氧氣控制釋放型生物材料研究進(jìn)展

劉群峰

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528137）

目前，由于面臨人口老齡化及器官受損和衰竭的問題越來越多，組織工程為人工器官提供了新思路，盡管其在組織工程領(lǐng)域中取得了顯著進(jìn)展，但仍存在諸多挑戰(zhàn)，如移植的組織工程結(jié)構(gòu)在形成血管化之前，難以獲得充分的氧氣和營養(yǎng)以滿足移植組織中細(xì)胞的需求，這使得組織工程支架中尤其是深處的細(xì)胞通常處于缺氧條件中［1］．而細(xì)胞對缺氧環(huán)境非常敏感，氧缺失最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織壞死，這限制了組織工程化產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用［2］．為了防止植入的組織缺氧損傷，有必要為其提供足夠的氧氣供應(yīng)．

研究表明［3］，利用釋氧材料將氧輸送到植入的組織中以避免缺氧，是最為有效的方式之一．通常氧氣可以通過直接供應(yīng)的方式或通過載體材料進(jìn)行輸送，不含有載體材料的氣態(tài)氧就可以作為治療疾病的一種方式而得到應(yīng)用，如醫(yī)學(xué)上采用高壓氣態(tài)氧治療多種疾?。?-5］，但是這種氧氣方法難以實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)植入組織持續(xù)可控的氧氣支持．供氧一個(gè)重要的要求是避免氧氣的突然釋放，大量氧氣突釋會(huì)對細(xì)胞產(chǎn)生毒性［6］，因而提供最佳和持續(xù)的氧氣釋放是氧氣輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵要素．

釋氧材料即是通過載體材料負(fù)載氧源化合物而實(shí)現(xiàn)氧氣控釋的體系．近年來，出現(xiàn)了較多的關(guān)于控制氧氣釋放材料的研究，其已發(fā)展成為一類重要的新型生物材料．釋氧材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來越多的作用，除了用于組織工程結(jié)構(gòu)中提供氧氣支持外，還可以用于心血管相關(guān)疾病、傷口愈合、細(xì)胞移植、器官保護(hù)、腫瘤治療等［7］．對釋氧材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，系統(tǒng)討論其制造方法、材料傳遞氧氣的方式、釋氧性能及其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，還指出了釋氧材料研究存在的問題與挑戰(zhàn)，并對今后相關(guān)研究的發(fā)展進(jìn)行了展望．

1 產(chǎn)氧型生物材料

1.1 載體材料和氧源物質(zhì)

釋氧材料通常由載體材料和氧源化合物兩部分組成，其要適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及滿足一些嚴(yán)格的要求，如良好的生物安全性、可控釋放性和易制造加工性等．一般選擇具有良好生物相容性和可降解性的聚合物作為載體材料，如聚（乳酸-羥基乙酸共聚物）（PLGA）［8］、聚己內(nèi) 酯（PCL）［9］、聚 乳酸［10］、聚乙 烯醇［9］、明膠甲基丙烯?；℅elMA）［11］、殼聚糖［12］等．當(dāng)氧源物質(zhì)被封裝時(shí)，載體聚合物在水環(huán)境中發(fā)生降解，氧源物質(zhì)發(fā)生分解導(dǎo)致氧氣的產(chǎn)生．由于陶瓷等無機(jī)材料的生物降解性較低，一般較少用作為釋氧載體．

表1 基于過氧化物的氧源物質(zhì)及其釋氧機(jī)理Table 1 Peroxide-based oxygen source material and its oxygen release mechanism

由表1可知，利用過氧化物釋氧涉及到中間產(chǎn)物過氧化氫（H2O2）和一些副產(chǎn)物（如Ca（OH）2）等．過氧化氫不僅產(chǎn)生氧氣，還產(chǎn)生羥基自由基，這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷．因此，研究人員采用過氧化物與過氧化氫酶結(jié)合，以提高釋氧系統(tǒng)的安全性．過氧化氫酶是一種存在于哺乳動(dòng)物血液和肝臟中的酶，可以高效地將過氧化氫分解為氧氣和水．在釋放氧氣體系中使用過氧化氫酶等酶催化劑，有助于幫助過氧化氫安全轉(zhuǎn)化為氧氣［16］．

1.2 產(chǎn)氧型釋氧材料

產(chǎn)氧型釋氧材料主要通過化學(xué)反應(yīng)等方式產(chǎn)生氧氣，其主要特點(diǎn)是具有內(nèi)源性釋氧的特征，不需要外來氧氣和能源驅(qū)動(dòng)，釋氧可以持續(xù)較長時(shí)間．其不足之處是過氧化物不易形成均一相，遇水就反應(yīng)，包埋難度較大，反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生羥基自由基等副產(chǎn)物．產(chǎn)氧材料體系需要解決的主要問題，如何設(shè)計(jì)和選擇合適的載體材料和制備方法，確保氧氣持續(xù)生成和可控釋放，同時(shí)避免氧氣爆釋和副產(chǎn)物帶來的毒性．氧氣控制釋放時(shí)間是選擇載體材料和制備方法最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，理想的釋氧材料的氧氣控制釋放時(shí)間應(yīng)不低于10天，這個(gè)時(shí)間對應(yīng)移植體中血管形成時(shí)間（1~2周）［17］，較長的釋氧時(shí)間有利于新血管形成之前的細(xì)胞供氧．針對這些問題，已開發(fā)了不同的制造技術(shù)（或制備方法）來制備產(chǎn)氧材料，包括溶劑鑄造、凍凍干燥、電紡絲或噴涂、乳液和水凝膠包裹等方法，采用這些技術(shù)將載體材料制備成微球、凝膠、膜層、支架等，實(shí)現(xiàn)對氧源化合物的封裝，通過調(diào)控釋氧材料的微觀結(jié)構(gòu)如孔結(jié)構(gòu)、比表面積等，可有效地控制釋氧過程．下面討論采用各種制備方法來制造產(chǎn)氧材料的體系．

1.2.1 水凝膠包裹法

水凝膠是一類新型生物材料，其中含水量可高達(dá)90%以上，具有良好的生物相容性．水凝膠固化成型方法較多，如自由基聚合交聯(lián)、光固化、物理交聯(lián)等．在成型過程中，可以將氧源分子或化合物封裝在固化的凝膠中．水凝膠隔離了氧氣源、反應(yīng)副產(chǎn)物等，避免了這些物質(zhì)與人體組織直接接觸，降低了對細(xì)胞產(chǎn)生的毒性，有效地提高了釋氧體系的安全性．為了避免固化成型過程中單體、引發(fā)劑和交聯(lián)劑等小分子物質(zhì)的引入，水凝膠包裹法通常采用光固化的方法．例如，GelMA是一種典型性的光固化材料，在紫外光照下可以迅速形成凝膠，適用于釋氧材料的快速成型．Alemda等人［18］報(bào)道了一種負(fù)載CPO的GelMA釋氧光交聯(lián)水凝膠，CPO在水凝膠中均勻分布，在含氧量為1%的低氧環(huán)境下釋氧時(shí)間可長達(dá)5天，制備過程見圖1．Sujin Parkde等人［19］報(bào)道了一種含氧化鈣的硫代明膠氧化交聯(lián)反應(yīng)原位形成的水凝膠，這種水凝膠能迅速產(chǎn)生高氧水平的分子氧，并在體內(nèi)維持高氧水平長達(dá)4天．

圖1 負(fù)載CPO和細(xì)胞的GelMA水凝膠制備過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the preparation process for the GelMA hydrogel loaded with CPOs and cells

水凝膠中包裹的CPO氧氣釋放時(shí)間，取決于CPO的濃度和水凝膠基材的性能．由于水凝膠是一種高含水的材料，包裹的過氧化物容易發(fā)生水解而造成氧氣的釋放速率快于疏水載體材料，這是一個(gè)限制因素．為了提高水凝膠包裹法的釋放時(shí)間，研究人員采用疏水性材料封裝氧源后再將其與水凝膠 結(jié) 合．Jianjun Guan等 人［20］采 用PLGA包 裹PVP-H2O2復(fù)合物形成的過氧化氫緩釋微球，采用緩釋微球、過氧化氫酶和以N-異丙基烯酰胺共聚物構(gòu)筑了可注射水凝膠體系，H2O2釋放后被過氧化氫酶催化分解產(chǎn)生氧氣，該釋氧系統(tǒng)能夠持續(xù)釋放氧氣達(dá)2周．

水凝膠包裹法適用于酶催化體系，酶催化反應(yīng)體系是較為安全的釋氧方式，但氧氣釋放量和釋放持續(xù)時(shí)間不如固體過氧化物體系，且酶催化體系的儲(chǔ)存穩(wěn)定性有限，采用水凝膠包裹法可以提高酶的穩(wěn)定性．劉群峰等人［21］通過水凝膠負(fù)載過氧化氫酶，催化過氧化氫釋放出氧氣，氧氣的時(shí)間可達(dá)8 h以上．Kang等人［22］通過CPO產(chǎn)生的鈣離子與海藻酸鈉相互作用而制造釋氧水凝膠，該體系使用過氧化氫酶作為催化劑，釋氧時(shí)間達(dá)48 h．一些新的生化作用釋氧體系被開發(fā)出來，胡一橋等人［23］設(shè)計(jì)了一種微藻凝膠貼片，可以直接覆蓋傷口并將溶解的氧氣輸送到傷口床中．貼片以親水性聚四氟乙烯膜用作內(nèi)襯，貼片中填充了直徑為1 mm的含有活微藻的水凝膠珠，吸收預(yù)先添加的碳酸鹽，通過呼吸和光合作用產(chǎn)生溶解氧氣，這種溶解氧是氣態(tài)氧滲透皮膚效率的100倍以上．

1.2.2 溶劑澆注法

溶劑澆注法是一種簡單有效的薄膜制作方法，將含有聚合物懸浮液的氧源粒子沉積在基底上，然后進(jìn)行溶劑蒸發(fā)，從而形成釋氧薄膜．它采用的是有機(jī)溶劑，在材料的加工過程中不會(huì)導(dǎo)致過氧化物水解而提前釋放氧氣．溶劑澆注法通常采用生物相容性好的疏水性聚合物封裝氧源，以提高釋氧時(shí)間，借助疏水聚合物的疏水性可以避免無機(jī)過氧化物與細(xì)胞直接接觸．這些薄膜被證明可以有效延長氧氣的釋放，但由于聚合物薄膜的厚度有限，負(fù)載氧源物質(zhì)的量有限，釋氧薄膜難以提供更為長效的氧氣釋放．溶劑澆注法中溶解蒸發(fā)的過程需要時(shí)間，顆粒容易在膜的底部沉淀，因此固體過氧化物顆粒在載體膜的物質(zhì)中難以均勻分布．Harrison等人［24］以二氯甲烷中為溶劑，采用溶劑澆注法將SPO封裝在PLGA聚合物中，該膜釋氧時(shí)間為70 h．為了提高溶劑澆注法制備的薄膜釋氧時(shí)間，需要與其他制備方法結(jié)合，Lv等人［25］采用溶劑澆注法開發(fā)了由絲/角蛋白/（質(zhì)量比60∶40）制成的薄膜支架，該結(jié)構(gòu)中CPO被封裝在明膠中形成核殼結(jié)構(gòu)，其氧氣的釋放周期長達(dá)2周．

往年過年回家去看他，姥爺總會(huì)想方設(shè)法給我做一些好吃的，打小他就對我疼愛有加，加之后來母親去世，他的舐犢之情便愈加深沉。

1.2.3 乳液溶劑蒸發(fā)法

乳液溶劑揮發(fā)法是先將聚合物載體基質(zhì)用有機(jī)溶劑溶解，然后與氧源化合物和表面活性劑混合而形成分散體系或溶液，再將分散體系或溶液在水相中乳化形成小液滴，在溶劑蒸發(fā)后去除表面活性劑，最終獲得釋氧顆粒．乳液溶劑蒸發(fā)法制備的微粒大小和形態(tài)受到表面活性劑類型、溶劑類型及溶劑蒸發(fā)速率等多種參數(shù)影響．Ng等人［26］采用雙乳液溶劑蒸發(fā)法將過氧化氫封裝在PLGA微顆粒中（粒徑25~250 μm），冷凍干燥除去溶劑獲得釋氧微球，其釋氧時(shí)間僅為5 h，該體系釋氧時(shí)間較短與水包油體系、多孔結(jié)構(gòu)、氧源易分解等因素有關(guān)．設(shè)計(jì)致密的微球結(jié)構(gòu)可以延長釋氧時(shí)間．Mallepally等人［27］通過乳液蒸發(fā)法將過氧化氫封裝在聚甲基丙烯酸甲酯中，形成的微膠囊（粒徑5~30 μm）釋氧時(shí)間達(dá)到24 h．在水包油系統(tǒng)中，過氧化物可與水接觸，導(dǎo)致氧源物質(zhì)的水解，為了避免這種結(jié)果，可使用油包油乳液體系．Steg等人［28］采用油包油乳液法制備由聚（碳酸三乙烯）基體和難分解氧源CPO組成的復(fù)合微粒，獲得的微粒（粒徑約為200 μm）產(chǎn)氧時(shí)間長達(dá)20天．

1.2.4 電仿和電噴法

電紡和電噴法是基于將電場應(yīng)用于溶液液滴的原理，溶液液滴由噴射器噴射出來而形成球體或亞微米纖維，該方法已被用于開發(fā)各種載藥微納米材料［29］．在電紡/電噴過程中，固體過氧化物往往先制備成納米微球形式，確保其順利通過注射器并避免在噴嘴上的沉積．電紡的一個(gè)特點(diǎn)是制備的納米纖維具有微觀納米和多孔結(jié)構(gòu)，這種釋氧材料具有大的比表面積和高的孔隙率，能加速氧氣釋放．T.Abudula等人［30］設(shè)計(jì)了以聚癸二酸甘油酯和聚己內(nèi)酯為基質(zhì)的電紡絲復(fù)合支架，通過進(jìn)行球磨將大量的CPO納米顆粒嵌入納米纖維復(fù)合支架中，其可持續(xù)釋氧1周．

電噴技術(shù)主要用于制備釋氧微球，微球表面形貌對釋氧行為有極大影響，其制備過程示意圖如圖2所示［31］．A.I.Morais等人［32］通過電噴法制備了由PCL，Pluronic F-127和CPO組成的表面多孔微粒，釋放氧氣達(dá)1周．S.Khorshidi等人［33］采用水解-沉淀法合成了CPO納米粒子，然后通過電噴法將其負(fù)載到聚丙交酯-共乙交酯（PLGA）基體中，形成平均直徑為5.3 μm的圓盤狀PLGA/CaO2顆粒，其表面結(jié)構(gòu)較為致密，釋氧時(shí)間可達(dá)14天．

圖2 采用電噴法制備PLGA包裹PVP-H2O2釋氧微球過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of PLGA coated PVPH2O2 oxygen-releasing microspheres prepared by electrospray method

1.2.5 冷凍干燥法法

冷凍干燥法一般過程：將氧源物質(zhì)與載體材料溶液一起均勻分散，將得到的溶液或分散體系澆鑄到模具中，通過冷凍干燥脫除水分和溶劑后獲得釋氧支架．冷凍干燥法具有諸多優(yōu)勢，其可用于制造具有均勻分布的固體過氧化物顆粒的多孔支架，低溫下冷水不會(huì)造成過氧化物的分解，干燥后無水分和溶劑有利釋氧材料的儲(chǔ)存．P.A.Shiekh等人［34］采用低溫冷凍干燥法開發(fā)了釋氧聚氨酯支架（PUAO），通過將PUAO溶解在二甲基亞砜（DMSO）中，將篩選的CPO粒子均勻分布其中，灌注在玻璃器皿中冷凍，然后在冰凍的水/乙醇中解凍除DMSO，冷水洗滌凍干儲(chǔ)存，PUAO-CPO支架可持續(xù)釋氧達(dá)10天，其制備過程如圖3所示．

圖3 冷凍干燥法制備PUAO-CPO冷凍凝膠釋氧支架的過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the process of preparing of oxygen-releasing PUAO-CPO cryogel scaffolds by freeze-drying method

2 攜氧型釋氧材料

攜氧型生物材料本身不產(chǎn)生氧氣，攜氧型生物材料有較強(qiáng)的氧氣吸附和攜帶能力．氧氣在水溶液中飽和溶解度極小，通過攜氧材料可以實(shí)現(xiàn)水體中氧氣的超飽和狀態(tài)．血液中的紅細(xì)胞及在醫(yī)學(xué)上使用的人造血液都屬于攜氧材料［35］．與產(chǎn)氧材料不同，攜氧材料主要依靠物理作用與氧氣結(jié)合．?dāng)y氧型的氧氣釋放量和釋放持續(xù)時(shí)間均低于產(chǎn)氧型，產(chǎn)氧材料能提供長達(dá)數(shù)周的氧氣供應(yīng)［36］，而攜氧材料通常只能夠提供數(shù)十分鐘到數(shù)天的氧氣．?dāng)y氧材料具有產(chǎn)氧材料不具備的優(yōu)勢：攜氧材料釋放的氧是溶解狀態(tài)的液態(tài)氧，液態(tài)氧比氣態(tài)氧具有更強(qiáng)的擴(kuò)散穿透能力［37］；攜氧材料的微觀結(jié)構(gòu)為均相，故氧氣釋放更為均勻，而產(chǎn)氧材料含有固體過氧化物，其微觀結(jié)構(gòu)不均勻；攜氧材料與產(chǎn)氧材料相比，其更適用于注射增氧的應(yīng)用場景．有效增溶是攜氧材料開發(fā)的關(guān)鍵，下面主要討論全氟化碳、血紅蛋白類物質(zhì)、微納氣泡等主要氧氣增溶體系．

2.1 血紅蛋白類攜氧材料

血紅蛋白類攜氧材料主要采用血紅蛋白（Hb）或肌紅蛋白來可逆地結(jié)合氧，Hb是一種天然氧載體，具有較強(qiáng)的氧氣結(jié)合能力，其氧結(jié)合能力為1.34 mL/g，它由四個(gè)亞基（兩個(gè)α和兩個(gè)β）組成，每個(gè)亞基包含一個(gè)血紅素群，血紅素基團(tuán)內(nèi)部含有鐵原子，血鐵基團(tuán)負(fù)責(zé)氧結(jié)合．Hb需要進(jìn)行化學(xué)修飾或者與其他物質(zhì)結(jié)合，以避免其在體內(nèi)使用過程中的損失，并且減少其免疫毒性［38］．雖然血紅蛋白類材料在人工血液方面取得了初步的成功［35］，但還存在免疫副作用及持續(xù)時(shí)間短等問題．為了提高Hb和肌紅蛋白的釋氧性能，通常將其封裝在生物相容性聚合物載體中，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性和持續(xù)釋氧性能．A.Paciello等人［39］將人血紅蛋白偶聯(lián)到明膠微球表面制備明膠血紅蛋白釋氧體系，該體系維持有氧狀態(tài)可達(dá)24 h且可循環(huán)吸附氧和釋氧．為了達(dá)到與血液相似的載氧能力，載體內(nèi)的Hb的負(fù)載量也是一個(gè)重要的參數(shù)，Liu等人［40］使用電噴法制備由純Hb組成的納米顆粒（Hb-NPs），將Hb-NPs用聚（多巴胺）包裹提高其穩(wěn)定性，進(jìn)一步用聚乙二醇修飾多巴胺殼體，減少蛋白質(zhì)在Hb-NPs表面的吸附，這種方法有效提高了Hb負(fù)載量和Hb-NPs的穩(wěn)定性．

2.2 全氟化碳（PFC）

全氟化碳（PFC）能大幅提升氧氣的溶解度，且化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，具有良好的攜氧能力，比其他氧氣輸送材料更具臨床應(yīng)用潛力，PFC在醫(yī)學(xué)上已成功應(yīng)用于人造血液［41］．全氟化碳具有疏水疏油性，在使用時(shí)須先進(jìn)行乳化或懸浮分散處理．M.H.Gold等人［42］介紹了一種由全氟萘烷PFC乳液，這種制劑的溶氧量比水高7倍，這類乳劑用于短期使用，每天使用2~4次，可降低皮膚再生手術(shù)后的并發(fā)癥的發(fā)生率．S.Wang等人［43］采用人血清白蛋白乳化全氟-15-冠-5-醚，用超聲波均質(zhì)器制備出載氧納米PFC，納米PFC中氧濃度可達(dá)1.50 mg/mL，釋氧在40 min內(nèi)保持穩(wěn)定．G.Jalani等人［44］設(shè)計(jì)了一種全氟萘烷和石墨烯氧化物（GO）相結(jié)合的新型PFC氧氣輸送系統(tǒng)，石墨烯氧化物兼具乳化劑和穩(wěn)定劑，PFC@GO乳液釋氧時(shí)間不超過90 min．由于PFC攜氧材料釋氧時(shí)間較短，要延長氧氣釋放時(shí)間，需要對PFC乳劑進(jìn)一步改進(jìn)，如采用多重載體進(jìn)行負(fù)載．M.Prato等人［45］開發(fā)了以2H，3H十氟戊烷為核、葡聚糖為殼的PFC納米液滴，將其與羥乙基纖維素混合形成凝膠，其釋氧能力達(dá)6 h．Khattak等人［46］將乳化的PFC再封裝于海藻酸鹽水凝膠中，其釋氧持續(xù)時(shí)間超過7天．

2.3 微/納米氣泡

微/納米氣泡（MNBs）是由殼和核心組成的球形囊泡，已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為超聲造影劑使用［47］，L.R.Sayadi等人［48］按微型氣泡的大小歸類，其中微泡的直徑為100~1 μm，納米泡的直徑小于1 μm．由于微/納米氣泡的內(nèi)部壓力遠(yuǎn)高于外部環(huán)境，MNBs能促進(jìn)氧氣等在液體中的溶解性，產(chǎn)生氧的過飽和流體，這提供了一種新的氧氣輸送模式［48］．微/納米氣泡主要通過使用超聲波、機(jī)械攪拌、微流控裝置或均質(zhì)器等，將氧氣封裝于表面活性劑中的制備方式［50］．Matsuki等人［51］將生理鹽水、糊精、白蛋白和脂質(zhì)形成溶液，溶液通過微/納米氣泡曝氣器（氧氣為1.5 L/min）循環(huán)15 min，再將其暴露于超聲波中，最終得到含MNBs的無色透明液體，該液體適用于以靜脈輸液的方式供氧1 h．MNBs攜氧材料存在釋放氧的時(shí)間較短，以及殼材料的生物相容性、微泡穩(wěn)定性等問題有待解決．為了提高M(jìn)NBs的穩(wěn)定性，Yifeng Peng等 人［52］將 改 性 的 糊 精 溶 解 于DMSO/H2O混合物中而生成膠束溶液，該膠束溶液在空氣中均質(zhì)，可產(chǎn)生瞬間穩(wěn)定的泡沫，在泡沫中加入過量的水作為非溶劑，通過界面納米沉淀制造了一種穩(wěn)定的氧氣微泡載體，但其供氧時(shí)間只維持1 h．I.Moen等人［53］制備了一種溶解氧含量高的凝膠釋氧敷料，首先反滲透水和氧進(jìn)入氧合裝置的混合室中，再通過含有文氏管（一種噴射管）的管道系統(tǒng)，制備出100 mg/L含氧水，含氧水與Poloxamer407形成原位凝膠，這種凝膠能保持含氧濃度在22 mg/L以上，其供氧時(shí)間30 h．圖4所示為微/納米氣泡的制備過程［54］，其原理是通過剪切形成氧氣微泡，其迅速被脂質(zhì)體包裹，從而形成核殼結(jié)構(gòu)．

圖4 制備脂質(zhì)體包裹的氧氣微泡的過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the preparation of liposomeencapsulated oxygen microbubbles

3 釋氧材料的應(yīng)用

釋氧材料在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用越來越廣泛，表2列出了釋氧材料的一些典型應(yīng)用．下面主要討論釋氧材料的治療慢性傷口、用于組織工程供氧及腫瘤治療三個(gè)重要的應(yīng)用場景．

表2 部分釋氧生物材料的性能及其應(yīng)用Table 2 Properties and applications of some oxygen-releasing biomaterials

3.1 慢性創(chuàng)面治療

局部氧療是一種針對慢性難愈合創(chuàng)面的有效治療方式，局部氧療能夠向患者傷口組織部位持續(xù)提供氧氣，在傷口周圍形成高濃度氧氣氛圍，提高創(chuàng)傷缺氧組織的局部氧分壓，促進(jìn)創(chuàng)面組織修復(fù)和創(chuàng)傷愈合［61］．由于皮膚的屏障作用，通常情況下氣態(tài)氧只能擴(kuò)散到傷口表面，能夠通過皮膚和傷口滲出液進(jìn)入到人體的含量微乎其微，對傷口治愈的促進(jìn)作用并不明顯．局部氧療要想取得較好的療效，需要向傷口持續(xù)的釋放純氧或者高濃度氧，能在創(chuàng)面形成一定的高氧氣分壓，氧氣才能有效突破皮膚的屏障．因而釋氧材料的供氧方式對局部氧療的療效有重要影響．目前局部氧療材料已有獲得FDA批準(zhǔn)的產(chǎn)品，Granulox是一種FDA批準(zhǔn)上市的用于治療慢性傷口的血紅蛋白冷凍干燥顆粒噴劑，其能確保連續(xù)氧氣補(bǔ)充長達(dá)72 h，臨床證據(jù)表明Granulox能有效加速糖尿病足等慢性傷口的愈合［62］．Oxyzyme是一種利用葡萄糖、葡糖氧化酶及過氧化氫酶催化反應(yīng)釋氧的水凝膠片敷料，Oxyzyme敷料已進(jìn)入用于治療慢性創(chuàng)面的臨床研究［63］．CPO是研究最多的氧源，基于CPO制備的局部氧療材料具有較長的釋氧持續(xù)時(shí)間，Chandra等人設(shè)計(jì)了一種原位釋放氧氣的皮膚貼片，貼片由四層結(jié)構(gòu)組成，包括凝膠層、封裝了CPO的PCL層、硅膠層和聚氯乙烯膜層，釋放時(shí)間超過48 h，這種敷料可用于治療急性和慢性傷口［64］．但現(xiàn)階段以固體過氧化物為氧源的局部氧療產(chǎn)品尚未有臨床應(yīng)用，該類研究目前還處于動(dòng)物研究階段．

3.2 組織工程供氧

科學(xué)和技術(shù)的最新進(jìn)展使組織工程成為可能，與組織移植相關(guān)的關(guān)鍵問題之一是充足的氧氣供應(yīng)，充足的氧可以增加細(xì)胞外基質(zhì)的合成、血管生成、細(xì)胞分化、增殖和遷移，而缺氧可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、組織壞死、延遲愈合和細(xì)菌感染．釋氧生物材料的一個(gè)重要的應(yīng)用就是植入的組織工程結(jié)構(gòu)提供氧氣，避免植入后細(xì)胞在新血管形成之前因缺氧而死亡，導(dǎo)致組織植入失?。?yàn)檠苄纬尚枰欢ǖ臅r(shí)間，故用于組織工程的釋氧材料要求長效釋氧，釋放周期一般要求不低于10天．釋氧材料已用于支持各種組織工程構(gòu)造，包括骨骼、肌肉等．釋氧材料可用于缺氧的大型骨組織植入物，提高骨細(xì)胞生存和骨組織血管化能力．Touri等人［65］打印出60%的HA和40%的β-TCP組成的雙相磷酸鈣多孔支架，然后將包裹3%的CPO的PCL微膠囊涂覆到該支架上，氧氣釋放時(shí)間可達(dá)10天，通過家兔節(jié)段性橈骨缺損模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，使用該釋氧支架術(shù)后6個(gè)月后，促骨再生得到顯著改善，并且有效促新骨形成．Laurencin等 人［66］采 用 乳 液 溶 劑 蒸 發(fā) 法 制 備 了PLGA/CPO微球，并將微球燒結(jié)成三維多孔支架，通過小鼠臨界尺寸顱骨缺損模型評(píng)估其在促血管化骨再生方面的能力，8周后宿主細(xì)胞更多地遷移到基質(zhì)內(nèi)部，供體細(xì)胞的存活率和持久性更高，釋氧支架的協(xié)同作用使得血管化骨再生能力增強(qiáng)．

組織工程是改善泌尿外科重建的一種很有前途的策略，Lv等人［25］開發(fā)了一種基于絲纖維蛋白/角蛋白/明膠/CPO的釋氧膜，該膜釋氧時(shí)間可持續(xù)兩周，使用尿道缺陷動(dòng)物模型來驗(yàn)證氧生成支架修復(fù)尿路功能，與不含CPO膜相比，含CPO膜顯著改善了兔平滑肌細(xì)胞的生長和活力，CPO膜促進(jìn)了動(dòng)物上皮細(xì)胞層和肌肉束的形成．

3.3 腫瘤缺氧治療

固體惡性腫瘤通常會(huì)改變它們的微環(huán)境導(dǎo)致缺氧，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的惡性生長．由于腫瘤細(xì)胞的快速生長消耗了大量的氧氣，導(dǎo)致細(xì)胞微缺環(huán)境氧．缺氧細(xì)胞比正常細(xì)胞對放療和化療更具耐受性，這會(huì)觸發(fā)缺氧驅(qū)動(dòng)的免疫抑制，使腫瘤細(xì)胞的耐藥性提高，從而降低了化療藥物的有效性［67］．因此，可通過氧量的控制來提高腫瘤治療的有效性．在目前的癌癥治療策略中，光動(dòng)力治療（PDT）是一種新的非侵入式治療方法，當(dāng)氧分壓低于40 mmHg時(shí)，PDT效率會(huì)顯著降低，但大多數(shù)腫瘤中氧分壓通常低 于15 mmHg［68］，通 過 釋 氧 體 系 可 以提高PDT的療效．Hu等人［69］合成了與二氫卟酚（一種光敏劑）共軛的透明質(zhì)酸（HA），通過自組裝的方法將全氟己烷（PFH）包裹于HA內(nèi)，開發(fā)了一種靶向腫瘤、氧化還原激活和氧自供給的診療納米顆粒（PFH@HA），PFH@HA納米顆粒在腫瘤中靶向積累，通過氧化還原反應(yīng)激發(fā)光活性，PFH@HSC能通過血液循環(huán)過程在肺內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧負(fù)載，并在腫瘤內(nèi)緩慢釋放氧氣并使之?dāng)U散至整個(gè)腫瘤，可以顯著緩解腫瘤乏氧，從而提高PDT療效．將PFH@HA靜脈注射入小鼠腫瘤模型體內(nèi)，腫瘤體積從給藥前的104 mm3顯著降低到試驗(yàn)期結(jié)束時(shí)（14天）的62 mm3．

4 結(jié)語

近幾年來，對釋氧生物材料的研究熱度顯著增加，許多釋氧材料被開發(fā)出來，釋氧材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛．釋氧生物材料開發(fā)的關(guān)鍵是安全、持續(xù)、穩(wěn)定的釋氧，其研究重點(diǎn)應(yīng)從新材料的開發(fā)到提高其安全性、提高其控制和實(shí)現(xiàn)其可用性．但大部分材料都對氧的控制釋放性能不佳，前期存在爆釋現(xiàn)象，后期氧氣并隨著時(shí)間的推移而減少．采用疏水性材料（PCL或PLGA）封裝氧源，可以有效延長氧釋放的持續(xù)時(shí)間，但真正氧濃度可控且穩(wěn)定釋氧在很大程度上仍然無法實(shí)現(xiàn)．此外，釋氧體系的安全性仍可顯著提高，這對臨床使用至關(guān)重要．用抗氧化劑（抗壞血酸）、酶（過氧化氫酶）或活性氧（ROS）清除材料（二氧化錳［70］）等，有望大幅降低過氧化氫產(chǎn)生的羥基自由基帶來的細(xì)胞毒性．

當(dāng)前，釋氧生物材料已進(jìn)入應(yīng)用階段，從發(fā)展趨勢來看其未來的研究方向：發(fā)展結(jié)構(gòu)簡單、安全性高及穩(wěn)定性高的釋氧材料體系，該體系包括氧源物質(zhì)、釋氧載體和釋放控制方法等；進(jìn)一步開發(fā)更多體內(nèi)評(píng)價(jià)模型，以幫助更好地理解氧治療系統(tǒng)；需要進(jìn)一步開展更多臨床研究，驗(yàn)證真正適合臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的釋氧體系．