李琪，盧雨金，喬寧，楊夢(mèng)然，來(lái)士勝，孫曉然，尚宏周

(1.華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 化學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學(xué) 藥學(xué)院，河北 唐山 063210)

水凝膠是一種具有高親水性、較強(qiáng)的生物粘附性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物,在遞送體系、組織工程以及生物傳感等領(lǐng)域[1-3]廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的水凝膠控釋體系相比,智能的水凝膠控釋體系在外界環(huán)境刺激(如溫度、pH值、光、氧化還原、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、葡萄糖、酶、鹽、壓力等)能夠做出感應(yīng)并引起相應(yīng)的構(gòu)象變化,同時(shí)由于其控釋體系與細(xì)胞外基質(zhì)相似,故具有良好的穩(wěn)定性、目標(biāo)靶向性等優(yōu)點(diǎn),在控制藥物/基因/蛋白質(zhì)釋放等[4-6]方面具有廣闊的發(fā)展前景。

1 智能水凝膠的分類

1.1 溫度響應(yīng)性水凝膠

對(duì)溫度敏感的水凝膠分子結(jié)構(gòu)中一般包含親水性基團(tuán)和疏水性基團(tuán)。通?？煞譃閮煞N類型:在較高溫下是溶脹(溶解)的,而在較低溫下是收縮(不溶)的,即有上臨界溶解溫度(UCST)[7]的熱脹溫度敏感性水凝膠;反之,在較低溫下是溶脹(溶解)的,而在較高溫下是收縮(不溶)的,即有下臨界溶解溫度(LCST)[8]的熱縮溫度敏感性水凝膠。

Darge等[9]的研究中，首先將mPEG-PLGA 嵌段共聚物包裹抗腫瘤藥物DMXAA和阿霉素(DOX)，再將上述體系封裝到羧基端和胺基端改性的兩親性嵌段共聚物(COOH-PDLLA-PEG-PDLLA-NH2)中形成溫度響應(yīng)性水凝膠。該熱敏性水凝膠在較低溫度(<25 ℃)下顯示溶液狀態(tài)，可以將智能水凝膠均勻混合治療劑進(jìn)行局部注射；隨著溫度的升高，達(dá)到LCST的溫度(>37 ℃)會(huì)出現(xiàn)溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致藥物釋放，達(dá)到抗腫瘤和免疫化療的協(xié)同作用。

1.2 pH響應(yīng)性水凝膠

游翠玉等[11]用魔芋葡甘聚糖(KGM)、黃原膠(XG)與海藻酸鈉(SA)和藥物氫化可的松琥珀酸鈉(HSS)制備pH敏感性口服的結(jié)腸靶向水凝膠(HSS-GEL),為克服多糖作為結(jié)腸靶向材料的高膨脹性缺點(diǎn)提供了新思路。體外釋放試驗(yàn)顯示HSS-GEL在pH 1.2模擬胃液中的釋藥量為17.63%,在pH 6.8模擬小腸液中的釋藥量為25.56%,在pH 7.4模擬結(jié)腸液中的釋藥量為86.14%。在給藥后7 h后,模擬結(jié)腸液中的HSS濃度幾乎等于模擬胃液及模擬小腸液藥量的總和,表明HSS-GEL有良好的結(jié)腸靶向性。

1.3 氧化還原響應(yīng)性水凝膠

氧化還原響應(yīng)性水凝膠是將有氧化還原響應(yīng)單元引入到水凝膠,例如二硫化物[12]、二硒化物[13]、二茂鐵[14]、二價(jià)銅離子等[15]。很多腫瘤組織中的谷胱甘肽(GSH)含量偏高,提供了一個(gè)較強(qiáng)的還原性環(huán)境。

口服6-巰基嘌呤(6-MP)存在全身毒副作用、半衰期短、生物利用度低、胃腸道反應(yīng)等缺點(diǎn)。為了避免這些缺點(diǎn)，并提高6-MP的水溶性和藥效，Tao 等[15]選擇用多巴胺(DA)修飾的透明質(zhì)酸(HA)配位合成了氧化還原響應(yīng)性水凝膠 (HA-DOP-Cu-MP)。在釋放介質(zhì)中加入10 mol/mL GSH后，2 h內(nèi)6-MP累積釋放量超過(guò)94%。癌細(xì)胞中GSH的濃度超過(guò)10 mol/mL，說(shuō)明HA-DOP-Cu-MP會(huì)快速釋放6-MP以殺死癌細(xì)胞；而在沒(méi)有GSH的釋放介質(zhì)中24 h內(nèi)的累積釋放量?jī)H為15%，表明HA-DOP-Cu-MP在體循環(huán)中是穩(wěn)定的,降低藥物對(duì)健康細(xì)胞的毒副作用。氧化還原響應(yīng)性水凝膠通常基于二硫鍵被GSH還原斷裂從而釋放藥物，較少的研究配位聚合物水凝膠的控釋系統(tǒng)，此研究提供了一種新的策略。

1.4 酶響應(yīng)性水凝膠

酶響應(yīng)性水凝膠一般由酶響應(yīng)性多肽組成,在特定酶的催化作用下會(huì)表現(xiàn)出構(gòu)型改變,因此促進(jìn)水凝膠的形成或降解。通?？衫玫拿赣?基質(zhì)金屬蛋白酶[16]、磷酸酶[17]、胰蛋白酶[18]和酪氨酸酶等[19]。

替莫唑胺(TMZ)是膠質(zhì)瘤術(shù)后治療一線藥物,但由于膠質(zhì)瘤細(xì)胞中含有活性水平較高的O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)，使其治療效果不佳。Zhao 等[20]用甘油單硬脂酸酯(Tm)制備了裝載TMZ和O6-芐氨基嘌呤(BG) (MGMT抑制劑)的可注射性水凝膠(Tm (TMZ+BG))。膠質(zhì)瘤手術(shù)后高濃度的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)可以刺激水凝膠釋放TMZ和BG。在體外釋藥實(shí)驗(yàn)中MMPs刺激水凝膠降解以釋放封裝的TMZ和BG分別為(62.55±2.38)%和(59.58±5.14)%，說(shuō)明Tm(TMZ+BG)水凝膠有敏感的酶響應(yīng)性，可作為一種潛在的配方策略，顯著降低術(shù)后殘留膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)率。

1.5 多重響應(yīng)性水凝膠

由于人體復(fù)雜多異的生理結(jié)構(gòu),病灶環(huán)境也是各式各樣,與單一響應(yīng)性水凝膠相比,多重響應(yīng)性水凝膠表現(xiàn)出更好的控釋效率和靶向性。

Boztepe等[21]通過(guò)自由基溶液聚合法合成了互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物水凝膠(聚(NIPAAm-co-AAc)-PEG IPN水凝膠)。其中異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)存在LCST，而丙烯酸(AAc)中由于羧基基團(tuán)的存在，可以使其作為pH敏感組分與異丙基丙烯酰胺共聚。將鹽酸阿霉素(DOX)作為模型藥物負(fù)載在水凝膠體系內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明出聚(NIPAAm-co-AAc)-PEG IPN水凝膠有良好的對(duì)pH和溫度雙重響應(yīng)。

Su等[22]制備了羧甲基纖維素(CMC)/聚(n-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝膠(PNIPAM/CMC)，以鹽酸四環(huán)素(TCH)為模型藥物。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度高于LCST(31.9 ℃)時(shí)，水凝膠以親水性鏈段為殼、疏水性鏈段為核導(dǎo)致體積收縮,并且隨著CMC含量的增加，水凝膠的LCST值呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。CMC上羧基去質(zhì)子化而具有明顯的pH溶脹敏感性。隨著NaCl濃度的適當(dāng)范圍內(nèi)增加，PNIPAM/CMC水凝膠的羧酸根與陽(yáng)離子之間的配位相互作用產(chǎn)生了絡(luò)合能力，藥物釋放量顯著增加并逐漸趨于穩(wěn)定。由此可以得出PNIPAM/CMC水凝膠具有敏感的溫度響應(yīng)性、pH響應(yīng)性和鹽響應(yīng)性，可作為理想的藥物載體。

1.6 其他響應(yīng)性水凝膠

除了上述幾種典型的智能水凝膠以外,其他響應(yīng)性水凝膠還包括光響應(yīng)性水凝膠[23]、電場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠[24]、磁場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠[25]、葡萄糖響應(yīng)性水凝膠[26]和壓力響應(yīng)性水凝膠等[27]。各種刺激響應(yīng)性水凝膠的發(fā)展豐富了水凝膠的種類，拓寬了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 智能水凝膠在生物醫(yī)藥控釋體系中的應(yīng)用

2.1 在藥物治療方面的應(yīng)用

智能水凝膠可作為藥物載體與藥物分子相結(jié)合(或包囊、復(fù)合)[28],用最小的藥物劑量在病灶部位充分發(fā)揮藥物治療效果,控制藥物釋放速率以降低藥物副作用和減少藥源性疾病。

從姜黃屬植物中提取的姜黃素是疏水性多酚類化合物，具有廣泛的生物學(xué)應(yīng)用，包括癌癥治療。HaqAsif等[29]合成丙烯酸接枝的瓜爾膠水凝膠(GG-g-PAA)，用于天然抗癌藥物姜黃素的藥物遞送。溶脹釋放實(shí)驗(yàn)表明，GG-g-PAA具有良好的pH和鹽雙響應(yīng)性。由于姜黃素和瓜爾膠是農(nóng)業(yè)糧食作物姜黃和瓜爾豆的產(chǎn)物，因此，此研究可為基于農(nóng)產(chǎn)品的環(huán)境友好型藥物傳遞系統(tǒng)的制備做出很好的貢獻(xiàn)。

非甾體抗炎藥雙氯芬酸鈉(DS)常用于治療軟組織損傷，但是市售的DS軟膏一般不能控制藥物的釋放。Zhang等[30]將四氧化三鐵納米粒子(Fe3O4NPs)引入四聚乙二醇/瓊脂復(fù)合水凝膠中構(gòu)建了一個(gè)藥物遞送系統(tǒng)(PA/Fe3O4/DS)，在脈沖電磁場(chǎng)(PEMF)條件下，水凝膠網(wǎng)絡(luò)中Fe3O4NPs的抖動(dòng)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)施加作用力，而水凝膠多孔效果會(huì)增強(qiáng)提高釋放速度；此外，F(xiàn)e3O4NPs的抖動(dòng)還可以產(chǎn)生熱量，進(jìn)一步加快藥物的釋放。水凝膠在磁場(chǎng)下DS總釋放量為(72.3±2.6)%，相比無(wú)磁場(chǎng)下釋放量明顯增高。為磁療和藥物釋放相結(jié)合提供了可能，是改善組織損傷治療的一種有前途的材料。

2.2 在基因治療方面的應(yīng)用

基因傳遞是決定基因治療效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智能水凝膠除了自身穩(wěn)定性高、重塑性好等優(yōu)點(diǎn)以外還可裝載多種類的基因并且基因裝載率高[31]。另外,智能水凝膠可根據(jù)不同的刺激響應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)靶基因的控制釋放,提高轉(zhuǎn)染效率[32]。

溶瘤病毒(OVs)作為一種很有前途和潛力的抗癌治療藥物，不僅能夠通過(guò)選擇性的細(xì)胞內(nèi)病毒復(fù)制直接殺死癌細(xì)胞，而且能夠促進(jìn)對(duì)腫瘤的免疫應(yīng)答。Deng等[33]通過(guò)二硫鍵交聯(lián)修飾透明質(zhì)酸形成巰基化的透明質(zhì)酸(HA)，再將一株DNA OV Ad和一株RNA OV ECHO-7分別封裝到上述體系中。在37 ℃的pH 7.4的含谷胱甘肽的磷酸鹽緩沖溶液中，發(fā)現(xiàn)水凝膠在還原環(huán)境中由于二硫鍵的斷開能夠快速降解，而在正常的生理環(huán)境中在5 d后仍保持穩(wěn)定，是一種適用于OVs的氧化還原響應(yīng)性水凝膠控釋系統(tǒng)。

基因載體傳遞作為靶向修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的的治療方案受到越來(lái)越多的關(guān)注,關(guān)節(jié)軟骨是關(guān)節(jié)中與骨相連的一種光滑透明組織,其缺損可能誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎(OA)。Madry 等[34]基于疏水性聚環(huán)氧丙烷(PPO)和親水性聚環(huán)氧乙烷(PEO)和形成可注射的溫度敏感性水凝膠PEO-PPO-PEO，該水凝膠能夠遞送控釋治療性(sox9) 重組腺相關(guān)病毒(rAAV)。組織形態(tài)計(jì)量學(xué)分析顯示，負(fù)載基因水凝膠在37 ℃左右出現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變并釋放出裝載的基因，顯著填充了軟骨缺損的填充，與游離載體治療相比明顯增加了軟骨厚度，實(shí)現(xiàn)了溫度響應(yīng)性水凝膠的基因載體遞送，在不遠(yuǎn)的將來(lái)朝著改善軟骨修復(fù)邁出的重要一步。

2.3 在蛋白質(zhì)治療方面的應(yīng)用

蛋白質(zhì)控釋體系在生物應(yīng)用中具有重要的價(jià)值[35-36],包括營(yíng)養(yǎng)需求的供給、疾病治療,疫苗接種等。牛血清白蛋白(BSA)具有良好的藥理性、分子特異性、生物相容性和生物降解能力,在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中常被用作蛋白質(zhì)治療的載體模型。

Zhou等[37]成功制備了具有互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的光響應(yīng)性水凝膠(Fe-Alg/TEMPO-CNF/PAAm)。紫外光照射過(guò)程中，水凝膠中的Fe3+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，F(xiàn)e2+與羧基官能團(tuán)的結(jié)合能力下降，從而釋放蛋白質(zhì)。用牛血清白蛋白(BSA)為模型物，在UV燈(4 W，365 nm)照射下，BSA初始突釋，隨后是更穩(wěn)定和更緩慢的釋放。在突釋階段之后，水凝膠釋放的BSA累積量高于未接受紫外線照射的水凝膠，而且相比于小分子量藥物的釋放現(xiàn)象更加敏感，表明所制備的光響應(yīng)性水凝膠可用于傷口敷料，并在局部藥物釋放系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用潛力。

Xu等[38]用3,3-二硫代雙(丙酰肼)改性透明質(zhì)酸(HA-TPH)和醛改性透明質(zhì)酸(HA-CHO)作為前驅(qū)體溶液，在室溫下將HA-TPH和HA-CHO注射到硅橡膠模具中以形成氧化還原和pH雙響應(yīng)性可注射的水凝膠。以牛血清白蛋白(BSA)為模型蛋白，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在中性或堿性介質(zhì)(pH > 7.4)中，水凝膠尺寸略有增大，而在酸度增大(pH < 7.4)時(shí)出現(xiàn)明顯表觀收縮，繼續(xù)添加三乙胺(TEA)來(lái)中和酸，溶液可恢復(fù)到凝膠狀態(tài)。添加還原性二硫蘇糖醇(DTT)，水凝膠分解為溶液，而繼續(xù)添加氧化劑過(guò)氧化氫(H2O2)，水凝膠可再次再生。綜上說(shuō)明了上述水凝膠有氧化還原和pH雙響應(yīng)性可逆轉(zhuǎn)變的能力，有望在再生醫(yī)學(xué)中作為輸送生物活性物質(zhì)和細(xì)胞的潛在應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

智能水凝膠在生物醫(yī)藥控釋領(lǐng)域雖然有較好的發(fā)展前景，但是大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。其突釋效應(yīng)、生物相容性和生物降解性等方面均有待改善，在今后的研究中建議從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，降低水凝膠中親水性基團(tuán)比例或適度交聯(lián)劑等方式控制突釋效應(yīng)；適度引入可降解基團(tuán)，按照功能要求，設(shè)計(jì)智能水凝膠的降解能力；設(shè)計(jì)多功能的智能水凝膠，提高水凝膠的適用范圍。

(2)合成新的生物分子或通過(guò)天然高分子改性，降低智能水凝膠的細(xì)胞毒理性，提高智能水凝膠的生物兼容性。

(3)加大研究成果的推廣轉(zhuǎn)化，將研究成果向臨床應(yīng)用推廣。