殼聚糖溫敏水凝膠研究進(jìn)展

張碧君，鄒祖豪，聶小琴，盧軍聯(lián)，付柯楠，黃永森，程 瑜，廖銘能

( 廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 ，廣東 湛江 524088)

水凝膠(hydrogel)是一種天然的親水性高聚物，一般由物理或化學(xué)交聯(lián)而具有三維網(wǎng)狀聚合物結(jié)構(gòu)，在水中的溶解度低于百分之一，但具有溶脹性，親水小分子可以在水凝膠中擴(kuò)散，可以吸收大量水并保持其三維結(jié)構(gòu)。按照水凝膠按照對(duì)外界刺激的響應(yīng)性，水凝膠可分為兩類：一類是環(huán)境響應(yīng)型水凝膠(智能水凝膠)，這類水凝膠對(duì)環(huán)境的變化敏感，對(duì)不同環(huán)境引起的刺激有不同的應(yīng)答；另一類是環(huán)境不響應(yīng)型水凝膠(普通水凝膠)，這類水凝膠對(duì)環(huán)境的變化不特別敏感。智能水凝膠根據(jù)響應(yīng)條件的不同可以分為溫度敏感型、pH敏感型、光敏感型、電敏感型、磁敏感型等。由于水凝膠的這種智能性，故水凝膠可作為一種與外界環(huán)境交互的媒介，使其在生物組織等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也成為近年研究的熱點(diǎn)[1]智能水凝膠的發(fā)展?fàn)顩r。

溫敏性水凝膠即對(duì)溫度敏感的水凝膠，屬于智能高分子凝膠的一種，主要由大分子主鏈、親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)組成，能在外界環(huán)境改變時(shí)根據(jù)刺激作出不同的應(yīng)答而發(fā)生相變，多用于藥物載體與組織工程[2]。溫敏性水凝膠根據(jù)溶脹機(jī)理分為兩類，一類是熱脹溫敏水凝膠，在溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)呈收縮狀態(tài)，溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)呈膨脹狀態(tài)；另一類是熱縮溫敏水凝膠，與熱脹溫敏水凝膠相反，當(dāng)溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)呈收縮狀態(tài)，溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)呈膨脹狀態(tài)[3]。與傳統(tǒng)水凝膠相比，溫敏性水凝膠因其能隨溫度的變化發(fā)生“溶膠—凝膠”狀態(tài)的改變，在藥物控釋、酶的固定化、細(xì)胞包封等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性。殼聚糖是由甲殼素脫乙酰制備而成的堿性氨基多糖，是一種在自然界中大量存在的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)由β-1，4糖苷鍵連接的N-乙酰氨基葡萄糖基團(tuán)和氨基葡萄糖殘基組成。因具有良好的生物相容性、低細(xì)胞毒性和可被生物降解等優(yōu)點(diǎn)，殼聚糖被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，常作為藥物緩釋體，在微球、微囊以及凝膠等緩釋劑型中被廣泛應(yīng)用[4]。

1 常見殼聚糖溫敏水凝膠

1.1 殼聚糖—甘油磷酸鈉溫敏凝膠

殼聚糖—甘油磷酸鈉混合溶液是一種溫敏性的溶液，能隨著溫度的改變發(fā)生相變，室溫下能長(zhǎng)時(shí)間保持液體狀態(tài)，體溫(37℃)下凝固為凝膠狀。殼聚糖—甘油磷酸鈉溶液的穩(wěn)定性及粘度由殼聚糖的脫乙酰度決定，殼聚糖脫乙酰度越低，所制備得到的溶液越溫度，粘度可以維持長(zhǎng)時(shí)間不變[5]。Chenite等[6]利用利用甘油磷酸鈉(Glycerophosphate，GP)中和殼聚糖( Chitosan，CS)后，得到pH值呈中性的殼聚糖-甘油磷酸鈉復(fù)合物，其研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖—甘油磷酸鈉溶液的成膠速度主要依賴于殼聚糖的脫乙酰度，脫乙酰度越高，成膠速度越快，這是因?yàn)榻宦?lián)時(shí)甘油磷酸鈉與殼聚糖的氨基更易發(fā)生連接。Ruel-Ganepy[7]等研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖—甘油磷酸鈉溶液的成膠速度與最終溶液的溫度以及pH值有關(guān)，當(dāng)?shù)蜏鼗虻蚿H值時(shí)凝膠過程變緩，成膠速度變慢。此外，CS/GP體系中加入適量戊二醛、聚乙烯醇改性而得到的殼聚糖溶液，當(dāng)溫度升高時(shí)形成半固體狀凝膠時(shí)間更短。

1.2 殼聚糖接枝凝膠

由接枝法制備而成的殼聚糖溫敏水凝膠多種多樣，如Chung等利用耦合劑1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳化二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺將一種基于環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的共聚物接枝到殼聚糖上等[8]。

殼聚糖接枝凝膠中較常見的是聚乙烯醇與殼聚糖接枝制備而成的溫敏凝膠。聚乙烯醇(PVA)是一種水溶性的多羥基聚合物，與殼聚糖相似，因其具有良好的生物相容性與低細(xì)胞毒性而廣泛應(yīng)用于藥物運(yùn)送載體及組織工程中[9]。Tang等[10]通過將殼聚糖與聚乙烯醇混合得到可注射的溫敏凝膠，通過研究發(fā)現(xiàn)該凝膠于4℃下為液體，在人體生理溫度(37℃)下迅速成膠。研究發(fā)現(xiàn)此凝膠的形成取決于氫鍵的作用，在低溫時(shí)殼聚糖與水分子形成分子間氫鍵，阻止殼聚糖自身的羥基與氨基間氫鍵的形成，使殼聚糖分子鏈維持規(guī)律的排序，避免相互纏繞；當(dāng)溫度升高時(shí)對(duì)氫鍵有破壞作用，使殼聚糖分子鏈間形成疏水作用從而形成凝膠。聚乙烯醇濃度越高，成膠的溫度也越高。另外，Minoura等[11]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖/聚乙烯醇凝膠材料的表面性能與細(xì)胞粘附的關(guān)系；Kim等[12]研究表明殼聚糖/聚乙烯醇凝膠的性質(zhì)會(huì)隨外界的刺激而改變，如pH值和電荷的改變。

1.3 巰基殼聚糖水凝膠

Kafedjiiski K等[13]通過在殼聚糖的伯氨基或羥基上引入巰基，巰基殼聚糖形成的溫敏凝膠優(yōu)化了部分殼聚糖的性能，增加殼聚糖在中性pH下的溶解性。此外，Matsuda A等[14]通過固定化的巰基與蛋白質(zhì)中的其他巰基形成二硫鍵，使得黏膜的粘附性得到改善，進(jìn)一步提升凝膠的機(jī)械性能和緩釋能力。

1.4 殼聚糖/膠原凝膠

膠原蛋白是一種生物活性高分子，因其自身性質(zhì)可用于修復(fù)組織損傷，在生物醫(yī)學(xué)材料和臨床醫(yī)療的應(yīng)用十分廣泛，但同時(shí)膠原蛋白的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，不易被皮膚吸收，人體利用率低。以膠原蛋白與殼聚糖制備而成的凝膠很大程度的提高了凝膠的生物相容性，同時(shí)可以改善殼聚糖較弱的機(jī)械性能[15]。

2 殼聚糖基溫敏凝膠的應(yīng)用

殼聚糖具有良好的生物相容性與低細(xì)胞毒性，是一種理想的生物材料。溫敏凝膠可根據(jù)溫度的變化產(chǎn)生溶脹和收縮功能，被廣泛應(yīng)用于藥物傳遞、組織工程等領(lǐng)域。殼聚糖溫敏凝膠結(jié)合殼聚糖與溫敏凝膠的特點(diǎn)，在人體體內(nèi)有良好的生物相容性、低細(xì)胞毒性及可降解性，同時(shí)優(yōu)化了殼聚糖的機(jī)械性，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，可作為藥物載體與組織工程骨架的原料，可控制藥物釋放，提高藥物的生物利用度，從而增強(qiáng)患者的依從性，可應(yīng)用于溫度控制、酶的固定化以及藥物緩釋等方面[16]。

2.1 藥物緩釋

藥物緩釋多在體內(nèi)進(jìn)行，需要藥物具有良好的生物相容性和可降解性，從而保證藥物在進(jìn)入體內(nèi)環(huán)境時(shí)不會(huì)引起全身的炎癥反應(yīng)，同時(shí)可以逐漸被水解或酶降解，且水解后產(chǎn)物可直接排出體外或能進(jìn)入體內(nèi)代謝途徑被消耗。殼聚糖溫敏凝膠相變溫度與人體生理溫度接近，以溶膠載入藥物，經(jīng)過皮下或組織注射進(jìn)入體內(nèi)，隨著溫度變化發(fā)生相變形成凝膠，以凝膠降解與藥物擴(kuò)散作用釋放藥物，達(dá)到緩釋的效果。殼聚糖溫敏凝膠pH為中性，與人體內(nèi)環(huán)境相似，適合運(yùn)載蛋白質(zhì)與肽類物質(zhì)，不易破壞藥物結(jié)構(gòu)。徐甲坤等[17]將殼聚糖改性得到羧甲基殼聚糖，以戊二醛為交聯(lián)劑制備得到羧甲基殼聚糖水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)其體外釋放行為符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，具有良好的緩釋效果。Huang等[18]將188Re-Tin膠體包裹在CS/β-GP水凝膠中，通過肌肉注射注入大鼠體內(nèi)腫瘤處，研究顯示188Re-Tin膠體80%被有效地包裹在CS/β-GP水凝膠內(nèi)，且能在注射部位持續(xù)48h無(wú)明顯擴(kuò)散。根據(jù)腫瘤的生長(zhǎng)情況顯示包裹藥物的水凝膠能有效的殺死癌細(xì)胞，腫瘤大小隨時(shí)間減小。

2.2 組織工程

組織工程是一種在體外進(jìn)行修復(fù)，重建生物體的技術(shù)，要求材料具有良好的生物相容性、低細(xì)胞毒性和一定的機(jī)械性以構(gòu)建三維支架材料。組織工程的三維支架材料主要分為傳統(tǒng)的多孔支架與新型的可注射性支架(軟支架)。兩者相比，新型的可注射性支架操作更簡(jiǎn)單，且無(wú)需進(jìn)行手術(shù)，對(duì)患者創(chuàng)傷更小能減輕患者痛苦。軟支架通過注射的方式作用于所需部位，可以以各種形狀填充，可作為骨、肌肉、腰間盤等組織的支架材料，也可用于包埋生長(zhǎng)因子和細(xì)胞。殼聚糖溫敏凝膠是一種可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)分化的成骨誘導(dǎo)劑，被廣泛應(yīng)用于組織工程中。Ding等[19]將膠原蛋白加入殼聚糖溫敏凝膠中，增加了MSC在體外的成骨分化，在大鼠異位骨形成的實(shí)驗(yàn)中證明該水凝膠具有支持新生血管形成和MSC成骨分化的能力。吳廣升等[20]制備可注射性殼聚糖/β—甘油磷酸鈉凝膠以包裹含血小板血漿和骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，將其注射到牙周缺損模型中，通過與對(duì)照組相比證明該凝膠可有效促進(jìn)牙周組織的再生。

3 小結(jié)

殼聚糖溫敏水凝膠具有良好的生物相容性與低細(xì)胞毒性，可隨溫度變化作出應(yīng)答發(fā)生相變，通過與不同的基團(tuán)接枝改變凝膠部分性能，進(jìn)而改進(jìn)力學(xué)性能較差等短處，廣泛應(yīng)用于藥物緩釋與組織工程。相信隨著研究技術(shù)不斷提高，殼聚糖溫敏水凝膠在各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。