小龙虾和螃蟹的嘌呤（美食生物材料）

维系生存离不开主食，享受生活离不开海鲜。

金秋时节唆一口肥美的蟹腿，熬到半夜点一份够劲儿的小龙虾可以说是不少人的生活习惯。

螃蟹和小龙虾可不仅仅是一位位食客肠胃的慰藉，它们的一些独特性质也保证了其能被广泛应用于生物医学。

因为之前有介绍过大豆和再生医学以及菠菜和光动力抗癌，这次就介绍螃蟹和小龙虾在伤口敷料的应用了。

为了说明白它们为啥有这么大能耐，本文将先介绍伤口敷料需要什么性能，再说明小龙虾和螃蟹等甲壳类生物如何满足这些需求，最后聊一聊他们还有什么奇奇怪怪的应用。

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伤口敷料的几个要求

• 匹配“湿性愈合理论”的要求

现在主流理论认为伤口的湿润环境更有利于愈合[1]，最好想办法用伤口敷料在病灶创造一个湿润的微环境，敷料需要有保水固水的能力，维持伤口的湿润环境。

这个实验是用猪做的，后来1963年Hinman博士在临床上再次证实这个结论

• 良好的生物相容性

用于伤口的敷料肯定不能对人体产生明显的毒性，不然就不是伤口敷料，而是“伤口毒料”了。

• 能制备成任意形状

现在讲究“个性化诊疗”，有些患者可能伤口是被刀划伤，那么敷料只需要薄薄一小条盖住刀口就行。如果是大面积擦伤，则可能需要大面积涂敷薄薄一层。

所以敷料的可加工性就很重要。现在广泛使用的新型敷料，比如水凝胶敷料，薄膜类都可以按需加工，那么制作敷料的材料最好具有良好的可加工性，这样才有实现商业化的可能。

比如这位运动员（我的偶像，阿尔伯特康塔多）的擦伤只需要薄薄一层敷料即可，不然影响气动效果

• 抑制微生物繁殖

皮肤是人体的“第一个卫士”，伤口处紧实致密的皮肤破损，对细菌入侵的抵抗能力减弱。细菌入侵伤口处后在这种富含水和营养的环境中可能会大量繁殖，造成伤口感染，减慢愈合过程。所以，一块有杀菌作用的敷料对伤口的愈合是十分重要的。

• 主动出击

以上四个要求可以概括为创造适宜创伤愈合的条件，好像有些被动。优质的伤口敷料也应该“主动出击”，即其自身就能介导信号通路，直接参与人体的某些生理循环，从而促进伤口的恢复，或者至少能够作为载体包埋一些活性物质，让这些药物释放出来参与细胞生理活动。

这好像是一条表皮生长因子和一些阻断剂的通路

以上就是五点对伤口敷料的要求。

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小龙虾和螃蟹里有什么宝贝？

上结论：有甲壳素(chitin)。

• 甲壳素和壳聚糖

甲壳素是一种天然的生物大分子多糖，它参与了甲壳类生物矿化的过程，被无机相“封存”在壳里了。

相比于从玉米秸秆里“制备”出石墨烯，甲壳素是直接从小龙虾和螃蟹的壳里“提取”出来的，是它们本身就有的东西，几乎绝对的天然。

从虾壳蟹壳提炼甲壳素的工艺，和做菜挺像的

但是甲壳素水溶性很差，难以被加工利用，这大大限制了它的应用。

所以一般会有将它脱乙酰为壳聚糖，壳聚糖的水溶性比甲壳素理想很多。现在制备生物材料也主要是使用壳聚糖而非甲壳素，所以之后本文就主要讨论壳聚糖了。

这个脱乙酰过程和把蛋白质肽键打断有些类似，都是开酰胺键

• 壳聚糖厉害在哪儿？

壳聚糖是一种高分子材料，相比于陶瓷和金属，高分子的加工性无可比拟，能在各种溶剂中溶解后制备凝胶，薄膜，海绵等等形态的敷料，可以按患者需求加工成任意形状，就像现在市面上的各种软膏一样。

而且由于其自身是天然生物大分子，生物相容性本身就十分优越，几乎没有细胞毒性，它也早已通过FDA等机构的认证，被允许应用于食品添加剂，也有不少壳聚糖制品获批医疗器械。

壳聚糖的分子链上有大量的氨基、羟基等亲水基团，很容易和水结合，将水保留在敷料内。

伤口发炎渗出脓液的时壳聚糖们可以把水牢牢吸入，防止伤口因为过度湿润继续恶化。在伤口恢复时，敷料又能把蒸发的水留在内部，防止伤口过分干燥影响康复。

有意思的是，这些氨基不仅可以保水固水，还能够在水环境下吸引质子从而带上正电荷，形成的阳离子多糖在降解后会包覆在细菌表面，影响细菌真菌的膜通透性，干扰它们的正常生理活动，从而起到广谱杀菌抗菌的目的。

最后一点，就是壳聚糖如何主动出击了。有研究表明，壳聚糖是嗜中性粒细胞，成纤维细胞的化学诱导剂，诱导其分泌胞外物质如胶原、纤维蛋白原以及弹性蛋白等，促进瘢痕组织形成闭合伤口[2]。

同时，壳聚糖自身可以诱导血细胞的凝聚，也可以激活补体系统促进血液凝固[3]，在伤口大量出血时使用壳聚糖敷料可以有效加快凝血，防止出血情况恶化。

纤维蛋白将血细胞网织

总之，壳聚糖这种多糖是很适合作为伤口敷料的材料。

壳聚糖敷料应运而生

根据以上的论述我们可以知道，壳聚糖是完美匹配伤口敷料的需求的，那么是否真有这样的东西被做出来呢，答案是肯定的，现在不仅研究做的火热，临床应用也有大量的开展。

• 水凝胶敷料

黄色的是修饰上的基团

比如这种壳聚糖水凝胶[4]，通过对分子链上氨基的修饰使得其抗菌性能更好，选择性地使用交联剂使得水凝胶的弹性更显著，甚至可以被折叠数次。

这种壳聚糖水凝胶的韧性很好

这种新型壳聚糖基敷料还具有自粘附性。研究人员更是亲身示范，将水凝胶直接涂敷在肘关节，它在肘关节自由运动的情况下也能粘在伤口上。这个过程并不需要复杂的包扎，简单注射一下涂一涂就行，患者自己就能操作。

• 海绵敷料

上面提到的水凝胶因为本身就有大量的水，所以吸水能力稍微逊色一些，不然尿不湿就用水凝胶做，而不是凝胶干燥后的粉末了。

所以将水凝胶冷冻干燥后的多孔海绵应运而生，它们就像刷碗的那种海绵一样可以吸收大量的水分，防止伤口的过分水化。

派大星，我们一起做敷料吧

比如这项研究报导[5]的一种壳聚糖基海绵敷料能够在伤口出血时迅速吸收渗出液，同时，由于壳聚糖自身就能激活凝血功能，所以这类敷料在伤口大量出血时能促进止血，伤口出血量只有使用纱布止血时的大约1/3。

• 临床应用

上面介绍的两种敷料更多地倾向于研究阶段，市面上没有类似产品。

据我所知，到目前为止，复杂的壳聚糖水凝胶和壳聚糖海绵敷料在医院很难见到，甚至可以说，压根儿没有。

现在能在医院或者药房开到的壳聚糖产品主要是简单的壳聚糖凝胶，没有对它进行改性，没有对它进行交联，就是壳聚糖和其他配料简单地混合一下，比如其他多糖或者甘油等，比较简陋。

它们的责任主要是给伤口提供湿润环境和温和的抗菌力。

有些伤口一般没必要使用“伤敌一万，自损八千”的抗生素，壳聚糖这种自带微弱又广谱的抗菌能力的材料就显示出优势了，其天然多糖血统所赋予的优良生物相容性更保证了它作为一些场合的不二“敷料”选。

比较常见的产品主要是壳聚糖妇科凝胶以及一些普通创伤使用的凝胶材料。

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猜猜看，壳聚糖还能干点儿啥？

它能干的事情只有你想不到，没有它做不到：

• 吃！

这个最容易想，实际上每次给小龙虾和螃蟹去壳的时候指甲里或者手指肚上总会留下那么一点点甲壳素，别说你从来没为了美味的酱料吮吸过手指，不知不觉中可能就吃进去了一点点。

猫：这指甲油有内味儿了，人类真好吃

别害怕，我国相关部门和FDA早就许可壳聚糖和甲壳素作为食品添加剂，不过一想，现在还觉得自己吃的清蒸螃蟹是“不含任何添加剂的天然绿色食品”吗？

吃就行，别想太多，吃得爽才是重中之重。

• 化妆品

不查不知道，从我接触科研开始就用的壳聚糖，实验室最low的材料，按公斤卖的玩意儿，洒一地都不心疼的试剂，摇身一变竟然成了“高端护肤品”的添加剂。

雅诗兰黛的xxxxxxx，860元/200mL，我就问一句，这水啥味儿

倩碧和百雀羚的护肤品

比如以上两张图里的三种化妆品，都有“乙酰壳糖胺”的踪迹。实际上乙酰壳糖胺是一种小分子壳聚糖，是大分子壳聚糖的水解产物，同样富含羟基和氨基等亲水基团，可以很好地结合水分子，实现“保湿剂”的功效。

• 农业

不仅人的脸蛋需要这样的“肥料”，农作物也需要。

含有壳聚糖的肥料能够在浇灌后结合水分子，延迟它们的挥发，实现农民们一次浇灌，多日偷懒的梦想。

实际上壳聚糖还能作为活性物质参与植物的生长发育，这也是图中“促根”的一个由来

作物发芽等阶段会受到细菌和病毒的侵扰，壳聚糖作为一种广谱抗菌材料能够在一定程度上保证植物的正常生长发育。现在已经有一些肥料产品明确表明配料里有壳聚糖的成分。

• 水处理

随着人们物质生活的丰富，生活和工业污水里的东西也开始了“争奇斗艳”。

上世纪在日本熊本县轰动一时的水俣病事件就是工厂排放的汞离子（重金属离子的一种）在水中被微生物转化为甲基汞后通过食物链富集到人体引起的严重后果。

因甲基汞脑萎缩的水俣病患者，对肢体的控制能力减弱

重金属离子的去除在水处理中的重要性不言而喻，其中使用絮凝剂将它们络合后沉降再过滤掉就是方法之一。

壳聚糖就可以作为这样的絮凝剂使用，分子链上大量的羟基和氨基提供了重金属离子的结合位点，结合后的壳聚糖-重金属离子会沉降下去。

这样的结合方式和分子料理里青瓜鱼子酱的制作原理类似，只不过食品行业用的是毒性极低的原料而已。分子料理技法：球化

• 其他应用

壳聚糖还有很多其他的应用，万变不离其宗，它的功能是物理化学生物性质赋予的，这正是本文前半部分介绍壳聚糖性质时提到的。

比如它还能被用来做组织工程支架，靠的是生物相容性和可加工性，3D打印的壳聚糖细胞支架也不少。

壳聚糖还可以被作为食品包装材料，也是借助于它极佳的可加工性，其他应用不再赘述[6]。

壳聚糖用作食品包装的制作方法

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壳聚糖营养品该吃吗？

壳聚糖不仅可以被“不小心”吃进去，现在市面上已经出现了一些壳聚糖胶囊等营养品，各种功效吹的挺玄乎那么我们该买来吃一点吗？

很难否认壳聚糖对人体可能具有的潜在好处。比如因为它在体内会带正电成为阳离子高聚物，且不会被人体消化吸收所以能够结合小分子的负电脂肪，从而改善高血压，降低血清胆固醇等[7]。也因为它能结合铁离子，防止其对某些化学反应的催化，实现抗氧化的功能[8]。

这些都要辩证看待，很难给出一个确切的答案，甚至上面说的各种机理也只是特定现象的部分解释，比如壳聚糖能抗菌除了本文之前提到的以外还有至少四个解释，人体环环相扣，很难直接判定一种物质对人是好是坏。

你要问我会不会吃这个，我宁愿吃芹菜（降血压）洋葱（抗氧化）炒牛肉（我爱吃），行走餐桌几千年，谁还没点儿降血压抗氧化的本事了？

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参考文献

[1] J. Wound Care, 2016, 25, 68-75.

[2] J. Periodontal Res., 2013, 48, 677-686.

[3] Carbohyd. Polym., 2003, 53, 337-342.

[4] Biomaterials, 2018, 183, 185-199.

[5] J. Mater. Chem. B, 2018, 6, 634-640.

[6] Prog. Polym. Sci., 2006, 31, 603-632.

[7] Nutr. Res., 2008, 28, 383-390.

[8] Carbohyd. Polym., 2008, 74, 228-234.

我是生物材料小小虫，持续带来严肃又接地气的科普。下期预告：

可能有读者对本文之前提到的“湿性愈合理论”有异议，明明说皮肤受了伤不该沾水，为啥还要让伤口湿性愈合呢？下篇文章我讲讲这个东西，已经写了一半多，点关注不迷路。

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