（材料科学与工程专业论文）壳聚糖聚乙烯醇复合水凝胶的制备及药物释放研究.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 本论文第一部分选用壳聚糖( c s ) 聚乙烯醇( p v a ) 复合水凝胶体系作为 巴布剂的基质的原材料，采用正交试验法，以持粘力、初粘力、剥离强度以及残 留和渗透等多项性能为评价指标，最终确定其最佳配方和工艺条件。结果表明水 凝胶的最佳配方是p v a1 0 0g ，c s 0 2 5g ，2 戊二醛水溶液o 2 8m l 和水1 6 皿。 最优工艺条件是在6 5 下将p v a 和c s 混合搅拌1 5m i n ，加入交联剂1 5i l l i n 后涂 布。观察3 7 恒温条件下随时间变化的失水率曲线，发现凝胶总含水量约为5 6 。分析水凝胶的红外谱图发现，在实验条件下，戊二醛主要对壳聚糖起到交联 的作用。本论文第二部分主要研究壳聚糖聚乙烯醇温敏性水凝胶的制备以及载 药和释药特点，考察了在壳聚糖聚乙烯醇温敏体系的制备过程中，聚合物总浓 度、聚乙烯醇与壳聚糖间的比例、制备过程中温度的控制及体系p h 值的变化等 对凝胶化时间的影响，探索了不同配比复合水凝胶在不同酸碱条件下的载药特 点，以及载药工艺、负载药物种类、p h 值等几种不同因素对药物释放的影响， 药物释放速率与凝胶溶胀度的关系。实验结果表明当壳聚糖与聚乙烯醇比例一定 时，聚合物浓度越大，体系凝胶时间越短；当聚合物总浓度一定时，壳聚糖所占 比例越大，体系凝胶时间越短；温度升高，体系凝胶时间缩短；p h 值增大，体 系凝胶时间缩短：载药的速度是随着凝胶中聚乙烯醇含量的增大降低，在酸性和 中性介质中壳聚糖聚乙烯醇凝胶的载药特点相似，一开始有较大的载药量，接 着一部分药物又释放回介质中，然后载药量逐渐增大，但到一定时间后由于浸泡 凝胶结构变得疏松出现载药量的突增，在碱性介质中则不会出现这种一段时间后 载药量突增的现象；随着凝胶中聚乙烯醇含量增大，释放介质碱性增大，药物释 放速率变缓，与凝胶溶胀性的变化规律一致：在凝胶制备过程中加入药物，对凝 胶三维网络结构的形成有一定的影响，造成凝胶结构疏松，药物容易进出，会出 现药物浓度先升后降的现象，壳聚糖聚乙烯醇复合水凝胶负载不同药物释放曲 线不同，通过在壳聚糖聚乙烯醇复合水凝胶中加入交联剂，及事先用b 一环糊精 包埋药物可以改善凝胶中药物释放过快的缺陷，延长释放时间。 关键字：壳聚糖；聚乙烯醇；巴布剂；正交试验；温敏性水凝胶；载药；释药。 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i nt h ef i r s tp a r to ft l l i sp a p e r ，“d e v e l o p e do n ek i n do fc a t a p l a s mm a d eb y c h i t o s a n p o l y ( v i n y la j c o h 0 1 ) b l e n dh y d r o g e l b yt h eu s eo fo n l l o g o n a le x p e 血l e n t a l d e s i g l l ，t 1 1 eb e s tp r o p o n i o no ft h j ss y s t e ma n dc o n d i t i o n sd 面n g t l l ep r e p 锄t i o nw e r e c o n f i n l l e d t h eh o l d i n gp o w e r ，t a c l 【，p e e ls 妞m g t l l ，r e m n a n t 觚dp e n 删i o no f l e c a t a p l a s mw e r ec o n s i d e r e da st h ej u d g m e n tg u i d e l i n ea tt l l es 锄et i m e a n dt 1 1 e nt l l e b e s tp r o p o r t i o na i l dc o n d i t i o i l sw e r ec o n 丘n n e d i tw 雒r e v e a l e dn l a tt l l eb e s t p r o p o n i o nw 弱p 、，a1 0 0g ，c so 2 5g ，9 1 1 l 切阳l d e h y d e ( 2 ) o 2 8m la i l dw a t e r16m 1 i tw a sc o n s i d e r e dc o m p l e t e l yt h a tt l l eb e s tc o n d i t i o n sw 孙s t i r i n ga t6 5 f o rl5m i n a n dc r o s s i n gf o r15m i n i i la d d i t i o n ，t l l ec u r v eo fl o s tw e i 曲tr a t ea st 沛ew a s o b s e r v e d i tw a ss h o 、v e dt h a tt h ec o n t e n to fw a t e ri nt h eh y d y o g e lw 部a p p r o x i m a t e l y 5 6 a tt l l e m e a i l i n gt i m e ，t l l ef o u r i e r 仃锄s f o mi n f a r e ds p e c 仃o s c o p yo ft l l e h y d m g e l 州a ss h o 、v e dt h a tg l u t a r a l d e h y d e 、嬲m a j n l yr e a c t e d 诵t 1 1c h i t o s 锄n o t p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) 1 h es e c o n dp a r to ft 1 1 i sp a p e rm a i l l l ys t l l d i e st h ep r e p a r a t i o n p r e c e s so fc s p v at h e m - s e n s i t i v eh y d r o g e l 锄dt h ec h a r a c t e r so fl o a d i n g 锄dr e l e a s e o fd m g s ，w h i c hp a n i c u l a r l yi n c l u d e sr e s e a r c ho nt 1 1 ee 仃- e c t so f p o l y m e rc o n c e n 讹t i o n ， r a t i oo fp v at oc s ，t e m p e r a t u r ea 1 1 dp ho nt l l eg e l a t i o nt i m eo fc s p v as y s t e m ，锄d t h el o a d i n gc h a r a c t e r so fc s p v ac o i n p o s i t eh y d r o g e l 、 r i t l ld i 毹r e l l tm t i oo fc st o p v ai nv a r i o u sp hm e d i a ，a n dt l l ee a e c t so fl o a d i n gp r o c e s s ，t h em e d i c i n el o a d e d ，p h a i l ds oo no nt 1 1 er e l e a s ep r o c e s s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt l l a tw h e nt l l er a t i o o fc st op 、後i sc o n s t 锄t ，t 1 1 e g e l a t i o nt i m eb e c o m e ss h o n e r 鹤t 1 1 ep 0 1 ) r i i l e r c o n c e n t r a t i o ng r o w s ；w h e nt h ep o l 舯e rc o n c e n 仃a t i o ni sc o n s t 觚t ，t l 圮g e l a t i o nt i m e b e c o m e ss h o n e ra st h ep r o p o r t i o no fc sg r o w s ；m eg e l a t i o nt i m eb e c o m e ss h o r t e r 舔 t h et e m p e r a t u r ei sh i g h e r ；t h eg e l a t i o nt i m eb e c o m e ss h o n e r 鹄t 1 1 ep hg r o w s ；t h e l o a d i n gs p e e db e c o m e sf 如t e ra st h ep r o p o r t i o no fp 、後d e c r e 弱e s ；i 1 1a c i d i ca n d n e u t r a lm e d i a ，t h el o a d i n gc h a r a c t e r so fc s p v as y s t e ma r es i m i l a r ：t h e r ei sab i g l o a da tf i r s t ，m e ns o m em e d i c i n eg o e sb a c kt 0t 1 1 em e d i a 锄dt 1 1 e n 圮l o a d 伊o w s b i g g e rg r a d u a l l y ，b u ta r e rs o m et i m et l l e r ei sah u g e 口。叭ho f t h el o a d i n g 锄o u n t u 浙江大学硕士研究生毕业论文 b e c a u s et l l e 蛐n j c t u r eo ft 1 1 eg e lb e c o m e s1 0 0 s ea r e rs o a k i i 培f o ral o i 培t i m e ，b u ti n a l k a l i n em e d i as u c hp h e n o m e n u md o e sn o th 印p e n ；也er e l e a s es 】p e e db e c o m e ss l o 、e r 弱t h ep r o p o n i o no f p v ag r 0 、sa n dt h ep hg r 0 、sw l l i c hi si na c c o r d a i l c e 谢t l lt h e l a wo fs w e l l i l l g ；a d d i n gm e d i c 硫i nt l l eg e lc o u l d 疵c t si t s3 d 咖l c n 鹏m 越n gi t m o r el o o s e ，s o 也em e d i c i n ec 趾b er e l e 雏e de 商l y ；d i 髓r e i l tm e d i c i n e sl o a d e dh a v e d i a e r e n tr e l e a s ec h a r a c t e r s ；t l l er e l e a s e 痂n ec a nb ee x t e n d e db yc r o s s l i n 虹n gt h e c s p v as y s t e m 、i t l lc r o s s l i n l ( e rm a l 【i 1 1 9 l es t n l c t u r eo f 血eg e lm o r ec l o s ea n d 锄b e d d i n gt 1 1 em e d i c i n ei n t op - c y c l o d e x t r i ns o l u d o nb e f o r ej o i n i n gn l eh y ( 1 r o g e l k e yw o r d s ：c l l i t o s 觚；p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ；c a t 印l 船m ；o r t l l o g o n a le x p e r i m e n t a l d e s i g n ；t l l e 肌- s e n s i t i v eh y d r o g e l ；l o a d i i l go fi i l e d i c i n e ；r e l e 嬲eo f m e d i c i n e i 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章文献综述 1 1 高分子水凝胶简介 “凝胶的称谓是由胶体化学创始人g m h 锄于1 9 世纪下半叶提出的。最 早的凝胶应用可以追溯到中国古代的豆腐制作。现代的凝胶研究则始于水溶胶领 域明胶的研究。最初的凝胶研究只限于凝胶的溶胀等基本现象，例如对天然橡胶 在有机溶剂中溶胀时压力与浓度的关系等等。2 0 世纪3 0 年代起，科学家开始系统 地研究凝胶化( g e l a t i o n ) 过程，主要体现在基础理论的研究和工艺学研究两方 面。f l o r y 提出了利用单体聚合制造网络的临界条件，此后，f l o 巧又和r e l l l l e r 提 出了网络结构的溶胀理论。e l d r i d g e 和f e n 了则研究了热可逆溶胶的凝胶点和聚合 物浓度的关系【i 一。 凝胶按照分散相介质的不同而分为水凝胶( 1 l y d r o g c l ) 、醇凝胶( a l c o g e l ) 和 气凝胶( a e r o g e l ) 等。水凝胶的分散相介质是水，它是由水溶性高分子经过交联 后形成的，能够在水中溶胀并且保持大量水分而不溶解的胶态物质，其水的溶胀 量可以达到高分子本身的几十倍甚至几百倍、上千倍，是很强的吸水性材料，液 体水以不同的结合状态存在于高分子的交联网络中，并且具有良好的稳定性。 高分子水凝胶材料本身所具有的优越性能，如溶胀特性、粘弹性行为和适当 的力学强度等，使得它引起了众多研究者极大兴趣与关注，相应的制备与开发研 究日新月异、硕果累累，其应用已渗入到农、林、牧、园艺、沙漠防治、医疗卫 生、生物医药、建筑、石油化工、日用化工、食品、电子、环保等各个领域，并 还在向更广阔的应用领域拓展。特别是良好的生物相容性又使得它在生物医学方 面的应用前景看好，如可作为组织填充剂、药物缓释剂、酶的包埋、蛋白质电泳、 接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等【5 8 l ，而且随着性能优 异的水凝胶不断开发，生物医学技术水平得到很大地提高。 浙江大学硕士研究生毕业论文 1 2 高分子水凝胶的分类 按照用于制备水凝胶的高分子分类有天然的，也有合成的，同时还有天然和 合成的高分子杂化物，见表1 1 【9 1 。 表1 1 用于合成水凝胶材料的亲水性聚合物 t a b l e1 1h y d r o p h i f i cp o l y m e r su s e dt os y n t h e s i sh y d r o g e lm a t e r i a l s 天然合成高分子杂化物 p e g 一多肽共聚物、海藻酸接枝p e o p p o p e o 、海 藻酸一丙烯酸共聚物、透明质酸一接枝一异丙基丙烯酰 胺 注：p a a m 为聚丙烯酰胺；p e g 为聚乙二醇；p l a 为聚乳酸；p i g a 为聚( 乳酸一共一乙醇酸) ； p c l 为聚己内酯；p e o 为聚氧化乙烯；p p o 为聚氧化丙烯：p h e m a 为聚甲基丙烯酸羟 乙酯；p n i p a a m 为聚异丙基丙烯酰胺；p v a 为聚乙烯醇；p p f 为聚富马酸丙二醇酯。 1 2 1 天然高分子水凝胶 一些天然高分子( 如天然透明质酸、明胶、壳聚糖、海藻酸钠等) 具有资源 丰富、毒性低、机械性能优良的优点，所制备的水凝胶材料吸水量高，还有良好 的生物相容性。例如胶原是哺乳动物组织细胞外基质的主要蛋白质，明胶则是其 变性衍生物，而透明质酸常存在于成年动物的各种组织中。此外，海藻酸盐和壳 聚糖均是亲水性的线性多糖，结构类似于糖胺聚糖。 透明质酸( h y a i u r o n a t e ，h a ) 是哺乳动物组织和液体中最常见的糖胺聚糖，如 f 嘻1 1 所示。h a 经化学或物理交联可以形成水凝胶。h a 及其衍生物广泛作为 细胞生长和组织修复的生物材料使用，而h a 生物材料的强亲水性和大量的阴离 2 浙江大学硕士研究生毕业论文 子官能团不利于阴离子性细胞表面的黏附。细胞通常在中性、疏水性或聚阳离子 表面黏附较好。p r e s 嘶c h 等【1 川用3 3 ，一二硫代双( 丙酰肼) 修饰h a 后再用二硫苏 糖醇还原制各出h a 的硫醇衍生物，与明胶的硫醇衍生物共混后经空气氧化能形 成二硫键交联的h a 一明胶水凝胶。 图卜1 透明质酸的结构式 f i g 1 - ls t 咖佗o f h y a l u 咖a l e 壳聚糖( c h i t o s a l l ) ，又名甲壳胺，学名( 1 ，4 ) 2 一氨基一2 一脱氧一b d 一葡 聚糖，是除纤维素外拥有最丰富的生物来源。它是由甲壳素经过脱乙酰化反应后 得到的一种生物高分子，是生物界中大量存在的唯一的一种碱性多糖( p k a = 6 3 ) ，其分子链中通常含有n 一乙酰胺基葡聚糖和n 一氨基葡聚糖两种结构单元， 两者的比例随着脱乙酰化程度的不同而不同，一般以脱乙酰度来表征氨基葡聚糖 单元占总结构单元的百分数。 勋- 哪_ p 燃一曲酾蝴 图卜2 甲壳质与壳聚糖的结构示意图 f i 晷l _ 2s c h e m a t i c 陀p r 骼e n t a t i o no f t h ec h i t i n 锄dc h i t o s 锄 壳聚糖作为一种水溶性的天然高分子，由于具有独特的分子结构特征，化学 浙江大学硕士研究生毕业论文 性质及生物功能，已经被广泛应用于生物医学领域，特别是其水凝胶材料。壳聚 糖在一定的条件下可以形成水凝胶。与戊二醛、环氧氯丙烷等可以形成化学凝胶； 和氢硫基乙酸、丙烯酸、草酸等可以形成物理凝胶。壳聚糖还可以与金属离子( 钼 ( ) ) 或是其他生物聚合物( 例如：还原胶、卡拉胶等) 可以通过静电作用形成 离子交联键【l l j ；另外，壳聚糖是带阳离子的聚电解质，可以和带有阴离子的聚电 解质，例如丙烯酸、海藻酸钠、果胶等形成聚电解质化合物。h i r a n o 等通过在醇、 醋酸的水溶液中将壳聚糖与各种不同酐反应，使壳聚糖在乙酰化过程凝胶化，从 而得到第一个真正的，不与其他交联剂结合，而是通过分子网络结构得到的凝胶 【1 2 】。m o o r e 和r o b e r t s 研究了这种壳聚糖溶液与酐反应凝胶化的机理，认为该凝胶 过程是由于随着聚合物分子量和n 一乙酰化的增长，使得壳聚糖溶液溶解性的降 低，当达到平衡点时，凝胶形成【l 引。 1 2 2 合成高分子水凝胶 合成高分子水凝胶的种类大致可以分为五类：聚羟基异丁烯酸类、聚丙烯酞 胺类、聚n 一乙烯吡咯烷酮类、聚丙烯酸类和聚乙烯醇类4 1 。 e + 。 n l a lp e o h _ 。一“壬佣h t 0 - 写一气土o h | 二芒 l 曲j n l b p e gi c ip 、a 。h 二毒： 。一堇一c c 一点。一 二墓 h 图1 3 合成聚合物水凝胶的结构式 f i g 1 3s t t l j c t u r eo fs y n t h e s i z e dp o l y m e r h y d r o g e l 合成高分子水凝胶因其结构与性能可控，重复性好，所以适用于多种领域之 中。聚氧化乙烯( p e o ) 是f d a 批准的用于组织工程的常用水凝胶聚合物。聚氧化 乙烯及与其相似结构的聚乙二醇( p e g ) 均是亲水性聚合物，见f 皓l - 3 ( a ) 和( b ) ，它 们的两端被丙烯酸或甲基丙烯酸修饰后通过紫外辐照交联可形成水凝胶。将p e o 与氧化丙烯( p p o ) 或聚( l 一乳酸) 共聚可制备嵌段共聚物( p e o p p o p e o 或 p e g p l l a ) ，它们均是热可逆性水凝胶，由疏水性嵌段聚集而形成物理交联结构。 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 聚乙烯醇( p v a ) 水溶液经反复冷冻熔融后可形成水凝胶，还可由戊二醛或二元 羧酸( 丁二酸、己二酸) 的酰氯衍生物化学交联而形成水凝胶。聚富马酸丙二醇酯 ( p p f ) 是疏水性线形聚酯，见f i g 1 - 3 ( d ) ，其酯键可参与水解。p p f 与亲水性p e g 共聚可制备嵌段共聚物，进而通过化学交联或紫外辐照而形成亲水性网络结构。 如聚富马酸丙二醇酯一双丙烯酸酯( p p f d a ) 与p p f 共混后经光辐照即可制得交联 水凝胶，其降解产物主要包括富马酸、丙二醇等生物相容性物质。此类p p f 水凝 胶抗压缩性能好，适于做可注射支架材料f 1 4 j 。 目前为止，报道过的用于制备合成高分子水凝胶的方法很多，既可以从单体 出发使其在聚合的同时进行交联，也可以在天然或合成高分子的基础上进行交 联。也有利用两种或两种以上的高分子制成复合水凝胶的，其中包括互穿聚合物 网络( 洲) 或半互穿聚合物网络( s i m i p n ) 结构。亦可由载体表面的接枝共聚 制得。现对其分别进行简要的叙述。 1 2 2 1 单体聚合并交联 水凝胶可以由一种或多种单体采用化学引发、紫外照射或电离辐射聚合并交 联而得。一般来说，在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂。也有人在不使 用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成水凝胶，翟茂林1 1 5 】 就是采用此法制各聚n 一异丙基丙烯酰胺水凝胶的。 1 2 2 2 聚合物交联 通常来说，从现有的聚合物出发令其交联制各水凝胶的方法是很常见的。包 括物理交联、化学交联和辐射交联三种。物理交联是通过物理作用力如静电作用、 离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联 剂而使其形成网络结构。辐射交联是指主要利用电子束、y 射线、紫外线等直接 辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。 许多水溶性聚合物都可以分别通过这三种方法来制备水凝胶。以聚乙烯醇 p v a 为例，物理交联主要是反复冷冻解冻法，日本的南部昌生1 1 6 】首先利用反复 冷冻解冻法及真空脱水法制得了高强度、高含水率的聚乙烯醇水凝胶，但是其透 明度较差。日本h y o n 等人【1 7 】用水和水溶性有机溶剂，如d m s o ，通过冷冻处理得 浙江大学硕士研究生毕业论文 到透光率高的p v a 水凝胶。化学交联中常用的交联剂有醛类( 如戊二醛) 、硼酸、 环氧氯丙烷以及可以与p v a 通过配位络合形成凝胶的重金属盐等等，y i n ga 1 等 删利用戊二醛交联制得了含阴离子聚电解质的高度磷酸化的p w l 水凝胶，台湾 的林迎风等【1 明也利用硼酸交联，制得了p v a 水凝胶，江波【2 川等利用环氧氯丙烷作 交联剂，在氢氧化钾溶液中与聚乙烯醇分子反应，制得了吸水量很高、机械强度很 好的p v a 水凝胶。辐射交联主要利用电子束、y 射线、紫外线等直接辐射p v a 溶液， 使得p v a 分子间通过产生自由基而交联在一起，p e p p a sn a 等【2 1 】利用电子束辐照 p v a 的水溶液，再经过两次脱水一热处理过程制得了不同结晶度的p v a 水凝胶， b o d u g o z 等人【2 2 】用y 射线在空气中以不同的剂量分别对p v a 、柠檬酸和水以及 p v a 、丁二酸和水的三元混合溶液进行辐射处理，结果得到了溶胀度随p h 值变化 有显著差异的两种p v a 水凝胶，b e n l i a i l 等【2 3 】通过对2 0 9 l 的p v a 溶液的y 射线辐 照，也得到了蓬松的p v a 水凝胶。另外，也可以利用一些聚合物结构中含有的特 殊官能团与某些有机试剂进行反应并在此基础上进一步交联而得新的水凝胶， m u h l e b a c ha 等【2 4 1 用丙烯酸，p m a n e n s ，k s 加1 s e m 【2 5 】用丙稀酸酯改性p v a 以引 入双键，再利用双键进行交联而制得水凝胶。 1 2 2 3i p n 结构水凝胶 将两种高分子制成互穿或半互穿网络结构i p n 的水凝胶在目前的研究中也很 常见，i p n 是一类独特的聚合物共混物或聚合物合金。i p n 特有的强迫作用能使 两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物形成稳定的结合，从而实现组分之间 性能的互补；同时i p n 的特殊细胞状结构、界面互穿、双相连续等结构形态特征， 又使得它们在性能或功能上产生特殊的协同作用。同嵌段共聚物相比，这些体系 的相形态相对于环境的变化较稳定，因为它是通过交联作用而固定的。 李秀瑜等【2 6 】就制成了p h 敏感的瓜胶聚丙烯酸半互穿网络水凝胶。卓仁禧等 【2 7 1 通过分步法合成了亲水性的p n i p a m 和疏水性的甲基丙烯酸甲酯( m m a ) i p n 水 凝胶。研究发现，同纯p n i p a m 水凝胶相比，p n i p a m p m m a i p n 水凝胶不仅具有 明显的温敏性，而且具有较高的机械强度。 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 1 2 2 4 载体表面的接枝共聚 水凝胶的机械强度一般较差，为了改善其机械强度，可以把水凝胶接枝到具 有一定强度的载体上。在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技 术，单体可以共价地连接到载体上。通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐 射、紫外线照射、等离子体激化原子或化学催化游离基等。 1 2 3 天然与合成聚合物复合水凝胶 单一的高分子材料往往存在着某种不足，为了得到性能更佳的水凝胶材料， 天然与合成聚合物的复合水凝胶受到了越来越多的关注。以壳聚糖为例，分子中 含有大量的氨基，可与交联剂戊二醛的醛基作用【2 引，形成s c h i f f 碱构成凝胶，但由 于壳聚糖分子间具有较强的氢键作用，使得壳聚糖凝胶脆性大、力学性能欠佳， 限制了其应用。因此，近年来壳聚糖和其它天然或合成高分子所形成的复合水凝 胶受到了越来越多的关注，壳聚糖聚乙烯醇复合水凝胶就是其中之一。 聚乙烯醇( p v a ) 是最常用作生物医学材料的合成高分子之一，可用作软角 内膜接触镜等，作为一种水溶性高分子，聚乙烯醇有较好的力学性能，同样也具 有无毒性、生物可降解性和生物相容性。将壳聚糖和聚乙烯醇混合制得的复合水 凝胶能够明显的改善壳聚糖凝胶的机械性能，可望用于稳定性差的生物活性物质 的包覆和作为其载体。随着组织工程的发展，无抗原性的壳聚糖与聚乙烯醇等共 混物将在细胞培养、细胞外基质和骨架及生物活性物质的释放等方面得到广泛应 用【2 9 1 。 壳聚糖聚乙烯醇复合型水凝胶的制备方法同样分为物理、化学、辐射交联 三种。其中已报道的物理交联法有两种，即高压法和冷冻解冻法。前者是在高压 下使壳聚糖和聚乙烯醇的混合溶液形成具有较高弹性的凝胶；后者是对二者的混 合溶液反复进行冷冻解冻而得。图l _ 4 【j u 】是分别用这两种方法制备的壳聚糖聚乙 烯醇水凝胶结构示意图。可见，高压法得到的凝胶是靠p v a 中的o h 和壳聚糖中 的o h 及- n h 2 间相互形成氢键而交联的；而冷冻解冻法中除了氢键之外，交联点 还有微晶区。 7 浙江大学硕士研究生毕业论文 一h 。脚蝴舔删锄细翻嘲1 幽嘲；_ 陬 图卜4 壳聚糖聚乙烯醇符合水凝胶结构示意图 ( 左) 高压法制备；( 右) 冷冻法制备 f i g 1 _ 4s 仃u c t l j i o fac h i t o s a n 枷l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ( p v a ) c o m p l e x e dh y d r o g e l ( 1 e r ) p r e p a 陀db yt 1 1 ea u t o c l a v i n gm e t h o d ；( r i g h t ) p r e p a r e db yt h e 毹e z e t h a wm e t h o d 化学交联法中最常用的交联剂是戊二醛，也可以用甲醛等。j e nm i n gy a n g 【3 l l 等人用甲醛处理壳聚糖聚乙烯醇的凝胶膜。结果发现，壳聚糖中的- n h 2 与 c h o 反应转变为_ n = c h 的结构。红外光谱显示，由于p v a 中的羟基与甲醛 的反应，形成了缩醛环和醚键。 1 2 4 智能型高分子水凝胶 由于智能型水凝胶具有广阔的应用前景，近来受到广泛关注，是研究的热门 领域，而且与本论文内容相关，因此在此做单独介绍。 智能型水凝胶是一类能对外界刺激如温度、p h 值、溶剂、盐浓度、光、化 学物质等的变化产生敏感响应的水凝胶根据对外界刺激的响应情况，智能型水 凝胶分为：温度响应性水凝胶、p h 响应性水凝胶、光响应性水凝胶、压力响应性 水凝胶、生物分子响应性水凝胶、电场响应性水凝胶等。由于智能型水凝胶的独 特响应性，在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分 子分离体系、活性酶的固定、组织工程、药物载体等方面具有很好的应用前景1 3 2 3 3 】 o 温敏性水凝胶由于刺激变化简单，因此更多的受到人们的青睐，特别是用在 浙江大学硕士研究生毕业论文 注射型药物载体和组织工程方面。温敏性水凝胶对环境温度变化能产生响应，当 环境温度发生微小变化时，温敏性水凝胶的凝胶体积会随之发生数倍或数1 0 倍的 变化，当达到并超过某临界区域时，甚至会发生体积相转变。体积发生变化的临界 转变温度称为最低临界溶解温度( l c s t ) 。热敏凝胶对温度变化的响应有两种类 型：一种随温度的升高水溶性降低，即温度高于l c s t 时呈收缩状态，温度低于 l c s t 时呈膨胀状态，这种热敏凝胶被称为高温收缩型；另一种与之相反，是在温 度低于l c s t 时呈收缩状态，被称为低温收缩型。 1 3 高分子水凝胶在生物医学上的应用 水凝胶是由水溶性的高分子形成的，使得亲水的小分子能够在期间扩散，具 有良好的保湿性。三维空间网络结构又使得它能够满足一定的粘弹性要求。同时， 水凝胶还具有良好的生物相容性，这些都决定了水凝胶有着广泛的应用领域。高 分子水凝胶材料特别是超强吸水剂不仅吸水率高、保水性强，而且具有吸尿、吸 血等特性，其在卫生材料领域内的应用开发最早，也最为成熟。目前全球8 0 的 产品都用作纸尿布、排尿袋、生理巾等，其发展已经也将会继续给妇女、儿童、 尿失禁病人和精神病患者带来了福音。同时，由于高分子水凝胶具有缓慢释放及 毒性小的特点，使其在医药和医疗方面也极具应用价值，软接触眼镜就是高分子 水凝胶材料在生体内使用最为成功的例子，而作为药物控制释放材料的研究意义 也很重大。这里将简要的介绍水凝胶在生物医学上的一些应用。 1 3 1 经皮给药系统( t r a n s d e r m a lt h e r a p e u t i cs y s t e m ，t t s ) 皮肤是人体最大的器官，总重量占体重的5 1 5 ，总面积为1 5 2 平方 米，厚度因人或因部位而异，为0 5 4 毫米。皮肤覆盖全身，它使体内各种组 织和器官免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭。皮肤具有两个方 面的屏障作用：一方面防止体内水分，电解质和其他物质的丢失；另一方面阻止 外界有害物质的侵入。因此皮肤可以保持人体内环境的稳定上，在生理上起着重 要的保护功能，另外皮肤也参与人体的代谢过程。 皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成，并含有附属器官( 汗腺、皮脂腺、指甲、 趾甲) 以及血管、淋巴管、神经和肌肉等。 9 浙江大学硕士研究生毕业论文 鸯藩嫠评c 1 额粒屡 棘患 瑟德屡 舆皮乳头 小辩习豫 精舫细胞 图1 6 皮肤结构示意图 f i g 1 6s t r u c t u r eo fs k i n 人体皮肤的表面偏酸性，p h 值一般在5 5 至7 o 之间，最低可达4 4 ，最高 9 6 。表皮是皮肤最外面的一层，平均厚度为o 2 毫米。最外面的角质层由数层死 亡的角化细胞组成，含4 0 的蛋白质、4 0 的水和1 5 2 0 的类脂。而活性表 皮厚度约为5 0 1 0 0u m ，含有多种酶。真皮层位于表皮之下，约1 2 姗厚， 由大量的纤维结缔组织、细胞构成。含有丰富的血管、淋巴管、神经、腺体、立 毛肌。真皮中含有三种纤维结缔组织：胶原纤维、弹力纤维、网状纤维。它使 我们的皮肤具有良好的柔韧性和弹性。皮下组织位于皮肤的最深层，主要由大量 的脂肪细胞和疏松的结缔组织构成。皮下组织的厚薄依年龄、性别、部位及营养 状态而异。有防止散热、储备能量和抵御外来机械性冲击的功能。皮肤附属器包 括皮脂腺、汗腺、毛发、指甲。 随着社会的发展和生活水平的提高，人们对生活质量和健康的要求也越来越 高，特别是对卫生保健方面的关注。对于某些病痛，人们更希望能够用简单且有 效的方式来解决。经皮给药试剂因其具有使用方便、副作用小等特点，已经受到 越来越多的人的关注。 药物透皮吸收( 即经皮给药，t r a n s d e 册a l t h e r a p e u t i cs y s t e m ，t t s ) 就是药 物与局部皮肤接触，穿过角质层，扩散透过皮肤，其后由毛细血管吸收进入体循 环的一种给药方式。因此，透皮吸收制剂也叫经皮给药制剂。它具有三大优点： 1 0 浙江大学硕士研究生毕业论文 药物可不受肝脏和胃肠道的“首过效应的影响，药物利用率高，可减小对胃、 肝脏的损害，可避免了口服药在胃肠道内的降解或失活；可按需要的速率将药物 输入体内，血药浓度保持恒定，避免了口服药引起的血液中药物浓度的首过效应 和大的波动；使用方便。透皮给药系统具有传统给药方式不可比拟的优势。但由 于皮肤角质层的限速屏障作用，药物的渗透量低，使其应用受到一定限制。各种物 理的、化学的促渗方法，包括透皮吸收促进剂、超声导入法、离子导入法、电穿 孔法等可改善皮肤透过性，增加药物的透皮速率。 药物通过皮肤的途径一般有两种阴】，如图1 7 所示。一是经由表皮进入真皮 层进而被毛细血管吸收，即表皮途径；另一是通过皮肤附属器进入真皮层。一般， 前者是主要途径，虽然后者的吸收药物的速度很快，但由于这些附属器仅占皮肤 总面积的0 1 ，所以不是主要途径。 细 药物从介质中释放 表面圭脂层 广 通过表皮 i 角质层 广_ j l _ 通过附属器 厂j 真皮 j 毛细营吸收 图卜7 药物透过皮肤途径 f i g 1 7t h er o u t eo f m e d i c a t i n gt h r o u g ht h es k i n 裴妙荣等【3 5 l 进行了骨质增生膏中淫羊藿苷人体透皮吸收实验，实验以膏药 中所含有效成分淫羊藿苷为标准，测定方法用比色法，将膏药贴于健康人背部。以 贴药天数为横坐标，原膏药样品吸光度减去不同时间揭下膏药吸光度之差为纵坐 标，得出药物透皮吸收曲线。结果表明，药物透皮吸收量随贴药时间的延长而增加， 而且能较持久地释放药物。孙国辉利用的水杨酸乙二醇能软化皮肤角质层并 l l 塑望奎堂堡主型壅竺兰兰竺丝苎 具有抗炎、镇痛的作用【3 刀应用复方水杨酸乙二醇透皮吸收剂治疗膝关节骨性关 节炎5 8 例，共7 5 个膝，取得较好疗效。 在经皮给药领域，国外发达国家的发展较为迅速，对己形成的3 种传统类型 压敏胶( 聚异丁烯、硅橡胶、聚丙烯酸酯类) 的性能进一步完善，同时还开发了 多种新型压敏胶。国内透皮吸收用压敏胶还停留在2 0 世纪中期的橡胶膏水平上， 原料价格昂贵，生产不安全、工艺繁琐，透气性差以及载药量少、用药后清除困 难等诸多弊端。 1 3 2 伤口敷料 水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，抑制体液 的损失，传输氧到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。富林蜜伤口愈合凝胶1 3 8 j 是由比利时进口的含酸性聚合物，主要成分为聚丙酸聚合物、l 一精氨酸。是一 种新型的具有综合性能的水活性胶体水凝胶敷料，它能覆盖并保护创面，调节 创面使之处于湿润的微环境中，并以独特的愈合方式加速局部干燥和渗出性伤口 的二期愈合。 1 3 3 药物释放体系( d d s ) 药物释放系统( d d s ) 基本上由储存药物、控制释放药物的速度和驱动释放 三种机构组成，因为凝胶兼备了这三种功能，它既能调节制剂的强度和硬度，又 能起到促进分解、赋形的作用，还能遮蔽医药品的苦味和气味。因此，水凝胶在口 服、鼻腔、口腔、直肠、阴道、眼部、注射等给药途径具有较大的应用潜力。这 种新型药物释放系统受到了极大的关注。 附载药物的凝胶粒子在身体正常状态下呈收缩状态，由于凝胶表面形成一层 致密的表面结构层，药物可以保留在凝胶微粒内。一旦感染疾病，身体内部环境 会发生变化，这种环境变化刺激凝胶发生溶胀，凝胶内部的药物扩散到身体中， 起到治疗作用。身体恢复正常后，凝胶随环境变化又恢复到收缩状态，从而抑制 药物的进一步扩散。这里所说的人体环境中存在的变化因素，包括温度、p h 等， 因此前文提到的温度敏感性水凝胶和p h 敏感性水凝胶可用于药物在人体中的控 释体系。比如，具有温度敏感性的凝胶，当人体温度高于3 7 时，凝胶就会胀 1 2 浙江大学硕士研究生毕业论文 开，结构由紧密变为疏松，从而释放出药物；具有p h 敏感的凝胶可以用于肠道 内较高p h 环境中药物释放的系统，以防止对酸敏感的药物经胃时被强酸性胃液 所分解。包埋了药物的水凝胶在被移植或注射到生物体后，具有能够继续保持药 物或是向体液控制释放药物的作用。一般说来，水凝胶对药物的控释有两种类型， 一种是像凝胶涂敷物一样释放小分子，另一种则是聚合物基体逐渐分解，而使药 物扩散进入周围的环境中，由材料的生物降解速率控制。 t a i l a l 【a 1 9 8 4 年报道的聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 水凝胶是研究最多的传 统温敏性水凝胶。h s i u e 等【3 9 】采用聚n 一异丙酰胺水凝胶包载药物作成滴眼剂治疗 青光眼，降压时间比普通制剂持久6 倍。z h 锄g 等【4 0 】将包裹5 一氟尿嘧啶的聚n 一异丙 酰胺水凝胶置透析袋中，释药受凝胶和透析膜双重控制，结果表明，随温度升高释 药加快。h s l i h e 等【4 1 】用线型p 0 1 ) ，_ n i p a m 凝胶和交联的p o l y n i p a m 纳米粒子凝胶包 囊肾上腺素，且与水配成治疗青光眼的滴眼剂，其眼内减压效果是常用药的8 倍。 z l l a i 等【4 2 】将p v a 侧链接枝n i p a 制备了聚合物( p v a g n i p a ) ，然后与p v a 混溶，通 过冷冻一融熔方法得到p v a g - n i p a p v a 水凝胶。利用这种凝胶控制释放亚甲蓝。 结果显示m b 在4 8 从p v a g _ n i p a ，p v a 水凝胶中释放的速率明显比在1 5 时 更快，p v a g - n i p a p v a 水凝胶具有温度敏感性，在4 8 时凝胶收缩将药物和溶 剂快速从凝胶中挤出。 但是热敏凝胶n i p a a m 及其衍生物的临床应用还有一些局限性，如合成水凝 胶的单体和交联物不具有生物相容性，即可能有毒性、致癌性、致畸性，而且 n i p a a m 及其衍生物不能生物降解。在用于临床前，还需要进行大量的毒理学。 由于聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 的这些缺陷，人们开始把目光投向具有 生物可降解性、生物相容性和低毒性的天然高分子温敏水凝胶。c h e n t i e 【4 3 1 等发 现用多元醇甘油磷酸钠( g p ) 中和壳聚糖后，可以得到p h 值中性( 6 8 7 2 ) 且 在常温下可长时间保持液态的壳聚糖甘油磷酸钠复合物( c s g p ) ，而且该复 合物具有温敏性，即在室温或低于室温时可保持液态较长时间，而温度升高到生 理温度( 3 7 ) 后发生凝胶化。 c s g p 体系在加热之前的p h 值与人体内环境的酸碱度接近，故而对于负载的 生物制剂，如蛋白或细胞和植入体内后周围的组织无不良影响。在室温或低于室 温下，c s g p 为液体状态，具有很高的流动性，可直接将药物载入注射到病灶， 浙江大学硕士研究生毕业论文 避免手术风险。注入人体内后，在体温下发生凝胶化，又可使药物驻留于病灶， 并随着凝胶的溶胀而缓慢释放。另外，由于没有加入交联剂、有机溶剂和清洁剂， 而且是利用温度诱发聚合物的二级相转变，避免了原位聚合的毒副作用。因此 c s g p 体系很适合作非肠道非静脉的药物，尤其是生物大分子制剂的载体和细胞 支架材料。 m o l i n a r o m 等对c s g p 体系的组织相容性进行研究，取几种不同脱乙酰度 c s g p ，在液态下注入小鼠后爪皮下并比较水肿后的体积，发现c s g p 注入后均 有不同程度的急性炎症反应，但是脱乙酰度越高的炎症反应越小。h o e m a i u l 【4 5 4 6 】等报道原代的牛软骨细胞载入c s g p ，在体内外均可增生扩散；体外培养3 周 后可见功能性的基质沉积；注入骨缺损区后可见骨和软骨形成；将自体血混合 c s g p 后移植于兔、羊和马的软骨缺损区，显示骨髓基质细胞趋化作用提高、