，这些酶是对含有病原体的几丁质产生的免疫反应[30,31]。虽然几丁质和几丁质酶在植物和微生物免疫[32]领域作为微生物和寄生虫入侵信号传感器的作用已经明确，但它们调节人类局部炎症细胞功能的能力尚不清楚[29-31]。无论如何，这种类糖聚合物是许多引发过敏的环境成分的主要成分，如室内尘螨、甲壳类食物和真菌孢子[33-36](图7)，被认为是一种未被诊断的疾病实体。事实上，不同的研究清楚地表明，几丁质和几丁质衍生物可以刺激先天免疫细胞，如巨噬细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞，并通过各种细胞表面受体(包括巨噬细胞甘露糖受体、toll样受体2和dectin-1)调节适应性的I型或ii型反应，通过大小依赖途径介导其细胞和组织效应(图8)[37-39]。此外，最近，我们的团队已经证明，甲壳素纳米纤维有能力复合不同的活性成分，以获得微/纳米粒子和聚合物，能够增加，例如，专门设计的化妆品乳剂和无纺布组织的美白活性和有效性(图9)。CN与纳米木质素复合物具有有趣的抗炎和免疫调节活性，可加速烧伤皮肤的修复活性(图10)[25,40]。因此，值得注意的是，人类产生的几丁质降解酶作为18-糖基水解酶的一部分，主要由中性粒细胞和巨噬细胞表达和分泌，在炎症和感染部位被诱导重塑组织结构[41]。 This suggests that such proteins could play an active role in anti-infective defense and resource responses [31,42-44], as shown from our recent studies also [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在体外和在活的有机体内通过促炎和抗炎细胞因子的刺激释放，它们的功能和急性炎症现象。事实上，几丁质片段已显示出对巨噬细胞活性的大小依赖性作用，显示出作为免疫佐剂的潜在用途（图7）[48,49].平均大小的几丁质具有促炎活性，而其小尺寸片段（<40µm）具有抗炎功能，在巨噬细胞中激活TNF和IL-10（图8）。可能CN显示的有趣效果不仅是因为其240×7×5 nm的非常小的尺寸，而且还显示了相同的透明质酸骨架（图13），其降解分子可作为警报信号[32,50]因此，有人认为，被某些受体识别的几丁质会引发几丁质酶的诱导，从而产生被宿主细胞吸收的小尺寸几丁质颗粒[35]然而，根据多糖的大小，多糖诱导炎症的能力可能是乙二醇生物学的一般原理[35,39,51]，其中几丁质片段或纳米几丁质可以调节局部炎症的强度和慢性以及随后的细胞凋亡[25,52]。

图7:几丁质、几丁质酶和几丁质酶样蛋白作为过敏/触发环境成分的作用。[35]。

图8:几丁质大小在产生不同促炎细胞因子的抗病原体反应中的作用。[49]。

图9:基于CN-LG纳米粒子包覆不同活性成分的化妆品乳剂美白活性

图10:CN-LG纳米颗粒包裹纳米结构银的非织造组织对烧伤皮肤的修复作用

图11：CN-LG纤维无纺布处理24小时后HaCat细胞中defensin -2 mRNA的表达

图12:CN-LG纤维非织造组织处理6和24小时后HaCat细胞中金属蛋白酶-9的mRNA表达

图13:几丁质有相同的透明质酸主干

木质素

木质素是一种工业副产品，从植物生物量中大量获得，主要用于能源生产。然而，这种有趣的天然聚合物在其支链分子中含有许多酚、羟基、羧基羰基和甲氧基，其结构为生产有价值的分子和具有抗氧化、抗菌和抗突变特性的功能性产品[53]提供了极好的来源。木质素研究最多的特点之一是其与羟基和甲氧基相连的抗氧化性，这些羟基和甲氧基作为质子给体可以稳定醌共振结构[54]中的自由基。自然，不同类型的木质素具有不同的抗氧化、抗菌和紫外线吸收性能，这取决于来源和使用的加工方法，以及后处理和植物的不同地理来源。然而，任何聚合物都可以因其自身的分子量、物理化学特性和多分散性而被识别[55,56]。这就是为什么需要对工艺条件进行微调，以平衡木质素和其他木材成分的回收率和质量。事实上，它含有各种酚基，主要基于苯甲酸和肉桂酸(即对香豆酸和阿瓦酸)的结构。酚基团赋予了这种天然大分子有趣的抗菌和抗氧化性能[57,58]，特别是酚官能团[59]的性质和侧结构，特别是其纳米尺寸的增强。因此，木质素阻碍其酚基，可以稳定由氧、活性氧和氮(ROS和RNS)引起的反应，减缓由这种天然高分子实现的聚合物复合材料以及生物系统的老化过程。当用作化妆品和医疗配方中的活性成分时。 It is considered, in fact, as safe antioxidant and antimicrobial compound, being also a biodegradable ingredient with a low toxicity when used as filler for polymeric matrices or biological active ingredient for medical purpose [60].

此外，由于其抗氧化剂、紫外线保护剂和抗菌性能，木质素也是一种有希望的绿色天然成分，有助于平衡一般微生物群，从而减少与汽油衍生化学品相关的环境问题[61]由于所有这些原因，我们通过明胶法制备了CN-LG纳米颗粒，该纳米颗粒与不同的活性成分混合，通过电纺技术制成了无纺布。事实上，CN是一种阳离子聚合物，而纳米木质素是一种阴离子离子，因此聚电解质复合物CN-LG通过离子链相交ages。如前所述，这些创新组织已应用于烧伤皮肤，目的是获得快速、抗氧化、抗炎、抗菌和再上皮化活性[25,40,62]。

甲壳素Nanofibril-Nanolignin粒子

由于几丁质纳米纤维和木质素的有趣的特性，它被设计使用CN-LG纳米颗粒作为人类组织再生活性成分的功能传递载体。为了达到这个目的，人们已经在开发模仿皮肤行为的无纺布组织方面做出了很大的努力。不同的研究[22,46]表明，将CN-LG共混物静电纺丝制成的无纺布组织，与PEO和壳聚糖结合，似乎在提供一个能够影响人类细胞对皮肤组织的感知和反应的平台方面发挥了重要作用。这种天然基质，应用于受伤和/或烧伤的皮肤，已证明具有化疗吸引力的特性。它似乎不仅能够激活巨噬细胞和中性粒细胞来启动愈合过程，而且还能够攻击微生物生物膜(图14)[22]。此外，有研究表明，CN可促进组织肉芽组织和再上皮化，限制肥厚和瘢痕疙瘩的形成(图15)[63]。事实上，几丁质纳米颗粒可以激活角质形成细胞和成纤维细胞的增殖，调节胶原蛋白的合成以及细胞因子和巨噬细胞的分泌[64]。根据最近的一项研究[65]，这种创新的非织造组织的伤口愈合能力似乎也是基于免疫活性细胞的激活。这些特化细胞通过几丁质酶的酶活性作用于几丁质，引起葡萄糖胺和乙酰氨基葡萄糖的释放，从而调节ECM的合成。综上所述，将CN引入到壳聚糖/PEO基体中，可以形成生物可降解的复合纤维和无纺布组织，具有良好的亲肤性和粘附特性。 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].

图14:甲壳素纳米微纤维对微生物生物膜的杀菌活性

图15：cn -壳聚糖作为再上皮化剂限制增生性瘢痕和瘢痕疙瘩形成的活性

图16:CN支架(左)具有与皮肤ECM(右)相同的结构。

结论

总之，无脊椎动物和脊椎动物对生物和环境应激源的防御可能集中在免疫系统对几丁质的内分泌调节、合成和生产上[66]因此，一方面，几丁质和几丁质样蛋白质似乎在正常过程中发挥着重要作用，如细胞生长、更替和重塑，而哺乳动物和人类的几丁质酶活性似乎也会紧密触发皮肤抗菌肽[67]。

另一方面，木质素作为以碳水化合物为基础的聚合物，不仅可以被认为是抵御病原体攻击的机械和被动的防御屏障，也是触发人体免疫反应的信号分子的动态结构来源[66]。此外，正如之前报道的那样，它是一种多功能的生物聚合物，似乎具有其他一些有用的特性，如紫外线吸收、抗真菌、抗生素和抗癌特性[68]。因此，根据所获得的结果，有可能解释使用含有CN和LG纳米粒子的无纺布组织所获得的抗菌和皮肤修复反应。这种创新的基质已经证明，在合适的剂量和时间内，可以在更短的时间内使烧伤皮肤重新上皮化，改善所含活性成分的释放[6,25,40]。此外，还获得了皮肤表面微生物群的重新平衡，而愈合过程是结束的，没有形成异常瘢痕。综上所述，了解甲壳素-几丁质酶和cn -木质素活性的所有物理、化学和生物学意义，对于理解它们与人类皮肤不同层之间可能的相互作用具有重要意义。通过这些研究，以及使用纳米几丁质、纳米木质素和其他对人类和环境友好的天然副产品，将有可能发现创新的化妆品和生物医学应用，以及识别新的生物标记和/或真菌和其他病理状况的治疗方法。这是我们未来研究项目的目标，在我们看来，这是保护我们星球的生物多样性，为子孙后代保存自然原料所必需的。

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Aritcle类型:评论文章

引用:Morganti P, Febo P, Cardillo M, Donnarumma G, Baroni A(2017)几丁质纳米纤维和纳米木质素:生物医学领域的天然聚合物。J Clin Cosmet Dermatol 1(2): doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-2826.113

版权：©2017 Morganti P，等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版历史：

收到日期:2017年2月17日

接受日期:2017年3月29日

出版日期：2017年3月04