张碧君，邹祖豪，聂小琴，卢军联，付柯楠，黄永森，程 瑜，廖铭能

( 广东海洋大学化学与环境学院 ，广东 湛江 524088)

水凝胶(hydrogel)是一种天然的亲水性高聚物，一般由物理或化学交联而具有三维网状聚合物结构，在水中的溶解度低于百分之一，但具有溶胀性，亲水小分子可以在水凝胶中扩散，可以吸收大量水并保持其三维结构。按照水凝胶按照对外界刺激的响应性，水凝胶可分为两类：一类是环境响应型水凝胶(智能水凝胶)，这类水凝胶对环境的变化敏感，对不同环境引起的刺激有不同的应答；另一类是环境不响应型水凝胶(普通水凝胶)，这类水凝胶对环境的变化不特别敏感。智能水凝胶根据响应条件的不同可以分为温度敏感型、pH敏感型、光敏感型、电敏感型、磁敏感型等。由于水凝胶的这种智能性，故水凝胶可作为一种与外界环境交互的媒介，使其在生物组织等领域广泛应用，也成为近年研究的热点[1]智能水凝胶的发展状况。

温敏性水凝胶即对温度敏感的水凝胶，属于智能高分子凝胶的一种，主要由大分子主链、亲水基团和疏水基团组成，能在外界环境改变时根据刺激作出不同的应答而发生相变，多用于药物载体与组织工程[2]。温敏性水凝胶根据溶胀机理分为两类，一类是热胀温敏水凝胶，在温度低于相转变温度时呈收缩状态，温度高于相转变温度时呈膨胀状态；另一类是热缩温敏水凝胶，与热胀温敏水凝胶相反，当温度高于相转变温度时呈收缩状态，温度低于相转变温度时呈膨胀状态[3]。与传统水凝胶相比，温敏性水凝胶因其能随温度的变化发生“溶胶—凝胶”状态的改变，在药物控释、酶的固定化、细胞包封等领域具有明显的优越性。壳聚糖是由甲壳素脱乙酰制备而成的碱性氨基多糖，是一种在自然界中大量存在的物质，其结构由β-1，4糖苷键连接的N-乙酰氨基葡萄糖基团和氨基葡萄糖残基组成。因具有良好的生物相容性、低细胞毒性和可被生物降解等优点，壳聚糖被广泛应用于生物医学领域，常作为药物缓释体，在微球、微囊以及凝胶等缓释剂型中被广泛应用[4]。

1 常见壳聚糖温敏水凝胶

1.1 壳聚糖—甘油磷酸钠温敏凝胶

壳聚糖—甘油磷酸钠混合溶液是一种温敏性的溶液，能随着温度的改变发生相变，室温下能长时间保持液体状态，体温(37℃)下凝固为凝胶状。壳聚糖—甘油磷酸钠溶液的稳定性及粘度由壳聚糖的脱乙酰度决定，壳聚糖脱乙酰度越低，所制备得到的溶液越温度，粘度可以维持长时间不变[5]。Chenite等[6]利用利用甘油磷酸钠(Glycerophosphate，GP)中和壳聚糖( Chitosan，CS)后，得到pH值呈中性的壳聚糖-甘油磷酸钠复合物，其研究发现壳聚糖—甘油磷酸钠溶液的成胶速度主要依赖于壳聚糖的脱乙酰度，脱乙酰度越高，成胶速度越快，这是因为交联时甘油磷酸钠与壳聚糖的氨基更易发生连接。Ruel-Ganepy[7]等研究发现壳聚糖—甘油磷酸钠溶液的成胶速度与最终溶液的温度以及pH值有关，当低温或低pH值时凝胶过程变缓，成胶速度变慢。此外，CS/GP体系中加入适量戊二醛、聚乙烯醇改性而得到的壳聚糖溶液，当温度升高时形成半固体状凝胶时间更短。

1.2 壳聚糖接枝凝胶

由接枝法制备而成的壳聚糖温敏水凝胶多种多样，如Chung等利用耦合剂1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳化二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺将一种基于环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物接枝到壳聚糖上等[8]。

壳聚糖接枝凝胶中较常见的是聚乙烯醇与壳聚糖接枝制备而成的温敏凝胶。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性的多羟基聚合物，与壳聚糖相似，因其具有良好的生物相容性与低细胞毒性而广泛应用于药物运送载体及组织工程中[9]。Tang等[10]通过将壳聚糖与聚乙烯醇混合得到可注射的温敏凝胶，通过研究发现该凝胶于4℃下为液体，在人体生理温度(37℃)下迅速成胶。研究发现此凝胶的形成取决于氢键的作用，在低温时壳聚糖与水分子形成分子间氢键，阻止壳聚糖自身的羟基与氨基间氢键的形成，使壳聚糖分子链维持规律的排序，避免相互缠绕；当温度升高时对氢键有破坏作用，使壳聚糖分子链间形成疏水作用从而形成凝胶。聚乙烯醇浓度越高，成胶的温度也越高。另外，Minoura等[11]研究发现壳聚糖/聚乙烯醇凝胶材料的表面性能与细胞粘附的关系；Kim等[12]研究表明壳聚糖/聚乙烯醇凝胶的性质会随外界的刺激而改变，如pH值和电荷的改变。

1.3 巯基壳聚糖水凝胶

Kafedjiiski K等[13]通过在壳聚糖的伯氨基或羟基上引入巯基，巯基壳聚糖形成的温敏凝胶优化了部分壳聚糖的性能，增加壳聚糖在中性pH下的溶解性。此外，Matsuda A等[14]通过固定化的巯基与蛋白质中的其他巯基形成二硫键，使得黏膜的粘附性得到改善，进一步提升凝胶的机械性能和缓释能力。

1.4 壳聚糖/胶原凝胶

胶原蛋白是一种生物活性高分子，因其自身性质可用于修复组织损伤，在生物医学材料和临床医疗的应用十分广泛，但同时胶原蛋白的结构较稳定，不易被皮肤吸收，人体利用率低。以胶原蛋白与壳聚糖制备而成的凝胶很大程度的提高了凝胶的生物相容性，同时可以改善壳聚糖较弱的机械性能[15]。

2 壳聚糖基温敏凝胶的应用

壳聚糖具有良好的生物相容性与低细胞毒性，是一种理想的生物材料。温敏凝胶可根据温度的变化产生溶胀和收缩功能，被广泛应用于药物传递、组织工程等领域。壳聚糖温敏凝胶结合壳聚糖与温敏凝胶的特点，在人体体内有良好的生物相容性、低细胞毒性及可降解性，同时优化了壳聚糖的机械性，具有非常广泛的应用前景，可作为药物载体与组织工程骨架的原料，可控制药物释放，提高药物的生物利用度，从而增强患者的依从性，可应用于温度控制、酶的固定化以及药物缓释等方面[16]。

2.1 药物缓释

药物缓释多在体内进行，需要药物具有良好的生物相容性和可降解性，从而保证药物在进入体内环境时不会引起全身的炎症反应，同时可以逐渐被水解或酶降解，且水解后产物可直接排出体外或能进入体内代谢途径被消耗。壳聚糖温敏凝胶相变温度与人体生理温度接近，以溶胶载入药物，经过皮下或组织注射进入体内，随着温度变化发生相变形成凝胶，以凝胶降解与药物扩散作用释放药物，达到缓释的效果。壳聚糖温敏凝胶pH为中性，与人体内环境相似，适合运载蛋白质与肽类物质，不易破坏药物结构。徐甲坤等[17]将壳聚糖改性得到羧甲基壳聚糖，以戊二醛为交联剂制备得到羧甲基壳聚糖水凝胶，研究发现其体外释放行为符合一级动力学方程，具有良好的缓释效果。Huang等[18]将188Re-Tin胶体包裹在CS/β-GP水凝胶中，通过肌肉注射注入大鼠体内肿瘤处，研究显示188Re-Tin胶体80%被有效地包裹在CS/β-GP水凝胶内，且能在注射部位持续48h无明显扩散。根据肿瘤的生长情况显示包裹药物的水凝胶能有效的杀死癌细胞，肿瘤大小随时间减小。

2.2 组织工程

组织工程是一种在体外进行修复，重建生物体的技术，要求材料具有良好的生物相容性、低细胞毒性和一定的机械性以构建三维支架材料。组织工程的三维支架材料主要分为传统的多孔支架与新型的可注射性支架(软支架)。两者相比，新型的可注射性支架操作更简单，且无需进行手术，对患者创伤更小能减轻患者痛苦。软支架通过注射的方式作用于所需部位，可以以各种形状填充，可作为骨、肌肉、腰间盘等组织的支架材料，也可用于包埋生长因子和细胞。壳聚糖温敏凝胶是一种可诱导间充质干细胞(MSC)分化的成骨诱导剂，被广泛应用于组织工程中。Ding等[19]将胶原蛋白加入壳聚糖温敏凝胶中，增加了MSC在体外的成骨分化，在大鼠异位骨形成的实验中证明该水凝胶具有支持新生血管形成和MSC成骨分化的能力。吴广升等[20]制备可注射性壳聚糖/β—甘油磷酸钠凝胶以包裹含血小板血浆和骨髓基质干细胞，将其注射到牙周缺损模型中，通过与对照组相比证明该凝胶可有效促进牙周组织的再生。

3 小结

壳聚糖温敏水凝胶具有良好的生物相容性与低细胞毒性，可随温度变化作出应答发生相变，通过与不同的基团接枝改变凝胶部分性能，进而改进力学性能较差等短处，广泛应用于药物缓释与组织工程。相信随着研究技术不断提高，壳聚糖温敏水凝胶在各个领域将得到更广泛的应用。