多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的制備及其性能研究*

胡亦清，賴欣宜，羅嘉浩，龍 茜，曾春蓮, 傅超萍，馮子樂， 曲海洪，章戴榮，康賢通，張黎明，楊立群

(1.中山大學化學與化學工程學院∥聚合物復合材料及功能材料教育部重點實驗室∥新型聚合物材料設計合成與應用廣東省普遍高校重點實驗室∥廣東省高性能樹脂基復合材料重點實驗室，廣東 廣州 510275；2. 廣州市億福迪醫(yī)療器械有限公司,廣東 廣州501670)

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多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的制備及其性能研究*

胡亦清1，賴欣宜1，羅嘉浩1，龍 茜1，曾春蓮1, 傅超萍1，馮子樂1， 曲海洪2，章戴榮2，康賢通2，張黎明1，楊立群1

(1.中山大學化學與化學工程學院∥聚合物復合材料及功能材料教育部重點實驗室∥新型聚合物材料設計合成與應用廣東省普遍高校重點實驗室∥廣東省高性能樹脂基復合材料重點實驗室，廣東 廣州 510275；2. 廣州市億福迪醫(yī)療器械有限公司,廣東 廣州501670)

為了改善泊洛沙姆溫敏水凝膠的性能，用5種不同化學結構的多糖及多糖衍生物與泊洛沙姆制備溫敏水凝膠，研究這些多糖的化學結構對水凝膠性能的影響。結果表明多糖及多糖衍生物與泊洛沙姆在接近體溫(34～37 ℃)時形成水凝膠，有利于實現(xiàn)可注射使用的目的。兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的穩(wěn)定性更高，體現(xiàn)出更強的剪切變稀性質，緩釋疏水性藥物—強的松的時間更長，這些性質可能與兩親性海藻酸鈉衍生物和兩親性殼聚糖衍生物與泊洛沙姆之間存在疏水相互作用力有關。5種溫敏水凝膠體均表現(xiàn)出促進成骨細胞增殖生長的性能，在骨關節(jié)組織具有一定的應用前景。

多糖；多糖衍生物；泊洛沙姆；溫敏水凝膠；強的松

水凝膠是一種三維立體、以化學鍵或物理交聯(lián)作用形成的親水性聚合物網絡，它既有液體的運動性和流動性，又具有固體的形穩(wěn)性[1]。一些藥物分子能與親水性聚合物共同形成水凝膠，起到緩釋藥物的作用[1-2]。由于多糖來源于自然界，安全無毒，具有非常好的生物相容性和降解性，因此，以多糖為基質的水凝膠備受關注[2-3]。近年來在注射給藥系統(tǒng)以及組織工程等領域，一些具有溫度敏感性的水凝膠(溫敏水凝膠)引起人們的廣泛研究[4-5]，它在室溫下為具有良好流動性的液體，而當溫度升高至接近體溫時則轉變?yōu)樗z，這些特性使得溫敏水凝膠在實現(xiàn)可注射使用方面具有較好應用前景。

泊洛沙姆(Poloxamers)是一種聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO)三嵌段共聚物(圖1a)，由于PPO、PEO嵌段比例及不同相對分子質量的不同，目前研究較多的是泊洛沙姆407和泊洛沙姆188[6]。泊洛沙姆的特性是[6-7]：①水溶性良好，毒性低；②具有反向可逆熱膠凝性質，即低溫(4～10 ℃)時為液體，當溫度升高至室溫或體溫時形成水凝膠，溫度降低時又轉變成可流動液體狀；③獨特的疏水內核-親水外殼結構使泊洛沙姆通過疏水相互作用可用于包裹疏水性藥物。所以，泊洛沙姆溫敏水凝膠被廣泛用于黏膜給藥、經皮給藥和注射給藥系統(tǒng)，不僅給藥方便，且能實現(xiàn)緩釋藥物，提高藥物生物利用度[6-8]。然而，泊洛沙姆在實際應用中也存在一些問題，例如泊洛沙姆407對濃度有很大的依賴性，其濃度為15.0%～30.0%時，在15～45 ℃可形成半固體水凝膠，但隨著濃度升高，膠凝化溫度下降，這就使泊洛沙姆407的應用受到了一定限制[7,9]。

針對上述問題，本工作使用不同化學結構的多糖及多糖衍生物(圖1b-1f)與泊洛沙姆制備溫敏水凝膠，研究這些多糖的化學結構對水凝膠性能的影響，包括凝膠化溫度和時間、水凝膠的穩(wěn)定性和剪切變稀行為、緩釋藥物的性能以及對成骨細胞生長的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料及試劑

泊洛沙姆407(P407，德國BASF公司), 泊洛沙姆188(P188，德國BASF公司), 強的松(Prednisone，純度98%,阿拉丁試劑上海有限公司), 海藻酸鈉(AR，廣州化學試劑廠)，普魯蘭多糖(上海晶純生化科技股份有限公司)，羧甲基殼聚糖(AR，廣州化學試劑廠)。其它試劑均為化學純。

圖1 泊洛沙姆、多糖及其衍生物的化學結構Fig.1 Chemical structures of poloxamer, polysaccharides and their derivatives(a) 泊洛沙姆; (b) 海藻酸鈉; (c) 普魯蘭; (d) 羧甲基殼聚糖; (e) 兩親性海藻酸鈉衍生物; (f) 兩親性殼聚糖衍生物

1.2 兩親性海藻酸鈉生衍物的合成

參考我們以前的工作[10-12],準確稱取1.00 g海藻酸溶于35 mL無水二甲亞砜(DMSO)中，稱取0.40 g膽固醇溶于2 mL氯仿，稱取0.24 gN，N’-二環(huán)己基碳二亞胺和0.14 g 的4-(N,N’-二甲胺基)吡啶溶于15 mL無水 DMSO中，將該兩種溶液分別緩慢滴加至上述海藻酸溶液中，于室溫反應24 h。反應結束后，滴加5倍體積無水乙醇，離心棄去上清液，沉淀用熱乙醇洗滌3次，加入蒸餾水攪拌溶解，用NaHCO3溶液(w=4%)中和，透析3d，冷凍干燥24h后得到產物，命名為CSAD。

1.3 兩親性殼聚糖衍生物的合成

參考以前的工作[12-14], 準確稱取1.00g的殼聚糖溶于40mL乙酸(φ=1%)，滴加4 6mL無水乙醇。稱取0.85g脫氧膽酸溶于8mL無水乙醇，稱取0.60g二亞胺鹽酸鹽溶于6mL無水乙醇，將該兩種溶液分別緩慢滴加至上述殼聚糖溶液中，于室溫反應24h。反應結束后，用乙醇/氨水混合溶液(V(乙醇)/V(氨水)=7/3)調節(jié)反應體系的pH值至中性，滴加5倍體積無水乙醇，離心棄去上清液，沉淀用乙醇洗滌3次，加入蒸餾水攪拌溶解，透析3 d，冷凍干燥24 h后得到產物，命名為DA-Chit。

1.4 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的制備及其流變性能測試

1.4.1 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的制備 稱取15～90 mg多糖或多糖衍生物置于血清瓶中，加入1 mL PBS緩沖溶液(pH=7.0)，室溫攪拌溶解24 h。稱取泊洛沙姆(100～300 mg P407和30～60 mg P188)加入上述多糖衍生物多糖或多糖溶液(ρ為15～90mg/mL，V為1～3 mL)，4 ℃攪拌溶解24 h，將裝有多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆混合液的血清瓶置于水浴中，緩慢加熱升溫，采用倒置瓶頸法判斷測定凝膠化溫度和凝膠化時間。

1.4.2 流變性能 動態(tài)應變掃描：將水凝膠樣品平鋪在行板之間，調節(jié)板間距為1.0 mm，固定應變?yōu)?.5%，固定頻率為1.0 rad/s，溫度為凝膠化溫度，應變范圍0.1%～100%，測定儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨應變變化的曲線。

穩(wěn)態(tài)剪切黏度測定：將樣品水凝膠平鋪在行板之間，板直徑為25 mm，調節(jié)板間距為1.0 mm，固定應變?yōu)?.5%，測試溫度為37 ℃，測試頻率范圍由0.1 rad/s向100 rad/s變換過程中，測定表觀黏度與頻率的關系圖線。

1.5 制備負載藥物的多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠及其藥物釋放行為

1.5.1 制備負載藥物的多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠 參照1.4.1制備多糖及其衍生物/泊洛沙姆混合體系，緩慢滴加入4 mL強的松/四氫呋喃溶液(m(強的松)/V(四氫呋喃)=1/1)，4 ℃攪拌溶解24 h，將體系置于50 ℃水浴裝置中，攪拌約24 h，揮發(fā)四氫呋喃，制得負載藥物的多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠。載藥量定義為強的松與多糖及其衍生物/泊洛沙姆質量的百分比。

1.5.2 藥物釋放行為 強的松工作曲線的制定：以φ=10%DMSO/PBS(pH7.4)混合溶液為溶劑，配制一系列不同的強的松溶液，通過UV-vis光譜法制定強的松的工作曲線為公式(1)所示，檢測波長為243nm，儀器為紫外可見/近紅外分光光度計(PE-Lambda750；PerkinElmer，Massachusetts，Waltham，U.S.A) 。

A=0.065+52.95ρ(R2=0.999)

(1)

式中，A為強的松在波長為243 nm處的吸光度，ρ為強的松的質量濃度(mg/mL)。

藥物釋放行為：25 ℃量取1mL上述各種載藥多糖及其衍生物/泊洛沙姆混合溶液，裝入透析袋(截流相對分子質量為8 000～14 400)，于37 ℃形成水凝膠后置于400mLDMSO/PBS(pH7.4)溶液(φ=10%)，與不同的時間間隔點移取2mL透析袋外的溶液，同時補加相同體積的溶液。將取出的溶液通過UV-vis光譜法測定其在波長為243nm的吸光度，通過公式(1)計算溶液中強的松濃度，通過公式(2)計算其強的松的累積釋放率

(2)

式中，mt為t時刻溶液釋放出的藥物質量，m為負載的藥物總質量。

1.6 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠對成骨細胞生物學性能的影響

2 結果與討論

2.1 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的制備及其性能

2.1.1 多糖及其衍生物/泊洛沙姆水凝膠的制備及其溫敏性 為了改善泊洛沙姆對濃度的依賴性(即隨著濃度升高膠凝化溫度下降)，本工作在泊洛沙姆中加入了海藻酸鈉、普魯蘭、羧甲基殼聚糖、兩親性海藻酸鈉衍生物以及兩親性殼聚糖衍生物。通過倒置瓶頸法測試發(fā)現(xiàn)，由于這些多糖及其衍生物的加入，使得泊洛沙姆混合體系的凝膠化溫度控制在34～37 ℃(見表1)，接近體溫，有利于實現(xiàn)可注射使用的目的。

從圖1a中可看出泊洛沙姆為含有羥基的線性鏈高分子，而海藻酸鈉、普魯蘭和羧甲基殼聚糖中含有羥基、羧酸基團以及氨基(圖1:b-d)，所以，在凝膠化溫度下，泊洛沙姆與這些多糖可能通過氫鍵、靜電相互作用以及范德華力等分子間相互作用形成水凝膠。值得注意的是，兩親性海藻酸鈉衍生物和兩親性殼聚糖衍生物除含有上述多糖的基團外，還含有疏水性膽固醇基團和脫氧膽酸基團(圖1:e-f)。在凝膠化溫度下，兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆體系的凝膠化時間均比多糖/泊洛沙姆體系的短，這可能是由于兩親性多糖衍生物的疏水基團與波洛沙姆的疏水鏈段存在疏水相互作用力，使得發(fā)生凝膠化的時間縮短。

表1 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的性能比較

1)A：海藻酸鈉/泊洛沙姆，B：普魯蘭/泊洛沙姆，C：羧甲基殼聚糖/泊洛沙姆，D：CSAD/泊洛沙姆，E：DA-Chit/泊洛沙姆;

2)倒置瓶頸法測定;

3)倒置瓶頸法測定，指凝膠化溫度下測定的凝膠化時間

2.1.2 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的粘彈性及穩(wěn)定性 圖2為凝膠化溫度附近的動態(tài)應變掃描曲線，由圖2可見，當應變分別低于17%和6%時CSAD/泊洛沙姆和海藻酸鈉/泊洛沙姆體系的G'均高于G″，即彈性模量大于粘流模量，表現(xiàn)出水凝膠的特性。

圖2 水凝膠的動態(tài)應變掃描曲線(37 ℃)Fig.2 Oscillatory frequency sweep curves

根據(jù)文獻報道[15-16]，水凝膠的G'數(shù)值在一定應變范圍保持恒定，當應變增加至某一數(shù)值時，G'開始下降，此時的屈服應變即為臨界應變，被認為是水凝膠內部最微弱鍵開始斷裂的臨界應變點。這一特殊性質反應了水凝膠的脆性(即水凝膠的穩(wěn)定性)。圖2顯示，CSAD/泊洛沙姆和海藻酸鈉/泊洛沙姆水凝膠的臨界應變分別為5%和3%，表明此時水凝膠的結構被破壞，并且CSAD /泊洛沙姆水凝膠穩(wěn)定性更好。這可能是因為兩親性海藻酸鈉衍生物的疏水基團(膽固醇基團)能與泊洛沙姆形成疏水相互作用，使得它們形成的水凝膠更加穩(wěn)定，水凝膠結構更難被破壞。

從圖3可看出，兩種兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠在37 ℃分別靜置2 d和4 d后均能保持均一的體系(未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象)。但是，其它3種水凝膠靜置不同時間后均出現(xiàn)了不同程度的相分離。這些結果進一步證明兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠具有更好的穩(wěn)定性。

圖3 溫敏水凝膠37 ℃靜置2 d(a)和4 d(b)Fig.3 Different sensitive hydrogels kept at 37 ℃ for two days (a) and four days (b)A:CSAD/泊洛沙姆水凝膠;B:DA-Chit/泊洛沙姆水凝膠;C:普魯蘭/泊洛沙姆水凝膠;D:羧甲基殼聚糖/泊洛沙姆水凝膠;E:海藻酸鈉/泊洛沙姆水凝膠

圖4 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線(37 ℃)Fig.4 Steady-shear viscosity curves of the hydrogels composed of polysaccharide/poloxamer and amphiphilic polysaccharide derivative/poloxamer (37 ℃)

2.1.3 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的剪切變稀行為 當溫變水凝膠被注射到體內后，由于各組織器官的運動(如關節(jié)等)，水凝膠的黏度將可能發(fā)生變化。如圖4所示，在剪切力作用下，多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的粘度急劇下降，體現(xiàn)出剪切變稀的特性，因此它們都屬于非牛頓流體中的假塑性流體。根據(jù)文獻分析[17]，這是由于多糖及其衍生物與泊洛沙姆相互纏結的鏈段在剪切力作用下被解散的緣故。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)流變理論的Ostwald-de Waele冪律方程(公式2)[3,18]，計算出多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的相關參數(shù)列于表2?？煽闯?種兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠和普魯蘭/泊洛沙姆水凝膠的K值較接近，并高于羧甲基殼聚糖/泊洛沙姆水凝膠的K值，表明前3種水凝膠的稠度更大。另外這四種水凝膠的n值不斷增加，根據(jù)文獻分析[3]，該結果說明它們分子鏈纏結程度越來越低，剪切變稀性質不斷減弱。相比之下，兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠的n值更小，這可能是由于兩親性多糖衍生物的疏水基團與泊洛沙姆分子之間存在疏水相互作用，使得分子鏈纏結程度較高，體現(xiàn)出更強的剪切變稀性質。

(2)

式中，η為穩(wěn)態(tài)剪切黏度，γ為剪切速率，n為流動特性指數(shù)，K為稠度指數(shù)。

表2 37 ℃多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的K值、n值和線性相關系數(shù)R2

1)A：CSAD/泊洛沙姆水凝膠；B：DA-Chit/泊洛沙姆水凝膠；C：普魯蘭/泊洛沙姆水凝膠；D：羧甲基殼聚糖/泊洛沙姆水凝膠

2.2 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏載藥水凝膠體外釋放藥物的行為

強的松具有抗炎、抗過敏、抑制結締組織增生等作用，但它幾乎不溶于水，所以，本工作用強的松作為疏水性藥物的模型化合物，研究多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏載藥水凝膠體外釋放藥物的行為，釋放液為DMSO/PBS (pH 7.4)溶液(φ=10%)。體外釋放曲線如圖5所示，它們緩釋強的松的時間列于表1，可看出這些水凝膠均能起到緩釋強的松的作用。兩種兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠緩釋強的松的時間最長，可能是由于兩親性多糖衍生物中的疏水基團與疏水性強的松之間存在疏水相互作用的緣故。相比之下，羧甲基殼聚糖/泊洛沙姆水凝膠緩釋強的松的時間比普魯蘭/泊洛沙姆水凝膠和海藻酸鈉/泊洛沙姆水凝膠的長，可能是由于羧甲基殼聚糖與強的松之間存在較強的相互作用力。

圖5 37 ℃多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏載藥水凝膠在DMSO/PBS (pH 7.4)溶液中(φ=10%)體外釋放強的松的曲線Fig.5 In vitro release profiles of prednisone from the hydrogels composed of polysaccharide/poloxamer and amphiphilic polysaccharide derivative/poloxamer hydrogels in the DMSO/PBS (pH 7.4) solution (φ=10%) at 37 ℃

2.3 多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠對成骨細胞生長的影響

為了探討多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠在骨關節(jié)組織的應用前景，本工作進一步研究了它們對成骨細胞生長的影響。圖6a為大鼠成骨細胞培養(yǎng)1d后的照片，大部分大鼠成骨細胞貼壁后呈梭形生長。培養(yǎng)3d后，由于細胞的增殖，大鼠成骨細胞呈多角形。這些細胞形態(tài)與文獻報道的大鼠成骨細胞形態(tài)一致[19]。

大鼠成骨細胞與多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠培養(yǎng)后，細胞形態(tài)均有所改變，見圖6。以CSAD/泊洛沙姆水凝膠于37 ℃共同培養(yǎng)3d后為例(圖6c)，可看出大鼠成骨細胞在水凝膠中的形態(tài)發(fā)生了較大變化，這可能是由于水凝膠的受限空間引起大鼠成骨細胞的形態(tài)發(fā)生了改變。

圖7是大鼠成骨細胞與多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆水凝膠于37 ℃共同培養(yǎng)1、3和7d后，通過CCK-8法檢測的細胞增殖情況。各水凝膠組的光密度值均隨著時間的增長而升高，說明多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠體表現(xiàn)出促進成骨細胞增殖生長的性能，其中普魯蘭/泊洛沙姆水凝膠組增值效果最高，DA-Chit/泊洛沙姆水凝膠組和CSAD/泊洛沙姆水凝膠組次之。

圖6 37 ℃大鼠成骨細胞在不同培養(yǎng)時間的照片(×100)Fig.6 Photos of osteoblasts of normal rats following incubation time at 37 ℃ (×100)(a) 大鼠成骨細胞培養(yǎng)1 d后； (b) 大鼠成骨細胞培養(yǎng)3 d后;(c) 大鼠成骨細胞與CSAD/泊洛沙姆水凝膠培養(yǎng)3 d后

圖7 大鼠成骨細胞與多糖及其衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠于37 ℃共同培養(yǎng)后的細胞增殖分析(P <0.05)Fig.7 Proliferation of osteoblasts of normal rats in the different hyrogels following being incubated at 37 ℃(P <0.05)

3 結 論

泊洛沙姆與五種不同結構的多糖及多糖衍生物形成溫敏水凝膠，它們的凝膠化溫度(34～37 ℃)接近體溫，有利于實現(xiàn)可注射使用的目的。相比之下，兩親性多糖衍生物與泊洛沙姆的凝膠化時間較短，兩親性多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠的穩(wěn)定性更高，體現(xiàn)出更強的剪切變稀性質，緩釋強的松的時間更長，這些性質可能與兩親性海藻酸鈉衍生物和兩親性殼聚糖衍生物與泊洛沙姆之間存在疏水相互作用力有關。5種多糖及多糖衍生物/泊洛沙姆溫敏水凝膠體均表現(xiàn)出促進成骨細胞增殖生長的性能，在骨關節(jié)組織具有一定的應用前景。

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Preparation and Properties of Temperature Sensitive Hydrogels Composed of Polysaccharides and Their Derivatives/Poloxamers

HUYiqing1,LAIXinyi1,LUOJiahao1,LONGXi1,ZENGChunlian1,FUChaoping1,FENGZile1,QUHaihong2,ZHANGDairong2,KANGXiantong2,ZHANGLiming1,YANGLiqun1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering∥Key Laboratory of Polymer Composite and Functional Materials of Ministry of Education∥Design and Synthesis of New polymer Materials and the Key Laboratory of General University of Guangdong Province∥Key Laboratory of High Performance Resin Matrix Composite Materials in Guangdong Province， Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. Guangzhou Infumedi Medical Instrument Limited Company, Guangzhou 501670,China)

To improve the property of poloxamer hydrogels, temperature sensitive hydrogels were prepared from poloxamer and five kinds of polysaccharides as well as their derivatives with different chemical structures in this work. The effect of the chemical structures of polysaccharides and their derivatives on the hydrogel properties was investigated. The result indicated that the polysaccharides and their derivatives could form the hydrogels with poloxamer at the temperature (34～37 ℃) near human beings’ temperature, which is advantageous for the injection application. The amphiphilic polysaccharide derivative/poloxamer hydrogels exhibited higher stabilities, stronger shear thinning behaviours, longer time for releasing hydrophobic drug of prednisone. These properties are probably related to the hydrophobic interactions between the amphiphilic polysaccharide derivatives and poloxamer. Five kinds of temperature sensitive hydrogels all exhibited the property for promoting the growth of osteoplasts, showing the potential application in the osseous junction’s tissues.

polysaccharide; polysaccharide derivative; poloxamer; temperature-sensitive hydrogel; prednisone

10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.06.019

2015-05-23 基金項目：國家自然科學基金資助項目(21244005)；廣東省部產學研結合資助項目(2012B091100356)

胡亦清(1994年生)，男；研究方向：天然高分子生物醫(yī)用功能材料;通訊作者：楊立群; E-mail:yanglq@mail.sysu.edu.cn

O632

A

0529-6579(2015)06-0104-07