可注射水凝膠的研究進展

1、可注射水凝膠的研究進展 一、水凝膠定義水凝膠是一類能夠吸收并保有大量水分的具有交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的聚合物, 在聚 合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中含有親水基團或親水的鏈段, 它們在水環(huán)境中能夠與水結(jié)合, 從 而形成水凝膠結(jié)構(gòu),這種水凝膠結(jié)構(gòu)使得親水的小分子能夠在其中進行擴散。 原位可注射水凝膠是近年來出現(xiàn)的新型水凝膠體系。 通過注射的方法將具有 一定流動性的生物材料植入體內(nèi), 因此很容易充滿整個具有不規(guī)則形狀的缺損部 位, 手術(shù)創(chuàng)傷非常微小。 該體系可由酸堿度、 溫度的變化或者多價離子的存在而 產(chǎn)生溶液 -凝膠相轉(zhuǎn)變,或通過共價鍵而形成水凝膠。二、水凝膠分類根據(jù)水凝膠對外界刺激的應答情況, 可以分為兩類化合物:一類是

2、傳統(tǒng)的水 凝膠高分子材料, 這類水凝膠對環(huán)境的變化相對不是很敏感; 而另外一類則是對 外界條件非常敏感的水凝膠高分子材料, 這類水凝膠高分子材料由于對于不同的 環(huán)境條件具有不同的應答表現(xiàn), 因此可以作為一種新型的智能材料來使用, 具有 良好的科研和市場應用前景。智能型水凝膠是一種可以進行傳感、處理并且具有執(zhí)行功能的高分子材料, 作為一種新型的智能材料, 在諸多領(lǐng)域有著重要的用途。 根據(jù)對外界環(huán)境條件的 刺激表現(xiàn)出不同的響應情況可以分為:溫度敏感性的水凝膠高分子材料、對于 pH 敏感性的水凝膠高分子材料、對光敏感的水凝膠高分子材料、對壓力敏感的 水凝膠高分子材料、 對于生物分子敏感的水凝膠高分子

3、材料、 對于電場敏感的水 凝膠高分子材料等。1、溫度敏感性水凝膠這一類水凝膠高分子材料的溶脹與收縮性, 對于溫度的變化具有非常高的敏 感度,具體表現(xiàn)為在較低溫度下溶脹度較高,在相對較高溫度下溶脹度比較低。 該凝膠具有最低臨界共溶溫度 (LCST , 即溶脹度的變化和溫度的變化并不是線 性的,在某一溫度下水凝膠的體積表現(xiàn)為突然的收縮和膨脹。2、 pH 敏感性水凝膠水凝膠高分子材料對于 pH 的敏感性是指其溶脹或消溶脹作用是隨著 pH 值 的不同而進行變化。具有 pH 響應性的水凝膠都是通過交聯(lián)而形成大分子網(wǎng)絡, 網(wǎng)絡中含有酸性或堿性基團,隨著介質(zhì) pH 值、離子強度改變,這些基團發(fā)生電 離,導致

4、網(wǎng)絡內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離,引起不連續(xù)的溶脹體積變化。3、光敏感性水凝膠水凝膠高分子材料的光敏感性是指水凝膠在受到光照的刺激下而發(fā)生的一 種體積相互轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。除此之外還有磁性水凝膠、壓力敏感性凝膠以及聚合物水凝膠等。三、制備水凝膠的材料凡是水溶性或親水性的高分子, 通過一定的化學交聯(lián)或物理交聯(lián), 都可以形 成水凝膠。理想的材料都應具備以下條件:良好的生物相容性。 適當?shù)纳锝到庑浴＞哂腥S立體多孔結(jié)構(gòu), 孔隙率最好達 90%以上, 且有很高的面積體積比。 具有可塑性和較好的力學強度。 材料表面微環(huán)境利于細胞黏附、 增殖, 能激活 細胞特異基因表達,維持細胞正常表型表達。常用材料根據(jù)來源不同

5、可分為天然材料、合成材料和復合材料。1、天然材料天然材料往往是生物衍生的聚合物, 一般生物相容性良好。 天然高分子材料 有淀粉、纖維素、甲殼素、殼聚糖、膠原、彈性蛋白、透明質(zhì)酸鹽、纖維素、海 藻酸鹽、 葡聚糖、 瓊脂糖和明膠等。 但天然材料的質(zhì)量會因產(chǎn)地及來源的不同而 有所差異,存在著天然產(chǎn)品在批次之間性能和質(zhì)量的重現(xiàn)性波動很大的缺陷。 (1纖維素衍生物(Cellulose derivatives低濃度(110wt%下,纖維素衍生物水溶液可在加熱后形成凝膠。甲基纖 維素在 4050間時可形成不透明凝膠。羥丙基甲基纖維素(HPMC 則在 7590時發(fā)生相轉(zhuǎn)變。 他們的相轉(zhuǎn)變溫度可通過物理或化學改

6、性來降低。 比如, NaCl 的加入可以使甲基纖維素的相轉(zhuǎn)變溫度降低至 3234。同樣,通過降低 HPMC 的羥丙基取代度,可以使它的轉(zhuǎn)變溫度降低到大約 40。(2木葡聚糖(Xyloglucan 木葡聚糖在特定條件下溶于水后可形成溫敏型凝膠。 它主要由 (1, 4 -D-葡聚糖主鏈構(gòu)成,支鏈為(1, 6 -D-木糖,部分為(1, 2 -D-乳糖所取代。 當木葡聚糖被 -半乳糖苷酶部分水解后,終產(chǎn)物在水溶液中可發(fā)生熱可逆凝膠 化, 而天然木葡聚糖則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 只有當半乳糖移除率達到 35%以上時 才會發(fā)生凝膠化。轉(zhuǎn)變溫度與聚合物分子濃度及半乳糖移除率成反相關(guān)。(3殼聚糖(Chitosan

7、 殼聚糖的化學名稱為聚葡萄糖胺 (1-4-2-氨基 -B-D 葡萄糖,在一般情況下, 殼聚糖只溶于酸性溶液中, 但是殼聚糖溶液中加入含羥基聚合物、 堿性鹽或是對 殼聚糖為母體進行加成反應、衍生化和接枝反應,可得到具有溫度敏感型或 pH 敏感型的殼聚糖基物理水凝膠; 其中溫敏型水凝膠表現(xiàn)的特點是在生理 pH (7.4 及室溫下保持溶液狀態(tài),而在溫度升到 37時體溫固化,原位形成凝膠。 殼聚糖具有良好的生物相容性、 微生物可降解性和促進傷口愈合的功效, 廣 泛應用于生物醫(yī)用領(lǐng)域。 殼聚糖作為生物材料在細胞培養(yǎng)方面可以增加細胞的粘 附性, 當植入體內(nèi)后可以促進分子聚集在移植物內(nèi)。 由于殼聚糖的機械性

8、能比較 差,常常與其他材料復合才可以達到預期的目的。2、合成材料合成材料大部分為生物可降解型合成高分子材料, 包括丙烯酸及其衍生物類 (聚丙烯酸,聚甲基丙烯酸,聚丙烯酰胺,聚 N-聚代丙烯酰胺等 、聚乙醇酸 (PGA、聚乳酸 (PLA以及它們的共聚物 PLGA 、聚己內(nèi)酯 (PCL、聚羥基烷基酸 酯 (PHA、聚酸酐、聚磷睛等。合成材料可根據(jù)需求來進行分子設(shè)計,且性能的 重現(xiàn)性好,可批量生產(chǎn)。但同天然材料相比,其生物相容性較差。聚 N-異丙基丙烯酰胺水凝膠,是一種典型的溫度敏感性水凝膠,其低臨界 溶解溫度(LCST 約在 32, LCST 可通過與其他單分子的共聚作用來調(diào)節(jié)。 這一高分子體系中

9、存在兩種氫鍵 : 水分子與高分子鏈之間的氫鍵和高分子鏈之 間的氫鍵。 當外界溫度低于 LCST 時 , 兩種氫鍵的相互協(xié)調(diào)作用使得疏水基團周 圍形成一個穩(wěn)定的束縛水分子的水合結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高 , 水合結(jié)構(gòu)破壞 , 疏水 作用占主導 , 使凝膠中的束縛水變成自由水分子并向外擴散 , 凝膠發(fā)生相分離 , 內(nèi)部結(jié)構(gòu)塌陷 , 體積劇烈收縮 , 即水凝膠的溫敏性相轉(zhuǎn)變是由交聯(lián)網(wǎng)絡的親 /疏水性平衡受外界變化而引起的。3、復合材料各種天然材料、合成高分子材料、生物衍生材料既可單獨用作支架材料,也 可相互搭配或組合形成大量性質(zhì)各異的復合材料。 復合材料可以很好地避開單一 材料的缺點, 實現(xiàn)優(yōu)勢互補。 材料

10、的生物活性取決于材料的組分。 水凝膠材料科 學的組合、 合適的成分對種子細胞的粘附、 生長、 分化及自身的活性等都極為關(guān) 鍵。四、水凝膠的形成機理水凝膠的形成主要有物理交聯(lián)和化學交聯(lián)兩種主要途徑。物理交聯(lián)型水凝膠是指由于分子纏結(jié)和離子、 氫鍵、 疏水相互作用的存在而 形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。 大致可分為離子交聯(lián)型和溫度響應型兩種。 形成物理交聯(lián)水凝 膠的條件之一就是體系中物理交聯(lián)點的形成。 物理交聯(lián)點的形成可以通過多種方 式,如離子間的相互作用、疏水相互作用、結(jié)晶及氫鍵作用等?；瘜W交聯(lián)型水凝膠是運用傳統(tǒng)合成的方法或光聚合、 輻射聚合等技術(shù), 引發(fā) 共聚或縮聚反應產(chǎn)生共價鍵而形成的共價交聯(lián)網(wǎng)絡。 化學交

11、聯(lián)水凝膠結(jié)構(gòu)比較穩(wěn) 定,強度較高,反應可控制性較好,易于操作,但由于需其它物質(zhì)參與,并伴有 化學反應,因此會對細胞的影響較大。五、水凝膠的檢測參數(shù)在選擇或合成適當?shù)乃z支架材料時, 應綜合考慮物理性能、 傳質(zhì)性能和 生物相互作用,這些性能或設(shè)計參數(shù)由支架的用途和植入部位的環(huán)境來決定。 實驗中測定的參數(shù)有:(1傅里葉紅外光譜法 (FTIR采用紅外光譜儀,用 KBr 壓片技術(shù)分析原料及合成材料的主要特征官能團 及化學鍵的變化和相互作用。(2內(nèi)部結(jié)構(gòu)測定采用掃描電鏡觀察水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)的分布等結(jié)構(gòu)特征。(3孔隙率和孔徑的測定采用溶液替代法計算不同水凝膠的孔隙率。 選用體積為 10mL 的離心管

12、, 裝 滿乙醇。 首先測量水凝膠的體積和干重, 然后將干樣放于盛有等體積乙醇的離心 管中,一定時間后取出水凝膠樣品稱重 ,計算水凝膠的孔隙率。從水凝膠掃描 電鏡圖中選擇盡量不同的孔徑,采用平均值的方法計算該水凝膠的表面孔徑。 (4機械強度的測定采用電子萬能材料試驗機來測量水凝膠的壓縮載荷和彈性模量。 首先將溶膠 放于 10mL 的離心管中在 37條件下制備成一定直徑一定長度的圓柱狀水凝膠 進行抗壓試驗。(5凝膠時間的測定采用試管倒置的方法檢測凝膠時間。 將配好的溶膠離心管中, 放于恒溫金屬 浴或水浴鍋中, 使用秒表計時, 凝膠時間為溶膠在離心管中流動至離心管倒置后 不流動之間的時間。在不同的溫

13、度梯度范圍內(nèi)檢測該水凝膠的形成時間。(6細胞毒性實驗MTT 比色法實驗是評價水凝膠體系中的浸提液有無潛在的細胞毒性。 MTT 商品名是噻唑藍。 MTT 法又稱 MTT 比色法, 是一種檢測細胞相對存活率的方法。用酶聯(lián)免疫檢測儀在 490nm 波長處測定外源性 MTT 被活細胞線粒體中琥珀酸脫 氫酶還原后的甲瓚, 其光吸收值, 可間接反映活細胞數(shù)量。 在一定細胞數(shù)范圍內(nèi), MTT 結(jié)晶形成的量與細胞數(shù)成正比。CCK-8(cell-counting kit-8檢測試劑盒是應用 WST-8取代 MTT 被還原, 在電子耦合試劑存在的情況下, 可以被線粒體內(nèi)的一些脫氫酶還原生成橙黃色的 甲瓚。 WST

14、-8產(chǎn)生的甲瓚易溶解,且 WST-8化學性質(zhì)更穩(wěn)定, 因此實驗結(jié)果相 對更加穩(wěn)定。此外, WST-8相比于 MTT 線性范圍較寬,靈敏度更高。當細胞增殖越多、越快,則甲瓚產(chǎn)生量越多,顏色越深;反之,當內(nèi)外因造 成的細胞毒性越大, 則顏色越淺。 對于同樣的細胞, 顏色的深淺和細胞數(shù)目呈線 性關(guān)系。應用酶標儀測定吸光值并進行統(tǒng)計學計算便可以獲得細胞增殖(活性 相關(guān)數(shù)據(jù)。(7體外降解實驗配制 50%的 I 型膠原酶和 0.25%胰蛋白酶液,干燥后的水凝膠材料稱重紫外 照射,在無菌操作條件下分別置于相同體積的酶液中,放于 37細胞培養(yǎng)箱中, 定期取樣,真空冷凍干燥機干燥后稱重。(8體內(nèi)組織相容性實驗水凝膠材料的制備必須在無菌操作條件下,而且每種原材料必須是無菌的。 因此將制備好的材料用 1mL 的注射器注射入小鼠皮下,定期取樣用中性甲醛固 定。 H&E染色將