（化学工艺专业论文）可注射水凝胶的制备及其性能研究.pdf

摘要 智能水凝胶是一类重要的功能型高分子材料，对外界环境刺激的应答能力使其 成为研究的热点。其中，可注射水凝胶因其独特的溶胶凝胶相转变性质，在药物控 制释放领域有着广泛应用。然而目前可注射水凝胶存在着因温度变化引发针管内溶 液快速凝胶化而难以注射以及在体内释放药物后不能快速降解而引发组织炎症等问 题。基于以上对可注射水凝胶的认识，本论文以星型聚乳酸嵌段共聚物 ( p e t - p l l a p e g ) 为基材，制备可生物降解注射水凝胶，在共聚物的制备工艺，水凝 胶的形成和释药性能等方面作了详细的研究。 ( 1 ) 以季戊四醇为引发剂，开环聚合制备p e t - p l l a 。通过n m r 对p e t - p l l a 进行结构表征，并讨论了反应条件对分子量的影响。结果表明，醇的加入量和聚合 时间对p e t - p l l a 分子量大小起决定性作用。当原料比【s a 】 p e t - p l l a 为8 ，催化 剂用量 d m a p p e t - p l l a 为2 ，时间为4 8 h ，温度为3 0 ，所得p e t p l l a s a 的 收率和端羧基数最大。同时优化了p e t p l l a s a p e g ，多嵌段共聚物的合成工艺条 件。配料比、溶剂量、d m a p 和d c c 用量对收率影响显著；配料比、溶剂量、反 应时间和d c c 用量对共聚物溶胀度影响显著。 ( 2 ) 通过改变星型p l l a p e g 多嵌段共聚物中p l l a 和p e g 的嵌段比例来控制 共聚物溶胀度的大小。结果表明，共聚物的溶胀度随着p l l a 疏水嵌段比例的增大 而减小，随着p e g 亲水嵌段比例的增大而增大。另外，共聚物在3 7 水中溶胀最 快，溶胀度最大。通过考察溶液浓度和环境温度对共聚物溶胶一凝胶相转变的影响， 发现3 0 w t 的共聚物溶液形成凝胶的最高临界温度为人体生理温度。 ( 3 ) 采用恒温振荡法考察可注射星型p l l a p e g 共聚物水凝胶的体外释药特 性。盐酸乌拉地尔载药星型p l l a - p e g 共聚物水凝胶相比较其原药释放具有明显的 缓释作用。整个释药过程分为两个阶段，其释药动力学模型分别满足一级动力学方 程和h i g u c h i 方程。p d t g c r - p c l o p a s 方程进一步解释了第二阶段释放机理。 关键词：星型聚乳酸嵌段共聚物，可注射水凝胶，盐酸乌拉地尔，释放性能 s t u d yo np r e p a r a t i o no fi n j e c t a b l eh y d r o g e l s a n d d r u g - r e l e a s i n gp e r f o r m a n c e a b s t r a c t i n t e l l i g e n th y d r o g e li so n e o ft h ei m p o r t a n tf u n c t i o n a lp o l y m e rm a t e r i a l sw h i c hh a s r e s p o n s et ot h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t t h ei n j e e t a b l eh y d r o g e lf o ri t su n i q u ep h a s e t r a n s i t i o nb e h a v i o ri se x p e c t e dt ob ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fd r u gr e l e a s e h o w e v e r , t h e r ea r et w op r o b l e m sa b o u ti t o n ei st h a tp o l y m e rs o l u t i o nd o c s n ti n j e c ti n t ot h eb o d y b e c a u s ei tg e l a t i n a t o sr a p i d l yi nt h en e e d l et u b ew i t hc h a n g eo ft e m p e r a t u r e a n o t h e ri s i n j e c t a b l eh y d r o g e lc a l ln o td e g r a d er a p i d l y , s or e s u l t i n g i nt i s s u ei n f l a m m a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es y n t h e s i so fb i o d e g r a d a b l es t a r - s h a p e dp l l a - p e g m u l t i - b l o c kc o p o l y m e r , t h ep r e p a r a t i o no fi n j e c t a b l eh y d r o g e la n dt h er e l e a s eb e h a v i o r n v i t r ow e r er e s e a r c h e ds u c c e s s f u l l y t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da sf o l l o w ： ( 1 ) p e n t a e r y t h r i t o la st h ei n i t i a t o r , p e t - p l l aw a ss y n t h e s i z e db yr i n g o p e n i n g p o l y m e r i z a t i o no fl - l a c t i d e t h ec h e m i c a ls t u c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db yn m r , a n dt h e r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o no fp e n t a e r y t h r i t o l a n dp o l y m e r i z a t i o nt i m ep l a yak e yr o l eo nm o l e c u l a rw e i g h to fp e t - p l l a w h e nt h e m o l er a t i oo fp e t - p l l aa n ds u c c i n i ca n h y d r i d ew a s1 ：8 ，t h em o l er a t i oo fp e t - p l l a a n dd m a pw a s1 ：2 ，r e a c t i o nt i m ew a s4 8 ha n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s3 0 c ，t h e p e t - p l l a s ah a st h el a r g e s ty i e l da n dt h em o s tn u m b e ro fc a r b o x y lg r o u p a n dt h e s y n t h e t i ct e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fp e t - p l l a - s a - p e gw e r eo p t i m i z e d w ef o u n dt h a t t h ey i e l do fp r o d u c tw a si n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yb yt h ec o n c e n t r a t i o no fp e gs o l v e n t q u a n t i t y , c o n c e n t r a t i o no fd m a 夸a n dd c c ，a n dt h es w e l l i n gd e 野e e ( s d ) o fp o l y r n e rw a s i n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yb yt h ec o n c e n t r a t i o no fp e g is o l v e n tq u a n t i t y , r e a c t i o nt i m e ，a n d n c o n c e n t r a t i o no f 。d c c ( 2 ) p o l y m e r ss dc a nb ec o n t r o l l e db yc h a u g i n gb l o c kr a t i oo fs t a r - s h a p e d p l l a - p e gm u l t i - b l o c kc o p o l y m e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o l y m e r ss dd e c r e a s e 谢t l lt h ei n c r e a s eo fp l l ah y d r o p h o b i cb l o c kr a t i oa n di n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fp e g h y d r o p h i l i cb l o c kr a t i o f u r t h e r m o r e ，p o l y m e rs w d l i n gw a sf a s t e s ta n ds dw a st h e b i g g e s tw h e ni n3 7 cw a t e r 3 0 w t p o l y m e rs o l u t i o nt og e lh a st h eu p p e rc r i t i c a l t e m p e r a t u r ei sh u m a nb o d yt e m p e r a t u r e ( 3 ) i n 、，i 缸0r e l e a s eo fu r a p i d i lh y d r o c h l o r i d ef r o mi n j e c t a b l eh y d r o g e lw a s p e r f o r m e db yo s c i l l a t i n gi nc o m t a mt e m p e r a t u r e t h er e l e a s es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h e u r a p i d i lh y d r o c h l o r i d ee m b e d d e di ns t a r - s h a p e dp l l a - p e gc o p o l y m e rh y d r o g d e x h i b i t e db e t t e rs u s t a i n e d - r e l e a s ec a p a c i t y t h e r ea l et w od r u gr e l e a s eb e h a v i o ri nw h o l e r e l e a s ep r o c e s s o n ec o u l db ed e s c r i b e db yf i r s to r d e rr e l e a s ee q u a t i o na n dt h eo t h e r c o u l db ed e s c r i b e db yh i g u c h ir e l e a s ee q u a t i o n r i t g e r - p e p p a sd y n a m i cm o d e lf u r t h e r i n t e r p r e t e dt h es e c o n ds t a g er e l e a s eb e h a v i o r k e y w o r d s ：s t a r - s h a p e dp o l y ( l l a c t i d e ) b l o c kc o p o l y r n e r , i n j e c t a b l eh y d r o g e l ， u r a p i d i lh y d r o c h l o r i d e ， r e l e a s ep e r f o r m a n c e i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：兰塾指导教师签名：盔至i =学位论文作者签名：互塾指导教师签名：盈：! = 2 力身年易月i7 日力矽署年多月j 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：牛曼 2 8 年6 胄if 日 第一章综述 1 1 研究背景 聚合物水凝胶是由聚合物三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系。交联 网络上含有大量的亲水性集团( 如- o h 、c o o h 、- c o n h 2 、s 0 3 h 等) ，当水分子扩 散到水凝胶体内时，三维网络舒展开，水凝胶体积可以膨胀数倍至数百倍。由于水 凝胶具有高强的吸水性和良好的生物相容性，已广泛用作保水剂，生理卫生用品等。 在生物医学领域，水凝胶可用作药物传输体系、组织工程材料、烧伤涂敷物、生物 分子和细胞的固定化载体等。 根据水凝胶对外界刺激的应答情况不同，水凝胶可分为两类：传统水凝胶，这 类水凝胶对环境变化不敏感：环境敏感水凝胶( 又称智能水凝胶) ，即水凝胶感应 外界环境( 如温度，p h 值，光，磁，电，酶等) 微小的变化或刺激有非常明确或显著 的应答。环境刺激的类型和聚合物响应的方式有多种，如化学或生物学变化( 促进、 阻碍反应或识别过程) 和发生电化学反应等，有相分离( 沉淀) 、形状变化( 收缩或溶 胀) 、渗透性增加或减少，变硬或变软，透明或不透明，产生信号等。根据环境变化 类型的不同，环境敏感水凝胶可分为温度敏感水凝胶、p h 敏感水凝胶、盐敏感水凝 胶、光敏感水凝胶、电敏感水凝胶、磁敏感水凝胶、生物分子响应水凝胶等。 智能水凝胶可应用于药物传输控制系统，组织工程支架材料，氧气载体，生物 传感器，显微透镜等生物医学领域。 1 2 智能水凝胶 1 2 1 智能水凝胶分类 1 2 1 1 p h 敏感型水凝胶 水凝胶的p h 响应性是指其溶胀或消溶胀随p h 值的变化而变化。大部分p h 敏 感水凝胶都属于高分子聚电解质，其结构中含有能够电离的酸性或碱性集团，例如 羧酸，酸性硫酸基，胺，铵盐等。当外界环境在正常p h 值范围内，高分子聚电解 质不发生电离，p h 敏感水凝胶的溶胀度只与聚合物链弹性和聚合物溶液的热力学性 质相关；当外界环境超出一定的p h 值极限，高分子聚电解质开始电离，这时会对 水凝胶的三维网络结构造成额外的膨胀推动力。 p h 敏感型水凝胶的响应特性，可通过在弱聚电解质中引入少量疏水性结构单元 而实现，其中疏水微区相当于物理交联，能干扰聚电解质解离所引起的溶胀。例如 用亲水性的聚丙烯酸和疏水性的聚丁基丙烯酸酯合成具有互穿网络结构p h 敏感的 两性水凝胶包载褪黑素【l 】。实验发现褪黑素的释放响应于p h 值的变化，疏水网络能 克服亲水网络突然破裂而快速释药的缺点。对p h 敏感的聚2 乙烯吡啶微凝胶粒子， 当p i t 值低于4 5 时，吡啶基团质子化，微凝胶网络呈正电性，引起微凝胶网络的扩 张，适合于作控制药物的控释载体【2 1 。 1 2 1 2 温度敏感型水凝胶 温度敏感水凝胶能随着外界温度变化，产生相应的物理结构及化学性质变化甚 至突变。这种凝胶具有一定比例的疏水和亲水基团，温度的变化可影响这些基团的 疏亲水作用以及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。 聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶具有典型的温敏性特征。它存在一个最低临界溶解 温度( l c s t ) ，当环境温度低于l c s t 时，聚n 异丙基丙烯酰胺侧链上的亲水基和水 分子通过氢键连接，凝胶吸水溶胀；温度上升时，氢键作用减弱，而高分子链中疏 水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度升至l c s t 以上，疏水作用成为主要 作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生相变，溶胀度急剧下降。 近几年，聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶不断得到改进。如将具有光反应活性的4 一 氨基苯酮与聚( n 异丙基丙烯酰胺c o 羧酸异丙基丙烯酰胺) 反应合成共聚物，用旋涂 法在固体基质上制作聚合物膜，再通过u v 光照交联获得超薄水凝胶膜。结果发现获 得的水凝胶具有高稳定性和高离子透过性，其渗透性可以随着温度和p h 值的变化而 显著改变。这种水凝胶有望用于药物控释载体和生物粘附材料【3 】。为了改善温敏水 凝胶的机械性能，y a n gl i u 等【4 】用聚n 异丙基丙烯酰胺和焦磷酸四钠改性的锂皂石 合成复合水凝胶，这种纳米复合材料具有非常高的机械强度和消溶胀行为，可用于 人造软组织等。 1 2 1 3 光敏感型水凝胶 光敏感型水凝胶是水凝胶在光刺激下的体积溶胀变化是由于光刺激使聚合物分 2 子链的构型发生变化，即其光敏性部分经光照射转变成异构体。此类水凝胶也可通 过引入发色基团得到。用光敏性的硝基肉桂酸聚乙二醇水凝胶包载碱性成纤维细胞 生长因子( b f g f ) ，长波紫外线照射可以改变凝胶骨架的物理性质( 如溶胀度) ，从而 控制b f g f 的释放速度【5 1 。另# b k i m i os u m a r u 等【6 】报道了在聚n 异丙基丙烯酰胺侧链 上接入一个螺吡喃发色团，交联得到光敏性共聚物水凝胶。水凝胶在酸性条件下， 蓝光的照射能引发激烈而快速的体积收缩和质子解离。将此水凝胶覆盖在多孔渗透 膜的表面制备光敏膜，当蓝光照射时，膜对稀h c l 水溶液的渗透性增加了2 倍。 1 2 1 4电敏感型水凝胶 几乎所有的聚电解质水凝胶都响应于电刺激。在电场中，聚电解质凝胶不连续 的体积相转变是由聚合物网络外露的带电部位的压力而引起的。这里存在一个临界 压力，低于临界压力凝胶膨胀，高于临界压力凝胶收缩。 例如聚丙烯酸聚乙烯基磺酸共聚物水凝胶在电场中引发离子运动，水凝胶的体 积发生明显的变化，可用于生物传感器【7 1 。为了解决以往电敏水凝胶只能在酸性或 碱性条件下发挥作用、需要较高的电压和响应时间慢等缺点，e l i z a b e t h a 等【8 】将具有 导电性的聚吡咯碳黑复合材料加入到丙烯酸丙烯酰胺水凝胶内，能在低电压( 1 、 中性溶液中快速( 5 s ) 做出响应。通过改变丙烯酸的含量、导电性共混材料浓度和电 场强度来调节对电刺激的响应。这种新型电敏凝胶材料有望用于生物微电子机械系 统。 1 2 1 5 磁性响应型水凝胶 磁性响应水凝胶能对外加磁场作出响应。由于它在外加磁场作用下有简单快速 的磁分离特性，在细胞分离、固定化酶、靶向药物等方面有较好的应用前景。 由聚乙烯醇和f e 3 0 4 磁粉通过冷冻融化循环过程可制得磁性水凝胶。当磁场开 启时，药物积聚在凝胶周围：当磁场关闭时，药物会立即释放出来。磁场“关”和“开” 的转换，可以调节药物释放的快慢。药物的释放行为主要受f e 3 0 4 粒子大小影响，包 含较大f e 3 0 4 粒子的水凝胶显现出更好的磁敏感效应。由于磁性刺激是一种“非接触 力”，因此磁性敏感凝胶比其它敏感水凝胶更易用于生物医学装置【9 1 。 1 2 1 6 生物分子响应型水凝胶 生物分子响应型水凝胶能对特定的生物分子( 如葡萄糖、酶和d n a 分子等) 产生 响应。 k y l en p l u n k e t t 等【1 0 】用一种四肽作为交联剂，得到对a - 胰凝乳蛋白酶敏感的含 有缩氨酸序列的甲基丙烯酰胺水凝胶。当这类水凝胶遇到洳胰凝乳蛋白酶时，水凝 胶上连接的缩氨酸序列发生分离，引起水凝胶从不溶的三维交联网络结构向可溶的 结构转变。这项研究有望作为生物传感器用于蛋白酶缩氨酸识别系统。 1 2 2 智能水凝胶在生物医学领域的应用 1 2 2 1 药物传输控制系统 智能水凝胶具有传递药物分子的孔道，对生理环境敏感，特别适合作为水溶性 药物和易被胃肠酶分解的蛋白类药物的载体。 为了使蛋白类药物口服给药，h o n g y a nh e 等【1 1 1 用二缩三乙二醇双甲基丙烯酸酯 为交联剂，合成t p h 敏感的聚甲基丙烯酸水凝胶为膨胀层、聚羟乙基丙烯酸甲酯为 非膨胀层的双层结构并可自折叠韵水凝胶微型装置，并将具有生物粘附性的药物粘 附到非膨胀层的一面。在人体内，p h 敏感的聚甲基丙烯酸层接触到体液后迅速膨胀， 而聚羟乙基丙烯酸甲酯层无变化。由于膨胀层和非膨胀层的区别，这个自折叠的装 置发生弯曲，从而延长了在靶向部位的停留时间，增强了生物粘附性。而非膨胀的 聚羟乙基丙烯酸甲酯层可以作为扩散屏障，给药物提供了更好的保护和减少药物在 肠道中的损失。 温度敏感型凝胶，如聚环氧乙烷、泊洛沙姆、聚环氧乙烷和聚环氧丙烷的嵌段 共聚物可作为注射用水凝胶。然而，这类水凝胶也存在一些问题，由于体温使针头 变暖，水凝胶溶液快速转变成凝胶，使得针头阻塞，很难再继续注射。为了改善上 述问题，w o os u ns h i m - 等 1 2 1 合成一种新型的p h 、温度双敏感的嵌段共聚物水凝胶。 当3 7 c 、p h 7 4 ( 人体) 时聚合物溶液才能转变成凝胶。它在室温下和p h 8 0 时呈溶液 状态，需要温度和p h 的共同变化才能形成凝胶，仅温度改变不能使其形成凝胶，避 免了注射过程中由于温度升高而导致针头内凝胶化，可以用作疏水药物和蛋白质的 注射载体。 4 1 2 2 2 组织工程支架材料 水凝胶应用于组织工程支架要求具有生物相容性、生物降解性、高含水量和细 胞膜粘附性等。高度膨胀的三维环境含有大量的水，类似于生物组织环境，可以促 进细胞增殖和细胞活动。p a o l of e r r u t i 等【1 3 】设计了两种具有生物相容性和生物降解性 的两性聚丙烯酸水凝胶用作组织工程支架。实验表明这两种水凝胶无细胞毒性，对 细胞膜的粘附性明显改善。通过模拟生物环境，在p h 7 4 和3 7 c 的介质中，两种水凝 胶分别在1 0 天和4 0 天内完全降解，并且降解的产物也是完全无细胞毒性的。 1 2 2 3 血红蛋白氧气载体 血红蛋白作为血液代用品，具有高效载氧功能，但天然无基质血红蛋白溶液不 能直接作为红细胞代用品。目前血红蛋白氧气载体主要分为化学修饰血红蛋白、基 因重组血红蛋白和包囊血红蛋白。用脂质体包封易导致血红蛋白变性，微胶囊又存 在快速释放的缺陷，另外，这些微胶囊没有红细胞那样柔软的外壁，也不能在网状 内皮组织系统中快速流动。用纳米水凝胶微粒包封血红蛋白，具有机械性能稳定， 装填能力高，膨胀收缩可控，质地柔软和在网状内皮组织系统中流动快等优点。 a n d r ef p a l m e r 等t 1 4 蠕牛血红蛋白与聚丙烯酰胺交联合成p h 敏感水凝胶。这种 p h 敏感的血红蛋白氧气载体可以靶向的将高效载氧的血红蛋白运输到由于生理p h 值下降而引发低氧状态的组织。 1 2 2 4 生物传感器 根据水凝胶的环境敏感性，可将它与生物传感器物理元件相连，然后将生物分 子固定在水凝胶表面或内部，便可得到生物传感器，用于诊断疾病或做日常监测。 j i n s e o kh e o 等【1 5 】报道了一种水凝胶包封酶阵列微流量传感器( am i c r o f l u i d i c s e n s o rb a s e do na na r r a yo f h y d r o g e l e n t r a p p e de n z y m e s ) ，当被分析物通过这种多 通道微流量系统，进入到不连续的水凝胶阵列中，包封在水凝胶内的活性酶把被分 析物转化为另外一种可检测的物质。这种装置能检测单一物质或结构相似的多种物 质。 1 2 2 5 水凝胶微透镜 智能水凝胶微透镜是一种新型的蛋白质检验方法。聚( 异丙基丙烯酰胺一c o 丙烯 酸) 微凝胶与生物素耦联制成动态可调式生物素化凝胶微透镜。这些可调式凝胶微透 镜阵列可通过静电作用吸附在氨丙基三甲氧基硅烷化的玻璃基片上制得。研究者将 生物素化的凝胶微透镜与未生物素化的凝胶微透镜进行对比，结果发现特定的蛋白 质溶液能引起生物素化的凝胶微透镜平衡膨胀体积变化和折射率的改变，而未生物 素化的凝胶微透镜则对其不敏感。另外，这些凝胶微透镜在受到外界刺激时如温度、 p h 和光子流量，它的光学性质也会发生相应的变化【1 6 】。 1 3 可注射水凝胶及其药物缓控释应用【1 7 】 在智能型水凝胶中，可注射水凝胶在高于或低于体温时，以溶液状态存在，在 此状态下可以包埋诸如药物、生物活性物质( 多肽、蛋白质、细胞) 等；当注射于皮 下组织、肌肉组织后，由于温度的变化，包埋有药物或活性物质的溶液迅速转变为 凝胶；药物分子或活性物质在扩散作用和凝胶自身降解作用双重作用力推动下，从 凝胶内部平稳释放出来，达到长效缓释的效果。此外，水凝胶的注射植入比其他固 体制剂的移植埋入使用简单易行，无需手术，创伤小。 根据水凝胶中高分子的来源可以分为天然及半天然可注射水凝胶和合成高分 子可注射水凝胶 1 3 1 用于药物缓释载体的天然及半天然可注射水凝胶 天然及半天然可注射高分子水凝胶由于其良好的生物相容性、天然可降解性、 来源广泛、低廉的价格等特点而广受关注。目前，常见的天然及半天然的可注射性 高分子水凝胶材料有壳聚糖类、纤维素类、透明质酸类、海藻酸盐类等。 1 3 1 1 壳聚糖类 壳聚糖是具有生物相容性、可生物降解的阳离子多糖，其结构为( 1 ，4 ) 2 氨 基2 脱氧p d 葡聚糖， 通过甲壳质部分脱乙酰基可得到不同脱乙酰度的壳聚 糖。引入必要的交联剂，壳聚糖可形成凝胶，例如通过戊二醛适度交联的壳聚糖可 形成凝胶。n a r a y a nb h a t t a r a i 1 8 】等报导了一种用聚乙二醇( p e g ) 接枝壳聚糖的可注射 水凝胶材料。这种材料在l o 左右以溶液状态存在，当温度升高到2 5 时发生溶胶 凝胶相转变，粘度迅速增大，形成了透明的水凝胶。他们随后以牛血清蛋白为模药 进行缓控释实验，结果发现开始5 个小时有突释现象，之后约7 d 个小时为线性释放； 6 当用交联剂原位交联上述物理凝胶成为化学凝胶之后，药物的突释显著减小，在数 周内保持线性释放。 1 3 1 2 纤维素类 纤维素是d 吡喃型葡萄糖由肛1 ，4 糖苷键构成的直链多糖。普通的纤维素是不 溶于水的，但是通过化学改性引入亲水组分，使其衍生物成为一种可溶物质，随着 温度的变化可以发生溶胶凝胶相转变。通过改变衍生物中亲疏水嵌段比例来调节相 转变温度。当温度升高时，高分子链中疏水基团间的吸引力占主导地位，水成为一 种“不良溶剂 ，此时便发生溶胶凝胶相转变。m o l l ys s h o i e h e t 1 9 】等用可注射水凝 胶作为药物传输系统局部释放药物分子。他们用透明质酸与甲基纤维素混合水凝胶 包埋重组人表皮生长因子，由小鼠鞘内注射到脊椎周围，快速凝胶化建立药物缓释 体系，并建立小鼠损伤模型。 1 3 1 3 透明质酸类 透明质酸具有粘弹性和低剪切力，可作为药物、蛋白和肽的转载系统，在组织 工程中用于骨缺损的修复、伤口的愈合和软骨组织扩增。d u r a n t i 2 0 1 使用可注射非动 物源透明质酸水凝胶g e s t y ! 觚一进行软骨组织扩增。透明质酸衍生物可改善其在动 物体内的持久性，并且具有良好的生物相容性。组织学分析表明，交联的透明质酸 水凝胶皮下注射后能够在组织中长久地维持其形状和性能。 1 3 1 4 海藻酸盐类 海藻酸盐能与大多数多价阳离子反应会形成交联，如c a 2 + 、m 9 2 + 、b a 2 + 、 s r 2 + 能桥接相邻海藻酸盐链的g 链段，使海藻酸盐水溶液转变成凝胶。由于海藻酸 盐的生物相容性好、低毒、价格相对低廉，在载药系统和组织工程中被广泛使用。 w e s t h a u s 2 1 】等通过温度引发钙离子从脂质体中释放出来，与含有海藻酸钠和蛋白质 的前体溶液快速形成水凝胶。他们用饱和的磷脂酰胆碱脂二元混合物制备了在室温 下能有效束缚钙离子，但在体温时能快速释放钙离子的脂质体。升高温度时，脂质 体中释放出钙离子与海藻酸钠交联形成水凝胶。此方法有助于开发快速凝胶化可注 射水凝胶，实施药物定向释放。 7 1 3 。2 用于药物缓释载体的合成高分子可注射水凝胶 合成可注射高分子水凝胶根据其降解性可以分为两大类：一类是不可降解合成 高分子水凝胶，包括聚n 异丙基丙烯酰胺、聚环氧乙烷和聚环氧丙烷嵌段共聚物； 一类是可降解合成高分子水凝胶，包括p e g 聚酯可降解嵌段共聚物和聚有机磷腈 等。 1 3 2 1 聚n 异丙基丙烯酰胺类 t o p p - 等 2 2 】用聚n 异丙基丙烯酰胺与亲水的p e g 共聚制备了嵌段共聚物胶束。由 于具有温敏性，它们在温度低于l c s t 时溶解。当疏水性药物载于胶束核内到达体内 靶位时，局部的降温使胶束解体而突释药物。但是聚n 异丙基丙烯酰胺不具有生物 降解性，代谢机制尚不清楚，且具有细胞毒性，限制了其在缓、控释注射给药系统 中的应用。 1 3 2 2 聚环氧乙烷和聚环氧丙烷嵌段共聚物类 聚环氧乙烷聚环氧丙烷聚环氧乙烷三嵌段共聚物是商品p l u r o n i c 、泊洛沙姆 ( p o l o x a m e r ) 的主要成份，随聚环氧乙烷聚环氧丙烷比例的不同而型号不同。在一定 浓度范围内，温度升高引发共聚物依次发生溶胶凝胶溶胶相转变。凝胶状态仅存 在于两个临界温度之间，并且随着聚合物的组成和浓度变化而变化。聚合物的浓度 高于临界胶束浓度时，胶束与聚合物单体处于动态平衡；溶液温度升高时，平衡破 坏，单体聚集形成球状胶束，使得胶束的体积分数( 甲m ) 增大；当p 矿o 5 3 时，球状胶 束的填充使得系统由溶液转变为凝胶。目前关于共聚物凝胶溶胶的转变机理依然不 十分清楚。最近的研究表明，胶束形状由球状转变为圆筒状从而使胶束的体积分数 减小是凝胶溶胶转变的原因。 文献报道了多种蛋白质、多肽药物( 如白细胞介素2 【2 3 】、尿素酶【2 4 j 、表皮生长因 子【2 5 1 、胰岛素、丝裂霉素c 、纤维软骨生长因子、内皮细胞生长因子等) 以 p o l o x a m e r 4 0 7 或p l u r o n i cf 1 2 7 为载体( 如表1 ) 进行释放实验，释放曲线显示大多数 药物可以持续释放几个小时。如p o l o x a m e r 4 0 7 水凝胶对白细胞介素2 和尿素酶的体 外释放为零级释放，可以持续8 小时。人体生长因子在p o l o x a m e r 4 0 7 水凝胶中其体 外释放达6 0 到7 2 小时，肌肉和皮下注射后可释放达一周。用p o l o x a m e r 水凝胶作 8 为药物载体不但可以持续缓释药物，而且可以稳定药物【2 6 1 。 表1 1 泊洛沙姆p f 1 2 7 在缓、控释注射给药系统的应用 虽然温敏可逆的p l u r o n i c 或p o l o x a m c r 水凝胶可以通过注射给药，但其在体内 只能存在数天即被体液稀释，无法达到长期给药的效果。通过化学交联【2 7 】或接枝疏 水嵌段【2 8 】来可以实现其长时间给药的目的。 p l u r o n i c 或p o l o x a m c r 一般被认为是不可降解的，但分子量小于两万时，可以被 吸收，并最终排出体内。以色列的c o h n d 【2 9 1 课题组和韩国j e o n gb 【3 0 】的课题组最新 研究发现通过己二异氰酸酯、对苯二酰氯或对苯二酸酐作为偶联剂能得到可降解的 p l u r o n i e 或p o l o x a m c r 的多嵌段共聚物。 1 3 2 3p e g 聚酯共聚物 可注射p e g 聚酯共聚物由于含有脂肪族聚酯，因此具有可降解性。聚酯主要包 括乙交酯( g a ) 、己内酯( c l ) 、丙交酯( l a ) 等。这方面的研究以美国的k i ms w 组、 韩国的j e o n gb 课题组和l e ed s 课题组最为杰出。 ( 1 ) 聚酯p e g 聚酯型三嵌段共聚物，包括p l g a p e g p l g a 3 1 1 、 p c l - p e g p c l t 3 2 】、p l a p e g p l a 3 3 1 等。合成是采用两端为羟基的p e g 单体做引发 剂，在催化剂作用下，使单体g a 、c l 或l a 等开环聚合，即得到两端为聚酯嵌段， 中间为聚乙二醇或聚氧化乙烯嵌段的共聚物。 9 ( 2 ) p e g 聚酯p e g 型的三嵌段共聚物，包括p e g - p l l a - p e g 、 p e g p l g a p e g 3 5 1 、p e g p c l - p e g 3 6 】等。合成是采用一端为羟基，另一端为甲氧 基封端的p e g 作为引发剂，在催化剂作用下使单体开环聚合得到p e g 聚酯两嵌段 共聚物，再用交联剂将二嵌段共聚物连接起来，得到两端为p e g ，中间为聚酯的三 嵌段共聚物。j e o n gb 【蚓等报道了温敏性p e g p l l a p e g 水凝胶的制备及其应用。 ( 3 ) p e g 接枝共聚物，包括p e g g 聚酯与聚酯一g - p e g 两类接枝共聚物，其合成 方法有所差别。在p e g g - p l g a 的合成中，首先p e g 同戊二酸酐反应，然后同环 氧基封端的p e g 反应得到露出多个羟基的p e g ，最后以其为引发剂，使l a 、g a 开环聚合【3 7 】：而p l g a g - p e g 是以单端甲氧基封端的p e g 为引发剂，与l a 、g a 和环氧基封端的p e g 一起开环聚合得到的【3 8 】。 ( 4 ) 星型的聚酯p e g 嵌段共聚物，如三臂和四臂的p e g p l a 、p e g p c l 嵌段 共聚物【3 9 1 。以丙三醇或季戊四醇的钾醇盐为引发剂，使氧化乙烯发生阴离子聚合反 应，得到三臂或四臂的p e g ，再以辛酸亚锡为催化剂，三臂或四臂的p e g 与l a 、 c l 开环聚合得到星型的p e g p l a 、p e g p c l 嵌段共聚物。如图1 1 所示： 米 c = ：= 3p b ob l o c k - p l p c l b l o c k 图1 - 1s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no fs t a r - s h a p e dp e g - p l ao rp e g p c lb l o c kc o p o l y m c rs t r u c t u r e ( 5 ) p e g 聚酯多嵌段共聚物，如p e g p l l a 多嵌段共聚物【矧，p e g p c l 多嵌段 共聚物【4 。p e g p l l a 多嵌段共聚物的合成路线是以己二醇为引发剂与l a 开环聚 合得到两端为羟基的p l l a ，然后同丁二酸酐反应使得羟端基羧基化，最后同p e g 偶联得到p e g p l l a 多嵌段共聚物。 ( 6 ) p e g 聚酯二嵌段共聚物，这类共聚物有p e g p c l 、p e g p c l a 、 p e g p c l p t m c 、p e g p c l p d o 等【4 2 1 。二嵌段共聚物均通过一步共聚即可得到。 l o 在嵌段比例、组成和浓度适当的情况下，p e g 聚酯共聚物具有溶胶凝胶相转变 行为，即在低温时为溶胶，随着温度升高，转变成凝胶，温度继续升高，凝胶开始 脱水或者溶解，这使得其相图曲线呈现半封闭状态。 可注射的p e g 聚酯共聚物水凝胶无生理毒性、无抗原性和免疫原性，与组织和 血液具有良好的生物相容性，可降解，凝胶持续时间长，因而成为颇具应用前景的 可注射水凝胶材料之一。1 9 9 7 年，j e o n g 等【3 4 】合成的以p u a 为中心的三嵌段共 聚物( p e o p l l a p e o ) 在4 5 时呈溶液状态，体温时变成凝胶，呈现单一的溶胶 凝胶转变。右旋糖酐被包裹在p e o p l l a p e o 水凝胶内体外释放超过了l o 天。 i n m a c u l a d am o l i n a 等【3 3 】以c a l l 2 为催化剂合成了p l a p e o p l a 三嵌段共聚物水凝 胶。将牛血清蛋白和纤维蛋白原两种蛋白质药物分别包埋在p l a - p e o p l a 三嵌段 共聚物水凝胶内进行体外释放实验，结果发现两种蛋白质药物都达到了缓释效果， 牛血清蛋白释放超过了7 天以上，纤维蛋白原释放超过了1 5 天以上。 1 3 2 4 聚有机磷腈类 聚有机磷腈是一类重要的可降解合成高分子材料。聚有机磷腈主链上可以接枝 亲水的p e g 和疏水的氨基酸酯或寡聚肽侧链，当亲疏水嵌段比例合适时，温度变化 会引发凝胶化相转变( 包括透明的溶胶、透明的凝胶、不透明的凝胶和浑浊的溶胶四 个相转变) 【4 3 1 。其凝胶机理是分子间疏水侧链的相互作用，这些疏水侧链可以在水溶 液中形成强的物理交联点。 1 4 聚乳酸( p l a ) 的合成现状 l - - 丙交酯d 一丙交酯 m e s o 一丙交醋 图1 2 合成p l a 的单体 1 h 酸 洲删 。勰叫心闷l p 渊纠 一 h i e 0 卟 3 属洲叫也巢|i c ! ) i 洲氓 一 l 葵 合成p l a 的单体主要有乳酸和它的环状二聚体丙交酯，根据光学活性的不同， 可分为以上几种( 图1 - 2 ) 。 目前为止，p l a 的合成主要有两种方法：1 直接聚合法；2 间接聚合法。 1 4 1 直接聚合法 直接聚合法是乳酸在一定条件下直接脱水缩聚成p l a 。反应方程式如图1 3 ： 显l 一咔一占c h 忙30 淞仆州2 。 1 h 3 c o - 丈0 艾c h 。+ h + o - l i 图1 3 直接法制备p l a 这种合成方法生产流程短，工艺也相对简单。早期用直接法合成的p l a 相对分 子质量都较低0 0 0 ) 。产物强度极低，易分解，无实用性。后经改进，采用在隋性 气体中缓慢升温减压，相对分子质量虽可突破4 0 0 0 ，但直接聚合在体系中存在着游 离酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物，并且产物在后期高 温会老化、分解、变色，使其品质受影响。近年来，研究出了以溶液聚合、熔融聚 合、扩链聚合和固相聚合等方法来直接缩聚制备p l a 的新工艺。 溶液聚合法，是加入高沸点憎水溶剂( b p 2 0 0 - 2 5 0 ( 2 ) ，进行高真空加热回流， 以便反应脱水时所产生的水分单独成相，易于通过相分离或用分子筛除水，使产物 得到精制。这种合成方法可以使相对分子质量高达几万至几十万，能满足对产品性 能的要求，并具有较好的耐热性和耐候性。 熔融聚合法】，是发生在聚合物熔点温度以上的聚合反应，是没有任何介质的 本体聚合。其优点是得到的产物纯净，不需要分离介质，但是随着反应的进行，体 系的粘度越来越大，小分子越来越难以排出，平衡难以向聚合方向移动，导致了最 终产物的相对分子质量不高。秦志忠等以0 5 w w 对单体】的锡及其化合物作催化 剂，并加入o - 3 w w 对单体】的热稳定剂，采用前期低温低真空，后期高温高真空 1 2 的方法制得了粘均分子量达4 9 0 0 0 - - 8 5 0 0 0 的p l a 。 扩链聚合、法【4 5 1 ，是用乳酸单体直接合成低分子量的预聚体，再使用各种扩链剂 进行扩链，得到相对分子质量高的p l a 。可以用来作为扩链剂的物质，多数是具有 双官能团的高活性的小分子化合物。比如：二异氰酸酯、二酰卤、二嗯唑啉、环状 含氧化合物掣矧。s e p p l a l a l 4 7 1 分别以2 , 2 双( 2 嗯唑啉) 和1 ，6 - 己二