殼聚糖基水凝膠藥物控制釋放體系

曾 敬，康艷紅，田 鵬，蘇桂田

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034）

0 引 言

水凝膠合成材料的多樣性使人們能更加靈活地設(shè)計(jì)出具有不同特性的藥物控制釋放體系。天然高分子材料，如多糖和蛋白，由于其良好的生物相容性、低毒性、對(duì)酶的易感性，在用作制備水凝膠的材料方面，引起了人們廣泛的興趣。在這些高分子中，多糖還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)免疫原性、無(wú)傳播動(dòng)物源病菌的潛在危險(xiǎn)性等。其中的一個(gè)多糖就是殼聚糖。殼聚糖具有其他天然高分子材料的優(yōu)點(diǎn)，又不會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)。

殼聚糖不同于其他多糖，其分子結(jié)構(gòu)中存在氨基，可被質(zhì)子化，能形成聚電解質(zhì)絡(luò)合物。殼聚糖無(wú)毒、穩(wěn)定、可生物降解、殺菌，在生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［1］，使之成為藥物控制釋放領(lǐng)域中的理想載體。

通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)，殼聚糖可制成包括液體凝膠、粉末、顆粒、薄膜、片劑、膠囊、微球、微粒、紗布、納米纖維及無(wú)機(jī)共混物等各種形狀、各種尺寸的水凝膠劑型。

1 物理作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 離子絡(luò)合物

由于殼聚糖氨基正離子的存在，使殼聚糖與帶負(fù)電荷的分子之間可發(fā)生離子相互作用，形成離子絡(luò)合物，如帶負(fù)離子的小分子硫酸鹽、檸檬酸鹽、磷酸鹽，金屬負(fù)離子如Pt（Ⅱ）、Pd（Ⅲ）、Mo（Ⅵ）。通過(guò)調(diào)整電荷密度、陰離子的尺寸以及調(diào)整殼聚糖的脫乙酰度和密度，可制備出各種不同性能的水凝膠材料。

帶負(fù)離子的小分子與殼聚糖的結(jié)合都是通過(guò)殼聚糖質(zhì)子化的氨基，而金屬離子與殼聚糖間的結(jié)合是通過(guò)配位共價(jià)鍵而非靜電作用。這種配位共價(jià)鍵的作用要強(qiáng)于靜電吸引作用。另外，金屬陰離子的電荷密度由pH值決定，而殼聚糖及一些小分子的球電荷密度則既受pH值影響，也受材料本身的pKa值決定。殼聚糖在pH 6以上時(shí)，就幾乎不帶電荷，這大大限制了其形成離子絡(luò)合物的能力，進(jìn)而限制了其在生理?xiàng)l件下的應(yīng)用。同樣，陰離子分子應(yīng)具有高電荷密度，以形成強(qiáng)有力的靜電作用，同時(shí)，分子量要小，以利于其自由地在高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散進(jìn)而發(fā)生靜電作用。

1.2 物理混合物和次級(jí)作用力

除了前面介紹的通過(guò)幾種特定的物理相互作用形成水凝膠之外，還可通過(guò)將殼聚糖與其他水溶性非離子型高分子（如PVA）共混獲得。這些高分子混合物在凍干后或若干冷凍－解凍循環(huán)后形成微晶或絡(luò)合結(jié)點(diǎn)，即水凝膠的交聯(lián)點(diǎn)。對(duì)于殼聚糖－PVA共混物，如增加殼聚糖含量則會(huì)削弱PVA形成微晶的能力，增加所形成水凝膠的無(wú)序性。

最近，一種新型的殼聚糖與聚乙烯亞胺（PEI）共混的水凝膠被制備出來(lái)［2］。PEI是陽(yáng)離子聚合物，可廣泛地用作基因轉(zhuǎn)染試劑。通過(guò)與殼聚糖共混，一種3D水凝膠5min就可制備出來(lái)。這種水凝膠在細(xì)胞培養(yǎng)條件下性質(zhì)穩(wěn)定，可支撐人體胎兒骨骼細(xì)胞的生長(zhǎng)。如果制備水凝膠時(shí)pH 7.5，則殼聚糖是不溶的，可能導(dǎo)致鏈間形成結(jié)晶。即使不加任何其他高分子材料或絡(luò)合物，殼聚糖自身也能形成水凝膠。Ladet等通過(guò)凝膠形成的氫醇法對(duì)此進(jìn)行了解釋［3］。氫醇法中，用氫氧化鈉溶液處理殼聚糖以使殼聚糖上的氨基游離出來(lái)，這樣就避免了高分子鏈間的離子排斥力，就可能形成氫鍵、疏水相互作用、殼聚糖結(jié)晶等。通過(guò)這種技術(shù)可制備出立方厘米尺寸的水凝膠。如果在制備過(guò)程中降低溶液的堿性，則凝膠尺寸大幅減小，隨著堿性的進(jìn)一步降低，凝膠的損耗程度也增加。有趣的是，通過(guò)間歇凝膠法可制備多層洋蔥樣水凝膠（如圖1），可用于在多種治療手段中或脈沖式給藥中實(shí)現(xiàn)對(duì)多種藥物的共擔(dān)載［4］。

圖1 多層洋蔥樣水凝膠［4］

1.3 熱可逆水凝膠和疏水締合作用

研究者打造了一系列被稱作熱可逆凝膠的水凝膠體系，根據(jù)環(huán)境溫度的不同可呈現(xiàn)瞬時(shí)凝膠態(tài)或液體狀態(tài)。這些高分子通過(guò)疏水相互作用或次級(jí)作用力在鏈間形成結(jié)點(diǎn)，從而在可流動(dòng)性液體溶液中形成一個(gè)半剛性的水凝膠。特殊的是當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)較低的臨界溫度（LCST）值時(shí)，材料會(huì)發(fā)生親水－疏水性互變現(xiàn)象。在室溫條件下具有較低濃度的高分子溶液，當(dāng)溫度高于LCST值時(shí)就會(huì)形成凝膠，這種性能在材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面是極其重要的。這些材料可以以液體的形式注入人體，當(dāng)人體某個(gè)部位溫度高于LCST時(shí)，就在原處形成凝膠，這樣可望成為生物醫(yī)藥領(lǐng)域的一種新型載體［5］。這些可注射的凝膠體系可通過(guò)外科手術(shù)進(jìn)入體內(nèi)，可傳遞生物活性物質(zhì)到達(dá)病灶部位而無(wú)明顯的副反應(yīng)（如局部過(guò)熱、有機(jī)溶劑的作用、毒副產(chǎn)物的形成等）。在臨床使用中，可注射的水凝膠特別適用于治療一些形狀不規(guī)則的病灶，而不用對(duì)傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和修整。

甘油磷酸二鈉鹽（GP）和殼聚糖物理共混物有對(duì)濕度敏感的性質(zhì)。GP中的磷酸鹽部分有中和殼聚糖中氨基的作用，從而在溫度升高的過(guò)程中可增強(qiáng)殼聚糖的疏水性和殼聚糖鏈間氫鍵的形成。室溫下該混合物為一澄清的液體，在37℃時(shí)變成凝膠［6］。殼聚糖／GP凝膠可傳遞生物活性骨蛋白，還可以作為軟骨細(xì)胞的擔(dān)載基質(zhì)，三周后可在活體內(nèi)生長(zhǎng)出正常的軟骨組織。

Bhattarai等利用殼聚糖鏈間的相互作用，以Schiff堿和氰基硼氫化鈉為催化劑化學(xué)接枝單羥基PEG到殼聚糖骨架上，也制備出了可注射的溫度可逆凝膠［7］。優(yōu)化PEG用量（45%～55%）和PEG MW（即親水和疏水基團(tuán)的比例平衡），共聚物表現(xiàn)出溫度可逆互變特性，在室溫條件下為可注射液體，在體溫條件下變成凝膠。因此，可在低于溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變溫度下用注射器注射，當(dāng)高于溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，溶液轉(zhuǎn)變成透明凝膠。在低溫下，PEG主要與水分子形成氫鍵，較高溫度時(shí)，則主要是與高分子鏈間的疏水相互作用占主導(dǎo)。這種親水／疏水特性的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了凝膠的形成。

2 化學(xué)交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

盡管物理交聯(lián)的水凝膠有一系列優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在局限性，物理凝膠的孔隙尺寸、化學(xué)行為、降解或溶解行為在體內(nèi)都很難控制。

為避免上述缺陷，可制備殼聚糖不可逆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。這些水凝膠的高分子鏈都是通過(guò)小分子交聯(lián)劑或二次聚合等作用共價(jià)鍵合在一起的?；瘜W(xué)交聯(lián)水凝膠的性質(zhì)主要受交聯(lián)密度及交聯(lián)劑與高分子結(jié)構(gòu)重復(fù)單元的摩爾比的影響。下面分別介紹不可逆殼聚糖基水凝膠的不同形成方式。

2.1 小分子交聯(lián)劑

許多雙官能團(tuán)的小分子都可被用作殼聚糖的交聯(lián)劑，包括戊二醛、二縮水甘油醚、二異氰酸酯、二丙烯酸酯等。與物理凝膠相比，這些化學(xué)交聯(lián)凝膠的機(jī)械性能明顯提高。但是許多交聯(lián)劑的生物相容性還不清楚，很多交聯(lián)劑還發(fā)現(xiàn)具有相對(duì)的生物毒性。為了防止痕跡量未反應(yīng)的交聯(lián)劑在體內(nèi)造成的影響，化學(xué)交聯(lián)的水凝膠在使用前必須進(jìn)行嚴(yán)格的純化。另外，有些交聯(lián)劑還會(huì)與水凝膠擔(dān)載物反應(yīng)，限制了所擔(dān)載物質(zhì)的釋放。目前，可供選擇的安全的、生物相容性好的共價(jià)交聯(lián)劑十分有限，這也是共價(jià)交聯(lián)水凝膠的主要缺點(diǎn)。

由桅子中提取出的京尼平（genipin）是一種純天然的新型交聯(lián)劑，具有良好的生物相容性［8］，可有效共價(jià)交聯(lián)殼聚糖和明膠等含有氨基的高分子，與戊二醛相比具有較少的細(xì)胞毒性。而且，用京尼平交聯(lián)的殼聚糖比用戊二醛交聯(lián)的殼聚糖降解速率更慢。另外，用京尼平交聯(lián)的殼聚糖也表現(xiàn)出更長(zhǎng)的藥物釋放時(shí)間。盡管京尼平具有良好的生物相容性，但其還是易與所擔(dān)載藥物發(fā)生反應(yīng)，這也是京尼平在藥物控制釋放領(lǐng)域的應(yīng)用中所需要考慮的一個(gè)問題。

2.2 高分子－高分子交聯(lián)

為了避免在制備水凝膠的過(guò)程中使用交聯(lián)劑，研究人員事先將高分子鏈功能化，使其帶有可反應(yīng)的官能團(tuán)，然后在原位共價(jià)交聯(lián)形成水凝膠。依據(jù)交聯(lián)反應(yīng)速度及所選擇要發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)，則可以形成不同類型的共價(jià)交聯(lián)點(diǎn)。

在生理pH值下，將N－琥珀酰化的殼聚糖與醛基為終端的透明質(zhì)酸混合在一起1～4min，就可以生成Schiff堿［9］，反應(yīng)條件溫和，生成的水凝膠可至少在4W時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，并且可擔(dān)載軟骨細(xì)胞。

通過(guò)邁克爾加成反應(yīng)也可使高分子鏈間交聯(lián)，形成水凝膠。如，殼聚糖的氨基作為親核試劑與其他高分子鏈上的乙烯基進(jìn)行反應(yīng)。這種方法的反應(yīng)速率快，在反應(yīng)中能形成不同類型的共價(jià)鍵，與生物分子的反應(yīng)相對(duì)溫和，因此目前很流行［10］。用丙烯酸?；臍ぞ厶桥c硫醇化的PEO反應(yīng)，制備出了殼聚糖－PEO水凝膠［11］。研究表明，利用活性硫醇及通過(guò)邁克爾加成反應(yīng)制備的高分子具有明顯的黏附性，在對(duì)口腔的藥物緩釋治療方面提供了支持。

2.3 光交聯(lián)

高分子可利用對(duì)光敏感的官能團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)形成水凝膠。這種技術(shù)具有制備方法簡(jiǎn)單、反應(yīng)速率快、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)法則往往需要加入一些活性物種、引發(fā)劑或催化劑等。

通過(guò)將殼聚糖鏈上引入功能基團(tuán)疊氮基，可實(shí)現(xiàn)原位光敏交聯(lián)獲得殼聚糖水凝膠。紫外光照射后，疊氮基轉(zhuǎn)化成氮賓基，與殼聚糖上的游離氨基反應(yīng)成鍵，60s內(nèi)就可形成水凝膠。這種殼聚糖水凝膠能夠控制多種生長(zhǎng)因子的釋放速率，是一種新型的生長(zhǎng)因子載體，可以在體內(nèi)誘導(dǎo)新血管的形成［12］。

通過(guò)光交聯(lián)，還可制備熱敏性殼聚糖－聚醚水凝膠。用丙烯酸酯將殼聚糖功能化后再和聚醚混合，然后用UV照射可發(fā)生交聯(lián)。殼聚糖－聚醚水凝膠對(duì)包埋的人體生長(zhǎng)因子hGH和質(zhì)粒DNA均表現(xiàn)出持續(xù)的釋放性能［13－14］。

2.4 酶交聯(lián)

光敏交聯(lián)高分子水凝膠可在原位形成，有許多優(yōu)勢(shì)，但也存在缺點(diǎn)，如交聯(lián)需要一定的光敏劑和一定的輻射時(shí)間。這可能導(dǎo)致機(jī)體局部溫度升高，進(jìn)而損傷鄰近的細(xì)胞和組織。用酶催化高分子交聯(lián)是一種溫和的新方法。這項(xiàng)技術(shù)在組織工程支架、藥物或蛋白的傳遞等生物醫(yī)藥領(lǐng)域已顯示出很大的應(yīng)用前景。辣根過(guò)氧化酶（HRP）是一種單鏈β－型血紅素蛋白，通過(guò)氫過(guò)氧化物的分解，可催化酚或苯胺衍生物的偶合，起到交聯(lián)作用［15］。

近年來(lái)，Jin等利用乙醇酸接枝的水溶性殼聚糖和根皮酸（PA）在辣根過(guò)氧化酶和過(guò)氧化氫催化下進(jìn)行交聯(lián)，制備了一種可注射的殼聚糖基水凝膠［16］?？刂聘叻肿拥臐舛葹?%～3%，可使凝膠形成時(shí)間控制在10s～4min。通過(guò)改變初始高分子的濃度，可有效調(diào)節(jié)水凝膠的凝膠含量、吸水性、酶降解時(shí)間及機(jī)械性能。酪氨酸酶是動(dòng)物和植物組織內(nèi)的一種氧化酶，可用來(lái)交聯(lián)殼聚糖和明膠，在原位形成水凝膠。酪氨酸酶氧化明膠的酪氨酰殘基，形成醌殘基，與殼聚糖的氨基作用，形成分子間的交聯(lián)點(diǎn)。殼聚糖和明膠的交聯(lián)在30min內(nèi)，適于凝膠的原位應(yīng)用。

3 藥物的擔(dān)載

作為藥物載體的水凝膠，其藥物擔(dān)載和釋放性能一方面取決于水凝膠的物理和化學(xué)性質(zhì)，另一方面也取決于治療本身。實(shí)際上，水凝膠材料的選擇、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成、藥物擔(dān)載的機(jī)理都應(yīng)充分考慮，以彌補(bǔ)藥物本身性質(zhì)的不足（如脂溶性、帶電荷等）及藥物作用機(jī)理的不足（如釋放速率是否太快、藥物是否是高度裸露等）。藥物的擔(dān)載主要有3種方法：擴(kuò)散、包埋、栓系。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇哪種方法應(yīng)充分考慮所使用的水凝膠的特性及所擔(dān)載藥物的特性。

最簡(jiǎn)單的藥物擔(dān)載方法是將充分形成的水凝膠置入被藥物所飽和的介質(zhì)中［17］。依據(jù)水凝膠孔徑的大小、藥物的尺寸及它們的化學(xué)性質(zhì)，藥物分子會(huì)緩慢擴(kuò)散至水凝膠中。當(dāng)水凝膠置入體內(nèi)，藥物會(huì)自由擴(kuò)散出水凝膠，進(jìn)入鄰近組織。這種方法對(duì)小分子藥物的擔(dān)載十分有效，但像多肽、蛋白這樣的大分子藥物，則不易在水凝膠的小孔隙中移動(dòng)。而且，這種方法進(jìn)行的藥物擔(dān)載也需耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于較大的藥物分子，則須將藥物與高分子溶液混合，然后再加交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)，在凝膠化過(guò)程中將藥物分子包埋其中。需要注意的是，必須充分考慮藥物分子的化學(xué)性質(zhì)，避免不必要的交聯(lián)及藥物活性的降低。

無(wú)論是擴(kuò)散方法還是包埋方法，藥物分子都可以自由從凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中出來(lái)。凝膠置入體內(nèi)后，由于凝膠與周圍藥物濃度的差異，會(huì)導(dǎo)致置入前期藥物的突釋。為了盡可能地減少所擔(dān)載藥物的損失及機(jī)體中毒的可能，可在凝膠化前將藥物分子共價(jià)鍵合到高分子鏈上或以物理方法連接到高分子鏈上。當(dāng)水凝膠分解或藥物分子與高分子間的價(jià)鍵斷裂時(shí)，藥物分子才會(huì)釋放出來(lái)，起到治療作用。藥物與高分子間的連接易受周圍環(huán)境中酶的影響，可以此來(lái)控制藥物的釋放速率和釋放時(shí)間。

分子之間如果溶解性不同，或帶有相同的電荷，那么在進(jìn)行藥物擔(dān)載時(shí)也是很難處理的。如，像紫杉醇這樣的疏水分子，必須在制備水凝膠前，將其與兩親性添加物混合，然后在溶液中共混進(jìn)行擔(dān)載。Jauhari等將紫杉醇與檸檬酸甘油單酯共混，然后再凝膠化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫杉醇的擔(dān)載［18］。

4 藥物的釋放

水凝膠所擔(dān)載的藥物的釋放可通過(guò)3種不同的方式進(jìn)行：擴(kuò)散方式、化學(xué)／環(huán)境應(yīng)答方式及特定酶的應(yīng)答方式。藥物的擴(kuò)散釋放可通過(guò)調(diào)整藥物分子在高分子基質(zhì)間的運(yùn)動(dòng)或調(diào)整水凝膠在體內(nèi)的分解速率來(lái)調(diào)控。具有環(huán)境應(yīng)答功能的水凝膠會(huì)根據(jù)周圍pH和溫度條件的不同，有效膨脹擴(kuò)張其孔徑，從而在所設(shè)定的條件下提高所包埋藥物的擴(kuò)散速率。這種藥物控制釋放模式可在治療部位保持有效的藥物水平，并避免藥物在病灶以外的部位發(fā)生釋放。

通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行的局部藥物控制釋放是一種最基本的非特異性的控制釋放方式，而化學(xué)或生物環(huán)境刺激引起的藥物釋放則更具有可調(diào)控性和可選擇性，可避免藥物在到達(dá)病灶部位前與大量健康組織發(fā)生相互作用。這一點(diǎn)是十分重要的。

環(huán)境應(yīng)答或酶應(yīng)答誘發(fā)水凝膠發(fā)生3種變化：膨脹、分解或降解，從而有利于藥物的釋放。水凝膠的膨脹使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔徑增大，使水凝膠中包埋的藥物可以以更快的速度擴(kuò)散出來(lái)。而分解或降解則是水凝膠的物理解體。當(dāng)高分子鏈間的交聯(lián)點(diǎn)或結(jié)合的分子斷裂時(shí)，即水凝膠發(fā)生分解，藥物就釋放出來(lái)。

5 展 望

由于交聯(lián)機(jī)理的發(fā)展，新的材料的出現(xiàn)，水凝膠的種類也發(fā)展得越來(lái)越多。這些凝膠具有孔徑、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸可調(diào)性，以應(yīng)用于不同領(lǐng)域。殼聚糖更是由于其獨(dú)特的陽(yáng)離子特性，及在體內(nèi)的降解機(jī)理而在水凝膠領(lǐng)域中占有相當(dāng)重要一席。

殼聚糖是智能藥物控制釋放領(lǐng)域中最主要的一員，可在注射藥物控制釋放體系、腫瘤治療的原位凝膠體系、組織再生、口腔藥物傳遞等領(lǐng)域都受到了強(qiáng)烈的關(guān)注。

可以預(yù)見，當(dāng)進(jìn)一步掌握殼聚糖基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)后，還會(huì)產(chǎn)生新一代的藥物傳遞體系。便宜、無(wú)毒、有效的殼聚糖基水凝膠藥物控制釋放體系會(huì)與臨床應(yīng)用越來(lái)越近。

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