《醫用可降解水凝膠材料》以組織工程和再生醫學為應用背景，分別介紹離子交聯、熱致相轉變、堿基配對、分子特異性識別、共軛反應、自由基聚合和酶反應等醫用可降解水凝膠材料的制備技術和交聯原理。簡單介紹醫用可降解水凝膠材料已經取得的一些科研成果，重點闡述可注射型組織工程支架材料和藥物載體材料的制備、改性和應用，其中的許多原則和技術也適用于其他生物材料和再生醫學材料的設計和制備。
高等院校生物材料、高分子材料、材料學、生物醫學工程、藥物合成等專業的工程技術人員、研究生、本科生，臨床相關專業的醫療科研人員。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 醫用水凝膠 1
1.2 醫用可降解水凝膠 1
1.2.1 基體材料 2
1.2.2 交聯機理 2
1.3 醫用可降解水凝膠的應用 5
1.3.1 細胞支架 5
1.3.2 藥物載體 6
參考文獻 9
第2章 離子交聯型水凝膠 10
2.1 交聯原理 10
2.2 水凝膠 12
2.2.1 Alg/HAp水凝膠 12
2.2.2 Alg/HAp/GMs水凝膠 19
2.3 微凝膠 26
參考文獻 30
第3章 熱致相轉變水凝膠 31
3.1 凝膠原理 31
3.2 溫敏透明質酸水凝膠 32
3.3 嵌段共聚水凝膠 39
參考文獻 41
第4章 堿基配對水凝膠 42
4.1 堿基配對交聯原理 42
4.2 可注射水凝膠 43
4.2.1 聚乙二醇水凝膠 43
4.2.2 纖維素與肝素水凝膠 48
4.3 微凝膠 51
4.3.1 透明質酸微凝膠 52
4.3.2 磁性多聚糖微凝膠 53
參考文獻 58
第5章 分子特異性結合水凝膠 59
5.1 原理與分類 59
5.2 配體與受體 60
5.3 DNA促旋酶與香豆霉素 61
5.3.1 微凝膠材料 61
5.3.2 活性表面材料 63
5.4 葡萄糖與伴刀豆球蛋白A 67
5.5 生物素與結合素 72
5.6 肝素與肝素結合蛋白 76
參考文獻 80
第6章 席夫堿交聯水凝膠 82
6.1 席夫堿反應機理 82
6.2 氧化透明質酸的應用 83
6.2.1 殼聚糖與透明質酸水凝膠 83
6.2.2 葡萄糖響應性水凝膠 87
6.2.3 地塞米松接枝水凝膠 88
6.3 氧化海藻酸鈉的應用 91
6.3.1 海藻酸鈉與殼聚糖水凝膠 91
6.3.2 微球填充水凝膠 99
6.4 氧化硫酸軟骨素的應用 108
6.4.1 硫酸軟骨素與殼聚糖水凝膠 109
6.4.2 明膠微球填充水凝膠 115
6.5 氧化纖維素的應用 122
6.5.1 纖維素/殼聚糖水凝膠 122
6.5.2 微球復合水凝膠 132
6.6 氧化葡聚糖的應用 142
參考文獻 143
第7章 第爾斯-阿爾德加成水凝膠 145
7.1 交聯原理 145
7.2 透明質酸水凝膠 145
7.3 地塞米松在水凝膠中的固定 149
7.4 透明質酸微凝膠 154
參考文獻 159
第8章 點擊化學水凝膠 160
8.1 交聯原理 160
8.2 銅催化交聯水凝膠 160
8.3 無銅催化交聯水凝膠 166
8.4 無銅點擊化學微凝膠 174
參考文獻 176
第9章 自由基聚合水凝膠 177
9.1 機理和類型 177
9.2 光引發交聯水凝膠 178
9.3 熱引發交聯水凝膠 182
參考文獻 187
第10章 化學助劑交聯水凝膠 188
10.1 化學交聯劑的類型 188
10.2 京尼平交聯水凝膠 188
10.2.1 聚乙二醇水凝膠 188
10.2.2 透明質酸水凝膠 192
10.3 戊二醛交聯微凝膠 195
10.3.1 明膠微凝膠 196
10.3.2 羧甲基殼聚糖微凝膠 201
參考文獻 205
第1章 緒論
1.1 醫用水凝膠
水凝膠是親水性聚合物交聯網絡經水溶脹形成的一種材料形態，是少量的親水性大分子與大量水的結合體，其中親水性大分子之間有適度的物理或化學交聯，能夠保持水凝膠的固態結構。這些聚合物網絡中有親水的基團或區域，對水有高親和力，可以吸收和保存大量的水。由于它們有交聯網絡，因而不會溶解，水可以滲透到聚合物網絡的分子鏈之間，從而導致溶脹。從流體力學來看，低濃度親水性高分子的水溶液，如果沒有鏈段的纏繞，通常表現出牛頓力學行為，高分子鏈之間交聯之后，網絡結構就會表現出黏彈性或純粹的彈性。
醫用水凝膠的特性在于較高的水分含量和生物相容性，是生物材料中的重要應用種類。早的應用是將天然高分子膠原制成水凝膠支架，用作燒傷的敷料和人工皮膚，后來隨著組織工程的興起，以天然高分子為基體的水凝膠支架隨即成為包裹細胞的研究熱點。水凝膠作為理想的細胞支架和藥物載體，有望用于修復和誘導再生多種組織和器官。目前，醫用水凝膠已在生物和醫學領域得到廣泛應用，的進展包括新型水凝膠的合成及其在藥物輸送、組織工程和再生醫學方面的應用。
醫用水凝膠材料按其生物性能可分為非生物降解和可生物降解兩大類。非生物降解水凝膠材料在生物環境中能長期保持穩定，不發生降解、交聯或物理磨損等，并保持良好的力學性能。該類材料應要求其本身生物相容性好，不對機體產生明顯的毒副作用，主要用于止血材料、藥物釋放、人體軟/硬組織的填充和替換等。
1.2 醫用可降解水凝膠
醫用可降解水凝膠，是指水凝膠在植入人體后經過一段時間能被逐漸分解或降解成無毒的小分子物質并被排出體外，或者是被人體代謝和吸收。對這類材料的基本要求是生物相容性良好、高分子本身和降解產物均無毒，同時，要具有與應用匹配的降解速度、適當的物理力學性能及可成型性。
1.2.1 基體材料
醫用可降解水凝膠基體材料豐富多樣，主要包括天然高分子和合成高分子。這兩類材料各有優缺點，通常天然高分子的細胞相容性較好，而合成高分子的機械力學性能較好。
天然高分子是由生物體內提取或自然環境中直接得到的一類大分子，具有良好的生物相容性和可降解性。天然高分子一般不具備足夠的機械性能和加工性能，某些蛋白類材料還會在體內引起異體免疫反應，因而在醫學中應用更多的是經過化學改性的衍生物或與其他材料的復合物。天然高分子材料往往具有良好的生物安全性和生物相容性，但是，天然高分子材料的降解速率一般都太快，而且因其來源不同，結構與性能存在批次間的差異。
用于制備水凝膠的天然高分子材料為動物體的細胞外基質(ECMs)的主要組成以及其他一些生物體的提取物，主要為多聚糖和蛋白類材料，此外還包括一些生物合成聚酯。多聚糖材料主要包括甲殼質(chitin)、殼聚糖(chitosan)、海藻酸鹽(alginates)、透明質酸(hyaluronic acid)、肝素(heparin)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate)、改性纖維素(cellulose)、瓊脂(agar)、淀粉(starch)及葡聚糖(dextran)衍生物等。蛋白類材料主要包括膠原(collagen)、明膠(gelatin)、血纖蛋白(fibrin)和蠶絲蛋白(silk protein)。合成高分子中研究多的是聚乙二醇(PEG)，另外常見的還有聚氧化乙烯(PEO)、聚反丁烯二酸丙二醇酯(PPF)、聚乳酸和聚己內酯等嵌段共聚物。
1.2.2 交聯機理
水凝膠的形成，是采用適當的物理或化學方法，將前驅物或大分子單體在較短的時間內交聯固化成為三維材料。通常，水凝膠轉變體系在交聯之前是黏度相對較低的水溶液，但是在一定的生理學條件下交聯后會迅速轉變成凝膠。因此，交聯固化機理直接影響整個凝膠形成過程的動力學、水凝膠的穩定性以及活性物質在凝膠中的狀態。目前，醫用可降解水凝膠的交聯固化方法主要有離子交聯、氫鍵作用、熱致相轉變、特異性結合、自由基聚合、共軛反應、分子自組裝和酶反應等交聯手段。此外，采用添加化學交聯劑的方法，如戊二醛(GA)、水溶性碳二亞胺(EDAC)、京尼平等，也可交聯制備可降解水凝膠，但由于交聯劑具有細胞毒性，因此這類水凝膠不具備原位包覆細胞價值。表1-1中列舉了部分近來報道較多的醫用可降解水凝膠材料。
表1-1 醫用可降解水凝膠材料的交聯機制
離子交聯是指帶電荷的聚合物與帶有相反電荷的多價離子或聚合物作用，通過離子鍵合作用形成水凝膠。某些天然多糖及其衍生物是高分子聚電解質，采用離子引發交聯可以形成凝膠，并且產生特殊的刺激響應性，如pH等。海藻酸鹽是一種天然衍生多糖，其水溶液通過與二價離子(如Ca2+)的相互作用呈現出可逆凝膠化反應，這些陽離子與海藻酸鏈上的古羅糖醛酸單元相互作用形成離子鍵橋，即所謂的"蛋盒結構"。海藻酸凝膠是被廣泛用作細胞外基質類似物的支架，具有良好的生物相容性，有利于體外細胞的培養，有希望成為一種商品化的可注射型軟組織修復用生物材料。
熱致相轉變主要是指聚合物溶液通過溫度的改變形成凝膠，當溫度變化時，聚合物分子鏈的物理纏結形成交聯網絡結構。這種水凝膠的形成不需要其他化學試劑的引發，可以以液體的形式注射于體內，原位固化，并且它們的交聯點溫度可通過調節接近體溫，大大降低了外界物質對細胞的影響。熱致相轉變水凝膠的典型代表為N-聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和普朗尼克(Pluronic，PEO-PPO-PEO)。較為普遍的做法是將PNIPAAm和Pluronic以共聚物或化學接枝的形式與可降解聚合物結合，得到具有良好可控注射和細胞活性的溫敏型水凝膠支架。熱致相轉變水凝膠的共同特征是有親/疏水基團的共存，疏水基團包括甲基、乙基、丙基等。水凝膠在低溫時為液體，當溫度升到一定值時形成凝膠，存在臨界溶解溫度(LCST)。低于LCST時，焓變起主導作用，分子鏈中的極性基團與水分子形成氫鍵使聚合物溶解在水中；當溫度高于LCST時，熵變(疏水作用)起主導作用，疏水的異丙基在轉變中發生脫水，導致聚合物分子在水中的沉淀，但其分子鏈中大量的羰基仍然能與水分子形成氫鍵。因此，溫度高于LCST時，水凝膠的形成主要是由于疏水作用導致分子鏈聚集形成交聯網絡。這類熱致相轉變水凝膠體積會隨溫度而變化，在LCST附近體積會突然收縮或膨脹，即發生溶膠相到收縮相的體積轉變。目前組織工程領域的研究，主要集中在PNIPAAm共聚物上面，尤其是作為細胞和生長因子的載體的研究；而Pluronic對細胞包載的機械性能，可通過將Pluronic的物理凝膠機制與化學固化結合來進行調節。
共軛反應或偶聯反應交聯的可注射水凝膠成為研究熱點，主要包括邁克爾加成(Michael addition)、席夫堿(Schiff base)反應、第爾斯-阿爾德(Diels-Alder)加成反應和點擊化學(click chemistry)等。此類交聯過程可在溫和條件下進行，且整個凝膠化過程不需要添加不利于細胞生長的化學助劑，因此應用于組織工程具有很大的優越性。與物理交聯水凝膠不同，共軛反應交聯水凝膠不會發生溶液-凝膠相轉變，因此不會有明顯的體積變化，這將有利于用于器官缺損的填補。其中，席夫堿反應(醛基與氨基縮合形成酰胺鍵)是簡單易行的交聯水凝膠的方法。許多分子中含有相鄰羥基基團的多聚糖，如海藻酸、硫酸軟骨素、透明質酸和纖維素等，都可以被高碘酸鹽氧化來制備此類水凝膠材料。例如，通過席夫堿反應交聯的水溶性殼聚糖-透明質酸復合水凝膠支架材料具有較高的細胞活性。采用高碘酸鈉使透明質酸部分氧化得到含醛基的透明質酸，與含有大量氨基的水溶性殼聚糖充分混合形成可原位自交聯的水凝膠支架材料。該水凝膠的凝膠時間、降解、溶脹和壓縮模量等性能可通過不同殼聚糖和透明質酸的濃度和配比進行調節。
自由基聚合交聯是使帶有不飽和或光敏性官能團的前驅物在熱或者光作用下發生自由基聚合或交聯形成共價鍵交聯水凝膠。自由基的產生主要通過添加熱引發劑或者光引發劑，引發大分子單體上的官能團進行聚合和交聯。熱引發聚合中，官能團一般是C=C雙鍵，主要采用氧化還原引發體系。氧化還原引發劑水溶性較好，活性較高，但氧化還原體系不可避免地會引起整個水凝膠體系的pH的變化，并且其副產物可能會影響細胞的存活和生長，所以引發體系的選擇至關重要。軟骨組織工程中常用的有過硫酸銨/四甲基乙二胺(APS/TEMED)和過硫酸銨/抗壞血酸等，主要用于接枝雙鍵的高分子及其衍生物的交聯。因此，該凝膠體系需注意引發劑種類的選擇、引發劑及副產物的生物毒性、聚合中溫度和pH的變化。光引發聚合中，含光敏性官能團(如疊氮)的前驅物可在UV照射下直接聚合；含雙鍵官能團的前驅物可通過加入光引發劑(如I2959)后在UV照射下聚合。光引發聚合速率相對較快，而且副產物較少，但須嚴格控制UV的照射強度及照射時間、光引發劑濃度以及反應時的溫度變化。熱引發聚合與光引發聚合比較，后者聚合速率快，對細胞影響較小，但由于UV的透過率有限，不能用于較深組織的修復，而前者無此限制。自由基交聯形成的凝膠為共價鍵交聯，凝膠結構比較穩定，強度較高，而且反應可控制性較好，易于手術中的操作，但由于需其他物質參與，并伴有化學反應，因此對細胞的影響較大。通過對引發體系各項參數的優化及其他操作條件的嚴格控制，能夠降低或消除體系對細胞的影響以滿足組織工程的需要。通常采用自由基聚合交聯的水凝膠支架的機械性能比較優異，這正是軟骨修復應用中所希望的特性之一。采用不同類型、濃度的引發劑以及不同交聯劑的比例，交聯聚合物具有顯著不同的特性，其中交聯劑的比例影響交聯密度，從而影響終的機械性能。特別需要注意的是，固化時間的控制必須要符合臨床上的應用，以避免水凝膠固化時間不當引起注射材料周圍組織的壞死。
1.3 醫用可降解水凝膠的應用
醫用可降解水凝膠材料主要用于細胞、藥物和基因載體材料，按材料形態可分為大尺寸水凝膠、可注射型水凝膠、微凝膠材料等。
1.3.1 細胞支架
醫用可降解水凝膠重要的應用是作為可注射型細胞支架，用于組織工程和再生醫學領域。通常情況下，細胞體外培養的環境無法模擬人體內部的細胞生長環境，因而細胞在體外培養時很容易喪失其功能性的表達，不能進行正常的基質分泌、分化和增殖。水凝膠有利于營養物質和細胞分泌產物的運輸，能夠為細胞的分裂與分化提供更接近于天然細胞外基質的化學與物理環境。
從臨床使用的角度考慮，水凝膠支架可通過注射的方法植入所需部位，在一定條件下原位形成三維支撐體，避免了創傷性的外科手術，降低了手術難度，更容易被患者所接受。用于臨床治療時，將細胞懸浮于液態支架前驅體組分中，混合后直接注射到缺損部位，支架在體溫下可快速原位成型，細胞可以均勻分布在整個水凝膠支架中。因其高含水量、生物相容性和機械性能類似天然軟組織，類似體內環境的特質更有利于細胞的分化和功能表達，使得水凝膠在組織工程應用方面特別有吸引力。此外，水凝膠尤其適合填補任意形狀的缺損，其物理形態和人體軟組織接近，可用于向細胞傳遞信號，作為細胞生長和功能的支持結構，為缺損空間提供填充。
用于臨床治療時，水凝膠既可以直接植入體內作為組織的替代材料，也可在水凝膠交聯之前將細胞懸浮于液態前驅體組分中，混合后直接注射到缺損部位，然后在體溫下快速原位交聯成型。所需營養由體液交換提供，細胞可滲透其中進行生長，終修復受損的組織。圖1-1為水凝膠材料作為細胞支架在組織工程中的應用示意圖。
圖1-1 可注射型水凝膠材料在組織工程中的應用示意圖
水凝膠支架的物理參數包括機械強度和降解等，而生物特性包括生物相容性和提供與生物相關的微環境的能力。由于水凝膠支架要負載細胞和細胞生長因子，因此注射后溶液凝膠化的條件必須是溫和的。作為組織工程支架，還需考慮可注射型水凝膠的機械性能。對于軟骨和骨等承重組織，支架需具有足夠的機械強度以支撐所修復的組織，
