壳聚糖智能水凝胶研究进展

舒 静,李小静,赵大飙

(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)

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、p H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、p H敏感型、温度/p H双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、p H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、p H敏感型、温度/p H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p H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。

Ho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0.1 mmol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p H响应性是指其溶胀或消溶胀随p H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p H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p H敏感性。

宋鹏飞等[6]合成了p H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p H介质中的溶胀比。结果表明,p H＞5时,壳聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝胶溶胀比很小;p H＜5时,溶胀比急剧上升,且在p H=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p H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p H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p H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p H敏感性,在酸性溶液的溶胀比远大于碱性溶液中。当p H=3.0时,溶胀度最大;p H=9.0时,溶胀度最小,且在不同p H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p H值变化具有敏感性;当p H值在3～8.3范围内,随着p H值的增大,凝胶溶胀度减小;p H值在9～10范围内,随着p H值的增大,凝胶溶胀度有增大的趋势。

随着研究的深入,选用无毒害、易降解的交联剂成为一种趋势和要求。Kaminski等[9]采用京尼平(栀子苷经β-葡萄糖苷酶水解后的产物,是一种优良的天然生物交联剂)作交联剂合成了具有p H敏感性水的凝胶微球。结果表明,该凝胶微球在p H＜6.5时有显著溶胀现象,p H＞6.5时略有收缩。

水凝胶制备中所用的交联剂大部分为化学物质,不可避免地会存在一定程度的残留,对凝胶性能和应用带来一定影响。为避免交联剂带来的不利影响,一些学者采用新型合成方法(如辐射法)来制备水凝胶。Gülay等[10]通过辐射法制备了壳聚糖-聚甲基丙烯酸羟乙酯p H敏感水凝胶。凝胶在酸性介质中有溶胀现象,60 min达到平衡。将抗生素类药物附着在凝胶上,当p H=7.4时,10 h药物释放量为80%。由此可见,这种凝胶体系是很好的抗生素药物载体,可用于药物的控制释放。Abou等[11]通过γ-射线辐射将丙烯酸和丙烯酰胺接枝到壳聚糖上制备了p H敏感型凝胶,该凝胶具有两性可逆p H响应特性,可应用于胃部药物投递。

1.3 温度/p H敏感型凝胶

目前,对壳聚糖智能水凝胶的研究还主要集中在单一敏感性方面。这在一定程度上限制了壳聚糖智能水凝胶的应用。因此,开发和研究多重敏感响应性水凝胶成为迫切的需求,尤其是温度/p H双敏感型水凝胶。

Lee等[12]采用聚氮异丙基丙烯酰胺(PN IPAAm)和壳聚糖为原料,以3-巯基丙酸作为链转移剂,采用游离聚合法制备成具有温度/p H双敏感性的凝胶。研究发现,PN IPAAm的引入改变了壳聚糖分子本身的吸水率和温度敏感能力,导致水凝胶的吸水能力增加。这是由于接枝在壳聚糖主链上的PN IPAAm具有自由端基以及壳聚糖本身的氨基,因而使得凝胶显示出了快速的温敏性和敏感的p H响应能力。

Sun等[13]采用壳聚糖和PN IPAAm共混制备了具有温度/p H敏感性的水凝胶薄膜,同时通过加入聚乙二醇(PEG)来提高其温敏性、力学强度和溶胀率等。实验发现该凝胶的LCST在32℃左右,当温度升高至37℃时会产生更多的气孔结构,但溶胀率随着温度的升高而降低。由于PN IPAAm在LCST温度以上会产生脱水,因此认为,该凝胶体系的温度敏感性主要取决于PN IPAAm在凝胶中所占的比例。

聚二甲基硅氧烷的取代物能提供疏水结构单元,有利于形成水凝胶。因此,Kim等[14]将端环氧基聚二甲基硅氧烷接枝到壳聚糖上,得到温度/p H敏感型水凝胶。随着温度和p H值的变化,凝胶的溶胀率有明显的变化,显示出良好的敏感性。

Khurma等[15]用壳聚糖与 PEG为原料,采用京尼平为交联剂,通过半互穿方法制备了温度/p H敏感型凝胶。结果表明,凝胶的溶胀率主要受温度、p H值和PEG在水凝胶中含量的影响。p H值一定时,凝胶的溶胀率随着温度的升高而明显增大。温度一定时,凝胶在p H=2的介质中的溶胀率最大(470%);当p H为7和10时,溶胀率分别为290%和280%;随着p H值的增大,溶胀率减小。Cai等[16]通过γ-射线辐射将壳聚糖和异丙基丙烯酰胺共聚,合成了温度/p H敏感水凝胶。实验通过透光率随温度的变化来测试温敏性。结果发现,25℃时,透光率为0.095%;28℃时透光率开始发生变化;30℃时,透光率为0.046%。同时,该凝胶对p H值也具有敏感性。p H=2～6时,溶胀率变化显著,且随p H值的增大而减小;p H=7.5时,溶胀率最低;p H=7.5～11时,随p H值的增大,溶胀率逐渐增大。

2 壳聚糖水凝胶的应用

壳聚糖类水凝胶因其低毒、良好的生物相容性和生物降解性在生物医学等领域具有广阔的应用前景,特别是这类对温度或p H敏感,对药物、蛋白质影响不大的智能水凝胶,在药物缓释材料、组织工程材料上具有很好的应用潜力[17-18]。

2.1 药物缓释材料

智能高分子水凝胶对温度、酸度、压力、光等引起的刺激能及时地做出溶胀和收缩应答,正是这种特殊的环境敏感性使它能被广泛地应用于药物缓释体系[19-20]。壳聚糖具有很好的吸附性、成膜性和通透性。较低相对分子质量的水溶性壳聚糖更易在体内降解,不易堆积。其中,以壳聚糖为载体材料制备纳米粒、微球等给药系统更是近年来的研究热点。

肖玲等[21]制备了一种含载药粒子的壳聚糖(CTS)/PVA温敏性水凝胶,研究了影响凝胶性能的因素。结果表明,与单纯的CTS/PVA水凝胶相比,加入载药粒子后,凝胶结构更加致密紧凑,凝胶强度增大;药物释放速度平稳,无突释现象;缓释效果好,14 d累积释放32%。该凝胶体系可望在原位可降解植入释药体系中有良好的发展潜力。

Lin等[22]采用羧甲基壳聚糖和PN IPAAm合成了温度/p H两性敏感水凝胶,研究了辅酶-A在不同温度和p H条件下的释放性能。结果表明,在37℃、p H=2.1的溶液中,24 h内累计释放22.6%;同样温度和时间下,在p H=7.4的溶液中累计释放89.1%;而在p H=7.4的溶液中,37℃下释放的速率远高于25℃时。因此认为这种半互穿水凝胶在对温度及p H敏感的口服给药系统有良好的应用前景。

Carmen[23]研究了双氯灭痛在壳聚糖/PN IPAAm凝胶体系中的释药能力。研究发现,单纯的PN IPAAm凝胶对双氯灭痛这种药物几乎没有释药能力;而引入壳聚糖后,凝胶在0.9%NaCl溶液中或p H=8的磷酸缓冲溶液中,药物释放时间可达到8 h以上。结果还表明,温度对释药能力没有显著影响,而壳聚糖的含量对释药能力有明显影响。因此认为,该凝胶系统有望应用于药物投递系统。

2.2 组织工程材料

具有可注性、易生物降解的生物材料在生物医学领域,如组织工程和药物释放等方面备受关注。壳聚糖因其独特的优势,是制备组织工程材料很好的原料。

Tan等[24]采用壳聚糖和透明质酸混合制备了一种新型的具有生物相容性和降解性的水凝胶。实验将牛关节软骨细胞包埋在所合成的凝胶中,发现细胞能继续存活且保持原来的形态。因此认为,这种水凝胶作为生物支架有望应用于组织工程领域。

Risbud等[25]合成了壳聚糖/明胶水凝胶,并进行了相关生物性能实验。他们通过将J774巨噬细胞培养在水凝胶上,发现该凝胶体系对巨噬细胞无毒副作用,说明该凝胶体系对巨噬细胞具有免疫相容性。他们还将人体呼吸道上皮细胞培养在这种水凝胶上,结果发现,该细胞具有正常的形态特征,能够正常生长而没有排异反应。这一研究结果表明,壳聚糖/明胶水凝胶体系有望做为呼吸区上皮细胞的培养基质应用于生物医学组织工程领域,用以解决诸如人造气管的细胞表面缺少上皮黏膜而导致的气管缺陷重组术难以成功的医学难题。

2.3 其他

壳聚糖是天然高分子,来源广泛,易降解,对环境友好。基于以上优势可以探索壳聚糖水凝胶在其他领域的应用。

在造纸业领域,将疏水型的化学纤维转变成亲水型的物质会更有利于造纸。因此可以利用壳聚糖凝胶的亲水性,将壳聚糖凝胶涂覆在化学纤维表面,会有利于纤维的分解。壳聚糖凝胶作为纤维涂层具有薄和均匀的特点,同时,在涂层工艺及整个造纸过程没有残余物质,对环境友好,有望应用于造纸业领域。

壳聚糖是属于黏多糖的一种,具有生物相容性和生物降解性,是制作食品保健品的良好原料。壳聚糖同时含有疏水性基团(CHCO—NH—)和亲水性基团(—OH),并且是惟一的阳性多糖,又具有多电解质的性质[27]。当溶解在溶液中时,壳聚糖可以通过疏水作用和分子内氢键作用形成凝胶,有望在食品行业获得广泛应用。

3 结语

壳聚糖具有来源广泛、经济、无毒、可降解、生物相容性、诸多基团可修饰等优点,广泛应用于智能水凝胶的合成中。但单纯的壳聚糖凝胶强度不够,在水中的溶胀度也不大,实际应用范围受限。可喜的是,壳聚糖分子中存在着羟基和氨基等特征基团,能够和其他物质形成氢键和Schiff′s键。因此,可以尝试加入其他物质来制备壳聚糖凝胶,这样不仅能极大地弥补单一壳聚糖凝胶自身性能欠佳的缺点,而且将有可能提高壳聚糖凝胶对温度或p H的敏感性,有望在生物医学、食品加工、医药卫生等方面有更好的应用前景。

目前,人们对壳聚糖基智能水凝胶的研究已经取得了一些成果,但制备的水凝胶多为单一敏感型水凝胶,对具有生物质敏感型或多重敏感型水凝胶的研究不多,且对多重敏感性的研究还主要集中在温度/p H敏感性方面,对压力、电场等其他因素的研究甚少。在以后的研究中,应注重通过引入具有其他响应性的物质或从合成方法、凝胶结构等方面来拓展其对外界刺激因素的响应,扩展壳聚糖基智能凝胶的应用范围。

此外,对于智能水凝胶的快速响应机理,以及关于水凝胶的形成、溶胀平衡、平衡转变及响应时间变化等理论的研究还较为缺乏,没有突破性的成果[28]。这在较大程度上妨碍了智能水凝胶的进一步发展和应用。因此,加强相关机理的研究也是今后要特别注意关注的一个重要方面。

壳聚糖水凝胶种类繁多,不少壳聚糖水凝胶具有独特的智能性,如温度敏感性、p H敏感性以及多重敏感性等,是一类重要的具有环境友好性的功能高分子材料和智能材料。目前,对这类凝胶的研究尚处在起步阶段,研究领域也主要集中在生物医学方面,在食品工业、造纸工业、日用化学品等其他领域的研究很少。相信随着研究理论的深入和研究方法的改进,壳聚糖基智能水凝胶的研究一定会取得突破性进展,获得令人欣喜的应用。

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