水凝胶作为眼部药物控释系统载体的研究进展

王 争 梁 亮 陈玢琳

(三峡大学 第一临床医学院[宜昌市中心人民医院] 眼科 & 三峡大学 眼科研究所， 湖北 宜昌 443003)

药物在眼病的预防、诊断和治疗中起着重要作用。由于眼睛在解剖上的复杂性和生理上的特殊性，在全身给药后，仅有1%～2%可到达靶部位，因此眼科常采用局部给药[1]。滴眼剂给药时，经眼外排出、眼内清除、组织结合或灭活作用后，药物在眼部的生物利用度不足5%[2]。对于年龄相关性黄斑变性、视网膜血管疾病和青光眼视神经病变等眼底疾病，需要通过玻璃体注射将药物输送至眼后段，而玻璃体内的药物半衰期较短，往往需要反复注射，给患者带来不便的同时，还提高了眼内炎、视网膜脱离、眼内出血和高眼压等并发症的发生概率。因此，提高药物生物利用度和降低药物副作用是眼部药物递送的研究重点，其中构建药物控释系统是解决这一问题的有效途径。

眼部药物控释系统是将药物与活性载体制成控释剂，通过活性载体与药物的有机结合与分离，维持局部药物浓度[3]。眼部药物控释系统的发展促进了活性载体用于眼部给药的研究进展。近年来，许多生物材料如纳米胶束、纳米粒子、脂质体、植入物、隐形眼镜、纳米悬浮液、微针和水凝胶等新型药物传递系统逐步被报道有助于眼部的药物利用[4]。其中，水凝胶因其优越的生物相容性、可降解性、智能调控性等成为眼部药物递送中的研究热点。本文将论述应用于眼部不同种类的水凝胶控释系统的国内外研究进展，并对其分析，以期为水凝胶在眼部药物递送上的进一步开发和应用提供新思路。

1 眼部的药物递送

由于泪液引流、角膜清除的生理屏障及代谢酶降解作用，药物在眼部的利用度较低。为了解决这一问题，研究人员设计合成了许多药物递送载体，主要有脂质体、纳米粒、微球、眼部植入剂等。脂质体和纳米粒具有增加角膜通透性、缓释和降低毒性反应等优点，但存在热力学性质不稳定、不能长期保存、包封率低、难灭菌和无法规模生产的不足，尚未得到广泛应用[5]。微球稳定性较好，释药速率稳定，但过大的粒径可能会干扰光路，降低患者耐受性，且无菌微球的大规模生产成本较高[6]。此外，眼部植入剂也会出现个别患者有眼部异物感、固体植入剂可能在眼部移动和操作相对复杂的问题[7]。随着手术技术、治疗方法及材料科学的进步和发展，水凝胶给药系统被开发出来，旨在克服眼部药物递送的种种障碍，提高疗效、降低毒副作用。

2 眼部水凝胶概述

水凝胶的本质是一种能在水中溶胀而不溶解的亲水性三维网络结构高分子聚合物，在软性角膜接触镜、细胞和酶的固定、药物递送、组织工程等生物医学领域有着广泛应用[8-11]。水凝胶在药物递送中，可根据外界环境改变凝胶结构起到控制药物释放的作用，具有靶向性、高生物利用度和高安全性等优点。因此，集吸水、保湿、缓释、柔软、良好的生物相容性以及智能可调控性于一身的水凝胶在眼部的应用受到越来越多的关注。而根据眼部疾病治疗方法和药物理化性质的不同，所合成的水凝胶的材料和性能也各不相同。

3 眼部水凝胶种类

3.1 温度敏感型水凝胶

温度敏感型水凝胶存在着一个最低临界相变温度(lower critical solution temperature，LCST)，当温度低于LCST时，水凝胶为澄清透明的水溶液；当温度高于LCST时，水凝胶呈现凝胶状态[12]。在用于眼表给药时，滴眼液给药精准方便，给药后可以在生理条件下立即凝胶化而不会模糊视力，形成的凝胶具有较高的粘附性，可延长眼表滞留时间。Kong等[13]将荧光素钠加入到左氧氟沙星的温度敏感型水凝胶体系中，结果发现，根据水凝胶的配方不同可将角膜滞留时间从30 min延长至9 h。梁楠[14]将泊洛沙姆联合复合羧甲基化壳聚糖制备了温度敏感水凝胶，装载双氯芬酸钠后滴入兔眼，与溶液型滴眼剂相比，凝胶滴眼剂的眼表滞留时间增加了3倍以上，房水中药物浓度在各个时间点均明显升高。Mohammed等[15]利用壳聚糖的抗菌性，制成了一种抗菌型温度敏感型水凝胶，并加入抗生素后联合抗菌，与普通抗生素滴眼剂相比，在兔眼细菌性角膜炎模型中具有更好的治疗效果。以上研究证明，温度敏感型水凝胶装载药物，一方面可延长药物作用时间，另一方面有助于提高药物作用。同样的，温度敏感型水凝胶也被应用于玻璃体注药治疗眼内疾病。Awwad等[16]将透明质酸与温敏高分子交联制成了一种可在眼内降解的温度敏感型水凝胶，装载治疗老年性黄斑病变的蛋白性药物英夫利昔单抗和贝伐单抗，在保留蛋白质三级结构的情况下，体外实现了长达50 d的抗体缓释。该研究证明，将药物包裹在具有纳米复合体系的温度敏感型水凝胶中，可以避免药物在眼内被酶降解，同时凝胶基质增加了额外扩散阻力，可实现药物在玻璃体内的长期零级动力学释放。维甲酸、曲安奈德、抗VEGF药物均已被装载于温度敏感型纳米复合材料水凝胶中，并且取得了较好的控释效果[17-19]。

温敏聚合物泊洛沙姆对角膜的刺激性较小，在温度敏感型水凝胶中应用最广泛。但泊洛沙姆生物黏附性一般、胶凝浓度大、强度低、溶蚀性快。为了适应眼部的药物递送，有研究者加入了如聚卡波非，增强其生物黏附力和流变学性能[20]。另有研究者开发了泊洛沙姆-聚丙烯接枝共聚物，使其能在较低的聚合物浓度下(1%～5%)形成凝胶，解决了高浓度泊洛沙姆的高渗透压引起的眼部不适[21]。但仍存在着胶凝过程中相转变速度较慢引起药物流失的问题。因此，改善凝胶的胶凝性质及相转变速度，是温度敏感型水凝胶新的研究方向之一。

3.2 pH敏感型水凝胶

pH敏感型原位胶凝体系由含酸性或碱性基团的pH敏感聚合物组成，聚合物会随着周围环境中pH的改变而发生转化。与温度敏感性水凝胶相似，应用于眼部的pH敏感型水凝胶被设计成具有在非生理条件下为流动的液态，与泪液接触(pH值为7.2～7.4)后转化成凝胶态的理化性质。赵玉娜等[22]以卡波姆为凝胶基质、羟丙甲基纤维素为增稠剂制备了在非生理条件下(pH 4.0)为流动的液态，生理条件下(pH 7.4)胶凝成为半固态的pH敏感型氯霉素水凝胶滴眼剂，8 h体外释药达到80%，12 h释放完全。该研究证明，pH敏感型水凝胶具有药物缓释功能，并可完全将药物释放至眼内。魟鱼软骨多糖(ray cartilage glycosaminoglycans， RCG)是从魟鱼软骨中分离纯化得到的单一多糖，研究证明RCG滴眼液能够抑制角膜组织血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达，对大鼠角膜新生血管的形成具有显著的抑制作用[23]。郭斌等[24]将RCG装载于pH敏感型水凝胶中，滴入兔眼后对不同组织的药代动力学进行分析，发现RCG在角膜中的分布远高于虹膜、房水和玻璃体，可充分发挥其在角膜的治疗作用。并发现当RCG的载药量超过50 mg/mL时，能明显的抑制兔眼角膜新生血管生成。该研究证明pH敏感性水凝胶具有较好的生物相容性，可高效地将药物递送至角膜。

常用的pH敏感型眼用凝胶的基质主要是聚丙烯酸类，其中以卡波普系列应用最多。卡波普分子中含有大量羧基，在泪液中羧基团解离，静电斥力可使分子链膨胀，聚合物黏度急剧增大[25]。然而胶凝浓度过大具有一定的毒性，不易被中和。因此在制备眼部水凝胶控释系统中，常与羟丙基甲基纤维素合用，可一定程度降低卡波普浓度，减少眼部刺激性。因此，加大对凝胶基质的开发力度，确保凝胶的安全无毒是目前pH敏感型眼用凝胶需要克服的问题。

3.3 离子敏感型水凝胶

离子敏感型水凝胶可与生理条件下的离子交联，发生溶胶与凝胶转变。由于泪液中含有Na+、K+、Mg2+及Ca2+等离子，因此通过离子活化水凝胶同样适用于眼部给药。研究发现，使用环糊精来增加抗真菌药物益康唑的溶解度，制成的离子敏感型水凝胶在体外能持续释放药物6 h[26]。他们发现凝胶制剂可使益康唑的角膜清除率明显降低，且不影响药物在鼠眼的角膜渗透率。双糖体是由非离子表面活性剂和胆盐组成的双层囊泡，囊泡中的两亲性胆盐可通过黏膜细胞膜的脂质层，增强药物的黏膜渗透性，已应用于皮肤和肠道药物递送[27, 28]。Janga等[29]首次将双糖体应用于眼部，加入0.3% w/v的结冷胶装载那他霉素(natamycin，NT)制成离子敏感型水凝胶，在滴入兔眼6 h后，除玻璃体外，角膜、房水、虹膜睫状体、巩膜、视网膜、脉络膜组织的药物平均剂量归一化水平均高于那他霉素溶液组。其机制与凝胶状态与角膜黏附性更强有关，且双糖体赋予了水凝胶缓释系统更强的角膜渗透性，从而确保了更长的停留时间和更高的眼内药物浓度。

结冷胶是眼用离子敏感凝胶最常用的基质之一，阴离子型去乙酰结冷胶的羰基可与泪液中阳离子络合，形成稳定双螺旋的链间氢键。每2条双螺旋又逆向聚集构成三维凝胶网络结构[30]。马来酸噻吗洛尔长效眼用制剂Timoptic XE®中含有去乙酰结冷胶，已被应用于开角型、闭角型青光眼，以及继发性青光眼和其他高眼压症的临床治疗。但由于其价格昂贵，目前国内临床应用不多。因此，简化合成过程，节省材料费用，是离子敏感型水凝胶在应用与推广中需优化的地方。

3.4 光敏水凝胶

光敏水凝胶中含有光致变色基团，因此可通过调节光源信号，使基团发生光反应(异构化、裂解或二聚化等)，将光信号转换为化学信号，使水凝胶发生相变。与pH、温度等刺激相比，光刺激的时间和空间具有高度的可控性，可远程且无创地控制治疗药物在局部的释放量[31]。因此有研究者设想，通过人为调控透射入眼后节的光线控制药物释放，为眼内疾病的治疗提供一种新途径。Stuart等[32]将蛋白质微粒包裹在可光固化的水凝胶中，该系统在体外可释放贝伐单抗达90 d。Liu等[33]将一种可作为抑制胶原合成靶点的多肽疏水性喜树碱，包封在光交联水凝胶中制成微针，在体外能持续释放达20 h，并且能有效抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞I型胶原的表达，表明该缓释系统在治疗青光眼滤过术后瘢痕上具有潜在价值。

作为在玻璃体内实现交联的光敏水凝胶，交联时间过长可导致药物或药物前体在玻璃体内提前释放。Tyagi等[34]研发了一种光激活的水凝胶系统，脉络膜注射装有游离贝伐单抗的光激活水凝胶前体后，通过调控光照时间来控制药物释放。该研究发现，光激活的水凝胶系统可持续释放抗体4个月。然而在光交联初期存在突释现象，不同光照时间初始突释量不等。光交联时间为10 min时，突释量最低为21%[34]。另外，光敏水凝胶中的光敏剂吸收光能后能产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化形成凝胶。这些自由基可能会对附近的组织造成一定的毒性。同时，紫外线照射可能会影响蛋白质类药物的稳定性。因此，光敏水凝胶作为一种新型眼部水凝胶，虽具有定点、定时、定量释放的特点，但仍存在许多问题有待进一步解决。

3.5 超分子水凝胶

超分子水凝胶是一种由小分子化合物通过自组装，形成的有序结构水凝胶[35]。与聚合物水凝胶中的交联不同，超分子水凝胶之间的纳米纤维通过非共价键交联，具有刺激响应性、结合可逆性、交联可调节性、生物相容性和仿生学特性等优点[36]。Zhang等[37]针对地塞米松(dexamethasone，Dex)水溶性较差的问题，加入琥珀酸后改性制成前药，得到水溶性良好的琥珀酸地塞米松偶联物(succinated dexamethasone，Dex-SA)，制成Dex-SA的超分子水凝胶滴眼液。在体外释放中发现，前药Dex-SA在5 d内几乎全部从水凝胶中释放出来，并能快速在磷酸盐缓冲液中转化为母药Dex，同时药物的释放速率也可以通过水凝胶的pH进行调节。在兔眼房水的生物利用度检测上，Dex凝胶剂是Dex水溶液的5.6倍。同样地，曲安奈德与琥珀酸耦连后装载在超分子水凝胶中，形成可注射的琥珀酸曲安奈德凝胶制剂[38]。在体外，几乎100%的曲安奈德可缓释达3 d。在鼠眼中，琥珀酸曲安奈德凝胶剂在6 h内穿透巩膜的药物量是市售曲安奈德混悬液的25倍，且整个实验过程中，注射凝胶后的视网膜没有出现明显形态学异常改变，而琥珀酸曲安奈德混悬液在注射1 d后视网膜形态即有明显改变。证明琥珀酸曲安奈德水凝胶在眼后段具有较好的安全性和生物相容性，在治疗眼后段炎症如葡萄膜炎上具有明显优势。值得注意的是，这两种超分子水凝胶具有触变性，即在生理眨眼或通过注射器针头引起的剪切作用下可以发生凝胶-溶胶状态转变，十分适合眼部药物递送。

近几年来，氨基酸超分子水凝胶成为了最流行的超分子水凝胶构建体系之一。与其他小型有机分子相比，使用统一的生命单位更适合于生物医学。22 个天然氨基酸与非天然氨基酸为产生自组装肽提供了巨大的分子空间，固相肽合成的开发和肽合成仪的商业化大大减少了肽合成的负担。在肽链的构建中，改变手性结构、多肽骨架折叠方式、修饰终端和侧链为生物医学和临床实践的发展提供了更多可能[39]。

4 总结与展望

安全、稳定、高效的药物递送一直是眼部用药的研究方向，水凝胶作为眼部药物控释系统的载体，具有延长药物眼部滞留时间、提高生物利用度、减少给药频率等方面优势。尽管关于眼部水凝胶的研究取得了一定的成果，但也观察到许多问题，如温度敏感型凝胶所使用的聚合物泊洛沙姆的长期应用，需要考虑对角膜和其他眼组织的安全性。此外，pH敏感型的卡波姆胶凝浓度高，且不随剪切力改变，即在眨眼和不眨眼时保持同样粘度，因此浓度过高时眨眼会感到疼痛。虽然离子敏感型的结冷胶在0.1%的浓度下即可发生胶凝，但它在眼内所形成的硬凝胶难以再被泪液溶蚀，可能带来异物感等。因此，应加大对凝胶剂基质材料研发力度，包括更多新辅料的合成以及其安全性评价。同时，引进纳米技术、分子印迹等优化水凝胶的性能，实现对释放速率的调控，以满足不同的药物特性和疾病治疗要求。随着凝胶基质的不断完善和技术瓶颈的克服，水凝胶将成为一种极具潜力的药物递送载体。