壳聚糖智能水凝胶研究进展

第24卷 第9期中 国 塑 料Vo l.24,N o.9 2010年9月C HINA PLASTIC S Sept.,2010

壳聚糖智能水凝胶研究进展

舒 静1,李小静1,赵大飙2

(1.东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318;2.大庆油田储运销售分公司,黑龙江大庆163455)

摘 要:概述了壳聚糖智能水凝胶的优点和发展状况,主要介绍了温度敏感型、pH敏感型、温度/pH双重敏感型壳

聚糖水凝胶的研究进展及应用,详细介绍了壳聚糖水凝胶在医学领域如药物释放、组织工程方面的应用。指出了目

前壳聚糖水凝胶存在的问题以及未来发展趋势。

关 键 词:智能水凝胶;壳聚糖;温度敏感型;pH敏感型;药物释放;组织工程

中图分类号:T Q321.4 文献标识码:A 文章编号:1001 9278(2010)09 0006 05

Research Progress in Chitosan based Intelligent Hydrogels

SH U Jing1,LI Xiaojing1,ZH A O Dabiao2

(1.Co llege of Chemistr y and Chem ical Engineering,N o rtheast Petr oleum U niver sity,Daqing163318,China;

2.Branch o f T r ansport ation and Sales,Daqing Oilfield,Daqing163455,China)

Abstract:Chitosan based intelligent hy dro gels including tem peratur e sensitiv e,pH sensitive,and

temperature/pH sensitive types w ere summarized w ith their m er its and sho rtcom ings analyzed.

The applications o f the chitosan based hydrog els in drug releasing and org anization engineering

were r ev iew ed.Finally,the cur rent problems and future development of chitosan based hydrog els

were presented.

Key words:intelligent hydrog el;chitosan;tem perature sensitive;pH sensitive;drug releasing;tis

sue engineering

0 前言

水凝胶是能显著溶胀于水但不溶解于水的一类亲水性高分子网络。根据对外界刺激的响应情况,水凝胶可分为传统水凝胶和智能水凝胶。所谓智能水凝胶就是能对外界环境(如温度、pH值、电、光、磁场、特定生物分子等)微小的变化或刺激有显著应答的三维交联网络结构的聚合物。由于它能够对外界刺激产生应答,具有智能性,极大地扩大了其应用范围。近年来对它的研究和开发工作异常活跃,成为当今研究的热点,尤其在生物医学领域有了快速的发展,已广泛用于细胞分离与培养、组织工程、固定化酶、药物的控制释放和靶向药物等领域。但大部分的研究工作还是集中在

收稿日期:2010 04 02

黑龙江省博士后落户基金(L BH Q09193)

联系人,shuj73@ 几种经典的智能水凝胶上,对于生物相容性好又可降解的天然高分子的研究甚少。与合成高分子相比,天然高分子水凝胶具有低毒性、良好的生物相容性、对环境敏感等优点。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物,属天然含氨基的均态直链多糖,含有游离氨基,反应活性和溶解性均比甲壳素强,具有对环境无污染、易降解、来源广泛、价格低廉等优点,且能够形成水凝胶,是一种可用于制备新型智能水凝胶很有潜力的原料。近年来,人们开始采用壳聚糖为原料来制备智能水凝胶并取得了一些令人关注的成果。以壳聚糖为原料制备的水凝胶将好于以传统原料如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等制备的水凝胶,会弥补传统水凝胶的不足,如不易降解、对环境有一定的污染性等,扩大智能水凝胶的应用范围。但壳聚糖水凝胶同时也存在一些不足,如力学强度差、性能不稳定、对环境敏感性不强,还有待于改善。

本文主要介绍了温敏型、pH敏感型、温度/pH双

2010年9月中 国 塑 料 7

敏型壳聚糖基智能水凝胶的研究现状,及其在生物医学领域中的应用,提出了存在的主要问题,对今后的发展方向和前景进行了展望。

1 壳聚糖水凝胶的研究现状

智能水凝胶根据其对外界的刺激响应性可分为温度敏感型、pH敏感型、电场敏感型、压力敏感型和多重敏感型等。壳聚糖中含有NH2和OH,可以和某些物质通过化学交联和(或)物理交联形成凝胶,对环境刺激产生相应的反应和应激性。其中,最常见、应用最广的壳聚糖智能水凝胶主要有3种,即温度敏感型、pH 敏感型、温度/pH双重敏感型水凝胶。

1.1 温度敏感型凝胶

温度敏感型水凝胶是指随着外界温度的变化而产生刺激响应性的智能材料。传统温敏水凝胶多采用丙烯酰胺为原料,这种物质有一定的毒性且不易降解。在使用过中可能给环境带来不良影响。壳聚糖具有生物相容性、可降解性等优点,因此,以壳聚糖为主要原料制备水凝胶正引起国内外广大学者的关注。

陈欢欢等[1]对壳聚糖/甘油磷酸盐体系通过化学交联和与聚乙烯醇(PVA)的物理交联,制备了一种能在体温下迅速成胶的温敏型水凝胶。两种交联方式的结果使得凝胶体系形成了互穿的网络结构,提高了凝胶的密度和强度。实验证明,交联剂和壳聚糖形成了Schiff!s键。这种具有紧密结构的温敏凝胶在原位温敏性可生物降解植入剂应用领域具有发展潜力。

曾蓉等[2]通过壳聚糖与甘油磷酸钠制备成温敏型水凝胶,采用变温核磁共振技术对这种凝胶体系的凝胶化过程进行跟踪研究。结果表明,壳聚糖中氢和磷酸甘油盐中磷的化学位移均随着温度的升高而变化。其中壳聚糖中氢的化学位移向高场移动,而磷酸甘油盐中磷的化学位移向低场移动。在凝胶温度附近,壳聚糖中H 2(D)的化学位移变化出现转折点,表明其所处的化学环境发生了突变。随着体系中磷酸甘油盐含量的增加或者pH值的增大,壳聚糖中H 2(D)的化学位移逐渐偏向高场,体系的凝胶温度则越低。由此提出壳聚糖/磷酸甘油盐温敏性水凝胶的凝胶机理是:随着温度的升高,壳聚糖通过氨基正离子与磷酸甘油盐形成的静电吸引被破坏,壳聚糖分子链间随之形成大量氢键而发生凝胶化。

H o等[3]以壳聚糖为主要原料分别制备了2种具有温敏性的可注型水凝胶,并研究了其物理和化学特性。研究发现,随着温度的升高,凝胶的敏感度降低,最低临界溶解温度(LCST)在34∀。将人骨髓中的干细胞培养在以水凝胶为载体的试管内,发现在凝胶中有软骨分化现象,并显示良好的温敏特性和生物相容性,这种温敏性水凝胶有望作为一种新型的可注入型生物材料,将会在医学领域有更好的应用前景。

为提高水凝胶的应用,可根据实际需要加入其他物质进行改性。Tang等[4]合成了含有羟磷灰石的壳聚糖/聚乙烯醇水凝胶。结果表明,加入羟磷灰石后,凝胶性能明显好于纯的壳聚糖凝胶,凝胶强度明显增强。通过考察不同羟磷灰石含量对蛋白质释放的影响发现,含有0.1mmo l的羟磷灰石的水凝胶的溶胀率最低,蛋白质释放速度最慢。这种水凝胶有望应用于蛋白质的控制释放、人造骨骼、以及组织工程支架等方面。

1.2 pH敏感型凝胶

水凝胶的pH响应性是指其溶胀或消溶胀随pH 值的变化而变化。水凝胶网络中一般含有可离子化的酸性或碱性基团,随着介质pH值的改变,这些基团会发生电离,导致网络内大分子链段间氢键的解离,产生不连续的溶胀体积变化[5]。壳聚糖因分子内含碱性NH2基团,可与H+结合或解离,以及相关氢键发生解离或形成,因而具有明显的pH敏感性。

宋鹏飞等[6]合成了pH敏感性壳聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝胶,研究了室温下该水凝胶在不同pH介质中的溶胀比。结果表明,pH>5时,壳聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝胶溶胀比很小;pH<5时,溶胀比急剧上升,且在pH= 1.5时达到最大值,凝胶在酸性溶液中的溶胀比远大于在碱性溶液中,且在不同pH溶液中重复可逆溶胀收缩。壳聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝胶对溶胀介质pH值变化具有良好的响应性,溶胀收缩过程可逆。这种良好的可逆性将会在药物释放、仿生材料、化学机械等方面发挥特殊作用。

王晓园等[7]用天然多糖壳聚糖和明胶也制备出了具有pH敏感性的凝胶。结果表明,该凝胶在碱性和酸性环境中均具有pH敏感性,在酸性溶液的溶胀比远大于碱性溶液中。当pH=3.0时,溶胀度最大;pH=9.0时,溶胀度最小,且在不同pH溶液中同样具有重复可逆溶胀收缩性。

近年来,改性壳聚糖在凝胶中的应用引起了研究者的兴趣和关注。林荣珍等[8]先将壳聚糖改性为壳聚糖硫酸酯(SCS),然后以戊二醛(GA)作为交联剂,制备了一种新型的水凝胶SCS水凝胶。结果表明,所制得的壳聚糖硫酸酯水凝胶对介质的pH值变化具有敏感性;当pH值在3~8.3范围内,随着pH值的增大,凝胶溶胀度减小;pH值在9~10范围内,随着pH