透明质酸水凝胶制备的研究进展

田廷璀，解从霞，于世涛（.青岛科技大学化学与分子工程学院，山东 青岛 6604；.青岛科技大学化工学院，山东 青岛 6604）

透明质酸水凝胶制备的研究进展

田廷璀1，解从霞1，于世涛2
（1.青岛科技大学化学与分子工程学院，山东 青岛 266042；2.青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

透明质酸具有亲水性强，无毒、可降解及生物相容性好等优点，以其为主要原料制备的透明质酸基水凝胶常用于可控药物释放、防术后粘连、软骨支架、角膜支架、黏膜填充剂、组织修复和再生等领域。本文综述了透明质酸水凝胶的制备方法，并对其发展方向进行了展望。

透明质酸；水凝胶；制备

水凝胶是物理或者化学交联的天然或合成聚合物［1］，能在水中明显溶胀但不溶于水的三维网络结构的交联聚合物，兼有固体和液体的性质［2，3］。水凝胶尤其是天然高分子水凝胶因其具有生物相容性、生物可降解性，而被广泛应用于组织工程［4］、药物缓释材料［5］及吸附处理［6］等。

透明质酸（HA）因其具有良好的保湿性，黏弹性、润滑性及非免疫原性，在临床医学上得到了广泛应用［7～10］。本文对透明质酸水凝胶的制备方法进行了综述，并对其发展进行了展望。

1　 透明质酸水凝胶的制备

透明质酸是一种天然聚阴离子黏多糖，由D-葡萄糖醛酸和D-N-乙酰氨基葡萄糖重复构成的直链结构双糖［11］。其基本结构见图1。

图1　透明质酸结构图Fig.1　Structure of hyaluronic acid

透明质酸水凝胶的合成根据交联机制可分为物理交联法、化学交联法2种。

1.1物理交联

透明质酸通常可通过分子间物理作用力，如微结晶、疏水作用、氢键、静电作用以及链间缠结等进行暂时性物理交联，该过程一般为可逆的。虽然透明质酸是非凝胶的聚多糖，但在特定的条件下，未经改性的透明质酸可形成冷冻解冻凝胶或黏弹性的类凝胶。在生理离子强度下，通过调节透明质酸溶液的pH至2.5可形成黏弹性的类凝胶［12］。但这种凝胶很不稳定，当pH低于2.0或高于3.0时，会重新转化为透明质酸溶液，因此，此类凝胶在应用上受到很大限制。Okamoto A&Miyoshi［13，14］首次报道了一次或者反复冷冻解冻透明质酸水溶液可得到透明质酸凝胶。这种凝胶因其在不同pH和温度下具有较强的稳定性，可以有效地避免类凝胶的缺陷，因此具有良好的应用前景。例如：大鼠盲肠的磨损模型试验研究表明，这种冷冻解冻的透明质酸水凝胶有效地降低了术后粘连［15，16］。Okamoto等［13］认为该冷冻解冻凝胶的形成机理是由透明质酸分子间的疏水作用和氢键共同作用导致的。Collins和Birkinshaw［17］推测该冷冻解冻凝胶的形成过程中，可能有结晶过程或至少类似于结晶后的过程出现。栾途等［18］进一步证明了该冷冻解冻凝胶的形成机理，指出透明质酸链上的-COOH和-NHCOCH3诱导产生分子内氢键在该凝胶网络结构和稳定性中起到主导作用。

李音等［19］将魔芋葡甘聚糖和透明质酸分别通过湿法纺丝、冷冻干燥方法在分子间氢键的作用下，制备出具有一定孔径和降解速率的多孔膜，可作为一种潜在的软骨修复材料。

1.2化学交联

物理凝胶虽然不用消耗交联剂，但其力学性能欠佳。为提高凝胶的强度，须用化学交联法制备透明质酸水凝胶。透明质酸分子结构中含有大量的伯、仲羟基，羧基，因此可用双官能团小分子交联剂将其交联。透明质酸在没有任何改性的前提下进行交联，常用的交联剂有戊二醛［20，21］、碳二亚胺［22］、环氧化合物［23］、二乙烯基砜［24，25］、多功能酰肼类［26］、1，4-丁二醇二缩水甘油醚［27］等。Lu P L等［28］指出碳二亚胺-透明质酸水凝胶比戊二醛-透明质酸水凝胶的表面更光滑，更透明，降解率快，且细胞毒性更低。在角膜内酯细胞疗法中作为药物运输工具上具有潜在的应用。Lai J Y等［29］以1-乙基-3-（3-二甲基胺丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）作为潜在的交联剂交联透明质酸制备了透明质酸水凝胶用于眼组织工程的运载体或支架。Lai J Y［30］在以1-乙基-3-（3-二甲基胺丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）为交联剂交联透明质酸制备了透明质酸水凝胶的前提下对溶剂进行了考查，指出碳二亚胺交联得到的透明质酸凝胶的含水量、机械强度和视网膜色素细胞增殖能力取决于合成时溶剂的组成。透明质酸与EDC的交联反应见图2。

图2　透明质酸与EDC的交联反应Fig.2　Cross-linking reaction of hyaluronic acid with EDC

2　 透明质酸水凝胶性能的改进

与未改性透明质酸相比，交联后的透明质酸水凝胶具有较强的机械属性且较难被酶降解。尽管透明质酸水凝胶具有诸多优点，但在实际应用中仍会遇到很多问题［31，32］，为提高透明质酸的力学性能和控制其降解率，可以引入其他组分和透明质酸交联或与改性后的透明质酸交联制备成具有不同性能的复合型透明质酸水凝胶，改进后的透明质酸水凝胶保持了原有生物相容性的同时，被赋予了一系列如力学强度、黏弹性、抗透明质酸酶降解能力等良好的特性，进而拓宽其应用范围。

2.1温度敏感性透明质酸水凝胶

Mee R K等［33］通过光聚合作用合成温敏性的透明质酸/普朗尼克复合水凝胶，这种温敏凝胶在大分子药物如多肽类和蛋白质类药物运输上具有潜在的应用，该法得到的水凝胶在高温下易降解，且光聚合过程产生有害自由基可能会改变重组体人类生长激素的结构，这需要对该法合成的水凝胶释放的重组体人类生长激素的结构进行完整性的考查。雷宏宇等［34］以戊二醛为交联剂，壳聚糖、透明质酸为原料，合成复合型水凝胶，该复合凝胶比单纯的壳聚糖凝胶具有较好的机械强度、弹性和持水性，且能随温度、pH值等的改变会出现规律性的溶胀或收缩，具有作为智能材料使用的前景。

Chen J P等［35］将聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）温敏链引入到透明质酸和明胶上，制备了具备温敏性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）-透明质酸复合水凝胶（HPN）和聚（N-异丙基丙烯酰胺）-透明质酸-明胶（HPNG）复合水凝胶，通过组织学观察，HPNG和HPN水凝胶不会对膀胱上皮细胞产生不利影响，而PNTPAM水凝胶仅仅会引起伞状细胞的局部脱皮，因此该类温敏水凝胶有望用于膀胱癌药物的运输，由于3种凝胶的交联密度、机械强度及对药物的聚合作用不同，使其对顺铂类药物的运输速率不同，其中HPNG水凝胶对该类药物的运输速率最低，延长了药物运输时间，降低了不同个体之间的可变性，因此相比其他2种更适合用于膀胱癌药物的运输。李红彦等［36］以parsol 1789（丁基甲氧基二苯酰甲烷），parsol5000（3，4-甲基亚苄基樟脑）和parsol MCX（甲氧基肉桂酸辛酯）等为吸光剂，以纳米二氧化钛为屏蔽剂，以壳聚糖透明质酸温敏性水凝胶、二甲基硅油、十二烷基硫酸钠等为基质成分制备的一种温敏性凝胶型防晒化妆品，结果表明该化妆品质地细腻，涂展性、稳定性良好。Chen Y Y等［37］制备了一种可注射型的温敏凝胶，其主要是将己二异氰酸酯（HDI）引入到Pluronic F127 共聚物上作为增链交联剂，然后将该共聚物嵌入到透明质酸上，不仅提高了透明质酸水凝胶的机械强度和稳定性，而且可以通过调节己二异氰酸酯的浓度来调节该凝胶的降解时间。图3为透明质酸与HDI-Pluronic F127的作用机理。该凝胶对阿霉素药物的释放时间能维持在28 d左右，且不产生其他物质，因此该类可注射型的温敏凝胶在组织工程、药物运输体系以及临床手术特别是不规则伤口上的应用提供了可能性。

图3　透明质酸与HDI-Pluronic F127的作用机理［37］Fig.3　Action mechanism of hyaluronic acid-HDI-Pluronic F127 reaction［37］

2.2pH敏感性透明质酸水凝胶

Soon S K等［38］制备了含甘草素的pH敏感性的羧甲基纤维素/透明质酸复合水凝胶，探讨了其在由酸碱不平衡引起的皮肤病变上作为皮肤给药系统的潜在应用，不同配比的羧甲基纤维素和透明质酸合成的复合水凝胶的机械强度不同，纯羧甲基纤维素水凝胶硬度较大，粘附性很差，易碎，不能用于药物运输，而羧甲基纤维素和透明质酸质量比为1：3的复合水凝胶具有很大的粘附性，能够延长药物在特殊皮肤损害处的停留时间，证实了这种pH敏感性的水凝胶在抗菌疗法中作为经皮吸收系统是有效的，且在治疗痤疮上有潜在的应用前景。

宋芳芳等［39］用辣根过氧化物酶催化原位交联制备透明质酸/氧化石墨烯纳米复合材料，相对于纯透明质酸水凝胶来说，不仅提高了其机械强度，而且延长了模型药物罗丹明的释放时间。由于氧化石墨烯、罗丹明药物和纳米复合水凝胶的多层次交互显示出很好的pH敏感性。这种酶催化制备的纳米复合水凝胶方法简单，条件温和，且在组织工程和刺激响应型药物释放方面具有潜在应用。Tao Y H等［40］用光交联法制备了pH敏感性的透明质酸/聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐水凝胶，研究表明从该水凝胶中释放的紫杉醇仍保持了其原有的生物活性和高的抗癌活性的细胞，且不含紫杉醇的该透明质酸水凝胶没有任何细胞毒性，这为该透明质酸基水凝胶在抗癌化疗药物紫杉醇运输体系中的应用提供了依据。李显等［41］以壳聚糖、类人胶原蛋白、透明质酸和甘油磷酸盐为原料通过自组装技术合成了具有温敏/pH敏双重敏感型复合水凝胶，该凝胶能够在不改变其结构的前提下通过改变周围环境的温度或pH值来控制水凝胶的温度和pH值的相变性。通过对凝胶强度和交联密度的考查，发现该凝胶的压缩模量与交联密度正相关，且随着透明质酸的含量增加而升高，因其具备良好的pH和温敏性，使得该类凝胶在药物释放和组织工程上具有潜在应用。

2.3电场敏感性透明质酸水凝胶

Kim等［42］制备了透明质酸/PVA互穿聚合物网络水凝胶，其溶胀性受到pH和场效应的影响，并随透明质酸含量的增加而升高。这种水凝胶会随着电场的变化而呈现出可逆的收缩和扩张，因而可用于人工器官组件如传感器、开关、肌肉状收缩结构和电流调节的药物运输系统等，同时也可以通过场效应激发实现药物的远程控制释放和特定部位释放。

3　 展望

透明质酸水凝胶虽然具有无毒、可生物降解、生物相容性等优点，但由于其极高的吸水性和酶降解性，使其在体内很容易被腐蚀和降解，因此，将透明质酸的生物相容性和生物降解性的优势与其他智能型水凝胶的优势完美结合，制备出性能更优异的新型绿色材料，也是未来的研究方向。

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Progress on preparation of hyaluronic acid based hydrogels

TIAN Ting-cui1， XIE Cong-xia1， YU Shi-tao2
（1.College of Chemistry and Molecular Engineering， Qingdao University of Science&Technology， Qingdao， Shandong 266042，China； 2.College of Chemical Engineering， Qingdao University of Science&Technology， Qingdao， Shandong 266042， China）

Hyaluronic acid has fine performance of hydrophilicity， nontoxicity， biodegradability and biocompatibility， and the hyaluronic acid based htdrogels can be used in the controlled drug release， prevention of postoperative adhesion， cartilage framworks， corneal scaffolds， mucosal filler， repair and regeneration of tissue， etc. The preparation techniques of hyaluronic acid based hydrogels were reviewed and the future of their applications was also forecasted.

hyaluronic acid； hydrogels；preparation

TQ427.2+6

A

1001-5922（2016）05-0080-06

2016-01-12

田廷璀（1987-），女，在读硕士研究生，研究方向：功能高分子材料。E-mail：905028129@qq.com。

通讯联系人：解从霞（1963-），女，博士生导师，主要从事环境友好催化、生物质资源转化利用以及功能高分子材料方面的科研工作。E-mail：xiecongxia@126.com。

泰山学者工程专项经费资助。