温度敏感型可注射水凝胶的性质及应用研究进展

任婷婷，卢清侠，郝慧芳，邓瑞广，张改平1,

(1.河南农业大学牧医工程学院，河南郑州 450002；2.河南省农业科学院动物免疫学重点实验室/河南省动物免疫学重点实验室/农业部动物免疫学重点实验室，河南郑州 450002)

水凝胶是一种在吸水后溶胀但不溶于水的高分子聚合物，呈三维网状结构，可注射水凝胶作为一种新型水凝胶，由于其独特的优势成为研究的热点。可注射水凝胶指的是注射前为流动的液体，注射到皮下或肌肉组织后，在注射部位形成固形物的水凝胶[1]。在生物医药领域，可注射水凝胶可以作为生物载体，与各种生物制品经过简单的混合后进行注射至病变部位，既能保持生物制品性质并长效释药，又能降低药物的刺激性[2]。在组织工程领域中，可注射水凝胶能达到微创且快速恢复的效果，避免了预塑性材料难于吻合和植入创伤的缺陷[3]。

可注射水凝胶的形成机制是高分子材料在外界刺激的诱导下，其聚合物在生理条件下发生状态或分子构象的变化，由溶液转变为固体凝胶的状态。促使体系进行溶胶-凝胶转变的因素有温度、pH、磁场、离子强度、电场等物理因素，还有化学因素。其中温度敏感型可注射水凝胶(temperature-sensitive injectable hydrogels)是由温度变化引起的相转变，这种特性使它更适合通过注射的方式发挥作用，快捷方便微创等优点使它成为研究的热点。温度敏感型可注射水凝胶的聚合物在结构上包含有不同数量和比例的疏水和亲水基团，在温度变化下这些基团发生互相作用，导致物理状态的变化[4]。本文对温度敏感型可注射水凝胶的分类、性质以及应用研究进展进行归纳和阐述。

1 温度敏感型可注射水凝胶的分类以及其常用聚合物的性质

温度敏感型可注射水凝胶是一类对温度变化敏感的智能型高分子聚合物凝胶，可随着其所在部位的温度变化发生固液两相的转变。当环境温度比最低临界相变温度((lower critical solution temperature,LCST)低时处于液体状态，高于LCST时处于半固体凝胶状态[5]。温敏型可注射水凝胶的相变与其聚合物包含的疏水和亲水基团有关，笔者将根据其结构和基团的不同对以下5种类型进行阐述。

1.1 壳聚糖温敏型可注射水凝胶

壳聚糖(chitisan,CS)是自然界中唯一存在的碱性多糖，由甲壳素脱乙酰基所得。一般来说，甲壳素脱乙酰化程度越高，分子质量越小，得到的CS的溶解度就越大[6]。由于CS是一种天然的高分子材料，与合成水凝胶相比，它在使用时更加安全，生物相容性和生物降解性都呈现出明显优势。

徐斌等[7]制备了壳聚糖水凝胶材料，将C2C12细胞在其表面上进行培养，观察得到的结果显示，该材料在室温下为液态，温度升至37℃时变为固体，并且C2C12细胞能够在该材料上黏附并且生长情况良好，说明该壳聚糖水凝胶材料具有温度敏感的特性和良好的细胞相容性。李偏等[8]制备了不同浓度的温敏型壳聚糖水凝胶浸提液，并将SD大鼠成骨细胞接种于此类凝胶浸提液中，体外培养1 d～4 d，判定细胞毒性的级别。结果显示，各浓度的该水凝胶浸提液的细胞毒性均不超过1级，为低毒型，完全符合生物材料的安全评价标准。基于上述优点，壳聚糖水凝胶是目前应用最广泛的一种温敏型水凝胶。

1.2 纤维素基温敏型可注射水凝胶

纤维素是一种天然高分子，本身不溶于水，但是通过化学改性可以增加其可溶性[9]。具有热凝胶效应的纤维素衍生物的相变温度可以通过引入的亲疏水基团的比例和数量来调节，可塑性较高。这类水凝胶中目前研究最多是甲基纤维素(methyl cellulose，MC)及羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose，HPMC)。

纤维素基温敏型水凝胶是天然材料，具有无毒性和良好的生物相容性，同时也具有优良的溶胀性。李宁[10]将仓鼠卵巢细胞在20 mg/mL温敏性甲基纤维素硬脂酸酯(MCS)水凝胶体系中进行培养，细胞生长情况良好，证明该水凝胶体系具备良好的生物相容性和无毒性。他还进行了家兔阴道黏膜刺激性试验，证明了该材料的安全性。程金梁等[11]在HPMC和羟乙基纤维素(hydroxyethopyl cellulose,HEC)中加入交联剂制备的系列纤维素基温敏水凝胶经试验证明可随温度变化呈现良好的溶胀性能，达到溶胀平衡后的固形物坚固并且稳定，还可通过调节HPMC的含量来调整水凝胶的收缩能力。

1.3 聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物基温敏型可注射水凝胶

聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(PEO-PPO-PEO)，商品名为泊洛沙姆(Poloxamer)，具有低毒性、良好的生物相容性和易被机体代谢的特点，近年来被广泛地被应用在生物医用材料中[12]。

在泊洛沙姆系列中，泊洛沙姆407(简称P407)是应用最多、研究最广的一种聚合物。P407具有低温时为液体，体温下成为固态凝胶的反向热胶凝特性，是理想的智能化给药载体，同时对机体刺激性小，毒性低，并且生物相容性良好。

李柏等[13]将250 mg/mL P407凝胶注射入昆明小鼠腹腔内，通过测定血丙氨酸转移酶等多种血液生化指标的变化以及致死率，判定P407的急性毒性。结果显示，高剂量时致死率为50%，中剂量或者更低时，小鼠无死亡，对肝、肾功能的影响甚微，机体无明显不良反应。李欣宇[14]将P407凝胶和生理盐水分别注射入新西兰大白兔的左右输卵管，检测其对生物机体的刺激性。结果表明，术后2 d和7 d试验兔的两侧输卵管均粗细均匀，无肿胀，光滑红润有弹性，与周围组织边界清晰。光镜下观察输卵管壁组织结构清晰，管腔内无异物无增生，未见炎症细胞浸润。以上均证明 P407毒性极低。

1.4 PLGA-PEG基温敏型可注射水凝胶

聚乳酸羟基乙酸(poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA)与聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)共聚物形成的聚合物具有温度敏感性、生物相容性和生物降解性。聚合物的状态随温度的升高从溶液转变为凝胶，并且其LCST还与PLGA疏水链段的数量与聚合物的浓度成负相关，并且嵌段的引入能增加该聚合物的生物降解性，可最终排出体外。

为了观察水凝胶在体内降解情况，马鹤成[15]将制备的PLGA-PEG-PLGA三嵌段聚合物溶液注射至大鼠皮下，设定不同时间观察注射部位凝胶体内降解情况。PLGA-PEG-PLGA聚合物注入皮下30 min后，可于皮下局部形成完整的水凝胶，说明该聚合物可在体温时迅速从水溶液转变为固体凝胶状态。继续观察皮下局部固体水凝胶的降解情况，随着时间变化，局部凝胶的体积逐渐变小，至第35天后完全消失。说明PLGA-PEG-PLGA水凝胶在机体内可被代谢，具有良好的降解性，在体内大致可存在35 d。

1.5 聚N-异丙基丙烯酰胺基温敏型可注射水凝胶

聚N-异丙基丙烯酰胺(N-Isopropyl acrylamide Isopropyl acrylamide，PNIPAAm)是一种不可降解、但可溶于水的高分子，在水中的低临界溶解温度约为32 ℃[16]。单纯的PNIPAAm带有刺激性和毒性，应避免直接接触。因此，在应用于生物医学领域时，常与壳聚糖、胶原等天然生物大分子配合使用，既可以降低PNIPAAm的毒性，又能优化单纯天然水凝胶的相变温度和机械性能，并且在释药完成后可自动降解，使其在生物体内更加智能[17]。

刘玲秀等[18]将PNIPAAm凝胶与HA交联凝胶(XLHA)在常温下共混合成XLHA-PNIPAAm可注射水凝胶，将L929细胞在该水凝胶浸提过的RPMI1640培养液中培养，24 h后细胞无溶解现象，只有5%～10%的细胞膜皱缩、边界不清晰，说明该材料具有良好的生物相容性。还将该水凝胶溶于生理盐水后加入抗凝兔血，水浴1 h后离心，测定上清液吸光度，以测定其溶血率。计算结果为0.962%，符合标准，证明该复合水凝胶具有低毒性。

2 温度敏感型可注射水凝胶的应用

可注射水凝胶的应用广泛，主要可以归纳为疫苗/药物控释载体和生物医用材料两个方面，下面就从这两个方面分别阐述其应用研究进展。

2.1 疫苗/药物控释载体

控制释放体系能够使疫苗或药物在较长时间内连续释放或脉冲释放抗原或药物，能减弱疫苗或药物局部浓度过高造成的不良反应，防止分解失活或失效，从而使疫苗的保护时间大大延长，药物的药效提高、用药量减少[19]。

疫苗控释体系能够有效地保护疫苗避免被降解，并使抗原产生最佳的免疫应答。将可注射的水凝胶作为疫苗载体制成微球、微囊、微乳、纳米囊和纳米球等形式，能够有效地保护抗原并产生连续的免疫应答，是研发控释疫苗的新方向。

近年来，将多种温敏型可注射水凝胶作为疫苗控释载体的研究越来越多，上述介绍的5类水凝胶性质和特点不同，其作为控释载体的用法和作用也有差异。石颖[20]在研究H1N1喷鼻流感疫苗传递系统时，以裂解甲型H1N1流感病毒为疫苗抗原，以CS、壳聚糖季铵盐、壳聚糖水凝胶和壳聚糖季铵盐水凝胶这4种材料为疫苗载体，制备喷鼻流感疫苗并免疫Balb/c小鼠，结果显示，壳聚糖季铵盐水凝胶作为喷鼻疫苗传递系统相比其他3种材料有明显的免疫增强效果，可有效诱导机体产生体液免疫和黏膜免疫。朱晓波[21]在研究鸡球虫疫苗时，利用HPMC、卡波姆等材料做助悬剂，在免疫时使虫苗均匀的悬浮于水中，同时延长鸡只饮水时间，使鸡获得均一有效的球虫免疫保护力。在筛选球虫助悬剂的试验中发现，卡波姆和HPMC具有明显的优势，其浓度越大，流动性越差，助悬效果越好。而且两种水凝胶按一定比例混合后，可形成性价比高、效果更好的助悬剂配方。王霄旸等[22]以P407作为O型口蹄疫多肽疫苗的佐剂，研究其对小鼠脾淋巴细胞增殖的影响。通过检测不同浓度的P407、FMDV O型多肽抗原、FMDV O型-P407佐剂多肽疫苗以及FMDV O型油乳佐剂多肽疫苗对小鼠脾淋巴细胞增殖率的影响，评价该佐剂的效果。结果表明，P407能刺激小鼠脾细胞的增殖，但不具有浓度依赖性。证实P407具有免疫增强作用，是理想的疫苗佐剂。李虎等[23]将温度敏感型PLGA-PEG-PLGA可降解水凝胶与重组质粒pVAX1-SPG进行混合，制备以水凝胶为载体的重组质粒防龋基因疫苗，经多种途径免疫新西兰大白兔，结果表明该疫苗能够使动物机体产生有效的免疫应答，并且该水凝胶对免疫的实验动物无显著毒性作用。

药物控释体系能使药物在需要的时间和频率以一定的浓度释放至特定部位，有效防止药物失活，同时还可减轻或避免用药引起的厌食、疼痛等副作用。可注射的水凝胶药物释放体系可以满足上述要求。把药物包在水凝胶材料制成的纳米微球、微囊中，注射到体内后，水凝胶基质包埋的药物可以稳定缓慢地到达体液中。注射入机体后形成的水凝胶可在注射部位精准地释放包埋的药物，控制了药物释放的有效范围，使用药更加高效，减少反复用药[24]。

温敏型可注射水凝胶作为药物控释载体的应用研究更为广泛。邝清林[25]以水溶性水杨酸为释放药物，研究了纯MC水凝胶体系、MC-甘油水凝胶体系以及MC-甘油-PVP水凝胶体系对其的控制释放模型。试验表明，纯MC水凝胶体系缓释作用较差，甘油的加入可明显减缓药物的释放速度，效果要强于纯MC水凝胶。加入聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)的MC-甘油水凝胶的网络交联密度变大，对药物良好的络合作用使其释药时间最长，因此含PVP的体系药物缓释效果更好。P407作为一种温敏型水凝胶，它的特点很好的弥补了药物在体内分解快，需频繁给药，不及时补药达不到效果等缺点，使药物的生物利用度大大增加，并且提高了治疗效果。例如，酰胺类局部麻醉药利多卡因的半衰期就比较短，1 h～2 h就会分解失效,Ricci E J等[26]分别用不同浓度的P407为载体与利多卡因混合，其体外释药行为显示不同浓度的P407均表现出较好的反向凝胶性质，可有效延长药物在注射部位的滞留时间。马鹤成[15]制备的PLGA-PEG-PLGA温敏水凝胶，作为药物载体用于肿瘤的治疗可取的良好的效果。细胞试验证明载药PLGA-PEG-PLGA温敏水凝胶能显著抑制骨肉瘤细胞的增殖。临床试验将载药PLGA-PEG-PLGA温敏型水凝胶注射至肿瘤患部，凝胶能够在注射部位可控的将药物逐渐释放，使药物在病灶处保持着有效浓度持续发挥药效，抗肿瘤效果明显且无全身毒副作用，具有优良的医学应用前景。

在动物医学方面，头孢噻呋是动物专用第3代注射用抗生素，在治疗奶牛蹄部感染时，由于半衰期短，需加大给药量和给药次数，药物成本和给药难度都较大。Zhang L等[27]以P407为主料，以羧甲基纤维素、HPMC和聚乙烯吡咯烷酮为辅料，制备温敏型原位凝胶，观察其对头孢噻呋的缓释效果。结果显示，P407及其辅料对头孢噻呋具有良好的缓释效果，当局部给药直接作用于患部时，作用时间持久，效果加倍。

控制释放体系未来的发展在于智能控释体系的研究，各种化学刺激响应体系、物理刺激响应体系以及生物信号响应体系、纳米药物释放体系等正在研究改进，以满足人类及动物医学在疾病治疗、预防保健、公共卫生等多方面的需求。

2.2 组织工程支架材料

组织工程支架材料的选择中，水凝胶材料是最常被应用的一种材料。水凝胶不可溶的网络结构可储存大量的水，为营养成分的输送和废物的扩散提供介质，是理想的组织再生支架材料。在水凝胶中添加细胞生长因子或者血清蛋白还能够促进组织器官的自我修复[28]。

从移植的观点来看，支架必须将受损部位完全填充满，而受损部位往往是不规则的，这就给体外制作支架带来困难，而且体外制作的支架需要采用外科手术的方式植入，创伤大并且不易恢复。采用水凝胶注射的方式就能克服这些困难，将水状的聚合物注射到受损部位，液体会充盈任何形状的受损部分，在相变信号的刺激下形成凝胶，将受损部位填满，达到和周围组织密切结合和支撑的作用[29]。此外，注射水凝胶可以避免手术创伤，降低患者痛苦，操作简单且费用较低。因而目前已形成了一个全新的可注射组织工程领域。

3 小结与展望

温度敏感型可注射水凝胶由于其良好的温度敏感性、生物相容性和低毒性等独特优势使其成为生物、药剂及材料领域研究的热点，国内外的研究者也都致力于研制出更加安全有效的产品。但是此类材料在应用时也存在一些不足，如某些材料单独使用时胶凝性质不理想，引入其他组分会导致安全性问题；某些聚合物释放药物或疫苗时存在局部突释问题；以及聚合物的温度敏感性和控释的智能性需要进一步提高等问题。总之，通过对多种材料的混合或修饰，会产生应用范围更广泛，更符合生产应用要求的水凝胶材料。相信随着新型生物可降解高分子材料的发现和研制，更多理想的产品会为我们带来更好的治疗和预防效果，为人类和动物的健康服务。

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