殼聚糖智能水凝膠研究進展

舒 靜,李小靜,趙大飆

(1.東北石油大學化學化工學院,黑龍江大慶163318;2.大慶油田儲運銷售分公司,黑龍江大慶 163455)

0 前言

水凝膠是能顯著溶脹于水但不溶解于水的一類親水性高分子網絡。根據對外界刺激的響應情況,水凝膠可分為傳統(tǒng)水凝膠和智能水凝膠。所謂智能水凝膠就是能對外界環(huán)境(如溫度、p H值、電、光、磁場、特定生物分子等)微小的變化或刺激有顯著應答的三維交聯(lián)網絡結構的聚合物。由于它能夠對外界刺激產生應答,具有智能性,極大地擴大了其應用范圍。近年來對它的研究和開發(fā)工作異?；钴S,成為當今研究的熱點,尤其在生物醫(yī)學領域有了快速的發(fā)展,已廣泛用于細胞分離與培養(yǎng)、組織工程、固定化酶、藥物的控制釋放和靶向藥物等領域。但大部分的研究工作還是集中在幾種經典的智能水凝膠上,對于生物相容性好又可降解的天然高分子的研究甚少。與合成高分子相比,天然高分子水凝膠具有低毒性、良好的生物相容性、對環(huán)境敏感等優(yōu)點。

殼聚糖是甲殼素脫乙?；漠a物,屬天然含氨基的均態(tài)直鏈多糖,含有游離氨基,反應活性和溶解性均比甲殼素強,具有對環(huán)境無污染、易降解、來源廣泛、價格低廉等優(yōu)點,且能夠形成水凝膠,是一種可用于制備新型智能水凝膠很有潛力的原料。近年來,人們開始采用殼聚糖為原料來制備智能水凝膠并取得了一些令人關注的成果。以殼聚糖為原料制備的水凝膠將好于以傳統(tǒng)原料如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等制備的水凝膠,會彌補傳統(tǒng)水凝膠的不足,如不易降解、對環(huán)境有一定的污染性等,擴大智能水凝膠的應用范圍。但殼聚糖水凝膠同時也存在一些不足,如力學強度差、性能不穩(wěn)定、對環(huán)境敏感性不強,還有待于改善。

本文主要介紹了溫敏型、p H敏感型、溫度/p H雙敏型殼聚糖基智能水凝膠的研究現(xiàn)狀,及其在生物醫(yī)學領域中的應用,提出了存在的主要問題,對今后的發(fā)展方向和前景進行了展望。

1 殼聚糖水凝膠的研究現(xiàn)狀

智能水凝膠根據其對外界的刺激響應性可分為溫度敏感型、p H敏感型、電場敏感型、壓力敏感型和多重敏感型等。殼聚糖中含有—NH2和—OH,可以和某些物質通過化學交聯(lián)和(或)物理交聯(lián)形成凝膠,對環(huán)境刺激產生相應的反應和應激性。其中,最常見、應用最廣的殼聚糖智能水凝膠主要有3種,即溫度敏感型、p H敏感型、溫度/p H雙重敏感型水凝膠。

1.1 溫度敏感型凝膠

溫度敏感型水凝膠是指隨著外界溫度的變化而產生刺激響應性的智能材料。傳統(tǒng)溫敏水凝膠多采用丙烯酰胺為原料,這種物質有一定的毒性且不易降解。在使用過中可能給環(huán)境帶來不良影響。殼聚糖具有生物相容性、可降解性等優(yōu)點,因此,以殼聚糖為主要原料制備水凝膠正引起國內外廣大學者的關注。

陳歡歡等[1]對殼聚糖/甘油磷酸鹽體系通過化學交聯(lián)和與聚乙烯醇(PVA)的物理交聯(lián),制備了一種能在體溫下迅速成膠的溫敏型水凝膠。兩種交聯(lián)方式的結果使得凝膠體系形成了互穿的網絡結構,提高了凝膠的密度和強度。實驗證明,交聯(lián)劑和殼聚糖形成了Schiff′s鍵。這種具有緊密結構的溫敏凝膠在原位溫敏性可生物降解植入劑應用領域具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

曾蓉等[2]通過殼聚糖與甘油磷酸鈉制備成溫敏型水凝膠,采用變溫核磁共振技術對這種凝膠體系的凝膠化過程進行跟蹤研究。結果表明,殼聚糖中氫和磷酸甘油鹽中磷的化學位移均隨著溫度的升高而變化。其中殼聚糖中氫的化學位移向高場移動,而磷酸甘油鹽中磷的化學位移向低場移動。在凝膠溫度附近,殼聚糖中 H-2(D)的化學位移變化出現(xiàn)轉折點,表明其所處的化學環(huán)境發(fā)生了突變。隨著體系中磷酸甘油鹽含量的增加或者p H值的增大,殼聚糖中 H-2(D)的化學位移逐漸偏向高場,體系的凝膠溫度則越低。由此提出殼聚糖/磷酸甘油鹽溫敏性水凝膠的凝膠機理是:隨著溫度的升高,殼聚糖通過氨基正離子與磷酸甘油鹽形成的靜電吸引被破壞,殼聚糖分子鏈間隨之形成大量氫鍵而發(fā)生凝膠化。

Ho等[3]以殼聚糖為主要原料分別制備了2種具有溫敏性的可注型水凝膠,并研究了其物理和化學特性。研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,凝膠的敏感度降低,最低臨界溶解溫度(LCST)在34℃。將人骨髓中的干細胞培養(yǎng)在以水凝膠為載體的試管內,發(fā)現(xiàn)在凝膠中有軟骨分化現(xiàn)象,并顯示良好的溫敏特性和生物相容性,這種溫敏性水凝膠有望作為一種新型的可注入型生物材料,將會在醫(yī)學領域有更好的應用前景。

為提高水凝膠的應用,可根據實際需要加入其他物質進行改性。Tang等[4]合成了含有羥磷灰石的殼聚糖/聚乙烯醇水凝膠。結果表明,加入羥磷灰石后,凝膠性能明顯好于純的殼聚糖凝膠,凝膠強度明顯增強。通過考察不同羥磷灰石含量對蛋白質釋放的影響發(fā)現(xiàn),含有0.1 mmol的羥磷灰石的水凝膠的溶脹率最低,蛋白質釋放速度最慢。這種水凝膠有望應用于蛋白質的控制釋放、人造骨骼、以及組織工程支架等方面。

1.2 pH敏感型凝膠

水凝膠的p H響應性是指其溶脹或消溶脹隨p H值的變化而變化。水凝膠網絡中一般含有可離子化的酸性或堿性基團,隨著介質p H值的改變,這些基團會發(fā)生電離,導致網絡內大分子鏈段間氫鍵的解離,產生不連續(xù)的溶脹體積變化[5]。殼聚糖因分子內含堿性—NH2基團,可與 H+結合或解離,以及相關氫鍵發(fā)生解離或形成,因而具有明顯的p H敏感性。

宋鵬飛等[6]合成了p H敏感性殼聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝膠,研究了室溫下該水凝膠在不同p H介質中的溶脹比。結果表明,p H＞5時,殼聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝膠溶脹比很小;p H＜5時,溶脹比急劇上升,且在p H=1.5時達到最大值,凝膠在酸性溶液中的溶脹比遠大于在堿性溶液中,且在不同p H溶液中重復可逆溶脹收縮。殼聚糖/聚乙烯基吡咯烷酮水凝膠對溶脹介質p H值變化具有良好的響應性,溶脹收縮過程可逆。這種良好的可逆性將會在藥物釋放、仿生材料、化學機械等方面發(fā)揮特殊作用。

王曉園等[7]用天然多糖殼聚糖和明膠也制備出了具有p H敏感性的凝膠。結果表明,該凝膠在堿性和酸性環(huán)境中均具有p H敏感性,在酸性溶液的溶脹比遠大于堿性溶液中。當p H=3.0時,溶脹度最大;p H=9.0時,溶脹度最小,且在不同p H溶液中同樣具有重復可逆溶脹收縮性。

近年來,改性殼聚糖在凝膠中的應用引起了研究者的興趣和關注。林榮珍等[8]先將殼聚糖改性為殼聚糖硫酸酯(SCS),然后以戊二醛(GA)作為交聯(lián)劑,制備了一種新型的水凝膠——SCS水凝膠。結果表明,所制得的殼聚糖硫酸酯水凝膠對介質的p H值變化具有敏感性;當p H值在3～8.3范圍內,隨著p H值的增大,凝膠溶脹度減小;p H值在9～10范圍內,隨著p H值的增大,凝膠溶脹度有增大的趨勢。

隨著研究的深入,選用無毒害、易降解的交聯(lián)劑成為一種趨勢和要求。Kaminski等[9]采用京尼平(梔子苷經β-葡萄糖苷酶水解后的產物,是一種優(yōu)良的天然生物交聯(lián)劑)作交聯(lián)劑合成了具有p H敏感性水的凝膠微球。結果表明,該凝膠微球在p H＜6.5時有顯著溶脹現(xiàn)象,p H＞6.5時略有收縮。

水凝膠制備中所用的交聯(lián)劑大部分為化學物質,不可避免地會存在一定程度的殘留,對凝膠性能和應用帶來一定影響。為避免交聯(lián)劑帶來的不利影響,一些學者采用新型合成方法(如輻射法)來制備水凝膠。Gülay等[10]通過輻射法制備了殼聚糖-聚甲基丙烯酸羥乙酯p H敏感水凝膠。凝膠在酸性介質中有溶脹現(xiàn)象,60 min達到平衡。將抗生素類藥物附著在凝膠上,當p H=7.4時,10 h藥物釋放量為80%。由此可見,這種凝膠體系是很好的抗生素藥物載體,可用于藥物的控制釋放。Abou等[11]通過γ-射線輻射將丙烯酸和丙烯酰胺接枝到殼聚糖上制備了p H敏感型凝膠,該凝膠具有兩性可逆p H響應特性,可應用于胃部藥物投遞。

1.3 溫度/p H敏感型凝膠

目前,對殼聚糖智能水凝膠的研究還主要集中在單一敏感性方面。這在一定程度上限制了殼聚糖智能水凝膠的應用。因此,開發(fā)和研究多重敏感響應性水凝膠成為迫切的需求,尤其是溫度/p H雙敏感型水凝膠。

Lee等[12]采用聚氮異丙基丙烯酰胺(PN IPAAm)和殼聚糖為原料,以3-巰基丙酸作為鏈轉移劑,采用游離聚合法制備成具有溫度/p H雙敏感性的凝膠。研究發(fā)現(xiàn),PN IPAAm的引入改變了殼聚糖分子本身的吸水率和溫度敏感能力,導致水凝膠的吸水能力增加。這是由于接枝在殼聚糖主鏈上的PN IPAAm具有自由端基以及殼聚糖本身的氨基,因而使得凝膠顯示出了快速的溫敏性和敏感的p H響應能力。

Sun等[13]采用殼聚糖和PN IPAAm共混制備了具有溫度/p H敏感性的水凝膠薄膜,同時通過加入聚乙二醇(PEG)來提高其溫敏性、力學強度和溶脹率等。實驗發(fā)現(xiàn)該凝膠的LCST在32℃左右,當溫度升高至37℃時會產生更多的氣孔結構,但溶脹率隨著溫度的升高而降低。由于PN IPAAm在LCST溫度以上會產生脫水,因此認為,該凝膠體系的溫度敏感性主要取決于PN IPAAm在凝膠中所占的比例。

聚二甲基硅氧烷的取代物能提供疏水結構單元,有利于形成水凝膠。因此,Kim等[14]將端環(huán)氧基聚二甲基硅氧烷接枝到殼聚糖上,得到溫度/p H敏感型水凝膠。隨著溫度和p H值的變化,凝膠的溶脹率有明顯的變化,顯示出良好的敏感性。

Khurma等[15]用殼聚糖與 PEG為原料,采用京尼平為交聯(lián)劑,通過半互穿方法制備了溫度/p H敏感型凝膠。結果表明,凝膠的溶脹率主要受溫度、p H值和PEG在水凝膠中含量的影響。p H值一定時,凝膠的溶脹率隨著溫度的升高而明顯增大。溫度一定時,凝膠在p H=2的介質中的溶脹率最大(470%);當p H為7和10時,溶脹率分別為290%和280%;隨著p H值的增大,溶脹率減小。Cai等[16]通過γ-射線輻射將殼聚糖和異丙基丙烯酰胺共聚,合成了溫度/p H敏感水凝膠。實驗通過透光率隨溫度的變化來測試溫敏性。結果發(fā)現(xiàn),25℃時,透光率為0.095%;28℃時透光率開始發(fā)生變化;30℃時,透光率為0.046%。同時,該凝膠對p H值也具有敏感性。p H=2～6時,溶脹率變化顯著,且隨p H值的增大而減小;p H=7.5時,溶脹率最低;p H=7.5～11時,隨p H值的增大,溶脹率逐漸增大。

2 殼聚糖水凝膠的應用

殼聚糖類水凝膠因其低毒、良好的生物相容性和生物降解性在生物醫(yī)學等領域具有廣闊的應用前景,特別是這類對溫度或p H敏感,對藥物、蛋白質影響不大的智能水凝膠,在藥物緩釋材料、組織工程材料上具有很好的應用潛力[17-18]。

2.1 藥物緩釋材料

智能高分子水凝膠對溫度、酸度、壓力、光等引起的刺激能及時地做出溶脹和收縮應答,正是這種特殊的環(huán)境敏感性使它能被廣泛地應用于藥物緩釋體系[19-20]。殼聚糖具有很好的吸附性、成膜性和通透性。較低相對分子質量的水溶性殼聚糖更易在體內降解,不易堆積。其中,以殼聚糖為載體材料制備納米粒、微球等給藥系統(tǒng)更是近年來的研究熱點。

肖玲等[21]制備了一種含載藥粒子的殼聚糖(CTS)/PVA溫敏性水凝膠,研究了影響凝膠性能的因素。結果表明,與單純的CTS/PVA水凝膠相比,加入載藥粒子后,凝膠結構更加致密緊湊,凝膠強度增大;藥物釋放速度平穩(wěn),無突釋現(xiàn)象;緩釋效果好,14 d累積釋放32%。該凝膠體系可望在原位可降解植入釋藥體系中有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

Lin等[22]采用羧甲基殼聚糖和PN IPAAm合成了溫度/p H兩性敏感水凝膠,研究了輔酶-A在不同溫度和p H條件下的釋放性能。結果表明,在37℃、p H=2.1的溶液中,24 h內累計釋放22.6%;同樣溫度和時間下,在p H=7.4的溶液中累計釋放89.1%;而在p H=7.4的溶液中,37℃下釋放的速率遠高于25℃時。因此認為這種半互穿水凝膠在對溫度及p H敏感的口服給藥系統(tǒng)有良好的應用前景。

Carmen[23]研究了雙氯滅痛在殼聚糖/PN IPAAm凝膠體系中的釋藥能力。研究發(fā)現(xiàn),單純的PN IPAAm凝膠對雙氯滅痛這種藥物幾乎沒有釋藥能力;而引入殼聚糖后,凝膠在0.9%NaCl溶液中或p H=8的磷酸緩沖溶液中,藥物釋放時間可達到8 h以上。結果還表明,溫度對釋藥能力沒有顯著影響,而殼聚糖的含量對釋藥能力有明顯影響。因此認為,該凝膠系統(tǒng)有望應用于藥物投遞系統(tǒng)。

2.2 組織工程材料

具有可注性、易生物降解的生物材料在生物醫(yī)學領域,如組織工程和藥物釋放等方面?zhèn)涫荜P注。殼聚糖因其獨特的優(yōu)勢,是制備組織工程材料很好的原料。

Tan等[24]采用殼聚糖和透明質酸混合制備了一種新型的具有生物相容性和降解性的水凝膠。實驗將牛關節(jié)軟骨細胞包埋在所合成的凝膠中,發(fā)現(xiàn)細胞能繼續(xù)存活且保持原來的形態(tài)。因此認為,這種水凝膠作為生物支架有望應用于組織工程領域。

Risbud等[25]合成了殼聚糖/明膠水凝膠,并進行了相關生物性能實驗。他們通過將J774巨噬細胞培養(yǎng)在水凝膠上,發(fā)現(xiàn)該凝膠體系對巨噬細胞無毒副作用,說明該凝膠體系對巨噬細胞具有免疫相容性。他們還將人體呼吸道上皮細胞培養(yǎng)在這種水凝膠上,結果發(fā)現(xiàn),該細胞具有正常的形態(tài)特征,能夠正常生長而沒有排異反應。這一研究結果表明,殼聚糖/明膠水凝膠體系有望做為呼吸區(qū)上皮細胞的培養(yǎng)基質應用于生物醫(yī)學組織工程領域,用以解決諸如人造氣管的細胞表面缺少上皮黏膜而導致的氣管缺陷重組術難以成功的醫(yī)學難題。

2.3 其他

殼聚糖是天然高分子,來源廣泛,易降解,對環(huán)境友好。基于以上優(yōu)勢可以探索殼聚糖水凝膠在其他領域的應用。

在造紙業(yè)領域,將疏水型的化學纖維轉變成親水型的物質會更有利于造紙。因此可以利用殼聚糖凝膠的親水性,將殼聚糖凝膠涂覆在化學纖維表面,會有利于纖維的分解。殼聚糖凝膠作為纖維涂層具有薄和均勻的特點,同時,在涂層工藝及整個造紙過程沒有殘余物質,對環(huán)境友好,有望應用于造紙業(yè)領域。

殼聚糖是屬于黏多糖的一種,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。殼聚糖同時含有疏水性基團(CHCO—NH—)和親水性基團(—OH),并且是惟一的陽性多糖,又具有多電解質的性質[27]。當溶解在溶液中時,殼聚糖可以通過疏水作用和分子內氫鍵作用形成凝膠,有望在食品行業(yè)獲得廣泛應用。

3 結語

殼聚糖具有來源廣泛、經濟、無毒、可降解、生物相容性、諸多基團可修飾等優(yōu)點,廣泛應用于智能水凝膠的合成中。但單純的殼聚糖凝膠強度不夠,在水中的溶脹度也不大,實際應用范圍受限?？上驳氖?殼聚糖分子中存在著羥基和氨基等特征基團,能夠和其他物質形成氫鍵和Schiff′s鍵。因此,可以嘗試加入其他物質來制備殼聚糖凝膠,這樣不僅能極大地彌補單一殼聚糖凝膠自身性能欠佳的缺點,而且將有可能提高殼聚糖凝膠對溫度或p H的敏感性,有望在生物醫(yī)學、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面有更好的應用前景。

目前,人們對殼聚糖基智能水凝膠的研究已經取得了一些成果,但制備的水凝膠多為單一敏感型水凝膠,對具有生物質敏感型或多重敏感型水凝膠的研究不多,且對多重敏感性的研究還主要集中在溫度/p H敏感性方面,對壓力、電場等其他因素的研究甚少。在以后的研究中,應注重通過引入具有其他響應性的物質或從合成方法、凝膠結構等方面來拓展其對外界刺激因素的響應,擴展殼聚糖基智能凝膠的應用范圍。

此外,對于智能水凝膠的快速響應機理,以及關于水凝膠的形成、溶脹平衡、平衡轉變及響應時間變化等理論的研究還較為缺乏,沒有突破性的成果[28]。這在較大程度上妨礙了智能水凝膠的進一步發(fā)展和應用。因此,加強相關機理的研究也是今后要特別注意關注的一個重要方面。

殼聚糖水凝膠種類繁多,不少殼聚糖水凝膠具有獨特的智能性,如溫度敏感性、p H敏感性以及多重敏感性等,是一類重要的具有環(huán)境友好性的功能高分子材料和智能材料。目前,對這類凝膠的研究尚處在起步階段,研究領域也主要集中在生物醫(yī)學方面,在食品工業(yè)、造紙工業(yè)、日用化學品等其他領域的研究很少。相信隨著研究理論的深入和研究方法的改進,殼聚糖基智能水凝膠的研究一定會取得突破性進展,獲得令人欣喜的應用。

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