（材料学专业论文）二硫键交联的壳聚糖明胶水凝胶.pdf

中文摘要 由天然聚合物合成的水凝胶是比较常用的组织工程材料，但通常需要进行改 性以提高其使用性能。本实验以巯基乙酸( t g a ) 、4 丁巯内酯( b t a ) 和联硫 二丙酰二肼( d t p h ) 为反应试剂，通过相应催化剂的活化作用，采用均相反应 法制备了巯基化壳聚糖和巯基化明胶。实验结果表明，利用壳聚糖和明胶上的氨 基等活性基团，可采用不同途径引入巯基。溶液p h 值对壳聚糖的巯基接入量有 重要影响，p h3 时壳聚糖改性物中的自由巯基量最多，可达到约1 0 0 9 m o l g 聚合 物。由于酰肼与羧基的反应活性高于氨基与羧基的反应活性，所以d t p h 法制备 的明胶改性物中的巯基量要明显高于b t a 法制备的改性物中的巯基量。 通过空气过氧化氢将自由巯基氧化成二硫键，可制备基于二硫键交联的壳 聚糖明胶杂混聚合物网络膜。物料配比和初始固含量对交联膜的各项性能有重 要影响。明胶量越多，交联膜的吸水溶胀性能越好；而初始溶液的固含量越高、 交联程度越大，交联膜的平衡溶胀度越小。以不同巯基量的壳聚糖、明胶改性物 制备共混膜，交联度均在壳聚糖明胶混合比约为1 ：1 时达到平衡值。随着交联 度的增加，交联膜的酶解程度随之减小。相比较而言，胶原酶对交联膜的降解作 用要高于溶菌酶。用l 9 2 9 大鼠成纤维细胞，采用浸提液法、m t t 法以及原位荧 光标记法对壳聚糖明胶交联杂混膜的细胞相容性进行了评价。结果证实此类交 联膜适合l 9 2 9 细胞在其表面生长，且交联度的差异并不影响细胞活性。 以水为致- 孑i , n ，采用冷冻干燥法可制备壳聚糖明胶杂混聚合物网络三维支 架，支架的孔隙率只与初始溶液的固含量有关，而平均孔径的大小可通过预冻温 度调节。扫描电镜观察结果表明此类支架的孔径分布比较均匀。 关键词：壳聚糖明胶，巯基化，二硫键交联，水凝胶，生物相容性 a b s t r a c t m a n yo fh y d r o g e l sd e r i v e df r o mt h en a t u r a lp o l y m e r sh a v eb e e na d a p t e df o r t i s s u ee n g i n e e r i n gm a t e r i a l sw i t hp r o p e rm o d i f i c a t i o n i nt h i sw o r k ，t h i o l a t e dc h i t o s a n a n dg e l a t i nw e r es y n t h e s i z e db yu s i n gt h i o g l y c o l i ca c i d ( t g a ) ，4 - b u t y r o t h i o l a c t o n e t a ) o r3 , 3 一d i t h i o b i s ( p r o p i o n i ch y d r a z i d e ) ( d t p h ) m e d i a t e db yc a r b o d i i m i d e ( e d a c ) o ri m i d a z o l e ，m e r c a p t og r o u pw e r ec o v a l e n t l yl i n k e dt oc h i t o s a na n dg e l a t i n d e p e n d e n to nt h ep h v a l u ea n dm o d i f i e r , t h et h i o l a t e dp o l y m e rd e r i v a t i v e sd i s p l a y e d d i f f e r e n tm e r c a p t og r o u pc o n t e n t s 。a ta p h - v a l u eo f3 ，t h ec h i t o s a n - t h i o m e r sr e a c h e d i t sm a x i m u mm e r c a p t og r o u pc o n t e n t sf o ra b o u t10 0 i x m o l e gp o l y m e r f u r t h e r m o r e ， m e r c a p t og r o u pc o n t e n t so ft h i o l a t e dg e l a t i ns y n t h e s i z e db yd t p hm e t h o da r em o r e l a r g e rt h a nt h a to fs y n t h e s i z e db yb t a ，b e c a u s eo ft h eh i g hr e a c t i v i t yb e t w e e n h y d r a z i d ea n dc a r b o x y lg r o u p sc o m p a r e dt oa m i n oa n dc a r b o x y lo n e s an e wd i s u l f i d ec r o s s - l i n k i n gm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rt h ep r e p a r a t i o no f b l e n d e dc h i t o s a n g e l a t i nh y d r o g e l st of o r mas y n t h e t i c ，c o v a l e n t l yl i n k e dm i m i co f t h e e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ( e c m ) s o l u t i o n so ft h i o l a t e dc h i t o s a na n dt h i o l a t e dg e l a t i ni n v a r y i n gb l e n d sw e r ep r e p a r e da n dc r o s s l i n k e db yd i s u l f i d eb o n df o r m a t i o ni na i r h y d r o g e lf i l m sw e r ed r i e da n df u r t h e rc r o s s l i n k e dw i t hd i l u t eh y d r o g e np e r o x i d e t h es w e l l i n gr a t i oa n dd e g r a d a t i o nr a t eo fd i s u l f i d ec r o s s l i n k e dc h i t o s a n 。g e l a t i n h y d r o g e l sw e r es t r o n g l yd e p e n d e do nc o m p o s i t i o n sa n dc r o s s - 1 i n k i n gd e g r e e t h e c r o s s - l i n k e df i l m sw e r ed e g r a d e dm o r er a p i d l yb yc o l l a g e n a s ec o m p a r e dt ol y s o z y m e a n do n l yal i r l ew e i g h tl o s sw a so b s e r v e di ne n z y m e f r e eb u f f e r c y t o t o x i c i t y e v a l u a t i o nu s i n gl 9 2 9f i b r o b l a s t sa sm o d e ls y s t e ms h o w e dt h a tt h ec h i t o s u n - g e l a t i n h y d r o g e l sw e r en o n t o x i c f l u o r e s c e n tp h o t o m i c r o g r a p h ss h o w e dg o o dm o r p h o l o g yo f l 9 2 9i nt h e s eh y d r o g e lf i l m s m t ta s s a yc o n f i r m e dt h a tl 9 2 9p r o l i f e r a t i o no nt h e h y d r o g e ls u r f a c ew a sc o m p a r a b l et ot h a to nc o n t r o l ( t c p s ) t h em a c r o p o r o u sc h i t o s a n g e l a t i n h y d r o g e l s c a f f o l d sw e r ea l s of a b r i c a t e d t h r o u g hf r e e z e d r yt e c h n i q u e t h ep o r o s i t ya n dm e a nd i a m e t e ro fs c a f f o l dw e r e d e t e r m i n e db yt h ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o na n dp r e - f r e e z i n gt e m p e r a t u r e ， r e s p e c t i v e l y t h eh y d r o g e ls c a f f o l d ss h o w e dan e t w o r ko fu n i f o r m ，i n t e r c o n n e c t e d p o r e s 哇也s i z ei nt h er a n g eo f7 5 2 5 0 b t m k e y w o r d s ：c h i t o s a n g e l a t i n ，t h i o l a t i o n ，d i s u l f i d eb o n dc r o s s l i n k i n g ，h y d r o g e l ， b i o c o m p a t i b i l i t y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名： 耋荔闷签字日期：力内6 年f 月，3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 妙 主辆 导师签名： 手政建 签字日期：沥6 年f月店e t 签字日期：阢) 年 月i3 日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 组织工程学就是应用细胞生物学和工程学的原理和方法，从认识正常和病理 组织结构和功能的关系出发，研究开发生物替代品。以恢复、维持或改善受损组 织和器官的形态和功能，达到修复重建的目的。它的出现标志着医学将走出器官 移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代【l 】。组织工程学的关键技术之一是制 备具有生物相容性且可降解吸收的细胞支架。作为组织工程细胞支架的一大类材 料是水凝胶。水凝胶可定义为在水中溶胀并保持大量水分而又不溶解的聚合物。 由于聚合物网络中充斥有大量的水分，使得整个材料具备了一种流体的性质，这 与充盈有大量水性液体的机体组织极其相似，柔软、润湿的表面以及与组织的亲 和大大减少了材料对周围组织的刺激性，使得水凝胶聚合物具有良好的生物相容 性。 组织工程用水凝胶按照其来源可分为天然和合成两大类。天然水凝胶包括明 胶、胶原、纤维蛋白、透明质酸盐、海藻酸盐、琼脂糖和壳聚糖等。人工合成水 凝胶包括聚丙烯酸及其衍生物、聚氧化乙烯及其衍生共聚物、聚乙烯醇、聚磷腈 和多肽等。根据水凝胶所受的刺激信号不同，可分为口h 值响应性水凝胶、化学 物质响应性水凝胶、温度响应性水凝胶、磁场响应性水凝胶等；根据溶胶- 凝胶 的转变是否可逆，可分为可逆性和不可逆性水凝胶；根据交联方式可分为物理交 联水凝胶和化学交联水凝胶；根据聚合物的侧基可分为离子型和非离子型水凝 胶；根据水凝胶的三维网络物理结构可分为无定形态、半结晶态：根据其形成机 理可分为氢键结构、超分子结构和胶束团聚结构。 随着水凝胶体系在各个领域应用的不断扩大，许多聚合物及其复合物已经被 选择用于水凝胶的构建，表1 1 列出了现在研究得比较广泛的几种材料。许多天 然聚合物及合成聚合物均可形成水凝胶并作为组织工程支架使用。天然水凝胶因 其来源不同，结构与性能存在批次间差异，因此有一定的局限性，这就促使人们 考虑使用合成水凝胶的可行性。合成水凝胶由于结构与性能可精确调控，避免了 不同批次间的差异。 第一章绪论 天然聚合物 合成聚合物 阴离子聚合物 阳离子聚合物 两性聚合物 中性聚合物 聚酯类 透明质酸，海藻酸，硫酸软骨素，硫酸右旋糖苷 壳聚糖，聚赖氨酸 胶原，明胶，羧甲基壳聚糖，血纤维蛋白 右旋糖苷，琼脂糖 p e g p l a p e g 。p e g p l g p e g ，p e g - p c l - p e g p l a - p e g - p l a ，p ( p f - e g ) 聚醚类7 p e o p p o p e o 聚丙烯酸衍生物等p a a m ，p n i p a a m ，p h e m a ，p v a 天然聚合物一合成聚合物杂化物聚乙二醇多肽共聚物，海藻酸接枝p e o p p o - p e o ，海 藻酸丙烯酸共聚物、透明质酸接枝异丙基丙烯酰胺 注：p a a m - 聚丙烯酰胺，p e g 聚乙二醇，p l a 景乳酸，p l g a 聚( 乳酸- 共乙醇酸) ，p c l - 聚己内酯，p e o 聚氧化乙烯，p p o 聚氧化丙烯，p h e m a - 聚甲基丙烯酸羟乙酯，p n i p a a m 一聚异丙基雨烯酰胺，p v a - 聚乙 烯醇。p p f 聚富马酸丙二醇酶 1 2 水凝胶的制备 聚合物成为高分子水凝胶材料必须具备两个条件：高分子主链或侧链上带有 大量的亲水基团和具有适当的交联网络结构。制备高分子水凝胶材料的起始原料 可以是单体( 水溶性或油溶性单体) 、聚合物( 天然或合成聚合物) 或者是单体 和聚合物的混合体。高分子水凝胶材料的制备方法主要有单体的交联聚合、接枝 共聚和水溶性高分子的交联等，其中单体交联聚合是目前制备高分子水凝胶材料 的最主要方法之一。 1 2 1 单体交联聚合 单体交联聚合是指在交联剂存在的情况下，单体经自由基均聚或共聚而制得 高分子水凝胶材料的方法。在聚合反应过程中，可以通过加入或改变引发剂、螯 合剂、链转移剂等来控制聚合动力学以及所得高分子水凝胶材料的性质。制备高 分子水凝胶材料的单体主要有丙烯酸系列、丙烯酰胺系列和醋酸乙烯酯等，聚合 反应可以借助引发剂引发或辐射引发完成，最主要的交联剂是双乙烯基交联剂如 n ，n 亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸乙二醇酯等。高分子水凝胶材料所具有的低 第一章绪论 交联网络结构，对其凝胶膨胀能力和凝胶弹性模量两个最关键的性能起决定性作 用【2 】。但是，高分子水凝胶材料的综合性能则依据聚合方法( 水溶液聚合法或反 相悬浮聚合法) 、单体种类和组成( 丙烯酸、丙烯酰胺及其比例) 、交联剂结构和 类型( 水溶型或油溶型) 等变化。因此，可通过变换前述影响因素来调控高分子 水凝胶材料的性能。水溶液聚合和反相悬浮聚合是合成高分子水凝胶材料的两种 最重要的聚合实施方法。国内外关于合成条件对高分子水凝胶材料性能影响的研 究报道很多。k i m 等人【3 】为了提高丙烯酰胺与烯丙基磺酸钠二元共聚物的性能， 在起始单体中加入丙烯酸单体，合成了聚( 丙烯酰胺烯丙基磺酸钠丙烯酸) 三 元共聚物高分子水凝胶材料，并考察了丙烯酸浓度对凝胶膨胀性能的影响，发现 在o 0 5 3 0 4 0 m o l f l 的浓度范围内，其丙烯酸浓度o 3 0 m o l l 时所得水凝胶的膨 胀率达最高值。z h o u 等人【4 ，5 】在同样的三元共聚体系中，以k 2 s 2 0 8 和n ，n ，n ， n - 四甲基乙二胺为复合引发剂、n ，n 一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂合成高分子 水凝胶材料，并采用f t i r 、s e m 、t g a 等方法对其进行了表征研究。结果表明， 凝胶膨胀率将随交联剂浓度的增加而增大、但过度交联却又使凝胶膨胀率降低。 o m i d i a n 和c h e n 等人睁8 】采用水溶液聚合法合成聚丙烯酸盐高分子水凝胶材料， 同时考察了引发剂量、反应温度、起始单体浓度、交联剂量、丙烯酸中和度等合 成条件对聚合物吸水率的影响。他们发现在自由基聚合中分子量的降低将导致网 络链的端基增多，从而使得凝胶材料的交联效率及吸水率降低，结果符合经典网 络理论，并获得了一个经验性吸水率方程q = 2 4 5 c c 4 ”( q 为聚合物吸液率， c c 为交联剂量) ，这同时也间接地证实了f l o r y 理论。c u r i e 等人【9 】采用水溶液 聚合法合成聚丙烯酸高分子水凝胶材料，并测定了丙烯酸聚合动力学等温线，得 到聚合速率大约与丙烯酸单体浓度的3 2 次方和引发剂k 2 s 2 0 8 量的1 2 次方成 正比、即表明其引发效率与单体浓度有关，这符合自由基聚合反应微观动力学模 型。同时发现，聚合速率对丙烯酸单体的中和度也有很强的依赖性、先随中和度 的增加而降低至一定程度后又随中和度的提高而增大，通过加入n a c l 等增加离 子强度可增大聚合速率，但分子量则随离子强度的降低和引发剂量的增加而降 低。a r r i o l a 等人【io 】用”c 标识的交联剂与丙烯酸单体在水溶液中进行共聚，并 采用”c - n m r 测定交联剂( - - - 丙烯酸甲酯基丙烷t r i m c t h y l o l p r o p a n et r i a c r y l a t e ， t m p t a ) 和丙烯酸在不同条件下的竟聚率。研究结果表明，当反应过程中丙烯 酸中和度从0 6 5 的变化时，丙烯酸的竞聚率( n ) 变化范围为0 3 1 o 7 7 ， 即竞聚率受溶剂效应的影响比较大，但竞聚率对温度不敏感( 5 5 8 0 ) 。同时， 交联剂t m p t a 的全部双键均被打开聚合而参与凝胶网络，并不像以往人们认为 的t m p t a 只有两个双键参加反应，但是在单体转化率为7 0 时所有n 佃t a 的 双键都耗尽，故产物中仍只有极低的可溶部分。他们据此认为以丙烯酸酯类为交 第一章绪论 联剂( 如t m p t a ) 合成的高分子水凝胶材料具有非均相的交联网络结构，其聚 合反应特征应当是：聚合初期形成高分子量和高交联度的聚丙烯酸，中期形成较 低分子量的电解质链且交联点间分子量也更大，后期主要是接枝反应、即3 0 或更多的聚合物链是通过接枝进入交联网络的。此外，部分中和条件下形成的交 联体比未中和条件下形成的交联体结构更不稳定。 文献报道k 2 s 2 0 8 或( n h 4 h s 2 0 8 等为引发剂、加入交联剂或进行自交联方法 时，采用反相悬浮聚合法合成部分中和的聚丙烯酸高分子水凝胶材料，并考察单 体添加量、丙烯酸中和度、交联剂量、搅拌速度、分散剂等对凝胶膨胀性能、吸 液率及粒径的影响。所得高分子水凝胶材料的吸水率都在1 0 0 9 g 以上，某些水 凝胶材料对0 9 n a c i 水溶液的吸附量可高达1 5 0 9 g 。运用反相悬浮聚合法合 成高分子水凝胶材料，并考察各合成条件对凝胶膨胀性能、吸液率及凝胶材料粒 径的影响，这是高分子水凝胶材料研究的热点之一。然而，在对高分子凝胶材料 性能实际应用的研究，特别是对高分子凝胶材料在盐溶液中溶胀性能的研究方 面，国内学者的关注远不及国外。l e e 等人i l l 1 2 1 考察了高分子水凝胶材料在盐溶 液中的溶胀行为，发现其吸液率、吸液速率、膨胀性能等不仅与凝胶材料的化学 结构、组成、反应条件等有关，而且受外界盐溶液性质的影响非常明显。外界缸 溶液对凝胶材料的影响主要是由盐溶液的离子强度和屏蔽效应引起的。高分子水 凝胶材料的吸液率、吸液速率和膨胀率将随盐溶液中离子强度的增加而降低，但 在离子强度基本相同而离子种类不同的情况下，高分子水凝胶材料的吸液性能主 要由离子的种类决定。 1 2 2 接枝共聚 很多高分子水凝胶材料是由a 烯烃类单体在天然高分子( 如淀粉、纤维素等) 及其衍生物上接枝共聚制得的，自由基引发接枝共聚是最主要的接枝共聚方法之 一，常见的引发剂有硝酸铈铵和复合引发剂等。淀粉接枝丙烯腈是接枝共聚制备 高分子水凝胶材料最经典的例子，f a n t a 等人发现在使用硝酸铈铵作引发剂时， 首先是c e 针在淀粉的葡萄糖环上配位、环破裂形成自由基然后导致丙烯腈等单体 与淀粉接枝。利用辐射、过氧化物、氧化还原引发剂引发反应的机理与硝酸铈铵 不同，它们能夺取天然高分子中带羟基碳原子上的氢而产生初级自由基，例如 h 2 0 2 v e 2 + 氧化还原体系能进行以下反应： f e 2 + + h o - - o h + f e 3 + + h o + o h f e 3 + + h o - - o h f e 2 + + 旷+ 0 o h f e 3 + + o o h - f e 2 + + h + + o = o 其中初级自由基h o 和咖h 通过夺取天然高分子上的h 而在大分子链上接 第一章绪论 入自由基，引发单体接枝聚合成共聚物。 研究最多的接枝共聚类单体有丙烯腈、丙烯酰胺和丙烯酸等，方法是用辐射 或引发剂引发，将上述单体与天然高分子进行接枝共聚得到高分子水凝胶材料， 为使所得高分子水凝胶材料吸水但不溶于水，应加入适量交联剂在其结构中形成 适当交联网络。接枝共聚类高分子水凝胶材料的平衡溶胀能力主要由原料配比、 引发方法及引发剂种类、离子单体及交联剂含量等条件决定。柳明珠等【l 列采用硝 酸铈铵作为引发剂，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺作交联剂，将丙烯酰胺与洋芋淀粉 进行接枝共聚，制得了目前报道的平衡溶胀能力最高的高分子水凝胶材料、其吸 蒸馏水达5 0 8 5 倍。l o k h a n d e 掣1 4 】以c e 4 + 为引发剂，将丙烯腈接枝到纤维素上得 到耐压好、保水能力强的高分子水凝胶材料。k i a t k a m j o m w o n g 等5 1 在t 射线引 发下，将丙烯酰胺和丙烯酸混合单体与木薯淀粉进行接枝共聚，制备出多孔高分 子水凝胶材料，其在食盐水和不同金属离子水溶液中的平衡溶胀能力比丙烯酰胺 或丙烯酸单独与淀粉接枝所得高分子水凝胶材料的平衡溶胀能力要好，且还具有 p h 值敏感性。 1 2 3 水溶性高分子的交联 水溶性高分子如聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 、聚丙烯酸( p a a ) 、 聚n - 甲基吡咯烷酮、聚胺等通过适度交联，就可制得高分子水凝胶材料。化学 交联法是此类高分子水凝胶材料制备的主要方法之一，要求交联剂必须是能与水 溶性高分子所带功能基团反应的多官能团化合物或多价金属离子。戊二醛和环氧 氯丙烷可以使p v a 交联，但由于p v a 的羟基是非离子性基团，所以其平衡溶胀 能力很低，吸液量一般不超过5 0 0 m l g ，其它水溶性高分子通过物理缠结或多价 金属离子的络合作用等也可形成高分子水凝胶材料。辐射交联法在制各高分子水 凝胶材料方面也很有用，通过高能射线的照射而使水溶性高分子链间发生交联， 此法被认为是水溶性聚丙烯酰胺制备高分子水凝胶材料的最合理方法。庙水溶性 高分子制备高分子水凝胶材料的关键是交联度的控制，化学试剂交联法主要依靠 控制交联剂的加入量而辐射交联法的关键是辐射剂量的有效控制。 1 3 可注射原位交联水凝胶 组织工程支架按照塑形特点可分为预塑形多孔支架材料和可注射性材料。前 者是将生物材料在体外预先制成具有与待修复的组织或器官缺损部位类似的特 定形状且具有孔结构的三维多孔细胞支架，然后植入细胞，进行组织构建，再通 过手术的方法将构建物植入体内缺损部位。由于待修复的组织或器官缺损形状复 第一章绪论 杂熙非常不规则，因此很难馓剩预塑形豹支架的形状与骖复部位完全吻合，且制 各琰整形多琵支絮静工艺过程毙鞍复杂：雯外需透过手笨懿方法疆入誊建物，穰 容翁造成植入部位的手术创伤及并发炎症。与预塑形多孔支架材料相比，可注射 水凝胶材料有英明显的优越憔。通过注射的方法将具有一定流动性的缴物材料植 入体内，缀套易态瀵整令其窍不筑噩| j 形状懿簸揍部疰，季零氆痿菲鬻徽，l 、豆荔予 搡律。可以说，研注射水凝胶楚未来生物暇用材料应用发展的重要方国之一。 根据形成原理，将可注射水凝胶分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶两大 类。物理交联又w 分为湿敏水凝胶和分子爨组装水凝胶镣类型；化学交联水凝胶 又磷分为交联麓交联承凝葭、辐射交联拳凝驳帮先；| 发交襞农凝荻等炎囊。下瑟 对落们的制备方法、结构与憔能的关系及威用情况分别j 拄行论述： 1 3 ，1 物理交联霹注射水凝胶 这类可注射水凝胶的凝胶形成过程中不涉及化学反成，分子链问的交联通过 分予间相互作用力( 范德华力、疏水相互作用、氢键等) 形成，其中研究比较多 豹怒瀵度敏感型水凝蔽亵分予鑫组装承凝胶。 1 3 1 1 温度敏拣型水凝胶 在可注射水凝胶中有一类q # 常重要和露趣的聚合物体蓉，那就是农水中经过 麓繁瓣耱转交( 溶胶一凝菠转变) 形成熬承凝胶。它不懿簧任鹰位学爱瘦，霜露 在体内应用时会踅简单、更安全。促使体浆进行溶胶凝胶转变的因豢有温度、 p h 值、磁场、离子强度、电场等，其中温度变化引起的相转变更适合予可注射 钵系。当渥度毫予藏低于搏遗辩，体系是可滚动静滚薅，；雯入傣内爱，髂湛对薅 系交为水凝胶。人们对温敏承凝腚进行了大麓研究，这类俸系包括天然聚合物体 系、n - 取代异丙麓丙烯酰胺、浆( 乙二醇，b 。丙二醇b 乙二醇) ( p o l o x a m e r ) 、聚 乙二醇、丙交酯与乙交酯形成的嵌段共聚物等。能够发生溶胶凝胶转变的天然 聚会纺体系穰多，鲤动耪获、浆多禧( 壤裁耱、壹链淀粉、专蕴薮，镣。大多数 天然聚合物在降低温度时形成凝胶相，但一魑纤维素衍嫩物的水溶液谯升高温度 时形成凝胶相。纤维素在水中不溶解，但引入亲水基团后的纤维素可溶解于水中， 逶 ；窿调节纾维素秉承部分穗琉窳郏分豹毙铡，可使其在承孛进行溶驳。凝胶转变。 人们辩甲基纾维索和羟丙基纤维素研究较多，t a r e 16 】等通过改变浓度和溶剂，使 甲熬纤维素溶液谯2 3 c 时是低粘度的液体，3 7 c 时变成柔软的凝胶，他们把该 体系淀射到老鼠的脑损伤部位，经研究分析后，认为这怒治疗脑损伤以及其它中 枢享拳缀系统紊惑豹毽憨釜凌耢瓣。 天然大分予中，另一类有成用前景的生物材料是甲赢豢和壳聚糖。脊关不同 第一章绪论 制备方法得到的壳聚糖的生物相容性报道很多，但由于脱乙酰化程度、生物环境 等条件的不同，结果相差很大。c h e n i t e 等【1 7 1 首次报道了用壳聚糖和多羟基磷酸 盐的水溶液作为凝胶体系，这个体系在体内成功地递送了具有生物活性的生长因 子，也可作为软骨细胞的包埋基质用于组织工程。含有甘油磷酸酯的壳聚糖溶液 在接近3 7 ( 2 时发生溶胶凝胶转化，适于用做可注射水凝胶。他们把它注入鼠的 背部，隔一段时间切开鼠背后发现，通过溶胶- 凝胶转化形成的植入物呈豆状， 而且保持相当完整。m o l i n a r o 等通过把壳聚糖和多羟基磷酸盐的水溶液体系注 射到鼠身上，研究了该体系的生物相容性，并检验了其炎症效应。他们发现，当 甲壳素的脱乙酰化程度高时，壳聚糖的生物相容性较好。为了延长低分子量亲水 化合物的释放时间，r u e l g a r i e p y 等【1 9 】在壳聚糖和甘油磷酸酯溶液中加入脂质 体，研究了该体系的粘弹特性和释放动力学，发现脂质体的加入可提高凝胶化速 度和凝胶强度，释放速度依赖于脂质体的大小和组成以及释放介质中磷脂酶的存 在。研究表明该体系在体温状态下可快速凝胶化、可维持低分子量亲水化合物的 释放。我们知道，壳聚糖目前被认为是一种很有前途的阳离子生物降解材料，而 聚多羟基磷酸盐是生物相容性试剂。可以预见，该体系在药物载体和组织工程中 会有很好的应用前景。 合成的高分子中，均聚和共聚的异丙基丙烯酰胺与聚氧化乙烯聚氧化丙烯 聚氧化乙烯三嵌段共聚物是典型的温敏水凝胶，但它们不能生物降解，这就限制 了其应用。结合凝胶的温度敏感性、可生物降解性和无毒性，j e o n g 等合成了一 系列以聚醚酯为基础的热塑性可降解水凝胶，这些物理交联的水凝胶生物相容 性、降解性好，可操作性强，因而为可注射水凝胶的制备开辟了一条新的途径。 1 9 9 7 年，j e o n g 等1 2 0 l 先以单甲氧基聚氧化乙烯引发l 丙交酯开环聚合( 辛酸亚 锡为引发剂) ，合成了p e o p l l a 两嵌段共聚物，再以1 ，6 己二异氰酸酯偶联， 从而得到了以p l l a 为中心的三嵌段共聚物( p e o p l l a p e o ) 。该聚合物在4 5 时呈溶胶状，体温时变成凝胶，呈现单一的溶胶凝胶转变。通过改变亲水亲 油嵌段的长度、分子质量，他们又合成了聚乙二醇b l - 丙交酯乙交酯共聚物b - 聚乙二醇三嵌段共聚物( p e g p l g a p e g ) 。该聚合物的水溶液在室温时是可自 由流动的溶液，体温时形成凝胶。他们把该体系用于亲水性和亲油性药物的控释， 研究了其控释动力学。通过皮下注射三嵌段共聚物p e g p l g a p e g 水溶液( 3 3 ) 到鼠的身上进一步证实了凝胶可原位形成，凝胶可完整保持一个月之久。 j e o n g 等还开发了溶胶- 凝胶转化温度在3 0 左右的接枝共聚物p e g g p l g a 和 p l g a - g p e g ，p e g g p l g a 共聚物有亲水的骨架，形成的凝胶降解时问短，而 p l g a - g p e g 共聚物有疏水的骨架，形成的凝胶降解时间与前者相比要长得多。 通过混合这两种共聚物，凝胶的降解时间能做到在l 周到3 个月之问内可控。 第一章绪论 j e o r t g 等【2 i j 又以星形聚氧化乙烯为引发潮，通过b 雅褥交酯和酗b 内酯的开 环骧会裁备了燕形戆褒段共聚物，萁三壤多鹫分子绪稳戆影璃囊球静形成、药物 释放和降解行为，通过调节分子量、组成和臀的数萤，可得到体温对发生溶胶一 檄股转变的体系。由于p e o 不降解且有大的流体力学体积，因而p e o 嵌段应尽 霹麓短。 缳异丙纂斑烯畿藏共聚裙在零溶液串溢度瘸应灵敬爱涟着共聚攀俸黪含薰 增加而降低，而浆丙交酯共聚物需通过精确控制分子错构来控制其热响应性。为 克服这些缺点，雕本京都大学t a e h i b a n a 等阱】合成了基于氯基酸的欺浆物。聚合 蛰镶主害畜羟鍪，便于嚣耪鼬零| 天，量甄瞒秀共滚温凌( l e 辨) 霹逶造昏菱基 爵醇和5 氨摹爵醇的比铡来控铡。戳聚琥蝾| 酰亚胺作为铡备可降解瀚浆天冬氨酸 的中间产物，和徽基醇反应樽到聚天冬酰脓，控制6 - 甄越己醇和5 * 甄基已醇的 毙铡霹撂到有明显l e s t 熬聚合麓。 这类温囊敏感垄承凝获窝一个共嚣特点，藏是英分予皆含有一庭毙镀鲢亲窳 和蹴水基团，滠度的变化可以影响这些基团的疏水帽甄作用以及氢键作用，从而 使凝胶的网络结构发生改变。对子可注射的温敏水凝胶，其l c s t 蒋予体温， 通道将溶液注射搿俸疼，繁黢器位形蘧，遮藏为药耪释敞特瓣是荔滚动戆生穆夫 分子药物提供7 种很便捷的施药途径；也可作为细胞丽定的基材和组织修复的 支架材料；同时聚合物的胶柬结构也有利予水溶性药物的稳定，而在形成凝胶后， 被酝覆教药物熊以可控筠方式释救。埋由予这类拳凝黢楚遵过扬理交联形残豹， 其税城强度鞍低。 1 3 1 2 分子自缀装水凝胶 近年来，入嚣j 辩嵌爱荚聚物懿塞鬈装黪耀分塞缓感兴趣。裰蠡不磷戆鼙：凌， 大分子链段的崮缀装可产垒球、棒、立方等结构，遮嬲结构通常怒纳米结梅 ( 5 1 0 0 n m ) ，化学结构和组成的稍微改变就会引起形怨和功能的变化。精确控 铡这些缨寒维梭鼹够产生毫发有声魏结擒，扶箍可模数糕缀熬生物和天然分子蒋 系。馕如，p l l a - p e g - p l l a 和p d l a - p e g p d l a 靛笛锈矮懿莺熬辩映俸褥台 物硝形成温度响成的水凝胶，避种凝胶有浆用作可注射浅架。又如，水凝胶通过 有序囊j 序、无序脊序韵转化可对刺激做出快速豌应，衡可能仿生像肌肉一样的 运动。具有滚器绉鞫翡凝获透鼹质多螽会鼹不露熬剩激产慧不舔静翡废。d e m i n g 等渊通过两嵌黢糍肽两亲讫畲物的自组装形成了快速耐篾的永凝胶支架。他们认 为，相对低的分予攫和窄的分子量分布有利于聚合物链的快速组装和相应刺激后 豹抉速馨复，聚食物组分约分予组装决定卷忒凝驳彳亍为。 琏着怼环粕耱经爱研究魏深天，a 霞尝试撼琢糍耩藏缝嫠镪过煞繇颧耩为皇 第一章绪论 体自组装形成的体系作为组织工程支架材料和药物的载体。冯增国纠她2 5 】通过把 伍一环糊精固定在丙烯酸酯封端的聚己内酯聚乙二醇三嵌段共聚物( c l p e g c l ) 大分子单体上合成了一系列多聚准轮烷，进而通过光聚合形成了具有超分子结构 的可降解的水凝胶，目前正在对这些体系展开应用研究。 以环糊精为主体自组装后形成的凝胶体系中，有的体系具有温度敏感性。l i 等口刨把聚氧化乙烯和肛环糊精组成的超分子体系用于药物控释，通过超分子自 组装的物理交联形成水凝胶，不需要其它的交联剂。体系的凝胶化动力学依赖于 聚合物和环糊精的浓度以及聚氧化乙烯的分子量。这样形成的水凝胶是触变、可 逆的，适用于注射。室温时凝胶化和药物包覆同时进行，不需要任何有机溶剂。 s a l e m 等1 2 ”把带有生物素的聚合物微粒( 聚丙交酯聚乙二醇生物素) 、细胞和抗 生物素蛋白通过注射引入受损空腔，在注射部位经分子自组装后形成多孔支架。 在空腔和软组织内形成多孔支架是用干细胞等新的细胞源进行组织再生的前提， 因此，孔的控制技术和抗生素蛋白免疫性对组织工程材料的制备是很重要的支 架的基本组成可以是由a 羟基酸或其它聚合物形成的聚合物颗粒。他们认为这种 微粒可装上生长因子或其它信号分子。通过传统的控释技术和表面工程与自组装 的结合可以形成仿生支架。 总之，分子自组装是生物大分子的基本特征之一。通过分子自组装形成的水 凝胶更能模拟精细的生物和天然大分子体系，是真讵意义的仿生材料。因而通过 分子自组装形成的可注射水凝胶有可能成为可注射水凝胶的主要制备方法。 1 3 2 化学交联可注射水凝胶 这类水凝胶中，分子链问通过共价键或离子键交联形成三维网络结构，按照 形成交联时的条件可分为以下几类： 1 3 ，2 i 交联剂交联 交联剂交联水凝胶，即通过选择合适的单体与交联剂，然后将其通过注射引 入体内，体温下原位交联形成水凝胶。这种方法的关键是选择合适的交联反应和 交联剂，因为在体内进行反应时，对反应的要求是很苛刻的，这包括：比较窄的 生理可接受温度；要求单体和溶剂没有毒性；反应能够在潮湿和富氧的条件下进 行；聚合速率应满足治疗的要求；交联反应的放热应比较小，不能影响细胞和药 物的活性，不能损害人体健康。 有关通过交联剂来制备可注射水凝胶的报道很多，它们可分为两大类：一类 是用天然的高分子或修饰的天然高分子来制备；另一类是用合成高分子柬制备。 天然高分子中，藻酸盐容易凝胶化、生物相容性好、毒性小，是一类广泛应 第一章绪论 用的生物材料。藻酸钠可作为很多细胞的包埋和固定材料，用于免疫隔离 ( i m m u n o i s o l a t o r y ) 和生物化学过程，通过钙离子交联能够形成可生物降解的水 凝胶，因软骨细胞在其上可正常分化，故而在软骨组织工程中获得了应用。人们 对藻酸盐作为细胞增殖基体时的效率进行了很多研究，w a n g 等b 8 j 研究了鼠骨髓 细胞在不同组成和纯度的藻酸钠上的增殖和分化情况以及凝胶的机械性质，首次 报道了纯化的藻酸钠可用作鼠骨髓组织细胞增殖的基质。l o e b a s a c k 等【2 9 悃含有 细胞粘附多肽r g d ( a r g - g l y a s p ) 的藻酸钠制成了多孔凝胶，移植到老鼠体内 观察后发现，移植的材料产生了三维血管床，很少发生炎症和包囊，证明该材料 是软组织再生的理想支架材料。但通过离子交联的藻酸盐水凝胶机械性质变化范 围窄，不能控制降解时间。为了克服这些缺点，l e e 等 3 0 1 将可注射的聚葡糖醛 ( e a g ) 水凝胶用于骨组织工程。他们把藻酸盐酸解氧化之后得到聚葡糖醛然 后用己二酸二酰肼( a a d ) 作共价交联剂形成水凝胶，再把鼠颅顶成骨细胞和 聚葡糖醛水凝胶共同注射到鼠的背部，9 个星期后得到了矿物化的骨组织。他们 还把抗肿瘤药物道诺霉素( d a u n o m y c i n ) 通过共价键连接到该水凝胶上，当药物 和聚合物之间的共价键水解之后即可释放出药物。w e s t h a u s 等l 通过引发会属 离子从脂质体中释放，开发了从含有聚糖和蛋白质的前体溶液中快速形成水凝胶 的通用方法。他们用饱和的磷脂酰胆碱脂的二元混合物，制备了在环境条件下能 有效束缚钙离子，但加热到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，通过钙离子直接交联形成藻酸盐水凝胶。他们认为该方法 有助于开发快速凝胶化的可注射水凝胶，用于制各生物材料，进行组织的修复和 重建以及药物的定向释放。 富马酸及其衍生物与乙二醇的共聚物是另一类能够用来制备可注射水凝胶 的合成高分子化合物。a n t o n i o s 等1 3 那加对该体系进行了深入研究，他们用端接 有细胞粘附多肽r g d 的单丙烯酸聚乙二醇酯修饰富马酸和聚乙二醇齐聚物，制 备了可注射水凝胶，并研究了多肽密度和水凝胶结构对脊髓间质细胞的粘附和形 态的影响。他们通过改变齐聚物中聚乙二醇的长度、水凝胶的交联密度和水凝胶 的多肽含量合成了性质不同的水凝胶。制备的水凝胶特性对细胞的粘附和细胞骨 架的形成有很大影响，粘附到水凝胶上的细胞数量是起始多肽含量的函数。齐聚 物中聚乙二醇相对于连接多肽的聚乙二醇( s p a c e r ) 的长度对细胞的粘附办有影 响。为了避免发生交联反应时对细胞造成不利影响，他们先用动物胶制成微球( 细 胞载体) 包埋细胞，用二硫代二琥珀酰亚胺丙酸酯在微球的表面形成交联，以避 免动物胶在体温时变成液体：然后把微球、聚合物和交联剂引入体内，发生交联 反应后，微球表面发生水解和酶解，释放出内部的细胞，细胞与支架及周围的体 液相互作用，进行分裂和增殖。 第一章绪论 h u b b e l l 等m l 研究了通过m i c h a e l 加成反应制备水凝胶的方法。当水凝胶用 于蛋白质药物的控制释放时，要求交联反应在接近中性的溶液中进行，而且不会 发生对蛋白质的修饰反应。如果用非选择性的反应可能导致对蛋白质的共价修 饰，虽然辐射和光交联反应具有选择性，但照射时间较长，可能影响蛋白质的活 性。为了解决这些问题，h u b b e l l 等用含有聚乙二醇多丙烯酸酯( 由多臂聚乙二 醇和丙烯酰氯反应得到) 、白蛋白固体颗粒的水溶液和聚乙二醇二硫醇的水溶液 混合，通过m i c h a e l 加成反应很快形成水凝胶。蛋白质药物颗粒被包在水凝胶网 络中，没有发生对蛋白质的共价修饰，随着水凝胶溶胀、酯键的降解，蛋白质释 放出来。他们研究了蛋白质药物的释放过程，发现蛋白质药物按零级动力学释放。 这个反应具有高度选择性，可在生理条件下快速进行而不需加入引发剂，因而适 合于制备可注射水凝胶。 h u b b e l l 等f 3 5 还利用m i c h a e l 加成反应，合成了细胞响应性的水凝胶。他们 通过两步反应束制备这种具有生物活性和对细胞刺激敏感的网络。首先，用单半 胱氨酸多肽和过量的含有乙烯基砜端基的多臂p e g 大单体反应，得到p e g 衍生 物的溶液，该溶液仍具有进行m i c h a e l 加成反应的能力，然后，加入双半胱氨酸 多肽交联剂，在生理条件下形成有弹性的凝胶。该网络可用来对细胞表面的局部 蛋白酶进行局部晌应。这种固化过程特别适合于外科中的原位固化以及体外细胞 培养。 1 3 2 2 辐射交联水凝胶 辐射交联较传统的交联剂交联方法有以下几个优点：不用引发剂或其它有潜 在危害的化学试剂，因而不需要另外的纯化步骤；可在室温下进行，而且可精确 控制交联密度；大多数情况下，交联和消毒可在一个步骤中同时进行；通过选择 合适的辐射条件( 连续或脉冲辐射、剂量率、聚合物浓度) 可以控制产品的产率、 结构和特征。 人们对辐射交联产生的凝胶体系进行过大量的研究。p a n d a 等【3 6 1 通过电子束 和丫射线辐射，得到了具有温度敏感性的聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶。他们发 现，辐射交联形成的凝胶的退溶胀速度比传统交联形成的凝胶快1 0 0 倍，其退溶 胀过程是一个松弛过程，而溶胀受扩散控制，因而有相同平衡溶胀比的凝胶的溶 胀动力学是相似的，但它们的退溶胀动力