壳聚糖水凝胶用于局部药物控释的研究进展

陶文娟

大量的活性化合物具有作为药物治疗的潜力，但在临床应用上很少取得满意的效果，主要是因为它们在体内的生物利用度低[1]。这些复合物的生物活性主要取决于药物的输入方式和器官的生理代谢特征[2]。利用高分子化合物的疏水和亲水性，以及高分子聚合物之间、聚合物和药物之间、聚合物和溶剂之间或聚合物和生理介质之间的相互作用，可设计出在特定组织、特定时间释放药物的智能化运载系统[3]。

水凝胶是药物运载系统的一个典型代表，它在智能化药物运载方面无疑是理想的候选材料之一。利用亲水性聚合物可制备出性能优异的智能药物运载系统，但主要的问题还是它们的生物可降解性和生物可相容性[4-5]。壳聚糖作为一种天然高分子在水凝胶中的应用，近年受到了极大的关注，因为它们具有良好的生物相容性、低毒性以及可被人体内酶降解的优点，加之其得天独厚的物理特征（如亲水性、功能性氨基酸基团和阳离子净电荷）使得壳聚糖高分子聚合物成为智能化运载某些化合物（如肽、蛋白质、抗原、寡核苷酸和基因）的完美工具[6]。本文就不同类型壳聚糖水凝胶的特性及其在临床上用于局部药物控释的最新进展做一综述。

1 水凝胶

水凝胶是由高分子聚合物通过非共价键的物理结合或共价交联链结合而交联成的网络，具有大量的亲水性基团，因而对水具有很高的亲和力。能作为出色的药物运载工具是因为其本身的优异性：①聚合物链之间形成的物理或化学键使得水凝胶不易溶解；②完全舒展的水凝胶具有某些和活组织相似的物理性状，如柔软、富有弹性、低的生物流体界面张力，使其植入后对周围组织不那么敏感；③表面和体液之间的低界面张力减少了蛋白质吸附和细胞黏附，降低了负面免疫反应的可能性；④广泛用于水凝胶制备的聚合物（如聚丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚 2-羟乙基甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯和聚丙烯酰胺等）均具有生物黏附特性，这能够增强药物的停留时间和组织渗透性；⑤由于水凝胶的生理化学性类似于原生细胞外基质，可作为组织再生以及药物载荷的辅助材料[4-6]。

2 壳聚糖水凝胶的制备

天然聚合物，如多糖和蛋白质，作为结构材料广泛用于水凝胶制备，其优点包括生物相容性、低毒性、易于酶降解。壳聚糖（C6H11O4N）n为白色或微黄色片状固体，溶于酸，又称可溶性甲壳质、甲壳胺、几丁聚糖等，是唯一的一种多功能天然阳离子聚电解质，广泛用于农业、食品工业、造纸和水处理方面。在生物医学、药物控释和组织工程领域，也是最被广泛应用的多糖之一，主要是因为其具有体内可降解性、良好的成膜性、低毒性、生物相容性及一定的抗菌和抗肿瘤性等优异性能。作为药用辅料，其黏性、可压性、流动性和崩解性均非常符合药物的制备和运载条件。决定壳聚糖物理化学性质和生物活性的主要因素是其分子量、乙酰度和浓度，以及外界的温度和pH，例如壳聚糖的伸展性和刚性很大程度上取决于壳聚糖的分子量和乙酰度。作为一种阳离子多糖，壳聚糖分子在溶液中存在四种相互作用力：疏水作用、范德华力、氢键和静电作用。壳聚糖的生物活性、絮凝和吸附等特性都可在水溶液中得以体现，在药物运载系统中，如何调控和平衡壳聚糖分子和金属离子、蛋白质、细胞和细菌之间的相互作用尤为重要[6]。

2.1 物理网络结构

为了制备出优质的壳聚糖水凝胶，壳聚糖聚合物网络必须满足两个条件：⑴在热分子网络中，跨链的作用强度足够形成半永久性连接点；⑵壳聚糖网络能够充分地吸收和驻留水分子[7]。

2.1.1 离子负荷体 壳聚糖带有阳离子氨基酸基团，可以和带阴离子的小分子形成混合的离子带电复合体。带电基团的相互作用可以改变水凝胶的特性，主要取决于阴离子的电荷密度、带阴离子材料的体积、壳聚糖的浓度及其脱乙酰度[8]。小分子和壳聚糖的总电荷密度直接受到环境酸碱度和各材料的酸碱解离常数影响。解离常数 6.3 左右时，壳聚糖几乎不带电，这限制了其形成离子复合体的能力，降低了其在生理条件的利用[9]。这也说明，可以通过改变某一材料的特性，如酸碱敏感性，而改变整个水凝胶复合的特性。

2.1.2 高分子电解质复合物 高分子电解质聚合物形成静电与壳聚糖相互作用，其结合力度远强于其他水凝胶中普通材料之间的黏附结合，非常直接并且可逆，在安全方面的隐患相对较小。壳聚糖基高分子电解质聚合物的成分主要是水溶性的阴离子大分子，如 DNA、阴离子多糖、阴离子大分子（如海藻酸钠）、聚糖（硫酸软骨素、透明质酸、羧甲基纤维素、果胶、硫酸葡聚糖、黄原胶等）、蛋白质（如明胶、白蛋白、丝素蛋白、角蛋白、胶原）和阴离子合成聚合物（如聚丙烯酸）。这些化合物的稳定性依赖于电荷密度、溶剂、离子强度、pH 值和温度等[10]。选择复合物的阴离子分子材料主要依赖于其在生理条件所能带的电荷。

2.1.3 物理混合物 除了多聚物特异的物理作用外，壳聚糖还可以和其他水溶性非离子聚合物（如聚乙烯醇等）形成水凝胶。最近，一种新的水凝胶由壳聚糖与聚乙烯亚胺聚合而成。多聚物与壳聚糖混合后，5 min 内即能形成三维的水凝胶，在细胞培养环境下可稳定支持基层胎儿骨骼细胞的生长。该凝胶结构是由壳聚糖－壳聚糖的相互作用所支撑，因为壳聚糖在没有其他多聚物分子存在下，本身即可形成水凝胶[11]。

2.1.4 热可逆凝胶 热可逆水凝胶系统（thermoreversible gels）中聚合物链是通过范德华力或氢键交联而不是通过共价键。其优点是，温度的变化（从 4～100 ℃）不会产生溶胶－凝胶相变，即在温度较高时形成凝胶，温度较低时形成溶胶。Pluronics®和Tetronics®是最常用的热可逆水凝胶，具有良好的生物可降解性，通过温度调节溶胶－凝胶相变，使其成为注射用药物控释载体的极佳选择，如用温度敏感的甘油磷酸盐和壳聚糖可物理混合热可逆水凝胶用于水介质中[12]。最近，其他热可逆水凝胶也陆续被开发，如利用壳聚糖共聚物混合多聚 N-异丙基丙烯酰胺和泊洛沙姆，这被认为是制备可逆水凝胶的极佳方案。

2.2 交联网络

外强度很大的壳聚糖水凝胶可以通过共价键交联制备成不可逆的网络，以下介绍几种不可逆壳聚糖水凝胶的制备方式。

2.2.1 化学交联 化学交联是利用聚合物链共价结合而形成永久性的凝胶网络，交联的壳聚糖网络可以利用现有氨基、羟基和交联剂形成连接[13]。

2.2.2 小分子交联剂 许多双功能小分子被用于壳聚糖聚合物的交联，如戊二醛、二缩水甘油醚、二异氰酸酯、丙烯酸酯等[12]。这些水凝胶的机械性相对于物理性水凝胶来说得到了很大的提高，但很多交联剂的生物相容性及在体内的活动并不太清楚，甚至有高生物毒性。一种新的优良的天然生物交联剂——京尼平（genipin），是栀子苷经 β-葡萄糖苷酶水解后生成的环烯醚萜类化合物，与壳聚糖混合成的水凝胶，毒性远低于戊二醛和其他常用化学交联剂[13]。

2.2.3 聚合物-聚合物交联 为了尽量减少使用交联剂分子，聚合物自身所带的官能团得到了关注，这可用于制备共价键结合的水凝胶。壳聚糖和透明质酸通过原位聚合物－聚合物连接可制备成具有生物降解性的水凝胶。N-琥珀酰壳聚糖醛和透明质酸混合后会形成 Schiff 碱，在生理酸碱度条件下，该水凝胶至少可以稳定 4 周。类似的方法也适用于其他水凝胶制备系统，如纤维素和海藻酸钠混合系统[14]。

2.2.4 光交联 聚合物自身所带的光敏感的官能团在水凝胶制备中也有良好的潜能。将这些活性官能团加入壳聚糖后，聚合物经紫外光照射而发生交联，如壳聚糖－聚丙二醇水凝胶就是通过紫外光交联。这种技术优点非常突出，如易于形成、速度快、安全、低成本等。One 等通过功能化聚合物上的叠氮基团制备成了光敏感的壳聚糖水凝胶。紫外线照射下，叠氮转化为活性氮烯基团，可以绑定到壳聚糖的自由氨基酸基团上快速成胶，可以运载生长因子，具有良好的控释能力[15]。

2.2.5 酶法交联 尽管光敏聚合物材料的发展具有不可限量的前途，但仍有其局限。一种较为温和的原位凝胶制备方法是用酶催化交联反应。最近，Jin 等[16]开发出一种可注射的壳聚糖水凝胶，由水溶性壳聚糖衍生物和壳聚糖嫁接的乙醇酸和β-苯酚丙酸通过辣根过氧化物酶和过氧化氢酶交联。

2.3 药物释放的触发

相对来说，化学和生物学刺激更能精细地和有选择性地控制药物释放。因此，在水凝胶制备中利用不同的物理和化学策略，无疑是开发更好的药物运载系统所必须考虑的。目前，药物释放触发方式主要有以下几种：

2.3.1 pH 值响应释放 由于极端的 pH 值变化环境，使口服给药释放效率过低。这种环境下最好的药物控释方式是由 pH 值来触发。中性或阴离子聚合物对酸环境下 pH 变化不太敏感，而带正电荷的壳聚糖在酸环境下可以感应 pH值的变化。如戊二醛可使 N-（2-羧基苯甲烷）和壳聚糖交联得到 pH 值敏感的水凝胶，用于药物运载[17]。

2.3.2 电场敏感释放 电敏释放是一种外部触发药物释放的方式。在电场作用下，壳聚糖水凝胶形状发生变化（收缩、膨胀、弯曲）使所载得到释放。这样就可以通过电信号的开/关来控制药物释放[18]。虽然电敏壳聚糖水凝胶可通过调节电场达到药物控释效果，但在生理条件下达到有效的释放率还有待研究。

2.3.3 酶响应释放 控制药物释放最好的方式应该是通过身体不同组织部位的酶来调节。壳聚糖水凝胶已被用于结肠内特定药物释放（如胰岛素），其受局部组织活性酶的调控。例如运载胰岛素的壳聚糖胶囊，在大鼠的实验研究上发现，利用结肠内特异的胰岛素运载方式，口服后在胃和小肠内很稳定[19]。

3 应用

壳聚糖水凝胶运载系统所具有的药物释放特征和生物化学特征，使其成为药物运载的极佳选择。

3.1 皮下运载

壳聚糖基水凝胶药物运载系统可以在体内选择性释放药物的能力，使其在皮下给药和药物植入领域成为首选材料。其缺失免疫原性和炎症，更是其他皮下植入材料所不具备的优点。壳聚糖水凝胶的研究重点主要集中在其生物可降解性系统[20]。这种水凝胶制备移用了多种化学材料和物理作用以达到药物运载和释放的效果，如生长因子的运载[21]，癌症的治疗。Lee 等[22]开发了一种与戊二醛交联的壳聚糖基水凝胶，在植入乳腺癌的小鼠模型上测试得到了不错的效果。

3.2 口服给药

该疗法在体内主要经由口（口腔）、胃、小肠、结肠或器官给药。水凝胶可以针对不同器官的生理环境和特征进行药物运载方案设计。壳聚糖和壳聚糖水凝胶作为药物运载系统有两个优点：pH 值的敏感性和黏附属性。在通过胃肠道时，pH 值波动较大，从 1 至 7.5，水凝胶随 pH 值的变化而呈现不同的功能属性[23]。通过调节水凝胶的溶胀反应而在不同的酸碱环境下实现药物控释。

3.3 眼科药物运载

该新型液体制剂的开发在眼睛局部给药方式中得到了关注。相对于其他药物而言，壳聚糖水凝胶具有较高的角膜滞留时间，虽然微米和纳米运载系统在眼科药物运载中受到了热捧，但水凝胶在液态下可长期贮存的优点使其应用前景也被大为看好。Cao 等[24]开发一种原位的壳聚糖基热敏感水凝胶，用于眼科药物运载，在兔的实验上很成功。

3.4 外皮给药

为了避免不同胃肠道的恶劣环境，低分子量的药物可以通过局部皮肤吸收的方式运载。其主要优点是药物的持续释放以及可以随时通过移走水凝胶而中断给药，如 Glimepride作为第三代口服降糖磺酰脲类药物，由于其难溶解而产生的生物利用度问题，在水凝胶运载系统中已经显示潜在的高效性。活体应用于小鼠显示，治疗效果超过 48 h，提示了其临床可能效力[25]。壳聚糖水凝胶还能运载生物碱[26]和活性S 消旋普萘洛尔[27]。

3.5 伤口愈合

在伤口愈合护理过程中，理想敷料保护应该是伤口不受细菌感染，具有一个潮湿的治疗环境，并且药物具有生物相容性。壳聚糖基材料，基于不同配方，可以加速伤口愈合，可能是因为其能够加强血管供应和牵连更好的胶原纤维聚集细胞外基质[28]。例如，成纤维细胞生长因子 2（FGF-2）可以通过激活毛细血管内皮细胞和成纤维细胞刺激血管新生[29]。

4 结论

随着独特的交联机制的发展和诱导用于物理凝胶化的新分子开发，制备出的水凝胶可以具有不同的孔隙度、机械强度和维度。我们主要综述了壳聚糖的阳离子特征，根据其特征赋予其在水凝胶制备中作为生物材料的独特优势。

特别是，这些方法可以用于局部药物运输，选择性地运载特定的治疗药物，并精确地控制其靶组织的局部部位释放。研究开发具有可生物降解、生物相容性好、响应速率高的药物控释用智能水凝胶是当前药物运载系统的重点。事实上，壳聚糖已在肿瘤治疗和组织再生中应用的可注射的原位成胶系统中得到了广泛的关注。在口服和眼科给药系统中，其也是极佳的药物运输工具。因此，进一步的了解壳聚糖链网络的动力学，无疑为下一代药物运载系统的发展提供了必不可少的基础。通过了解不同药物的装载和释放基本特征，我们可以设计出任何不同环境下的给药系统。

值得注意的是，尽管壳聚糖作为药物辅料使用的研究并不新鲜，但它在药物市场上却仍然没有太多的产品销售。纠结的问题依然是，其装载药物的生物利用度以及载体本身的副作用。因此，一旦壳聚糖水凝胶制备的设计参数明确化，廉价、无毒、高效的壳聚糖水凝胶给药系统的出现将为临床提供无可限量的辅助。

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