水凝胶在生物医学领域的研究进展

吴 维，吴 迪，马珊珊，汤春波

水凝胶在19世纪初首次被提出，它是一种从无机盐中衍生出的胶体凝胶；在20世纪60年代，Wichterle和Lim制取了一种可应用于生物医学的合成水凝胶体系，并首次将其成功用于隐形眼镜；这一发现之后的20年里，对水凝胶的研究基本上集中在通过简单的化学交联合成水凝胶，主要应用于眼科和药物输送研究[1]；受Katchalsky关于将化学能转化为机械能的启发，20世纪70年代初，水凝胶的研究重点从相对简单的大分子网络转移到能够响应环境条件(如酸碱度、温度或生物分子浓度)变化的智能水凝胶[2]；20世纪90年代中期，除氢键和离子作用以外，研究者们也寻找了其他物理作用作为凝胶化的作用力，这为调节水凝胶机械、热和降解性能提供了可能性。随着有机化学的发展，各种更加复杂的化学交联水凝胶被开发出来，弥补了物理水凝胶机械性能不足等缺陷；到21世纪，随着对水凝胶研究的不断深入，它在生物医学领域的应用也不断拓宽。本文将对水凝胶的基本性质和在生物医学领域的应用概况进行简要介绍，着重综述水凝胶作为药物载体的最新进展，最后总结近年来水凝胶在生物医学领域的应用现状及存在的主要问题。

1 水凝胶的分类

水凝胶范围广泛，根据不同的分类标准会有不同的分类方法。下面将介绍应用较广泛的分类标准及具体内容。

1.1 根据水凝胶发生凝胶化时的作用力分类

1.1.1 物理水凝胶 物理水凝胶是指通过物理缠结、氢键和疏水相互作用等物理作用形成凝胶状态的一类水凝胶。但这种水凝胶是暂时的，通过温度的改变等方式可以使其从凝胶状态变为溶液状态，因此这种物理凝胶又被称为“假凝胶”。Shim等[3]通过在温敏聚乙二醇和聚乳酸-共-乙醇酸三嵌段共聚物(PLGA-PEG-PLGA)中加入pH敏感成分磺酰胺衍生物，制备了一种新型的pH和温度敏感型嵌段共聚物。这种嵌段共聚物溶液在pH 7.4～8.0范围内和体温范围变化，表现出可逆的溶胶-凝胶转变。水凝胶疏水嵌段(PCLA)越长，疏水分子间相互作用越强，凝胶范围越宽。这是因为在一定温度下，PCLA嵌段越长，可能会产生更强的疏水分子间相互作用，凝胶化过程相对更加简单。在人工合成的高分子聚合物中，典型的代表物是聚乙烯醇，经过冰冻融化处理后获得的水凝胶在60 ℃以下可以稳定存在。

1.1.2 化学水凝胶 化学水凝胶是指通过化学键如立体络合、包合物形成、金属-配体配位和多肽相互作用交联形成复杂的三维网络结构的水凝胶。因为水凝胶的形成是不可逆的，因此又称为“真凝胶”。其性质比物理水凝胶更加稳定。

1.2 根据水凝胶是否响应环境刺激分类

根据水凝胶对于环境变化是否能发生响应可分为传统水凝胶和刺激响应型水凝胶。传统水凝胶对外界的变化不敏感，通常不会因为环境变化发生改变；而刺激响应型水凝胶是能够对环境变化(如温度、pH、生物分子、电磁场变化)作出迅速反应的一类水凝胶，因此又称“智能水凝胶”。这些环境触发物可以用来激发特定的事件，如凝胶形成或药物释放。在生物医学领域中常用的智能水凝胶主要可分为以下几类。

1.2.1 温敏水凝胶 温敏水凝胶是指温度的变化可以使其体积发生跳跃式变化的一种智能水凝胶，温度的变化是关键因素，发生体积跳跃式变化时的温度称为体积相转变温度。温敏型水凝胶可分为以下两类：一种是有高临界相转变温度的水凝胶，另一种是有低临界相转变温度。当环境温度低于体积相转变温度时水凝胶呈收缩状态，而温度高于体积相转变温度时处于溶胀状态，这种水凝胶称为热胀型温敏水凝胶，此时的体积相转变温度称为高临界相转变温度；反之，称为热缩型温敏水凝胶，相应的体积相转变温度称为低临界相转变温度。应用较多的是热缩型水凝胶，通常我们可以通过改变水凝胶组成结构等方法来调节低临界相转变温度，使其接近人体温度37 ℃，这种水凝胶的温敏特性使其在室温下处于溶液状态，这赋予了它可注射特性，便于临床给药；在进入人体后，又会在一定时间内凝胶化。这种水凝胶常作为药物载体应用于药物缓释。Kasiński等[4]研制了可注射、温敏型智能水凝胶局部给药系统，用于释放抗肿瘤药物5-氟尿嘧啶(5-FU)。该体系基于可生物降解的三嵌段共聚物，是由ε-己内酯在聚乙二醇和乙酰丙酮锆分别作为共引发剂和催化剂开环聚合而成。所制备的水凝胶在接近生理值的温度下表现出明显的溶胶-凝胶转变，形成的水凝胶具有良好机械性能。

1.2.2 pH敏感型水凝胶 pH敏感型水凝胶是指能根据pH变化发生响应的一种智能水凝胶，它通常含有酸性或碱性基团，如羧基、氨基等，在不同环境pH下会发生质子化或离子化从而改变电荷分布及内部相互作用，进而使凝胶结构发生改变。因为人体的不同部位pH通常不同，甚至差别较大，例如胃pH=0.9～1.5，而血液的pH=7.35～7.45，因此pH敏感型水凝胶有利于一些特定部位的给药。由于癌细胞中的糖酵解率高，固体瘤细胞外环境中的pH通常低于正常组织中的pH值[5]，在一项研究中[6]，阿霉素的酮基与琥珀酸化壳聚糖的氨基发生席夫碱反应产生的pH敏感水凝胶，能够在酸性肿瘤微环境中释放阿霉素。Qi等[7]通过β-葡聚糖和2-丙基酰胺-2-甲基-2-丙二酸之间发生接枝共聚反应制备了葡聚糖基pH敏感水凝胶，用于递送胰岛素。聚(2-丙烯酰基-2-甲基-1-丙二磺酸)是水溶性聚合物，它能够在不同pH环境中接受或失去质子，体外释放实验也验证了胰岛素的释放速率会根据培养基的pH发生改变。

1.2.3 光敏感型水凝胶 对于光辐射能够发生体积相转变的智能水凝胶称为光敏感型水凝胶，这类水凝胶的结构中通常有光敏基团的存在，当受到光辐射时，光敏基团会发生异构化或者解离，使水凝胶的局部温度上升或者构型改变，进而水凝胶的溶胀率发生改变。光聚合水凝胶原位凝胶化的性质在药物释放和组织工程中具有重要意义。Fourniols等[8]制备了载替唑胺的可光聚合聚乙二醇二甲基丙烯酸酯注射水凝胶用于治疗胶质瘤。但光敏水凝胶的交联时间较长，光的穿透深度不足及光对眼睛和周围组织的伤害等问题仍需进一步的解决。

1.3 根据水凝胶制备材料来源分类

根据凝胶的制备材料不同，可以把水凝胶分为人工合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子组成的水凝胶常具有相对优异的生物相容性，并且多具有可降解性，因此这种水凝胶在生物医学应用上相比人工合成高分子材料具有更高的安全性。但是，天然高分子材料的机械性能及稳定性较差。而对于人工合成的水凝胶，我们可以人为控制产物，这一过程便于调节。合成高分子材料要求我们必须严格地控制材料中混杂的未反应单体、残余引发剂或催化剂和小分子副产物等，以避免可能由此产生的生物不相容性和药物不良反应等问题[9]。因此，很多研究者结合天然水凝胶和人工合成水凝胶的优点，将两者结合，形成性能更加优良的水凝胶。Liu等[10]就通过在PECT凝胶体系中引入透明质酸(HA)来改善PECT的凝胶性能及药物释放行为。

2 常用水凝胶

因为水凝胶具有优异的生物相容性及生物功能性，所以在生物医学领域具有巨大的应用潜力，接下来将介绍几种在生物医学领域中常用的水凝胶。

2.1 天然水凝胶

2.1.1 壳聚糖类 壳聚糖是制造水凝胶使用最广泛的材料之一。通常将脱乙酰度在55%以上的甲壳素或者在稀酸中部分溶解的甲壳素概括称为壳聚糖[11]。它作为一种正离子多糖有优良的抗菌性[12]，并且可生物降解，具备优越的生物相容性。这些性质使壳聚糖在医疗领域中广泛应用，如受控药物的递送、组织工程、骨再生材料以及抗微生物剂等[13]。

壳聚糖水凝胶可通过物理交联或化学交联获得。单纯的壳聚糖水凝胶就是一种简单的物理水凝胶，但它只能溶于弱酸，并且在酸性溶液中会发生降解[11]，这种特殊的溶解性为其应用带来了一些限制，Chenite等[14]在低温条件下，通过添加β-甘油磷酸(β-Gp)增加了壳聚糖的稳定性，β-Gp与氨基以静电结合的方式结合，减弱了壳聚糖分子上静电排斥作用，同时多羟基化合物能保护大分子物质中的水，在这两种作用的综合影响下，壳聚糖即使处在中性条件下也不会发生沉淀。因此，CS/β-Gp水凝胶系统也成为最为常用的温敏水凝胶。然而，该系统存在机械强度不足和凝胶化时间长等问题，需要进一步的改进[15]。研究者通过添加NaHCO3使凝胶化时间从10 min减少到3 min，此时pH值为7.25，水凝胶的强度也得到显著增强[16]；很多研究者也通过化学交联使壳聚糖分子由简单的线性结构变为更加复杂稳定的网络状结构来增强机械强度，Xu等[17]使用京尼平作为大分子的交联剂，把儿茶酚的官能团交联到壳聚糖的骨架上得到了儿茶酚改性的壳聚糖水凝胶，并且体内外试验还表明这种水凝胶具有良好的黏膜黏附性，这在口腔给药上具有巨大的应用潜力。

随着许多新的纳米结构物质的开发，壳聚糖潜在应用也在不断增加[18]，结合纳米材料进一步拓宽壳聚糖的应用可能是下一步研究者们需要集中的方向。

2.1.2 透明质酸类 透明质酸是一种天然的非硫化糖胺聚糖，在所有脊椎动物体内普遍存在，也是细胞外基质的主要组成成分之一，具有良好的生物相容和较低的免疫原性，能够调节炎症反应，促进血管生成、行动和迁移等，这些性质使透明质酸被广泛应用于抗癌、眼科、外科等医学领域[19]。

此外，透明质酸具有高保水性和独特的流变学特性，在水溶液中，它的长分子链由于纠缠运动可扩展为随机的线圈状[20]，从而占据大量的流体空间，形成具有高度黏弹性的凝胶。得益于上述优点，基于透明质酸的水凝胶已被广泛应用于生物医学及制药领域。

透明质酸水凝胶可通过物理交联或化学交联获得，在透明质酸分子中，交联反应官能团主要为羟基和羧基。羟基可以在环氧化物、戊二醛、甲醛、二乙烯砜等交联剂存在时，相互之间交联形成醚键从而凝胶化；羧基通常与特定物质发生交联形成酯类或胺类。Collins等[21]在20 ℃下利用二乙烯砜、戊二醛与透明质酸交联来提高透明质酸凝胶的机械性能和降解速率，从而成为适合于组织工程的多孔支架材料。Illgen等[22]在碱性环境下采用聚环氧化合物作为交联剂使环氧丁烷与透明质酸发生交联，在水中得到一种不溶性的透明质酸水凝胶，这种水凝胶可在某些眼科手术中作为眼球玻璃体的替代物。

透明质酸水凝胶突出的生物安全性、保水性及黏弹性等性质使其在生物医学领域应用广泛，但要想拓宽深入透明质酸在生物医学领域的应用，应在其分布、理化性质、生物学活性等方面进行更加广泛而深入的研究[23]。

2.1.3 海藻酸类 海藻酸盐是从褐藻或细菌中分离出的一种天然多糖。它具有极好的生物相容性，主要是因为它的结构与天然的细胞外基质相似，因此被广泛用于组织工程[24]。制备海藻酸盐水凝胶最常见的方法是通过海藻酸盐与促进水凝胶交联的二价阳离子相互作用，它们之间可以发生自由基聚合或电极反应。海藻酸盐是可生物降解、非抗原性的，并经美国食品和药物管理局(FDA)批准供人类使用。海藻酸盐的机械性能和凝胶性能可以通过与其他材料的偶联、特定配体(如肽和糖分子)的固定化以及交联来实现[25]。Dhingra等[26]将明胶、甘油、银纳米颗粒溶液(2.5、5、7.5和10 μg/mL)、戊二醛和海藻酸钠溶液混合制作了新型黏膜黏附银纳米颗粒局部给药系统，在保持稳定性的基础上显示出有效的抗铜绿假单胞菌活性，可作为种植体周围炎的局部用药。然而，海藻酸盐也存在一些缺点，如高亲水性会影响细胞的黏附和增殖，这也局限了它用于细胞传递；此外，商业海藻酸盐含有大量杂质，对人体有不良反应。因此，生物医学应用需要我们研究出更进一步的纯化工艺。

2.2 人工合成水凝胶

2.2.1 聚乙二醇(PEG) 聚乙二醇是一种合成聚合物，由于其独特的亲水性、生物相容性和生物降解性等特性，它在可持续和可控释放系统的设计和制备方面应用广泛[27]。然而，聚乙二醇基水凝胶本身具有生物惰性，不能为细胞的生存、黏附和生长提供理想的环境。为了克服这一缺点，一些研究已经将聚乙二醇水凝胶与天然聚合物或生物活性分子结合在一起。Chow等[28]使用聚乙二醇丙烯酸酯与聚乙二醇二硫醇共聚，开发了一种机械性能类似于正常心肌的可降解水凝胶。虽然PEG水凝胶在药物的递送和控释方面显示出独特的优势，但如何进一步优化其负载药物在作用靶点的有效释放及减少制作成本是接下来需要进一步研究改善的[27]。

2.2.2 聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm) PNIPAAm拥有可调节的结构、热敏性和低毒性等优异特性，同时在室温下具有可注射性，是常用的热敏型水溶性均聚物[29]。PNIPAAm基水凝胶已被广泛用于组织工程和支持细胞共培养，它主要通过化学交联获得。尽管基于PNIPAAm的系统在生物领域应用上有许多显著的优点，但生物相容性差和机械性能弱仍然限制了它的广泛应用，研究者们通过选择不同的合成溶剂、交联方法和制造策略来进行改善。例如Xia等[30]将Ⅰ型胶原与可生物降解的聚甲基丙烯酸羟乙酯共聚物和聚己内酯共聚物偶联，开发了一种可生物降解的聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)-丙烯酸(AAC)-聚己内酯(PCL)共聚物，他们发现AAC调整了低临界溶液温度，而HEMA-PCL显著提高了水凝胶的生物降解性。这些策略可以成功地提高PNIPAm基水凝胶的机械强度，赋予其更高的生物相容性和生物降解性，并且引入多刺激响应，最后实现多药物包封率和更高的载药量以及控释，从而极大地促进了PNIPAM水凝胶的实际应用[31]。

3 生物医学领域的应用

3.1 组织工程

组织工程是20世纪90年代初生物工程突破的结果[32]，目的是修复由于基因突变、先天畸形、衰老、疾病或损伤而导致的体内功能障碍组织。组织工程方法的重点是通过细胞修复和产生新组织，支架支持和引导细胞，以及生物分子调节细胞活动来共同修复组织[33]。水凝胶具有富含水的三维结构，这种结构类似于组织中的天然细胞外基质。因此，水凝胶可用于组织工程。在组织工程应用中，水凝胶可以容纳细胞并提供机械支持。水凝胶温和的凝胶化条件和原位聚合能力使它不仅能够包裹细胞和生长因子，还可以控制释放生长因子和其他制剂，这对于细胞迁移、分化、血管生成和新组织生成至关重要。目前，各种类型的水凝胶已被用于重建缺损的骨软骨界面或关节软骨组织[34]，海藻酸盐水凝胶已被证明可以支持被包裹的软骨细胞的生长和增殖，以及维持软骨形成的表型。在体外培养软骨细胞21～28 d后，随着软骨基因表达的增强，形成了Ⅱ型胶原和聚集素[35]。Pan等[36]设计并制备了可注射多功能的仿生多糖水凝胶并且在水凝胶体系内引入纳米羟基磷灰石颗粒后，得到了水凝胶/羟基磷灰石(GH)支架的复合支架。大鼠拔牙后下颌切牙注射GH材料，4周后新骨面积增加50%以上，牙槽嵴增加60%以上伤口软组织在1周内愈合。这种优化的GH支架有效地促进骨骼和软组织再生，有望用于美学领域的牙槽位保存，为临床骨缺损修复提供新思路。

3.2 药物载体

传统的给药方法受到全身毒性和重复给药有关的问题的困扰。水凝胶作为药物载体，可以将这些不利因素降至最低，并且在为易降解的药物提供保护的同时优化药物的治疗效果。

3.2.1 水凝胶载体的药物控制释放机制 水凝胶负载药物的控制释放主要通过三种方式：扩散控制、溶胀控制和化学侵蚀控制。扩散控制是描述药物从水凝胶中释放的最广泛的机制，它是药物通过简单扩散的方式进入药物作用区域；在药物扩散的同时，水凝胶也会发生溶胀，当药物扩散速率高于水凝胶的溶胀速率时，就会发生溶胀控制释放[37]；化学控制释放主要发生在药物与水凝胶发生化学结合的传递载体中，最常见是通过水解或酶降解导致聚合物链断裂，或者聚合物网络与可释放药物之间发生可逆或不可逆反应，进而使药物释放，在这种情况下，水凝胶的表面或整体侵蚀及药物与水凝胶的结合平衡系数将控制药物的释放速率[38]。

3.2.2 水凝胶作为药物载体的优势 水凝胶的高含水性和渗透性使水凝胶能够高效负载药物。随着刺激响应型水凝胶的发现与制备，药物的“智能”和“受控”释放也成为可能。研究者们通过物理或化学方式将药物结合到水凝胶的三维网络中，在特定的环境刺激下水凝胶可以发生溶胀或者化学键的断裂，进而使药物在指定环境背景下释放并在较长时间内保持活性药物成分的高局部浓度，何丽华等[39]通过反相微球乳液技术制备了葡萄糖基水凝胶纳米微球，并以此为载体，通过交联剂聚乙烯亚胺的静电吸附作用包载了8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS)，研究发现该葡聚糖纳米水凝胶可对HPTS进行有效负载，且其释放行为具有明显的酸性环境敏感性，酸性越强，释放越快。

很多水凝胶具有生物靶向性，例如透明质酸水凝胶对于肿瘤细胞表面过度表达的CD44具有高亲和力，这使透明质酸水凝胶拥有作为抗癌药物载体的巨大优势[40]，Yu等[41]通过静电作用在载阿霉素纳米凝胶表面涂覆透明质酸。体外观察到制备的透明质酸包被的载阿霉素纳米凝胶相比裸载阿霉素纳米凝胶具有较高的靶向特异性和较低的细胞毒性。类似地，很多水凝胶对于口腔黏膜具有高黏附性，这种黏附性可以为制备口服药及口腔用药提供理论支持。

Pagano等[42]将热敏聚合物(PF127)与黏膜黏附聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羧甲基纤维素钠(NaCMC)、壳聚糖(CS)混合制备并确定最佳剂型后加载模型药物盐酸苄达明用于口腔黏膜炎的局部治疗，基于25.50% PF127、0.20% PVP和0.35% CS的水凝胶在加载后保持其原始特性的同时显示出优良的黏膜黏附性和持续性的药物释放，它能够显著减少每日给药次数并保护受损黏膜免受机械和化学刺激。

另外，水凝胶的亲水性赋予了它一层天然的“隐形衣”，使它可以通过避开宿主免疫反应和降低吞噬活性来增加递送装置的体内循环时间。Missirlis等[43]开发了基于聚乙二醇的水凝胶纳米颗粒作为药物载体，这一方法利用了聚乙二醇的亲水性，防止了药物的酶降解。当与其他蛋白质疗法如肿瘤坏死因子结合时，这些聚乙二醇化的纳米颗粒也成为抗癌药物靶向输送的良好载体。

3.2.3 水凝胶作为药物载体需要克服的缺陷 首先，水凝胶亲水性的聚合物内核可能不适合容纳疏水药物。此外，很多水凝胶的抗张强度很弱，有时会导致药物在到达目标部位之前提前释放。因此提高疏水药物的搭载率及药物的精准释放是目前仍需改进的方向。

3.3 敷料

天然皮肤具有防止细菌入侵、有利于物质交换和抵御寒冷或热损伤等防御特性。理想的人工伤口敷料应该在发挥皮肤屏障功能的同时促进伤口愈合。水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子材料，由于其良好的生物相容性、有效的黏附性、抗菌性和高含水量(70%～95%)等优异的性能，在伤口敷料中显示出广阔的应用前景。Jin等[44]通过简单搅拌制备了壳聚糖杂化水凝胶，所形成的水凝胶紧贴人体皮肤，能快速止血，并且可以有效抑制细菌生长，从而加速伤口愈合。最近，研究者常将不同的生物材料和纳米结构加入到水凝胶中，以获得对伤口愈合具有新的有益效能的多功能水凝胶。一些水凝胶已与抗菌物质结合，如多臂硫代聚乙二醇与硝酸银(AgNO3)协同交联制备的水凝胶，它在体外显示出抗菌和促进血管生成活性[45]。Arafa等[46]使用壳聚糖基水凝胶包裹红甘蓝提取物，从而获得一种灵敏的医用pH敏感创面敷料。

3.4 3D细胞培养

体外细胞培养是再生生物学和临床前评估中不可缺少的部分。传统的二维(2D)细胞培养因其简便、经济等优点而受到广泛应用。尽管有这些优势，但2D支架不能模拟活体细胞的实际生长条件，细胞可能会在2D条件下改变其新陈代谢方式和基因表达模式，并且会发生贴壁抑制。因此，对于设计一种用于细胞培养的功能性三维(3D)结构的需求持续存在。水凝胶的高含水量、生物相容性以及类似于细胞外基质的特性使它具有应用于3D细胞培养的潜力。用于细胞培养的水凝胶通常需要具备以下条件：①在生理条件下易于处理；②与天然组织相似的机械性能；③微观和宏观层面的均匀性；④与细胞长期培养的兼容性；⑤匹配不同细胞类型的可能性；⑥可用于分析的光学透明度[47]。Alshehri等[48]制备了用于支持人骨髓间充质干细胞(HMSCs)生长和成骨分化的自组装四肽支架。这些四肽可以迅速固化成类似细胞外基质的纳米纤维水凝胶，并为细胞提供具有合适机械性能的三维(3D)环境，该水凝胶具有生物相容性，可以促进细胞迁移、成骨分化和血管生成。在该水凝胶中培养的细胞显示碱性磷酸酶(ALP)产量增加，成骨标志物表达增强。

4 总 结

水凝胶是在水溶液中通过化学和/或物理交联而形成的三维网络聚合物。它们的高含水量，良好的生物相容性可使周围细胞的炎症反应最小化，因此，水凝胶具有应用于生物医学领域的巨大潜力。此外，天然水凝胶常具有生物功能性，且来源丰富，具有绿色环保的优点，如透明质酸具有免疫调节、抗菌、抗氧化等特性，壳聚糖具有抗炎抗氧化的作用；而人工合成水凝胶的结构和功能可以根据应用需要进行调节，这些优势使水凝胶近些年受到很多生物医学领域的研究者们的青睐，无论是在组织工程中还是作为药物载体，它都显示了独特且明显的优势。但是，很多水凝胶机械强度不足且缺少体内临床试验和高效安全的灭菌方式，因此要想实现更多水凝胶产品的临床转化，这些问题都需要研究者们进行进一步的探索。