智能磁力驅(qū)動(dòng)自愈合水凝膠的制備及性能研究

陳雪鋆，呂 琛，范 茗，談華平

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094)

自愈合(self-healing)的概念來源于生物學(xué)中的自愈合能力，構(gòu)成生物體的材料是能隨著生物體生長進(jìn)化而逐步優(yōu)化的系統(tǒng)，一個(gè)最突出的表現(xiàn)就是其在受到外部損傷后，能夠表現(xiàn)出自愈合和重建的功能[1]。傳統(tǒng)的水凝膠通常不具備自愈合功能，將自愈合概念擴(kuò)展到這方面則具有十分重要的意義，因而受到越來越多的關(guān)注。智能自愈合載藥支架材料作為皮膚和肌肉等軟組織缺損填充替代物越來越受到重視，其中，智能磁性納米支架材料作為一種新型藥物載體，有望廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，可包載蛋白類、醇類和酮類等易反應(yīng)或易失活的藥物和營養(yǎng)物質(zhì)，達(dá)到在特定區(qū)域緩慢釋放藥物的效果[2]。目前，組織工程支架材料正朝著納米功能化及可控靶向釋放藥物的方向發(fā)展，基本思路是將磁性納米顆粒與細(xì)胞支架材料結(jié)合。目前,傳統(tǒng)的對(duì)抗癌癥的治療方法存在許多缺點(diǎn)，例如，藥物的副作用會(huì)增加，在靜脈注射時(shí)治療效果會(huì)降低[2]。因此，以靶向和持續(xù)藥物釋放為特征的藥物傳遞系統(tǒng)越來越受到重視[3-6]。磁性載藥微球在抗癌藥物傳遞技術(shù)中起著重要作用。這些磁微球由磁鐵礦粒子(Fe3O4)組成，具有磁響應(yīng)能力。通過外磁場(chǎng)的應(yīng)用，磁性聚合物微球可以在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)位置并保持很高的濃度，同時(shí)不會(huì)對(duì)附近的正常組織產(chǎn)生毒性作用[7]。

磁響應(yīng)自愈合水凝膠是一種同時(shí)利用磁性粒子特性和自愈合水凝膠特性的復(fù)合材料。納米級(jí)的磁性顆粒具有與其常規(guī)尺寸特性不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些特性使它們?cè)诤舜殴舱?、熱療、藥物傳遞、細(xì)胞分離和分析等方面有廣泛的應(yīng)用。在其中的一些應(yīng)用中，已經(jīng)開發(fā)了一些方法來提高它們的生物相容性,而自愈合水凝膠具有自主修復(fù)裂紋的能力，因而可以保持水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，使其能長期穩(wěn)定使用[6]。

本文中,筆者旨在制備一種包埋載藥微球的復(fù)合水凝膠，提升自愈合水凝膠的性能，并提高抗腫瘤藥物的傳遞效率。水凝膠由水溶性羧乙基殼聚糖(CEC)和氧化海藻酸鹽(OAlg)通過席夫堿(Schiff-base)反應(yīng)制成。為了顯示出加入載藥磁性微球的自愈合水凝膠支架優(yōu)異的力學(xué)性能和持續(xù)的藥物釋放性，筆者開發(fā)了一種新型磁性明膠微球(MGMs)，用于封裝并運(yùn)輸5-氟尿嘧啶(5-Fu)。明膠是一種具有良好溶解性、生物相容性和生物可降解性的蛋白質(zhì)衍生膠原，廣泛應(yīng)用于微球的制備[7]。5-氟尿嘧啶(5-Fu)是一種常見的化療藥物，它通過抑制癌細(xì)胞DNA的合成達(dá)到抗癌的效果。但是,當(dāng)5-Fu在血液中達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性作用，因此，研究其他具有靶向性和控制釋放特性的方法已成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中，筆者將載有5-Fu的MGMs(5-Fu/MGMs)封裝到CEC/OAlg水凝膠中，制備出一種新型復(fù)合自修復(fù)水凝膠，并研究該水凝膠一系列的性能，包括不同配比的磁性微球?qū)λz的微結(jié)構(gòu)、溶脹率、降解性能、流變性能、自愈合能力和體外釋藥性能的影響，希望該復(fù)合水凝膠能為給藥系統(tǒng)及組織工程材料提供新的選擇。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

殼聚糖(化學(xué)純)、海藻酸鈉(化學(xué)純)，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；明膠(分析純)，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；納米Fe3O4顆粒(20 nm)，南京埃普瑞納米材料有限公司；戊二醛(分析純)、5-氟尿嘧啶(醫(yī)藥級(jí))、高碘酸鈉(分析純)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙烯酸(分析純)、無水乙醇(分析純)，成都市科龍化工試劑廠。

FD-1A-50型真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；Allegra X-30型高速冷凍離心機(jī)，美國貝克曼庫爾特公司；Biomate 3S型紫外分光光度計(jì)，美國賽默飛世爾科技公司；Nicolet iS 10型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；Bruker-AXS D8 Advance型X線衍射儀，美國Bruker公司)；THZ-100型恒溫培養(yǎng)搖床，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；Hitachi SU8010型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本Hitachi公司；Lake Shore 7400型磁強(qiáng)計(jì)，美國LakeShore公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)與制備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理與制備

復(fù)合自修復(fù)水凝膠通過CEC上的氨基與OAlg上的醛基之間的席夫堿反應(yīng)發(fā)生交聯(lián)。為了得到靶向運(yùn)輸和緩釋能力，將載有5-Fu的MGMs包埋到CEC/OAlg水凝膠中，如圖1所示。為了提高藥物靶向傳遞能力，磁性微球的制備采用乳化交聯(lián)法，即基于席夫堿反應(yīng)，通過明膠上的氨基與戊二醛上醛基的交聯(lián)過程制備MGMs。

圖1 封裝5-Fu/MGMs的復(fù)合CEC-OAlg 水凝膠制備過程Fig.1 Preparation of the composite CEC-OAlg hydrogel (gel) integrated with magnetic gelatin microspheres (MGMs) loaded 5-fluorouracil (5-Fu)

由于席夫堿反應(yīng)，CEC的氨基與OAlg的醛基之間的自修復(fù)行為是動(dòng)態(tài)可逆的再交聯(lián)過程[8]。當(dāng)水凝膠被切割成兩半時(shí)，通過席夫堿反應(yīng)連接的鍵會(huì)斷裂，許多單氨基或醛基會(huì)出現(xiàn)在水凝膠表面。然后，斷裂表面相互接觸后,席夫堿反應(yīng)將重新進(jìn)行，使得愈合的水凝膠重新成為整體，圖2說明了這一過程。該自愈合過程不需要任何外部刺激，即整個(gè)過程具有自發(fā)性和無毒性。

圖2 復(fù)合水凝膠自愈合過程Fig.2 Schematic illustration of self-healing process of the composite hydrogels

1.2.2 羧乙基殼聚糖(CEC)的制備

根據(jù)Michael加成反應(yīng)[9]，將4 g殼聚糖溶解在200 mL含丙烯酸的去離子水中，在50 ℃下持續(xù)攪拌3 d 。反應(yīng)完全后，逐漸加入1 mol/L NaOH，將混合溶液的pH調(diào)節(jié)至10～12。之后，將混合溶液裝入透析袋(MWCO14000),在去離子水中進(jìn)行純化處理，為期3 d。將純化后的溶液在-50 ℃下冷凍干燥，最后得到脫水干燥的CEC。

1.2.3 氧化海藻酸鈉(OAlg)的制備

首先,將3 g海藻酸鈉溶于150 mL去離子水中，通過磁攪拌得到20 g/L的溶液;然后,將3 g高碘酸鈉加入溶液中，繼續(xù)在室溫黑暗條件下攪拌溶液24 h;最后將2 mL乙二醇加入到溶液中來終止反應(yīng)。攪拌1 h后，將混合溶液在去離子水中進(jìn)行透析(MWCO14000)，為期3 d。將純化后的溶液在-50 ℃下冷凍干燥，最終得到脫水干燥的OAlg。

1.2.4 磁性載藥微球的制備

采用乳化交聯(lián)法制備了載有5-Fu的磁性明膠微球(5-Fu/MGMs)。首先,將1 g明膠和0.1 g 5-Fu溶解于10 mL去離子水中;然后,將0.2 g Fe3O4加入溶液中，在超聲波下振動(dòng)30 min,使其充分?jǐn)U散在溶液中。將混合物逐滴地加入含有1 mL Span-80的100 mL液體石蠟中，并且在60 ℃、7 000 r/min條件下進(jìn)行攪拌，乳化15 min后，用冰浴將混合物冷卻至5 ℃,5 min后，將1 mL戊二醛加入混合物中，并在8 000 r/min下攪拌，60 min后，加入30 mL丙酮并攪拌40 min進(jìn)行脫水;再次，將產(chǎn)物在3 000 r/min下離心5 min，分別用異丙醇、乙醇和蒸餾水清洗2次來去除油相;最后，將產(chǎn)物冷凍干燥，得到純凈干燥的磁性明膠微球。利用激光粒度儀在室溫條件下測(cè)定微球的平均水動(dòng)力學(xué)直徑。本文中,5-Fu/MGMs的載藥量為(41.93±0.85) μg/mg，包封率為(54.51±1.11)%。

1.2.5 復(fù)合水凝膠的制備

首先,將CEC和OAlg分別在磷酸鹽緩沖液(PBS)中溶解，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是4%和10%,通過早期實(shí)驗(yàn)確定的CEC與OAlg的體積比為4∶ 1;然后，將5-Fu/MGMs磁性微球加入CEC溶液中并充分分散，使其能被封裝到水凝膠中;最后，將5-Fu/MGMs/CEC混合物與OAlg溶液混合，通過席夫堿反應(yīng)得到交聯(lián)的復(fù)合水凝膠。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 微球及水凝膠形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)MGMs、水凝膠和MGMs/水凝膠的形貌進(jìn)行表征。對(duì)MGMs、水凝膠及MGMs/水凝膠冷凍干燥，水凝膠進(jìn)行切片，將樣品進(jìn)行噴金處理，用SEM對(duì)它們的微觀形貌進(jìn)行觀察，加速電壓3 kV。

1.3.2 紅外光譜分析

使用傅里葉紅外光譜儀對(duì)CEC、OAlg和復(fù)合水凝膠進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，檢驗(yàn)其是否成功發(fā)生席夫堿反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。測(cè)試前先采集背景，然后將凍干水凝膠樣品放入樣品臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量。收集數(shù)據(jù)后與反應(yīng)原料的紅外光譜圖進(jìn)行對(duì)比，觀察吸收峰的變化。

1.3.3 磁性能表征

在300 K下測(cè)量5-Fu/MGMs和含有30 mg/mL 5-Fu/MGMs的復(fù)合水凝膠的磁滯曲線，磁場(chǎng)矯頑力范圍為-60～60 kOe。

1.3.4 流變性能表征

將復(fù)合水凝膠(高度1 mm)置于底板的中心。在37 ℃、頻率范圍0.1～100 rad/s、恒定振幅y=1%下，記錄不同的角頻率下儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)。然后，再次測(cè)試愈合2 h后的水凝膠，并將儲(chǔ)能模量與原始水凝膠進(jìn)行比較。

1.3.5 溶脹性能表征

將復(fù)合水凝膠浸泡在PBS中，置于37 ℃、70 r/min的恒溫培養(yǎng)搖床里。然后，在不同的時(shí)間間隔內(nèi)，將水凝膠取出，用濾紙吸去表面水分后稱質(zhì)量(ms)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將水凝膠在-50 ℃下凍干,稱質(zhì)量得到干態(tài)凝膠質(zhì)量(md)。溶脹率(SR)的計(jì)算見式(1)。

溶脹率SR=(ms-md)/md

(1)

1.3.6 體外降解表征

通過監(jiān)測(cè)水凝膠的質(zhì)量損失情況，可以清楚地描述其降解行為。將初始水凝膠(質(zhì)量記為m0)浸泡在PBS中，并置于恒溫振動(dòng)臺(tái)(37 ℃、70 r/min)中。在不同的時(shí)間下，從PBS中取出樣品并稱質(zhì)量(mT)。降解率及質(zhì)量剩余率的計(jì)算見式(2)和(3)。

降解率=(m0-mT)/m0×100%

(2)

質(zhì)量剩余率=mT/m0×100%

(3)

1.3.7 自愈合性能實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試復(fù)合水凝膠的自愈合能力，制備空白水凝膠和30 mg/mL MGMs/水凝膠樣品。將兩塊相同的水凝膠放置在一起，2 h后，觀察水凝膠是否重新變?yōu)檎w。多次重復(fù)試驗(yàn)并記錄自愈合情況，為了更好地觀察，將其中一塊水凝膠用羅丹明B染色，然后拉伸愈合的水凝膠，以觀察其是否有良好的自愈合表現(xiàn)。

1.3.8 5-Fu體外釋藥實(shí)驗(yàn)

在藥物釋放實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)5-Fu/MGMs、5-Fu/水凝膠和5-Fu/MGMs/水凝膠進(jìn)行分析。將10 mg磁性載藥微球加入8 mL PBS的試管中單獨(dú)測(cè)定5-Fu/MGMs組。將裝載相同量藥物的水凝膠置于10 mL PBS溶液中測(cè)試另外兩組。所有3組樣本均置于振動(dòng)臺(tái)(37 ℃、70 r/min)中。在不同的時(shí)間點(diǎn)，從試管中吸取2 mL溶液，同時(shí)加入2 mL PBS溶液以維持恒定體積。用分光光度計(jì)在266 nm處測(cè)定PBS中5-Fu的吸光度。根據(jù)5-Fu標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程確定5-Fu的釋藥量，繪制出各組的累積釋藥-時(shí)間曲線。累積釋藥率計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：Mt為系統(tǒng)在緩沖液中時(shí)間為t時(shí)的5-Fu的釋放量；M0為系統(tǒng)初始5-Fu的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 X線衍射(XRD)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

通過XRD分析來確保磁性納米顆粒(Fe3O4)被成功封裝到MGMs中，結(jié)果如圖3所示。由3圖可知：明膠的衍射峰幾乎消失了，而Fe3O4的衍射峰仍然存在。這表明，明膠作為一種基材已經(jīng)通過席夫堿反應(yīng)與戊二醛交聯(lián)，沒有產(chǎn)生其他的共沉淀物，且Fe3O4已經(jīng)成功地嵌入到微球中。

圖3 明膠、Fe3O4和MGMs的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of gelatin,Fe3O4 and MGMs

圖4 CEC、OAlg和CEC/OAlg水凝膠的FT-IR圖譜Fig.4 FTIR spectra of CEC, OAlg, and CEC/OAlg gel

2.2 SEM形貌觀察結(jié)果

用SEM對(duì)凍干5-Fu/MGMs的形態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以清楚地看到微球呈現(xiàn)球狀，形態(tài)完整且分散性良好，表面沒有裂紋或皺紋。由于5-Fu負(fù)載到MGMs中，微球呈現(xiàn)出一點(diǎn)不規(guī)則且粗糙的表面，意味著可能有很少的藥物被吸附在表面上而不是被封裝在微球中，這將導(dǎo)致藥物釋放初期的突發(fā)釋放。對(duì)5-Fu/MGMs的形態(tài)進(jìn)行TEM分析，結(jié)果見圖5(c)。由圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，磁性Fe3O4納米粒子被封裝進(jìn)明膠微球GMs，在球體中間的黑色陰影部分，這進(jìn)一步證明了Fe3O4納米顆粒成功被封裝進(jìn)(GMs)。

圖5 5-Fu/MGMs的SEM表面形貌(a,b)和 5-Fu/MGMs的TEM圖像(c)Fig.5 SEM images of surface morphologies of 5-Fu/MGMs (a), (b), and TEM photograph of the 5-Fu/MGMs(c)

2.3 磁力性能檢測(cè)結(jié)果

在封裝5-Fu/MGMs后，復(fù)合水凝膠將產(chǎn)生磁性行為，其可被外部磁場(chǎng)刺激產(chǎn)生響應(yīng)，可應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[10]。超順磁性指存在外部磁場(chǎng)時(shí)材料具有良好磁性、當(dāng)外加磁場(chǎng)消失后材料磁性消失的性質(zhì)。對(duì)封裝5-Fu/MGMs后的復(fù)合水凝膠進(jìn)行檢測(cè)，分析其磁性行為，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：磁滯曲線呈現(xiàn)對(duì)稱的S形，5-Fu/MGMs和30 mg/mL 5-Fu/MGMs/水凝膠的飽和磁化強(qiáng)度分別為4.95和2.1 A/m，均表現(xiàn)出優(yōu)異的超順磁性行為。這表明，復(fù)合水凝膠在封裝5-Fu/MGMs后，由于水凝膠部分為非磁性物質(zhì)而導(dǎo)致磁化強(qiáng)度出現(xiàn)下降，但仍然擁有良好的超順磁性，沒有磁滯現(xiàn)象。

圖6 5-Fu/MGMs和30 mg/mL 的5-Fu/MGMs 復(fù)合水凝膠的磁滯曲線Fig.6 Magnetic hysteresis curves of 5-Fu/MGMs and composite hydrogel contained 30 mg/mL 5-Fu/MGMs

2.4 溶脹性能和體外降解速率的檢測(cè)結(jié)果

在組織工程應(yīng)用中，溶脹性是表征水凝膠物質(zhì)交換的基本特征[11]，對(duì)于水凝膠植入體內(nèi)后的力學(xué)性能、細(xì)胞生長和藥物釋放速率等都會(huì)造成影響。溶脹度過大會(huì)降低水凝膠的強(qiáng)度，同時(shí)可能會(huì)對(duì)周圍組織造成壓迫，溶脹度過小又會(huì)降低物質(zhì)交換能力，也不利于細(xì)胞生長。

圖7顯示了不同MGMs濃度的水凝膠在37 ℃PBS溶液中經(jīng)歷12 h的溶脹動(dòng)力學(xué)。由圖7可知：當(dāng)處于PBS溶液后，水凝膠的溶脹比在一定程度上增加了，這是CEC和OAlg上一些親水基團(tuán)導(dǎo)致的。一般來說，高濃度的MGMs會(huì)導(dǎo)致較低的溶脹率。由此推測(cè)，固體MGMs可能占據(jù)水凝膠空間結(jié)構(gòu)的一部分，這將限制水凝膠在水相條件下的吸水能力。同時(shí)可以看出，與0～10和40 mg/mL的MGMs/水凝膠相比，20～30 mg/mL的MGMs/水凝膠的溶脹過程更穩(wěn)定，溶脹度也較為適中。

圖7 濃度對(duì)MGMs/水凝膠溶脹率 的影響(37 ℃ PBS)Fig.7 Effects of MGMs concentration on swelling rate of gel in PBS at 37 ℃

在PBS溶液中，37 ℃環(huán)境下，監(jiān)測(cè)水凝膠的降解率隨時(shí)間的變化，時(shí)間為2周，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：不同含量的MGMs/水凝膠在降解過程中出現(xiàn)顯著的變化，含有較多MGMs的復(fù)合水凝膠更穩(wěn)定，更不易降解。在第1天，由于溶脹過程，各組水凝膠的質(zhì)量都增加了。之后溶脹慢慢達(dá)到平衡，這時(shí)候隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，水凝膠開始顯現(xiàn)出降解行為，這是由于水凝膠體系中的交聯(lián)鍵開始斷裂，導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)開始崩塌分解，從而使得水凝膠質(zhì)量逐漸減少。與0～20 mg/mL的 MGMs/水凝膠相比，30～40 mg/mL的MGMs/水凝膠的質(zhì)量減少速度更慢更穩(wěn)定；在PBS中放置14 d后，30～40 mg/mL的 MGMs/水凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為81.3%和89.4%。這些結(jié)果表明，制備的水凝膠具有較好的穩(wěn)定性、較低的溶脹率和降解速率。

圖8 濃度對(duì)MGMs水凝膠降解率的影響 (37 ℃ PBS)Fig.8 Effects of MGMs concentration on degradation rate of gel in PBS at 37 ℃

圖9為凍干水凝膠和30 mg/mL 5-Fu/MGMs/水凝膠在降解前后的形貌。由圖9(a)～9(d)可知：水凝膠和5-Fu/MGMs/水凝膠的形貌均呈現(xiàn)出連通多孔狀結(jié)構(gòu)，這些孔隙可能是凍干過程后冰晶形成的產(chǎn)物[12]。與水凝膠(圖9(a)和9(b))相比，30 mg/mL的 5-Fu/MGMs/水凝膠(圖9(c)和9(d))的復(fù)合凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面略粗糙，這說明MGMs在水凝膠中均勻分布，未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。在PBS溶液中降解后的第7天和第14天，水凝膠(圖9(e)和9(f))和5-Fu/MGMs/水凝膠(圖9(g)和9(h))維持了多孔狀結(jié)構(gòu)。與復(fù)合水凝膠相比，隨著降解的進(jìn)行，水凝膠(圖9(e)和9(f))的一些碎片和裂紋已經(jīng)消失，降解更加迅速。相比較而言，復(fù)合水凝膠具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，與體外降解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

a和b為凍干的水凝膠；c和d為含30 mg/mL的5-Fu/MGMs/水凝膠；e和f為在PBS 溶液中降解后第7天和第14天的水凝膠；g和h為在PBS 溶液中降解后第7天和第14天的含30 mg/mL的5-Fu/MGMs/水凝膠圖9 不同條件的水凝膠SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM images of different hydrogels

2.5 流變性能

在37 ℃條件下，通過測(cè)量材料的存儲(chǔ)模量(G′)和損耗模量(G″)與角頻率的函數(shù)關(guān)系，來表示復(fù)合水凝膠的流變特性，從而研究水凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在循環(huán)剪切力下的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同濃度的MGMs/水凝膠的G′和G″ 與角頻率的函數(shù)關(guān)系Fig.10 Frequency dependence of storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of gels with different concentrations of MGMs at 37 ℃

由圖10可知:隨著頻率的變化，復(fù)合水凝膠的G′幾乎保持不變，并且比G″大得多，這表明水凝膠的彈性行為起主導(dǎo)作用，而非黏性行為，這表明復(fù)合水凝膠具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[13-15]。另外，隨著MGMs濃度的增加，G′和G″均明顯增加，且G′和G″隨角頻率變化表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，說明復(fù)合水凝膠具有一定維持自身形態(tài)的能力。與40 mg/mL的 MGMs/水凝膠相比，30 mg/mL的MGMs/水凝膠有更高一點(diǎn)的G′，這一般與其壓縮性能相關(guān)。另外，G′ 數(shù)值遠(yuǎn)大于G"，表明了這種復(fù)合水凝膠有更好的彈性，更加顯示出一種固體的屬性，筆者認(rèn)為，該復(fù)合水凝膠在高性能和超彈性的藥物運(yùn)輸應(yīng)用中能表現(xiàn)出良好的外表形狀。

為了評(píng)價(jià)水凝膠的自愈能力，將不同濃度MGMs的復(fù)合水凝膠切割成兩半，然后將其各自放在一起進(jìn)行自愈合2 h，圖11顯示了原始水凝膠與愈合后的水凝膠的存儲(chǔ)模量。由圖11可知：與0～10 mg/mL的MGMs/水凝膠相比，20～40 mg/mL的MGMs/水凝膠的一致性更好，其G′幾乎沒有差異。通過比較愈合前后的存儲(chǔ)模量，20～40 mg/mL的 MGMs/水凝膠的自愈合效率分別為96.27%、96.7%和95.94%，表明其在生物醫(yī)學(xué)操作中造成損傷后具有良好的自愈性。綜上各項(xiàng)因素，30 mg/mL的MGMs/水凝膠具有最優(yōu)的性能，可用作進(jìn)一步研究。

圖11 不同濃度的原始水凝膠與愈合2 h后的 水凝膠的存儲(chǔ)模量比較Fig.11 Comparison of storage modulus between the original and the healed after cutting for 2 h composite hydrogels

2.6 自愈合性能

為了檢驗(yàn)基于動(dòng)態(tài)席夫堿反應(yīng)的水凝膠的自愈合能力，首先對(duì)無MGMs的空白水凝膠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備兩個(gè)相同的水凝膠，用羅丹明B來染色其中的一個(gè)，然后把它們放在一起，在室溫下愈合，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知：自愈合2 h后，水凝膠愈合成為一個(gè)整體。此外，愈合后的水凝膠能夠克服外部的拉伸力，同時(shí)保持自身完整無損，表現(xiàn)出良好的自愈性。

圖12 無MGMs的空白水凝膠自愈過程 Fig.12 The self-healing process of the blank hydrogel with no MGMs

同樣，準(zhǔn)備了兩個(gè)相同形狀與大小的水凝膠，一個(gè)是空白水凝膠，另一個(gè)是30 mg/mL的MGMs/水凝膠，重復(fù)上述方法，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：已愈合的水凝膠可以支撐自身的質(zhì)量和外界的拉伸?；谙驂A反應(yīng)的動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵，特別是在水凝膠表面上，使裂開的水凝膠能夠輕易重新連接。這些結(jié)果表明制備的水凝膠顯示了良好的自愈能力。

當(dāng)應(yīng)用到臨床實(shí)踐中時(shí)，期望復(fù)合水凝膠能被注射到靶組織處[16]。因此，測(cè)試了30 mg/mL的MGMs/水凝膠的注射性能、自愈合性和磁性，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：注射后，水凝膠片段在室溫下30 min后，不需任何外部刺激，通過動(dòng)態(tài)席夫堿連接變?yōu)橐粋€(gè)整體并可被磁體吸引。基于這些優(yōu)異的性能，當(dāng)用作藥物載體時(shí)，復(fù)合水凝膠能夠在外部磁場(chǎng)引導(dǎo)下快速準(zhǔn)確地到達(dá)靶向處。

圖13 復(fù)合水凝膠的自愈過程Fig.13 The self-healing process of the composite hydrogels

圖14 30 mg/mL的MGMs水凝膠的性能Fig.14 Some performance of the 30 mg/mL MGMs/Gel

2.7 釋藥性能

圖15為在體外模擬生理環(huán)境(PBS，37 ℃)下，5-Fu/MGMs、5-Fu/水凝膠和30 mg/mL的5-Fu/MGMS/水凝膠的5-Fu累積釋放率試驗(yàn)結(jié)果。由圖15可知：5-Fu在MGMs中的累積釋放率在前兩周內(nèi)保持連續(xù)穩(wěn)定，達(dá)到60.05%，隨后的2周，藥物釋放變得更加緩慢穩(wěn)定，最終釋放率達(dá)到76.60%。而在最初的4 d內(nèi)，5-Fu/水凝膠的初始釋放表現(xiàn)出明顯的突發(fā)釋放，累積釋放率為50.08%，這幾乎是同一時(shí)間5-Fu/MGMS釋放量的3倍，2周后當(dāng)釋放率達(dá)到60.69%時(shí)，系統(tǒng)的藥物濃度幾乎達(dá)到平衡，不再有明顯變化。與這兩組相比，5-Fu/MGMS/水凝膠的釋放曲線更加穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)初期突釋現(xiàn)象，也不會(huì)導(dǎo)致過高的藥物濃度，表現(xiàn)出了更好的藥物緩釋性和穩(wěn)定性。36 d后，MGMs/水凝膠的累積釋放量逐漸增加至56.13%，略低于水凝膠。由此可見，含有微球和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠作為藥物載體可以使5-Fu可控且持續(xù)地釋放。這種良好的性質(zhì)可以保證5-Fu在到達(dá)腫瘤細(xì)胞之前不會(huì)大量釋放，從而有效避免對(duì)其他健康組織的毒副作用。

圖15 MGMs、水凝膠和30 mg/mL MGMs/水凝膠的 5-Fu的累積釋放曲線Fig.15 Cumulative release profiles of 5-Fu from MGMs, Gel and MGMs/Gel

3 結(jié)論

筆者基于動(dòng)態(tài)席夫堿交聯(lián)技術(shù)成功制備了包埋5-Fu/MGMs的可注射和自愈合的CEC/OAlg水凝膠。主要結(jié)論如下：

1)5-Fu/MGMs復(fù)合水凝膠與單獨(dú)的水凝膠相比，具有較短的凝膠時(shí)間、較低的溶脹率和較慢的體外降解過程。同時(shí)，加入磁性微球是調(diào)節(jié)復(fù)合水凝膠支架一些性能的重要因素。

2)磁滯曲線表明，該復(fù)合水凝膠具有良好的超順磁性，能對(duì)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生磁響應(yīng)。

3)流變?cè)囼?yàn)表明，復(fù)合水凝膠具有較高的穩(wěn)定性，因此在承受外界壓力的情況下，可以保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。將復(fù)合水凝膠切成兩半，然后愈合2 h，從流變?cè)囼?yàn)中得到的恢復(fù)率來看，復(fù)合水凝膠具有良好的自愈性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。綜合各因素，當(dāng)MGMs的質(zhì)量濃度為30 mg/mL時(shí)，復(fù)合水凝膠達(dá)到最好的性能。

4)在自愈合行為試驗(yàn)中，證明了基于動(dòng)態(tài)的席夫堿重交聯(lián)過程，水凝膠具有優(yōu)秀的自愈合性能。同時(shí)在愈合形成整體后，水凝膠系統(tǒng)可以克服一些拉伸并保持堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

5)MGMs、水凝膠和MGMs/水凝膠進(jìn)行的5-Fu體外釋藥實(shí)驗(yàn)表明，具有微球/水凝膠結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠更有利于藥物的穩(wěn)定持續(xù)釋放。

綜上所述，5-Fu/MGMs/水凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性、優(yōu)秀的力學(xué)性能、良好的磁響應(yīng)性能和穩(wěn)定的藥物緩釋性等，在抗腫瘤治療、藥物傳遞及組織工程等方面的應(yīng)用前景十分廣闊。