高分子材料水凝胶在医药领域的主要应用

水凝胶在医药领域的主要应用

李熊

（云南大学化学科学与工程·药学院，制药工程）

摘要：水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。由于水凝胶具备高亲水性、渗透性、生物相容性和低摩擦系数，因此水凝胶在医药领域具有广泛的应用前景。本文介绍了水凝胶在医药领域的一些主要应用及前景。

关键词：水凝胶、医药、应用、制备

一、前言

水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物，是一种轻度交联的三维空间高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，吸收大量的水而不溶于水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。

水凝胶除了具备上述优良的应用特性外水凝胶还具备其特殊的环境响应性。近年来，许多研究表明，水凝胶在一些环境因素，如离子、电场、介质、温度、pH值、光、应力、磁场等变化时，水凝胶的形状、光学、渗透速率等理化性质会随环境因素的变化发生突跃型可逆性的响应。这一特性，特别是水凝胶在温度及PH影响下发生的响应性变化，已然成为医药领域功能性高分子的一大研究热点。

二、水凝胶在医药领域主要应用

2.1药物控释领域

水凝胶具备传递药物分子的孔道，并且在不同的生理环境会有不同的响应，适合作为水溶性药物及不抗胃肠道蛋白酶分解药物的载体。

温度敏感型水凝胶是一种随环境温度变化而发生可逆性收缩-膨胀的智能水凝胶，当温度比温度敏感型水凝胶的体积相变温度高或者低时，水凝胶处于收缩或者膨胀状态，在低温时将浸入药物溶液中，水凝胶吸收药物溶液膨胀，在高温时，水凝胶收缩向外挤出药物溶液，使得药物得以定点释放。为避免药物服用后通过水凝胶的孔道扩散，并且在升温后药物释放速度极快，Hoffman等[1]在水凝胶原料聚合物链上引入疏水基团，温度高于水凝胶的体积相变温度的时候，水凝胶表面收缩形成一层薄而致密的疏水层阻止药物向外释放，当温度低于体积相变温度时，水凝胶膨胀，疏水层也随水凝胶的体积膨胀而消失，药物从而以自由扩散的形式向外恒速释放。借由上述机理，可制成用于药物控释的智能开关释放系统。类似与温度敏感型水凝胶，PH 敏感型水凝胶也可制成药物控释制剂，甚是可以制成PH温度双重敏感型的水凝胶[2]，以及制成多层水凝胶，不同层的水凝胶具有不同的环境响应性，从而控制药物的释放时间、速度和位置。

2.2组织工程领域

组织工程的关键在于制备具备生物相容性且可以生物降解吸收的细胞支架。由于水凝胶网络中充斥有大量的水分，使得整个材料具有一定的流变学特性，这与充盈有大量水性液体的机体组织极其相似。柔软、润湿的表面及其组织的亲和性大大减少了材料对周围组织的刺激性，使得水凝胶聚合物具

有良好的生物相容性。选用合适的材料制备水凝胶即可使水凝胶能够降解吸收甚至直接排出体外。

Gavenis 等[3]设计了一种无须细胞的Ⅰ型胶原蛋白胶塞，它可以促进周围的软骨细胞向组织材料迁移，观察其免疫组化发现迁移的软骨细胞可以在此类型水凝胶上生长并分泌Ⅱ型胶原蛋白，这一发现提出了在软骨缺损处应用单纯材料诱导缺损周围软骨细胞迁移修复软骨的可行性。Paige等[4]利用海藻酸钙水凝胶作为可注射软骨细胞的载体，把刚从牛前肢取得的关节软骨细胞与海藻酸盐水溶液混合, 然后注射到无胸腺小鼠体内。6 周后，在注射部位附近取下新形成的组织，进行组织学的分析，免疫组织化学显示在海藻酸盐基质中有黏多糖和Ⅱ型胶原，Ⅱ型胶原的存在证实了透明软骨形成。

除了软骨细胞方向的组织工程应用，水凝胶亦可以作为内脏器官的组织修复组织。王海滨等[6]筛选了温敏性壳聚糖水凝胶与OPG水凝胶。研究发现以温敏性壳聚糖水凝胶为载体携带nt-ESC构建的可注射性工程化心肌组织具有良好的心肌损伤修复能力,此外,以温敏性壳聚糖水凝胶为载体携带bFGF心梗移植并取得了较好的修复效果,最后,以OPF水凝胶为载体携带ESC心梗移植验证了OPF水凝胶作为可注射性组织工程化心肌载体材料的可行性。

除了上述应用，在组织工程领域，水凝胶还可用于组织填充材料、创面敷料、角膜接触镜等许多方面。

2.3生物传感器

根据水凝胶的环境敏感性，将生物传感器物理元件与之连接，然后将生物分子固定在水凝胶表面或内部，便可得到生物传感器，用于诊断疾病或做日常监测。

曾宪东等[7]在丙烯酞胺单体中加入壳聚糖作为功能性聚合物,通过氧化还原反应引发聚合制得聚丙烯酞胺壳聚糖半互穿聚合物网络水凝胶,。紫外可见光谱研究结果表明固定于该复合物水凝胶中的血红蛋白能很好地保持其二级结构。电化学实验结果显示固定化的血红蛋白能成功地实现其直接电化学,并保持了很好的生物活性。张曦等[8]用丙烯酰胺和 3-丙烯酰胺基苯硼酸的共聚物（P(AAm-AAPBA)）和聚乙烯醇（PVA）制备了超薄

PVA/P(AAm-AAPBA)层层自组装水凝胶膜，在葡萄糖的作用下，部分苯硼酸酯键发生断裂，膜内交联密度降低，使膜发生溶胀。而膜的溶胀可以通过其反射光谱的Fabry-Perot 条纹的移动来进行表征。由于该薄膜的厚度为次微米级或微米级，所以它的响应速率非常快，其特征响应时间可达十几秒，葡萄糖浓度变化引起的溶胀和收缩都是线性可逆的。该水凝胶膜非常适于用作葡萄糖传感器，在对糖尿病人的血糖水平进行实时持续监控方面具有潜在的应用价值。

2.4化学医疗机械元件

不同的水凝胶之间进行复合，可设计制作成具备不同功能功用的化学机械元件。马骋等[9]通过乳液聚合方式制备的水凝胶聚合物微球用于三维紧密堆积的光子晶体的构筑，水凝胶聚合物光子晶体的光子禁带位置可以在很长的光区范围内被任意调节。并且在光子禁带的调控过程中衍射峰的半峰宽始终保持着较窄的状态。可以对 SCN-和其他离子进行区分，并且根据 SCN-浓度与光子禁带移动变化量的线性关系可以在较低浓度下对 SCN-进行标量和分析。

2.5血红蛋白氧气载体

血红蛋白具备极高效的载氧功能，纯天然的无基质的血红蛋白不能直接做血液替代品，采用纳米粒水凝胶包裹血红蛋白，既可以克服使用脂质体包封导致的释放过快、外壁过硬、流动不畅等弊端，同时具备膨胀收缩可控、装填能力高、机械性质稳定等特性。Andre F.Palmer 等[5]将BHb与pH敏感的PAm交联合成HBOC。这种pH敏感的HBOC可以