抗氧化水凝膠的研究進展

陳 鵬，楊鳳英，顧志鵬，李乙文

（四川大學高分子科學與工程學院，高分子材料工程國家重點實驗室，成都 610065）

活性氧自由基（ROS）在人體內(nèi)對機體新陳代謝和發(fā)揮各項功能性具有重要的生物學意義。正常情況下人體對ROS的調(diào)控有成熟的平衡機制，如通過體內(nèi)的氧化酶與抗氧化酶表達的動態(tài)平衡來實現(xiàn)體內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)，但這一過程容易受到各種內(nèi)源、外源因素的影響，從而出現(xiàn)ROS過度表達的情況（如圖1（a）所示）[1-3]。通常情況下，人體自身具有相應的抗氧化機制，如依賴體內(nèi)的酶促和非酶促抗氧化劑直接清除過量游離ROS或阻斷ROS生成的鏈式反應，但其調(diào)控能力是有限的，在ROS過度表達時無法實現(xiàn)對過量ROS的完全清除，超過正常水平的ROS表達可能通過與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等生物活性分子的相互作用導致細胞器功能異常、細胞衰老凋亡及細胞行為紊亂，從而引起炎癥性疾病、組織和器官損傷甚至引發(fā)癌癥[1-4]。因此，如何下調(diào)體內(nèi)ROS的過度表達，降低過表達ROS對細胞、組織和器官的損傷顯得尤為重要。在日常生活中，人體大多依賴膳食攝入外源性抗氧化劑，而消化道的復雜環(huán)境會影響抗氧化劑的口服吸收效率與供給持續(xù)性，使飲食攝入抗氧化劑不足以成為抵抗自由基過剩的主要策略。因此，針對性利用抗氧化劑設(shè)計成抗氧化材料來應對自由基過度表達引起的炎癥性疾病成為了當下的重要手段之一。

眾所周知，人體抗氧化系統(tǒng)主要由酶促抗氧化和非酶促抗氧化系統(tǒng)組成。酶促抗氧化系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）和醛酮還原酶（AR）等人體自身產(chǎn)生的具有抗氧化作用的活性酶組成，而這類活性酶往往與不同種類的微量元素密切相關(guān)[1]。目前已有相關(guān)文獻報道通過調(diào)控抗氧化酶活性從而平衡活性氧水平，但目前這方面研究并不成熟[5,6]。非酶促抗氧化系統(tǒng)則主要依賴各種非酶類抗氧化劑，如各類脂溶性水溶性小分子抗氧化劑、蛋白性抗氧化劑、各類微量元素及源于植物的一些天然抗氧化劑，其中大多通過體外攝入，目前絕大多數(shù)抗氧化材料的設(shè)計則主要依賴這一類物質(zhì)[2]。這類抗氧化劑已被證實可以通過3種方式，包括電子轉(zhuǎn)移（ET，electron transfer）、質(zhì)子轉(zhuǎn)移（PT, proton transfer）、氫原子轉(zhuǎn)移（HAT, hydrogen atom transfer）實現(xiàn)自由基的清除，通常情況下，抗氧化劑在應用時這3種途徑往往伴隨發(fā)生[7,8]。

在實際應用過程中，抗氧化材料通常被設(shè)計成零維結(jié)構(gòu)的碳點、一維結(jié)構(gòu)的抗氧化納米纖維、二維結(jié)構(gòu)的抗氧化涂層或者薄膜以及三維結(jié)構(gòu)的抗氧化納米粒子或者抗氧化水凝膠等。其中，水凝膠因其結(jié)構(gòu)與細胞外基質(zhì)的高度近似受到了廣泛關(guān)注[9,10]。這類由親水高分子鏈組成，具有良好的滲透性、生物相容性、可載藥性和維持體液穩(wěn)定等特點的抗氧化水凝膠三維支架材料可以根據(jù)機體的需要，設(shè)計成各式各樣的類型，在發(fā)揮抗氧化作用的同時，輔以細胞增殖、分化、組織再生等功能性，最終實現(xiàn)生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用（如圖1（b）所示）[9-15]。本文針對目前抗氧化水凝膠領(lǐng)域的快速發(fā)展，就抗氧化水凝膠的抗氧化組分、抗氧化機理、抗氧化水凝膠的制備及其在不同生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用進行了歸納總結(jié)，并對抗氧化水凝膠的進一步發(fā)展進行了展望。

圖1 （a）疾病狀態(tài)下的氧化應激響應[1-3]；（b）水凝膠抗氧化優(yōu)勢及策略[9-15]Fig.1 （a） Oxidative stress response in the disease[1-3]; （b） Advantages and strategies of hydrogel[9-15]

1 抗氧化水凝膠中的抗氧化組分

抗氧化水凝膠中的抗氧化組分有很多種類，大致可以歸納為天然多酚類、多糖類、氨基酸類及其他高分子類抗氧化組分[9]，這些組分能夠單獨被引入到水凝膠中制備成抗氧化水凝膠，也可以通過簡單的組合、修飾及聚合等方式被設(shè)計成具有良好功能性的多功能抗氧化水凝膠。

1.1 天然多酚

天然多酚是植物界中種類最多、分布最廣的一類物質(zhì)，目前已知的多酚結(jié)構(gòu)物已超過8000種，因其在植物各個器官中都有廣泛分布，天然多酚也是人類飲食中重要的一部分，常見的多酚結(jié)構(gòu)示于圖2[8,16]。這些化合物在細胞保護、色素沉著、金屬配合、離子運輸與信號傳遞中發(fā)揮著重要作用。已有大量的研究證實天然多酚具有對活性氧的直接清除能力，可以實現(xiàn)抗癌、抗菌、抗炎、蛋白調(diào)控、免疫活性調(diào)節(jié)等功能，保護細胞免受紫外線誘導帶來的損害[17]。這主要基于多酚中酚羥基具有氫原子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移效應，該羥基可以通過向活性氧提供一個氫原子或一個電子，從而穩(wěn)定活性物種。此外，過渡金屬與人體內(nèi)氧化機制密切相關(guān)，它們能直接螯合蛋白酶或結(jié)合細胞膜脂質(zhì)誘導氧化應激，如具有氧化還原活性的鐵和銅能夠直接催化并參與到各類ROS形成過程中，砷、鎘能夠消耗谷胱甘肽并與蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合影響其活性。多酚中富含的酚羥基可以螯合過渡金屬，保護、活化抗氧化酶和抑制氧化酶從而抵抗氧化應激反應[2,4]。

圖2 常見的多酚結(jié)構(gòu)[8,16]Fig.2 Structures of common polyphenols[8,16]

類黃酮是最常見和分布最廣的天然多酚類化合物，它們共同的結(jié)構(gòu)是二苯丙烷結(jié)構(gòu)，通常以糖基化衍生物的形式存在于植物中，常見的有黃酮類、黃酮醇類、黃烷酮類、黃烷醇類等，如槲皮素、葛根素、兒茶素、兒茶酚、白藜蘆醇、姜黃素。類黃酮多酚除了能夠通過氫原子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移直接清除自由基和通過自由基絡(luò)合穩(wěn)定自由基外，還被證實能夠抑制那些能產(chǎn)生活性氧的酶，如黃嘌呤氧化酶、蛋白激酶C、環(huán)氧合酶、脂氧合酶、線粒體氧化酶和還原型輔酶-I（NADH）。據(jù)報道，綠茶兒茶素的主要成分沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）通過調(diào)控多種信號途徑實現(xiàn)了有效的抗癌活性，抗動脈粥樣硬化活性以及對β-淀粉樣蛋白的抑制作用從而應用于阿茲海默癥的治療[18]。槲皮素也是另一種受到重視的天然多酚，能抑制突變的人體抑癌基因p53基因表達從而誘導病變細胞凋亡，并通過下調(diào)信號通路（Wnt16）抗體的表達來調(diào)控腫瘤微環(huán)境[19]。George等[20]將從洋蔥皮提取的槲皮素負載到了由甘蔗渣纖維素制備二醛纖維素與殼聚糖交聯(lián)的水凝膠中，在pH為5.0的條件下顯示出顯著的自由基清除性能并能夠?qū)崿F(xiàn)有效的抗菌抗癌作用。

酸酯類多酚是另外一類含有酚結(jié)構(gòu)的有機酸酯類化合物，在植物中以與其他天然化合物共軛的酯或糖苷的形式存在，如阿魏酸、沒食子酸、單寧酸及衍生酯類。酸酯類多酚除了如前文提到的具有清除自由基的能力外，還能參與調(diào)控激活子蛋白-1（AP-1）轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而參與控制炎癥反應、細胞分化和增殖過程。值得注意的是，酸酯類多酚往往還具有突出的抗菌活性。Pinho等[21]將包封有沒食子酸的環(huán)糊精/纖維素交聯(lián)水凝膠用于傷口修復，并達到了抗感染的效果。此外，酸酯類多酚中的單寧酸也被廣泛地用作臨床止血劑和抗菌劑[22]。

1.2 多糖

多糖是由單糖聚合而成的生物大分子，自上世紀70年代起其生物活性就被廣泛研究，在生物醫(yī)學領(lǐng)域已經(jīng)得到了普遍的應用。多糖富含羥基和羧基的結(jié)構(gòu)為多糖帶來了質(zhì)子和電子的轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)（如圖3（a）所示），同時多糖可以通過多種共價鍵和非共價鍵與各種生物分子相互作用，包括核酸、蛋白質(zhì)和磷脂等[23]，這些特性為多糖基抗氧化水凝膠的設(shè)計及其特異性應用提供了充足的空間。如殼聚糖中含有氨基、乙酰氨基、伯羥基和仲羥基，易被修飾改性獲得各種抗氧化水凝膠以滿足不同生物醫(yī)學的應用需求[24]。

圖3 天然多酚以外的常見抗氧化劑的結(jié)構(gòu)：（a）多糖類[23]；（b）氨基酸及肽類[30]；（c）合成高分子類[4,26]Fig.3 Structures of other antioxidants: （a） Common polysaccharide[23]; （b） Common amino acids[30]; （c） Common synthetic polymer[4,26]

大多數(shù)多糖如真菌多糖和藻類多糖等在生物體內(nèi)的自由基清除中能起到關(guān)鍵作用[25]。首先，大多數(shù)氧化酶或抗氧化酶能與多糖結(jié)合，多糖的性質(zhì)也會在一定程度上影響相關(guān)酶的活性，這些相互作用機理的深入研究將會不斷拓寬人們對多糖基抗氧化水凝膠的設(shè)計及應用。其次，多糖中的醇羥基可以與游離態(tài)的過渡金屬螯合，從而抑制金屬對于氧化應激過程的強化作用，或抑制羥基自由基的生成。最后，多糖也可以直接清除自由基，如捕獲脂質(zhì)過氧化反應中的活性氧，讓羥基氫與羥基自由基結(jié)合形成水，多糖碳原子形成碳自由基猝滅超氧自由基等[25]。目前在抗氧化水凝膠的設(shè)計中，殼聚糖、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸、木質(zhì)素等多糖有著大量的相關(guān)研究與應用實例[26,27]。You等[28]基于“溶解-干燥-溶脹”方式制備了木質(zhì)素/聚二甲基丙烯酰胺（PDMA）水凝膠，該水凝膠具有多能量耗散結(jié)構(gòu)，力學性能突出，對于1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）有顯著的清除效果，4 min內(nèi)可以清除80%的DPPH自由基，10 min即可達到清除率的最大值（93.4%）。Yang等[29]制備了一種摻雜有木質(zhì)素納米顆粒的聚乙烯醇/殼聚糖水凝膠，木質(zhì)素納米顆粒與殼聚糖的協(xié)同作用增強了自由基清除能力，并且對革蘭氏陽性菌種有明顯的抑制作用。

1.3 氨基酸及肽類

在天然物質(zhì)和食物中，人類生活所必需的氨基酸亦是一類性能優(yōu)異的抗氧化劑。源自飲食中的蛋白或人體自身代謝過程中生成的活性肽和氨基酸都具有顯著的清除活性氧能力。氨基酸類物質(zhì)中的氨基、羥基、羧基及硫鍵等官能團不僅能夠直接與活性氧發(fā)生反應，還能間接影響各類細胞因子，如炎性因子、細胞色素b245等，從而調(diào)控細胞行為，清除自由基。比如，精氨酸作為一類具有抗氧化功能的氨基酸被設(shè)計到抗氧化水凝膠中，能夠提高水凝膠的抗氧化能力，從而通過清除自由基達到更好的修復組織的目的。另外，谷胱甘肽（GSH）是動物細胞內(nèi)極其重要的抗氧化肽類，它可以參與眾多的關(guān)鍵生化反應，有效捕獲和清除自由基，保護基本酶和蛋白質(zhì)的巰基不被氧化或失活，穩(wěn)定的GSH/氧化型谷胱甘肽（GSSG）平衡是維持細胞正常生理過程的重要指標，也是細胞抗氧化系統(tǒng)正常運行的重要保證。同時，SOD是生物體內(nèi)存在的另一種抗氧化金屬蛋白酶，可以催化生物體中的超氧自由基歧化，在人體氧化和抗氧化平衡中起著至關(guān)重要的作用，它的表達也與大量的氨基酸類物質(zhì)密切相關(guān)[30]。目前已有大量研究嘗試利用氨基酸類物質(zhì)進行抗氧化水凝膠設(shè)計，但由于該方面的分子水平研究仍處于相對不足的狀況，目前大量氨基酸類物質(zhì)用于自由基清除還并不能從分子水平機理上得以詳細解釋。

值得注意的是，肽類物質(zhì)比起單純的氨基酸擁有更豐富的氨基酸組成和配比設(shè)計，大量的官能團為水凝膠設(shè)計提供了大量的交聯(lián)位點與接枝修飾等改性的可能（如圖3（b）所示），如明膠、膠原小肽、寡肽等肽類物質(zhì)在抗氧化水凝膠的設(shè)計中得到了廣泛應用。如Thi等[31]將偶聯(lián)有沒食子酸的明膠引入到偶聯(lián)羥苯基丙酸明膠水凝膠中，該水凝膠相較于單獨的羥苯基丙酸明膠體系有著更強的清除羥基自由基和DPPH自由基性能，并在體外模擬的H2O2誘導ROS微環(huán)境中顯著抑制了人類成纖維細胞的氧化損傷，并具有突出的再生愈合特性，包括促進毛囊形成、新血管形成、膠原纖維有序排列等。Liu等[32]利用微生物的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶將絲肽修飾到羧甲基殼聚糖上，制備了一種具有突出抗氧化性能的水凝膠，該水凝膠對羥基自由基、DPPH自由基、H2O2都有明顯清除效果，具有在組織再生領(lǐng)域的應用潛力。

1.4 其他合成高分子材料

盡管天然抗氧化物質(zhì)具有良好的抗氧化性能和較好的生物相容性，但大多天然抗氧化劑都是小分子，在使用過程中通常存在著不穩(wěn)定、血液循環(huán)半衰期短和有效劑量毒性等不足，通過聚合或修飾改性來傳遞和放大小分子抗氧化劑的功能性，因此，基于小分子抗氧化劑的高分子材料亦成為設(shè)計抗氧化水凝膠的一個重要研究方向。目前，已有多種人工合成的高分子材料被設(shè)計成抗氧化水凝膠，如聚硫化物、聚多巴胺、磷脂聚合物、聚苯胺、噻吩聚合物等（如圖3（c）所示）。以人工合成聚多巴胺為例，多巴胺鹽酸鹽在弱堿性或氧化環(huán)境下自發(fā)聚合制備的聚多巴胺（PDA）是最為典型的一種人造黑色素，有著許多突出的性能，如抗氧化性、光保護性、金屬螯合和信號傳遞等[33-35]。PDA可以通過光吸收避免輻射引起的自由基生成，同時具有非常突出的自由基清除性能，對于多種自由基有著直接作用，此外PDA可以調(diào)控細胞因子與免疫行為，如抑制促炎性細胞因子（白細胞介素-1β，白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α）和炎性介質(zhì)環(huán)氧合酶-2（COX-2）的表達從而降低組織氧化應激水平[4]。近年來PDA水凝膠的相關(guān)應用已經(jīng)擴展到了抗炎治療、防曬和復合材料制造等領(lǐng)域。Wang等[36]報道了PDA基抗氧化水凝膠具有通過消除輻射能從而阻礙自由基形成，猝滅多種自由基以及調(diào)節(jié)細胞因子和免疫系統(tǒng)等功能，從而實現(xiàn)優(yōu)良的自由基清除功能。Liang等[37]設(shè)計了一種明膠接枝多巴胺并摻雜有PDA涂層的碳納米管的水凝膠作為傷口敷料，可以治療感染傷口并促進其再生。聚苯胺由于其制備簡單，成本低，生物相容性好且具有極為突出的導電性等優(yōu)點在抗氧化領(lǐng)域也引起了廣泛關(guān)注。聚苯胺在抗氧化水凝膠中應用較多，如Zhao等[26]將聚苯胺接枝在季銨化殼聚糖上，相較純的季銨化殼聚糖表現(xiàn)出了更好的水溶性，再與苯甲醛官能化的聚乙二醇與聚癸二酸甘油酯共聚物進行交聯(lián)制備得到了一種導電性、可注射性、自修復性兼具的抗氧化水凝膠。這些良好的性能使該水凝膠在全層皮膚損傷模型中顯著促進了傷口修復進程，包括促進血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、表皮細胞生長因子（EGF）和腫瘤抑制因子（TGF-beta）在內(nèi)的生長因子的表達，其抗氧化能力在調(diào)節(jié)肉芽組織厚度和促進膠原蛋白沉積方面貢獻顯著。除此以外，為了將天然抗氧化物質(zhì)用于抗氧化水凝膠設(shè)計，常需要將小分子物質(zhì)接枝到基體上，含有接枝點的合成高分子如聚磷酸酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等成為了優(yōu)良基體的選擇，這些高分子往往親水性和可修飾性俱佳。

2 水凝膠抗氧化組分的引入方法

通常水溶性或親水性的聚合物，通過一定方式的物理交聯(lián)或化學交聯(lián)都可以形成水凝膠。物理交聯(lián)是通過物理作用如靜電作用、離子對作用、氫鍵作用、鏈的纏繞等形成凝膠；化學交聯(lián)是指在機械力、超聲波、高能輻射、光、熱等媒介和交聯(lián)劑的作用下，大分子鏈通過化學鍵交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠。酶促交聯(lián)、硫交聯(lián)、席夫堿交聯(lián)、酰胺酯化交聯(lián)等動態(tài)交聯(lián)方式是在化學交聯(lián)水凝膠制備中常見的方式[38]。為設(shè)計出符合實際需求的抗氧化水凝膠，除了選擇合適的抗氧化物質(zhì)外，還需要通過各種物理或化學的方法對水凝膠的制備過程進行精細化設(shè)計，賦予水凝膠量身定制的性能。在過去20年中，天然水凝膠逐漸被使用壽命長、凝膠強度高和吸水能力強的人工合成水凝膠替代，本節(jié)總結(jié)了抗氧化水凝膠的主要制備策略（圖4）。

圖4 抗氧化水凝膠的制備策略[39,40,44,47,49]Fig.4 Fabrication methods of antioxidant hydrogels[39,40,44,47,49]

2.1 物理方法

傳統(tǒng)水凝膠可能存在力學性能、尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、響應性差的問題，此外部分抗氧化性能突出的天然小分子難以制備成水凝膠，應用受到限制。于是人們嘗試將多種組分通過共混、氫鍵、鏈纏結(jié)等物理作用制備水凝膠，這種方式在一定程度上能夠提高水凝膠的力學性能。例如，Zhu等[39]報道了通過氫鍵作用自組裝制備一類膠原/PDA的仿生抗氧化水凝膠，并通過改變PDA的濃度調(diào)節(jié)水凝膠的孔隙率、溶脹率和吸水性，得到了具有良好生物學特性和優(yōu)良黏附力的新型抗氧化膠原蛋白水凝膠。

由于納米粒子獨特的納米效應與界面效應，通過向水凝膠中摻入抗氧化納米材料制備抗氧化水凝膠的策略也得到了深入研究。Chen課題組[40]在抗氧化水凝膠制備方面模仿了Willner課題組在金納米填充聚丙烯酰胺復合水凝膠策略的基礎(chǔ)上[41]，通過使用甲氧基聚乙二醇-co-聚己內(nèi)酯共聚物作為載體，然后摻入姜黃素納米粒子，原位制備了摻雜有姜黃素納米粒子的N,O-羧甲基殼聚糖/氧化藻酸鹽的抗氧化復合可注射水凝膠，通過清除自由基能力的提高，該水凝膠顯著促進了傷口修復過程中膠原的沉積和組織的重塑，對于創(chuàng)傷修復有著明顯的促進作用，作為傷口敷料具有非常好的應用前景。此外，也有相關(guān)研究將天然抗氧化小分子直接摻入水凝膠以提高水凝膠的抗氧化性能。如Liskova等[42]成功制備了一種用于促進骨再生的富多酚殼聚糖水凝膠。將間苯三酚與沒食子酸摻入到殼聚糖水凝膠中，提升了其抗氧化性能和抗菌活性，并能支持成骨細胞的黏附與生長。

2.2 化學方法

2.2.1 多組分化學交聯(lián)水凝膠 雖然以物理交聯(lián)的方法制備和加工水凝膠存在著明顯優(yōu)勢，但是物理交聯(lián)水凝膠存在著穩(wěn)定性差、易受環(huán)境破壞等問題，因此化學交聯(lián)的方法受到了廣泛關(guān)注，尤其是在生物醫(yī)學領(lǐng)域，多組分化學交聯(lián)水凝膠更易于進行功能設(shè)計。目前多組分抗氧化水凝膠的化學交聯(lián)主要有兩種方式：一是通過交聯(lián)劑；二是依賴高分子自帶可交聯(lián)的官能團。

我們團隊與Cheng課題組[43]合作，成功研發(fā)了依賴巰基透明質(zhì)酸/PDA、巰基聚乙二醇/PDA及聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸/PDA交聯(lián)的動態(tài)水凝膠。通過巰基與多巴胺的邁克爾加成作用，制備得到的水凝膠具有很好的生物黏附性、耐水性、不透皮及易擦拭性，并且具有出色的自由基清除能力、紫外光屏蔽性和良好的生物相容性，有望在防曬抗氧化水凝膠產(chǎn)品轉(zhuǎn)化上取得一定的突破。Guo課題組[44]將N-羧乙基殼聚糖和氧化透明質(zhì)酸接枝苯胺四聚體聚合物通過簡單的席夫堿交聯(lián)方式制備出具有良好導電性能和抗氧化性能的復合水凝膠。該水凝膠表現(xiàn)出穩(wěn)定的流變性、高溶脹比、合適的膠凝時間、良好的體外生物降解性、電活性和自由基清除能力。同時，它裝載抗生素后可有效防止傷口感染，從而促使這類抗氧化多功能水凝膠修復的皮膚中肉芽組織厚度更厚、膠原蛋白分布更廣和血管生成更多。

2.2.2 接枝/修飾 除了多組分自發(fā)交聯(lián)形成的水凝膠，很多具有優(yōu)良力學性能的抗氧化水凝膠是在天然高分子（如纖維素、淀粉、殼聚糖、膠原蛋白等）上接枝抗氧化分子后通過高分子的凝膠化得到的。在載體表面產(chǎn)生自由基是最有效的接枝水凝膠的技術(shù)，引發(fā)劑、輻射、超聲等手段均可以在水凝膠接枝共聚中產(chǎn)生自由基。Wang等[45]利用聚吡咯接枝到明膠上制備了一種具有導電性、自愈性的可注射水凝膠。他們首先將甲基丙烯酸酐接枝到明膠上，然后利用引入的雙鍵將常用于抗菌抗氧化的導電聚合物聚吡咯接枝到明膠上，該水凝膠展現(xiàn)出了突出的自由基清除能力，并且其多功能性為水凝膠的應用場景提供了更多可能。Mandal課題組[46]報道了一種親水性聚惡唑啉鏈開環(huán)聚合接枝到木質(zhì)素基體的水凝膠，該水凝膠能有效降低巨噬細胞白介素-1β的表達，有效清除自由基并具有一定的抗炎活性，為臨床提供了高效、低成本的水凝膠選擇。除了接枝后與另一組分（聚合物）共聚形成水凝膠外，在原有水凝膠基礎(chǔ)上接枝特定結(jié)構(gòu)單元也能可控地賦予水凝膠特殊性質(zhì)。自2002年受貽貝啟發(fā)的多巴（DOPA）改性水凝膠的制備被報道以來[47]，利用DOPA結(jié)構(gòu)單元修飾水凝膠備受關(guān)注。DOPA的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元是鄰苯二酚結(jié)構(gòu)，它能夠與各種無機/有機/金屬表面形成強共價鍵和非共價鍵，從而大大提升水凝膠的黏附性與力學性能。同時，大量研究表明，鄰苯二酚官能化水凝膠組織黏附性極佳，且抗氧化活性較強。Guo課題組[27]制備了一系列透明質(zhì)酸接枝多巴胺和氧化石墨烯（H2O2/辣根過氧化物酶）組成的具有止血、抗氧化、導電、光熱抗菌的多功能水凝膠用于傷口包扎。多巴胺通過接枝到透明質(zhì)酸上可以顯著賦予水凝膠很好的組織黏附性和抗氧化性，再配合氧化石墨烯制備成復合水凝膠可更好地發(fā)揮其功能。Wu課題組[47]將具有優(yōu)異抗氧化性能的精氨酸衍生物與DOPA修飾的透明質(zhì)酸交聯(lián)制備了一種抗氧化性能更強的新型水凝膠。與DOPA修飾的透明質(zhì)酸水凝膠相比，該水凝膠顯示出了更高的DPPH自由基和羥基自由基的清除率，同時其生物相容性更高，除了能夠有效清除ROS與降低丙二醛（MDA）的濃度外還能夠促進SOD酶與GPx酶的表達。在傷口修復模型中，該水凝膠增強了VEGF的血小板-內(nèi)皮細胞黏附分子（CD31）的表達從而促進了細胞的黏附增殖遷移與血管生成，推動蛋白重組和組織再生的進程，為抗氧化水凝膠用于傷口愈合提供了更廣闊的前景。

2.2.3 封端修飾 封端修飾主要用于超支化水凝膠的制備，在超支化聚合物的端基修飾特定功能結(jié)構(gòu)基團，相較于普通聚合物鏈的接枝修飾方法，超支化聚合物封端修飾改性的水凝膠表面接觸性能更好，其抗氧化結(jié)構(gòu)能夠更大程度地發(fā)揮自由基清除能力。Lee等[48]曾在單臂、雙臂和四臂聚乙二醇（PEG）上引入不同數(shù)量的DOPA端基，制得的DOPA-PEG在水溶液中凝膠化速率大大提升，這是由于DOPA端基氧化形成了多巴醌等結(jié)構(gòu)從而帶來更多的交聯(lián)位點，這樣封端改性得到的水凝膠同時具備一定的自由基清除能力。本團隊[49]報道了一系列基于沒食子酸官能化的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）封端修飾的雜化兩親聚合物用于傷口修復，該聚合物表現(xiàn)出了優(yōu)越的生物相容性和自由基清除能力。在這項工作中，我們通過使用硫醇-烯點擊化學方法將沒食子酸修飾在POSS的位點上，直接為POSS引入了抗氧化活性；并用修飾后的POSS對單臂、雙臂、四臂、八臂的疊氮官能化的PEG進行封端，同時，經(jīng)由催化實施的“疊氮化物-炔烴”的加成反應也極大地促進了整個體系的生物相容性和水溶性。通過該方法制得的雜化兩親性聚合物有著大量的交聯(lián)位點，三維結(jié)構(gòu)也賦予了體系快速凝膠能力，有望與特定官能化的透明質(zhì)酸等材料復合制得性能優(yōu)異的抗氧化水凝膠。

3 抗氧化水凝膠的應用

近年來，隨著抗氧化水凝膠的研究愈發(fā)成熟，抗氧化水凝膠已經(jīng)應用在各個生物醫(yī)學領(lǐng)域（圖5），以下將針對抗氧化水凝膠現(xiàn)有較為成熟的與有望發(fā)展的應用進行深入討論。

3.1 促進體表傷口愈合

人體最常見的皮膚損傷修復過程是一個動態(tài)過程，包括4個階段：第1階段發(fā)生在傷口失血過程，通過一系列凝血因子的激活表達，形成纖維蛋白凝塊；第2階段開始于蛋白水解酶與促炎因子從侵入的免疫細胞釋放到傷口區(qū)域，產(chǎn)生炎癥免疫反應，這類炎性細胞產(chǎn)生活性氧促進傷口修復進程，但過高濃度的ROS水平可能通過增加氧化應激與脂質(zhì)過氧化甚至造成嚴重的細胞損傷而阻止傷口愈合。在這一階段，所有的異物與組織碎片都被嗜中性粒細胞與巨噬細胞從傷口床清除，此外細胞因子和相應酶的釋放刺激成纖維細胞和成肌細胞的生長，在此過程中傷口滲出液為愈合過程提供了必需的水分；第3階段是增殖，新的肉芽組織形成并在傷口區(qū)域生長，從而形成新的細胞外基質(zhì)；第4階段是重塑，在此階段基質(zhì)的組成進行更新，如III型膠原蛋白被I型膠原蛋白替代，以達到正常皮膚組織的物理性質(zhì)。

近年來，在傷口包扎材料的設(shè)計中，水凝膠由于其細胞外基質(zhì)相似性與柔性備受關(guān)注。首先，水凝膠可以為傷口組織提供多孔結(jié)構(gòu)并具有一定的溶脹率，吸收組織滲出液，維持濕潤的愈合環(huán)境，有效隔絕外部細菌的附著與增殖；其次，水凝膠可設(shè)計的延展性、壓縮性、抗疲勞性、組織黏附性和自愈合能力有助于傷口敷料抵抗肢體運動引起的機械變形，有效解決敷料接觸時間不足、耐久度低的問題。近年來，針對傷口愈合第2階段炎癥期設(shè)計了多功能（包括抗菌活性、止血性、導電性、注射性和自愈合能力等）的抗氧化水凝膠來配合抗氧化實現(xiàn)體表創(chuàng)面的愈合和組織再生重塑。

Ding等[50]通過羧甲基殼聚糖的氨基和氧化右旋糖酐的醛基原位進行席夫堿交聯(lián)制備了原位可注射黏性水凝膠。在大鼠燒傷創(chuàng)面原位注射該水凝膠后，水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)與多糖基團促進了細胞黏附，上皮細胞明顯向傷口區(qū)域遷移，促進皮膚再生，同時其黏合性克服了傳統(tǒng)縫合的缺陷。傷口修復過程往往伴隨細菌感染，抗菌設(shè)計是傷口修復中的重要環(huán)節(jié)，Sahiner等[51]用三羥甲基丙烷三縮水甘油基醚（TMPGDE）作為交聯(lián)劑制備得到了一種具有超孔結(jié)構(gòu)的水凝膠，該水凝膠對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、革蘭氏陰性銅綠假單胞菌和白色念珠菌均有突出的抗菌效果。Guo課題組[52]成功制備了一種依賴席夫堿和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物（PF-127）膠束交聯(lián)的動態(tài)水凝膠。將季銨化殼聚糖與苯甲醛封端的PF-127混合交聯(lián)，制備得到的水凝膠在重復變形下表現(xiàn)出了突出的延展性和可壓縮性、良好的自修復功能、出色的生物相容性與抗菌性能，以及對于生物組織良好的黏附性、出色的自由基清除能力。

3.2 治療類風濕關(guān)節(jié)炎

關(guān)節(jié)炎是一種影響關(guān)節(jié)功能，由炎癥、感染、退化、創(chuàng)傷或其他因素引起的炎性疾病。目前已有大量研究證實該疾病與炎癥部位自由基的過度表達有關(guān)，在關(guān)節(jié)滑膜的炎性病變和骨質(zhì)的破壞過程中，自由基直接或間接參與了滑膜與骨質(zhì)的損傷。如高水平的過氧化氫會干擾三磷酸腺苷（ATP）的合成來抑制軟骨蛋白糖的合成，同時還通過抑制軟骨細胞中的3-磷酸甘油醛脫氫酶加劇了蛋白水解和自由基介導的軟骨降解作用，過氧亞硝酸鹽和次氯酸能使修復過程中的關(guān)鍵蛋白金屬蛋白酶組織抑制因子-1（TIMP-1）重組酶失活從而促進軟骨損傷[53]。

Pan等[54]在富含血小板血漿殼聚糖熱敏水凝膠中摻入黑磷納米片，在近紅外輻射下黑磷納米片會產(chǎn)生局部熱量從而實現(xiàn)血小板血漿生物治療的可控釋放，同時可以有效改善間充質(zhì)干細胞在殼聚糖熱敏水凝膠上的黏附性，減少周圍組織摩擦，保護關(guān)節(jié)軟骨，在小鼠實驗中有效地降低了關(guān)節(jié)炎的水腫程度，促炎因子水平顯著降低，對于羥基自由基有明顯的清除效果，為類風濕關(guān)節(jié)炎治療提供了潛在的可能性。Ma等[55]制備了一種包封有綠原酸的殼聚糖/聚（2-乙基-2-唑啉）復合水凝膠，該水凝膠可以選擇性地將具有抗氧化能力的綠原酸遞送至炎癥部位，同時水凝膠本身也具有一定的抗氧化活性，實現(xiàn)了良好的自由基清除，促進類風濕關(guān)節(jié)炎的治療。

3.3 抑制心肌細胞氧化應激損傷

目前有大量研究報道了ROS與血管心肌細胞氧化應激反應和心血管組織損傷有密切關(guān)系，在動脈硬化、局部缺血性心臟病、高血壓、心肌病和充血性心力衰竭等心血管疾病中ROS起到了關(guān)鍵作用[56]。心血管系統(tǒng)氧化應激的主要來源包括：黃嘌呤氧化還原酶、還原型輔酶-Ⅰ/Ⅱ、線粒體細胞色素和血紅蛋白[57,58]。但是，通常被認為具有生物相容性并獲得FDA批準的生物材料在實際應用于清除自由基抑制心肌細胞氧化應激損傷時，也可以誘導氧化應激反應并提高ROS的表達水平，可注射性水凝膠成為了這一領(lǐng)域的更優(yōu)選擇。Li等[59]成功制備了一種熱敏性殼聚糖氯化物/谷胱甘肽復合水凝膠來抑制心肌細胞的氧化應激損傷，其中谷胱甘肽通過與殼聚糖氯化物上的氨基反應形成酰胺鍵接枝到水凝膠中。該水凝膠具有優(yōu)良的生物相容性，在體外能有效清除超氧陰離子、羥基自由基和DPPH自由基，在細胞測試中可以清除過量的ROS，從而有效支持心肌細胞的修復。Cheng等[60]在殼聚糖/明膠熱敏水凝膠體系中成功負載阿魏酸用于治療心肌細胞應激損傷，在皮下注射和心肌注射中均表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性，實現(xiàn)了阿魏酸的可控釋放，有效增強了過氧化氫酶活性并減少了ROS的產(chǎn)生，降低了氧化應激誘導帶來的損害，在心血管疾病的治療中具有潛在應用價值。

3.4 修復肝、腎損傷

急性肝、腎臟損傷都是典型的炎癥反應，目前已被證明其與ROS的過度表達有直接關(guān)系。ROS增加致使肝、腎臟內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA和脂質(zhì)等大分子氧化，尤其是脂質(zhì)過氧化會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，例如丙二醛和4-羥基壬烯醛，這類脂質(zhì)過氧化物對細胞有明顯損傷，會導致膜硬度增加和內(nèi)皮功能異常，與肝、腎臟損傷病理有直接關(guān)系。減少ROS的生成和抑制氧化應激被認為是潛在的治療方法，補充外源性抗氧化劑是目前的主要手段，如蝦青素、生育三烯酚、多酚物質(zhì)等均被證實對于肝臟損傷有修復作用[61]。外源性抗氧化劑可以通過抑制氧化應激過程，清除過量自由基，在肝、腎損傷的發(fā)病過程中發(fā)揮早期干預作用，如蝦青素可以促進SOD的表達并能明顯減少蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的過氧化水平，多酚類物質(zhì)能夠降低腎臟內(nèi)氧化酶活性和血清中硝酸鹽/亞硝酸鹽含量，增強SOD、過氧化氫酶、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶等內(nèi)源性抗氧化酶的表達[62]。水凝膠與生物外基質(zhì)的高度相似性與可修飾性使其成為優(yōu)良的藥物載體材料，并可以通過凝膠基體選擇，增強其抗氧化能力，調(diào)控藥物釋放性能。Zhao等[63]利用天冬氨酸制備的一種自組裝多肽水凝膠可以在體內(nèi)緩慢釋放自由基清除劑四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）來針對性處理腎臟中線粒體的持續(xù)損傷，以增強其對急性腎損傷的長期治療效力。研究證實，該水凝膠可以減少小鼠腎小管細胞凋亡、腎損傷分子和促炎因子表達，使腎臟損傷標志物腎損傷分子-1（Kim-1）的分子水平與巨噬細胞浸潤明顯降低，線粒體產(chǎn)生的ROS明顯降低。該水凝膠具有突出的抗氧化效能，對于修復肝、腎損傷有著積極作用。

3.5 治療糖尿病并發(fā)癥

II型糖尿病是最常見的糖尿病，由胰島素分泌不足或胰島素抵抗導致血糖濃度較高引起。肌肉和脂肪組織對葡萄糖攝取不足會導致細胞外高血糖癥，從而導致組織損傷和病理性并發(fā)癥，包括體表傷口、心臟病、白內(nèi)障、周圍神經(jīng)損傷、視網(wǎng)膜病變等。氧化應激是高血糖誘導的糖尿病并發(fā)癥的主要原因已經(jīng)得到了證實，血糖與多種來源的ROS形成都有密切關(guān)系，反應性氧化物能直接參與胰島素細胞內(nèi)信號傳導的相互作用。細胞上的高能量負荷主要是由糖量增加引起的，這會增強線粒體電子傳輸系統(tǒng)中NADH和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體（FADH2）的表達，能夠直接影響超氧自由基的生成。血糖濃度增高時，還原型輔酶-II（NADPH）等氧化酶活性顯著增強，細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平更高。針對這些問題，抗氧化水凝膠的研究已經(jīng)取得了一些進展，但目前僅能緩解并發(fā)癥狀，如表皮修復、心肌損傷等，而對于糖尿病的治療還需要進一步探索。糖尿病足潰瘍是典型的糖尿病并發(fā)癥。糖尿病患者由于血管生成受損，毛細血管縮小和基底膜增厚容易在遠端出現(xiàn)微循環(huán)障礙從而誘發(fā)足潰瘍產(chǎn)生。Zhu等[64]基于抗氧化劑檸檬酸修飾的聚乙二醇與聚N-異丙基丙烯酰胺（PPCN）共聚得到了一種在生理條件下可快速可逆相變實現(xiàn)藥物釋放的水凝膠，在該水凝膠中加入了一種內(nèi)源性可促進血管生成和角質(zhì)形成細胞因子基質(zhì)細胞衍生因子-1（SDF-1），使水凝膠中PPCN固有的抗氧化性能可以顯著降低傷口的氧化應激水平，SDF-1在氧化應激水平下降后能夠更好地促進組織再生，加速血管、肉芽組織的生成與上皮細胞的成熟，從而加速傷口愈合。這類水凝膠在針對糖尿病并發(fā)癥引起的表皮損傷治療方面是一種具有廣闊前景的治療策略。

3.6 促進脊髓修復

脊髓損傷是脊柱損傷最嚴重的并發(fā)癥，最初表現(xiàn)為原發(fā)性損傷，接著是氧化應激損傷，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)包括脊髓環(huán)境極其容易氧化產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物等親電物質(zhì)，對神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴重傷害。干細胞支架治療是一種有前景的治療方式，干細胞用于修復受損的神經(jīng)元，支架可提供細胞外基質(zhì)指導細胞和組織的再生。然而脊髓損傷所導致的病灶部位微環(huán)境自由基水平較高，較差的氧環(huán)境會嚴重影響干細胞治療，因此清除自由基在脊髓損傷的治療中尤為重要?？寡趸z優(yōu)良的抗氧化性能與細胞外基質(zhì)的相似性使其成為得天獨厚的支架材料。Gao課題組[65]報道了一種摻雜二氧化錳納米粒子蛋白衍生肽（PPFLMLLKGSTR）修飾的透明質(zhì)酸水凝膠用于脊髓修復治療。二氧化錳納米粒子可以調(diào)控病灶部位氧化環(huán)境，同時肽修飾的水凝膠可以使間充質(zhì)干細胞和神經(jīng)組織橋接形成黏附性生長，能夠有效提高間質(zhì)干細胞的存活能力。他們將人胎盤中提取的羊膜細胞置于水凝膠中進行共培養(yǎng)，結(jié)果證實羊膜細胞在抗氧化水凝膠中培養(yǎng)對外加的0.1 mol/L H2O2耐受能力相較于空白組有顯著增強，主要是源于H2O2誘導產(chǎn)生的ROS水平能夠被抗氧化水凝膠顯著降低，死細胞數(shù)量大大減少。在小鼠實驗中，該水凝膠顯著恢復了脊髓損傷小鼠的運動功能，并促進了中樞神經(jīng)再生和大鼠脊髓橫斷損傷修復。因此，以抗氧化水凝膠作為支架，全面調(diào)節(jié)脊髓損傷微環(huán)境的手段有望作為一種基于干細胞治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的有效策略。

3.7 促進眼角膜傷口愈合

角膜是眼表皮的無血管組織，是眼睛前部最為重要的屈光介質(zhì)。紫外光和堿性化學燒傷均可引起角膜的氧化損傷，這可能會導致失明。角膜損傷與活性氧的過度表達有關(guān)，過高水平的ROS不僅能致使眼角膜損傷，還會抑制細胞自噬，阻止角膜修復[66,67]。在正常條件下，內(nèi)源性的抗氧化劑可以維持角膜氧環(huán)境的穩(wěn)定，但在一些急性和慢性眼表疾病中，人體自身的抗氧化防御系統(tǒng)可能無法降低大幅增加的活性氧水平，因此需要補充外源性抗氧化材料清除過量的自由基。然而，由于眼睛環(huán)境的特殊性，短暫的藥物停留時間和較低的利用度是局部用藥的主要限制因素，具有生物柔性的水凝膠作為一種適宜的持續(xù)給藥載體得到了廣泛關(guān)注。Tsai等[68]選用天然多酚類化合物阿魏酸作為抗氧化藥物，以熱敏性殼聚糖水凝膠作為載體制備了一類具有治療角膜堿燒傷的抗氧化水凝膠體系。實驗結(jié)果表明，該水凝膠能夠有效清除自由基，抑制IL-1.TNF-α，TGF-β等細胞驗證因子表達，具有突出的抗炎功效并能夠顯著減少細胞凋亡，并且該水凝膠可以持續(xù)緩慢釋放阿魏酸，達到長期治療效果并實現(xiàn)較高的利用率。在兔模型生物實驗中，該抗氧化水凝膠治療后的傷口面積顯著減小，炎癥水平大大降低，在治療角膜損傷和炎癥抑制方面展示出極好的潛在應用價值。

圖5 抗氧化水凝膠材料的生物醫(yī)學應用[54,56,62,63,65,68]Fig.5 Biomedical applications of antioxidant hydrogels[54,56,62,63,65,68]

4 結(jié)論與展望

隨著氧化應激與人類疾病機理的深入研究，抗氧化理念與人類健康意識聯(lián)系得更加緊密，抗氧化策略已成為生物醫(yī)藥應用的熱點研究對象?？寡趸z因其獨特的細胞外基質(zhì)相似性和高度可設(shè)計性在最近20年來得到了廣泛研究，通過各種物理和化學方法的修飾改性，一系列特殊功能的水凝膠被報道，并在促進慢性傷口修復、治療炎癥性疾病等多個領(lǐng)域得以應用，展現(xiàn)出了巨大發(fā)展?jié)摿?。研究的進一步深入也將滿足更多應用需求，比如：針對環(huán)境活性氧水平進行按需清除，實現(xiàn)活性氧的智能平衡；作為藥物載體設(shè)計可控的降解周期；建立更寬范圍的活性氧平衡；精準調(diào)控自由基清除與因子表達。相信在未來，更智能、更高靈敏度的抗氧化水凝膠會陸續(xù)誕生，并在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到進一步的應用。