生物水凝胶的现状与展望

王凤凤，郑根建，周 岚

(海南医学院口腔医学院，海南 海口 570000)

生物水凝胶的现状与展望

王凤凤，郑根建，周 岚

(海南医学院口腔医学院，海南 海口 570000)

生物水凝胶材料是一种具有潜力的医用材料，因其良好的生物相容性、双重响应性等特点被广泛用作创面敷料、组织工程之架等。许多学者仍在不断的探索制备多重响应性的生物水凝胶。本文综述了近几年来其在医学领域的研究热点、应用现状及最新发展。

生物；水凝胶；医用材料；生物相容性；双重响应性

随着生物技术的飞速发展，一种具有生物活性的组织工程材料水凝胶已广泛应用于生物医学、组织工程等领域。水凝胶是一类具有三维交联网络结构，并可以通过亲水性聚合物链构造，同时能被水溶胀却不溶于水的高聚物与介质共同组成的多元体系。它在水中吸收大量的水分，并能迅速溶胀，且溶胀之后也能够继续保持水凝胶原有结构而不被溶解，能够对环境的细微变化作出快速反应，同时其具有很优良的生物相容性，在性质上又类似于细胞外基质部分，因此比其他很多合成生物材料都要接近活体组织，本文将主要介绍近几年生物水凝胶在医学生物领域中的研究热点及其应用的最新进展。

1 生物水凝胶在医学生物领域的研究热点

1.1 可注射性水凝胶 可注射性水凝胶在生物医学领域应用广泛，如可作为局部药物控制释放的载体[1]，以及组织损伤原位修复支架等，是一种具有潜力的医用材料。壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子物质具有生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良的性能，广泛应用于医药、食品、化工、化妆品，生物工程等诸多领域。其中将其作为软骨组织工程支架研究取得成功，发现其具有较高的力学性能和可控的生物降解速率[2]。且以壳聚糖为基制备的壳聚糖基温敏性凝胶体系[3](壳聚糖-β-甘油磷酸钠(CH-GP)和壳聚糖-β-甘油磷酸钠-羟乙基纤维素(CH-GP-HEC)可促进细胞的生长，且CH-GP-HEC具备更良好的溶涨性能、亲水性和组织相容性。邓超等[4]报道了一类新型生物可降解水凝胶，它能够保持生物分子的活性，降解水凝胶的生物毒性，同时还可改变水凝胶的凝胶时间、力学性能和降解性。聚乙二醇/聚氨基酸嵌段共聚物[5]的溶液-凝胶相转变受温度的影响，与传统的聚乙二醇/聚酯嵌段共聚物水凝胶相比形成水凝胶时聚合物的浓度更低。研究[6]证明采用先核后臂方法制备的可注射PLLA-mPEG水凝胶的缓释作用满足一级动力学模型。

1.2 生物相容性水凝胶 生物相容性是指材料在特定的实际应用中引起适当的宿主反应和材料反应的能力。理想的生物骨移植材料要求具有良好的生物相容性。由于水凝胶的智能型，同时其具有很优良的生物相容性，在性质上又类似于细胞外基质部分。有研究[7-8]指出，干细胞对培养基质的硬度和结构敏感。且因水凝胶特殊的亲水性、显著的溶胀行为、双重响应性等性质。比其他合成生物材料更接近活体组织，其吸水后对周围组织的摩擦和机械作用明显减少，具有良好的生物学性能，在组织工程和器官构建中应用广泛。随着医学技能的发展与提高，器官的移植、干细胞的培养与移植、体外器官组织的培养与移植、细胞治疗等广泛涉及临床。心肌细胞的无再生能力成为心肌梗死治疗的障碍之一[9]。Seif-Naraghi等[10]用细胞外基质制成一种可注射性水凝胶，大鼠体内实验显示该材料生物相容性能良好，有利于心肌功能的提高和心肌细胞的形成。透明质酸是一种酸性黏多糖，1934年美国哥伦比亚大学眼科教授Meyer等首先从牛眼玻璃体中分离出来的物质。因其独特的分子结构和理化性质而显示出多种重要的生理功能：晶体的植入[11]、角膜移植[12-14]和抗青光眼手术等，还可用于治疗关节炎和加速伤口的愈合。研究者发现以透明角质酸为基的水凝胶生物相容性更好，保持细胞的活性还可提高细胞的生存能力[15-16]。还有学者将肝细胞接种于半乳糖化温敏水凝胶，发现该水凝胶可促进细胞粘附、增殖以及功能的表达，即特异白蛋白和尿素的合成，而细胞损伤小，活力与糖化比例成正相关，还可降低细胞的炎性反应[17]。王娜等[18]发现在聚乙烯醇(PVA)水凝胶加入壳聚糖(CS)水凝胶制备的复合水凝胶亲水性更强，且CS能够提高复合水凝胶的生物相容性。采用反复冻融法制备的胶原-聚乙烯醇(PVA)降解性能好，生物相容性测试细胞毒性为0～1级[19]。

1.3 智能型水凝胶 智能型水凝胶是一种智能高分子材料，是水溶性高分子适度交联形成的具有伸缩性的三维交联网络多元体系，对外界微小的物理化学刺激，如温度、电场、磁场、光、pH、离子强度或压力等能够感知，并在响应过程中有显著的响应性，敏感性水凝胶又称智能型水凝胶。张喆等[20]采用自由基聚合技术合成的一类新型的智能水凝胶，它对温度和pH具有双重响应性[21]。聚丙烯酸是以丙烯酸为单体制备的水凝胶，孟立山等[22]报道聚丙烯酸水凝胶的溶胀性能与盐溶液浓度成负相关。Kim等[23]制备聚丙烯酸-聚丙烯酸水凝胶力学强度好，对电场的快速响应性。然而传统的水凝胶响应速度较差，合成具有快速响应性的水凝胶成为一个热点。Tanaka提出水凝胶膨胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线形尺寸的平方成正比，受此激发，研究者们分别从改变水凝胶的尺寸、在水凝胶中引入气孔(用电子显微镜可观察细微的观察水凝胶的微观结构和表面形态[24])、水凝胶的侧链接枝链[25-26]等方法来缩短水凝胶膨胀或收缩所需的时间。原子转移自由基聚合(ATRP)是一种活性聚合反应，与原子转移自由基加成反应一样，一种是自由基催化，一种是金属催化。ATRP是实现分子量可控、分子分部窄的活性聚合物的有效途径。甚至通过引发剂的结构设计可以得到快速响应的水凝胶。N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)[27]采用自由基聚合机理制备得到，该聚合物的体积受温度的影响转变，关键在于采用何种引发剂，成为今后研究的问题。

2 生物水凝胶在医学生物领域的应用新进展

2.1 创面敷料 创面敷料在生命中有许多不可承受之重，也有许多不可承受之轻。在许多重大疾病面前，“皮肤病“也许只能算是“小儿科”，但是它给人们带来的精神困扰和身体痛苦却是“皮肤病“患者不能承受的生命之“重”。皮肤不仅是美观的第一衡量标准，也是防止微生物入侵机体保护机体健康的一道屏障，整容、拉皮、祛疤、皮肤大面积烧伤等重建和修复皮肤，发生的局部和全身的问题与皮肤屏障有密切的关联。并且，随着社会的发展，人们对精神的需求、就医的高标准也愈来愈突出，避免受伤，疾病的治疗要求趋向于无痛治疗。

为适应市场需求，人们对医用敷料提出了新的评价指标：(1)可控制和吸收渗出物；(2)屏障作用，阻挡细菌侵入，促进组织良好生长；(3)创面可透气且保持湿润；(4)使用方便，容易揭取，防止造成更换敷料带来的二次损伤；(5)无毒、无害、无刺激；(6)具有良好的机械性能[28-30]。目前主要有两种类型的敷料：干型(如纱布)、湿型(如水凝胶)。干型敷料对创面有保护作用，但不具有促进愈合作用；水凝胶敷料吸水和保水性能优良，能减少更换辅料带来的二次损伤，同时其能够加速上皮细胞生长，刺激血管增生，促进创面的愈合，是一类性能优良的新型生物材料，在生物医学工程领域有广泛的研究和应用。鉴于水凝胶的物理性质与皮肤接近，可作为皮肚替代物[31]，已被广泛研究。周煜竣[32]用海藻酸钠和聚乙烯醇制成的一类新型多孔结构水凝胶敷料基质，该敷料具有良好的生物相容性、生物安全性和通透性，对表皮生长因子(EGF)有保护作用；在人体的皮肤酸度环境下有很强的吸液能力，能短时大量地吸收液体。高春媛等[33]用微生物发酵制备的γ-聚谷氨酸水凝胶，具有生物相容性、细胞安全性、较好的溶胀性和pH敏感性等优点。也有学者制备藻酸盐敷料[34]，藻酸钙纤维制成的伤口敷料，用γ-PGA、藻朊酸盐和壳聚糖制备的新型层状水凝胶[35]，此类敷料的共同点是可以提高伤口的愈合率。

2.2 组织工程支架 组织工程学也有人称其为“再生医学”，是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或者修复器官及组织的技术。这个概念由美国国家科学基金委员会在1987年提出。目前已经实现骨组织、软骨组织、骨骼肌、心肌、角膜、肝、肾等的再造。人体由于疾病、外伤、肿瘤等原因造成组织、器官结构的缺损和功能的丧失；牙周病、外伤或先天畸形等多种原因引起的的牙槽骨缺损。传统的修复方法是自体组织移植术，虽然取得满意疗效，但这种方法愈来愈不被人接受，同时由于供体器官的缺陷导致一部分患者在等待中死去。自组织工程学的提出成为许多器官功能衰竭、组织缺损患者的曙光。组织工程学的三要素是细胞、支架和生长信息，支架为其核心要素。一系列天然和人工合成的水凝胶因其特殊结构和性能作为一种支架，植入细胞成为研究热点。壳聚糖作为支架材料单独或其衍生物应用于骨组织工程，被证明具备良好的骨传导性能，并可促进成骨细胞增殖。李艺楠等[36]发现骨髓间充质干细胞中在壳聚糖/壳聚糖季铵盐/甘油磷酸钠温敏性温敏水凝胶细胞支架中能够正常生长和增殖。人和哺乳动物的皮肤、骨、软骨、韧带以及角膜等组织中存在大量的胶原。研究者结合琼脂糖和胶原各自的优点成功制备的琼脂糖/胶原复合水凝胶[37]，并将其植入体内，发现体内降解速率降低，免疫排斥反应低。陈婷等[38]将小鼠前成骨细胞MC3T3-E1接种于多肽EAK16水凝胶支架，采用倒置显微镜观察不同时间段细胞碱性磷酸酶的分泌活性，发现多肽EAK16水凝胶接近人体的三维环境，细胞粘附良好，增殖速率快。江仲超[39]通过贴壁筛选法分离培养兔骨髓基质干细胞(BMSCs)，探讨其可注射的PLGA-PEG水凝胶的生长状况，观察绘制的生长曲线得知此水凝胶在室温时细胞毒性和细胞相容性交PEG更小更好。接近生物体内细胞外基质环境，BMSCs在此环境中生长良好且传代后3～4 h可贴壁生长。

2.3 药物缓释载体 近年来，全世界大力开发能将最低药物量长时间地维持在患部的药物传送系统(DDS)。DDS由储存药物、控制释放速度、驱动释防3种机构组成。传统的口服或注射给药途径往往使血液中的药物浓度大幅度波动。因而控制药物浓度在最小的有效浓度和最大安全浓度之间比较困难。药物缓释是一种控制药物释放速度和定向释放的技术。随着材料科学的发展和临床治疗的不断提高，纳米载药体系受到人们的青睐[40]。由于水凝胶对外界环境的敏感性和响应性，水凝胶被广泛应用于药物缓释体系。李聪等[41]研究制备的温度敏感水凝胶，采用溶胀-扩散法将甲状旁腺相关肽载入该水凝胶。研究其在不同温度下体外药物释放行为表明，该体系能实现药物在生理条件下的缓慢持续释放。钟世华[42]采用APRP技术合成的PH值敏感水凝胶(PEGDA)包埋抗癌药5-氟脲嘧啶(5-FU)，在SIF及SGF缓冲溶液中于37℃中研究发现药物的释放与PEGDA含量和缓冲液的pH值有关，随着PEGDA含量和pH值的减少，样品的药物释放曲线趋于平缓，最终的平衡释药百分数变小，释药周期加长，可得到较好的释药结果。

3 展望

生物水凝胶虽然在基础实验上取得一些成果，但是离临床应用还有很大的距离，比如其存在机械强度较差、吸收过快、体积收缩较大、会引起局部炎性反应等。理想的生物水凝胶能够模拟天然基质成分，优化合成材料，最大限度的发挥材料对组织的修复再生能力，并能以非侵害或微创的方式对创伤部位进行修复。现阶段生物水凝胶现阶段越来越向智能方向方展许多学者采用多种手段，制备出降解性能好、力学性能优良、组织相容性良好的水凝胶支架材料，来改善宿主与支架材料的相互关系，提高材料的亲水性、促进细胞的分化、增殖与粘附性，研究制备出双重响应性水凝胶，多重水凝胶成为研究的目标，也是今后水凝胶研究的方向。

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Current status and prospect of biodegradable hydrogels.

WANG Feng-feng,ZHENG Gen-jian,ZHOU Lan.College of Stomatology,Hainan Medical University,Haikou 570000,Hainan,CHINA

Biodegradable hydrogel is a kind of medical materials with great potential.Due to its good biocompatibility and dual response,it has been applied as wound dressings and tissue engineering scaffolds.Many researchers continue to explore and develop biodegradable hydrogel with multiple response.This review presents the research focus in the field of medicine,the application status and the latest development.

Biodegradable;Hydrogels;Medical materials;Biological compatibility;Dual response

R318

A

1003—6350（2015）17—2575—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.17.0931

2014-12-03)

海南省自然科学基金(编号：812200)

郑根建。E-mail：airforcezhgj@163.com