刺激响应性水凝胶的研究进展

刺激响应性水凝胶的研究进展

高纯度凝胶可在温度、ph值、电极或化学品的变化后溶解或收缩。这种凝胶的刺激和响应通常被研究人员称为“智力”。在过去10年里,全世界众多研究者们对刺激响应性凝胶进行了广泛的研究,希望能研制出与金属、陶瓷、玻璃等硬材完全不同的可‘智能化’的响应环境,且具有自我感知、自我调控能力的软“湿件”。但是由于水凝胶极弱的力学性能,将其应用于智能器件似乎还有很长的路要走。然而,水凝胶的刺激响应性却类似于开放的生物系统,且生物体中的许多软组织具有类水凝胶结构,因而在生物医学领域,水凝胶作为药物释放载体,软骨支架,细胞外基质显示出巨大的应用前景。本文将简要介绍近几年高分子凝胶中水的特异性研究成果,以及凝胶在生物医学领域中应用的最新进展。1非冻结结合水的存在机理水合能力和吸水溶胀是水凝胶的一个重要性质,由于凝胶中的水与高分子链段强烈的相互作用,因此凝胶网络的结构与性质对其所包含的水的特性将产生显著影响,这方面的工作见诸于大量文献。在目前大量的文献中,研究人员普遍采用三态水模型,即自由水、中间水和结合水。三态水模型认为结合水由高分子链上的极性基团与水分子之间的氢键产生,且检测各态水的存在时,通常依据DSC曲线上水的热转变行为。DSC曲线上未出现熔化峰被认为是由于水分子参与氢键形成结合水而不冻结,因此结合水也被称为“非冻结水”。但水的“不冻结”是由多种因素造成的。Raman光谱已证明水分子结构强烈地受高分子链段缠结的影响。笔者以DSC,正电子湮灭技术(PALS)和NMR研究了不同水含量的明胶内结合水含量的变化规律。在较低水含量明胶呈凝胶状态时,非冻结结合水含量随着水含量增加而增加,但在水含量为50gwater/g明胶,明胶处于溶胶状态时,DSC方法未能检测到非冻结水的存在。按氢键结合水理论,当明胶网络中的极性基团位点全部为水分子-OH结合后,结合水含量应达到一定值,即使在溶胶状态,也应存在结合水,因为此时大量的水分子仍可与极性基团形成氢键。通过正电子湮灭技术测定明胶的自由体积和含量,发现明胶的自由体积均在纳米范围内,即凝胶网络内存在“纳米孔隙”,且NMR结果表明结合水的自旋-晶格松弛时间(T1)比自由水降低近15倍。从动力学上,纳米孔隙会阻碍包埋其中水的结晶,可见这部分水也会形成非冻结结合水。Reutner等计算出明胶每一氨基酸残基与1,2和3个水分子结合时的结合水含量分别为15.1%、26.2%和34.7%。我们的DSC实验结果得到的非冻结结合水含量高达57.4%,可见确有一部分结合水并非源于水分子与高分子极性氢键的形成。在明胶水含量为50%时,PALS结果表明高分子网络中的纳米孔隙含量下降,束缚其中的水含量亦下降。因此源于纳米孔隙的结合水含量减小。并且此时处于溶胶状态的链段运动行为类似液体,使结合于链段上的水分子亦具有与自由水相当的运动性,因而此时非冻结结合水含量近于零。至此,有理由认为水与凝胶网络的极性基团间的氢键不是非冻结结合水产生的唯一因素,网络间的纳米孔隙也是非冻结结合水形成重要的原因;氢键结合水只是凝胶网络内不同物理状态水的一种。2高簇胶在生物医学领域的应用2.1水凝胶rabcitifg作为刺激响应性药物释放载体,pH、温度和化学物质敏感性水凝胶一直是研究的热点,而对化学物质敏感水凝胶研究最多的是响应葡萄糖浓度的变化控制胰岛素释放的体系。最近,Miyata等独具匠心地开创了一抗原-抗体敏感性水凝胶。首先将羊抗兔免疫球蛋白抗体(GARIgG)通过化学方法连接到琥珀酰亚胺丙烯酸酯(NSA)上形成乙烯基GARIgG,然后以过硫酸铵(APS)和四甲基二胺(TEMED)为氧化还原剂与丙烯酰胺(AAm)形成聚合GARIgG;以类似的方法,将兔免疫球蛋白抗原(rabbitIgG)连接到琥珀酰亚胺丙烯酸酯上形成乙烯基rabbitIgG。再将丙烯酰胺、乙烯基rabbitIgG和交联剂N,N-甲基双丙烯酰胺溶解到含有聚合GARIgG的磷酸盐(PBS)溶液中,加入APS和TEMED氧化还原剂,最终可形成抗原-抗体半互穿聚合物网络(semi-IPN)凝胶。此合成路线示于Fig.1中。实验中发现该抗原-抗体semi-IPN凝胶的溶胀行为可响应自由兔抗原rabbitIgG浓度的变化而改变。Fig.2为抗原-抗体semi-IPN凝胶和无抗原-抗体的聚丙烯酰胺凝胶溶胀度与兔抗原浓度的关系曲线。由图可见,抗原-抗体semi-IPN凝胶的溶胀度随自由兔抗原浓度的增加而上升,而纯丙烯酰胺凝胶的溶胀度不依赖于抗原浓度变化。进一步的实验发现,GARIgG对自由兔抗原的结合能力比聚合到水凝胶上的抗原能力大3.4倍。由此原作者认为加入的自由兔抗原对GARIgG具有强烈的结合能力,因而竞争的结果是semi-IPN水凝胶上的抗体-抗原结合点解离,自由的兔抗原与网络上的GARIgG结合形成新的结合位点,因此兔抗原的加入诱发水凝胶溶胀。有趣的是semi-IPN凝胶具有专一的抗原识别性,它只响应兔抗原的浓度变化而溶胀,对羊抗原无响应性。这是由于goatIgG对GARIgG无识别性,故它的加入不会破坏凝胶网络上的抗原-抗体结合点。此外semi-IPN凝胶呈现可逆的兔抗原响应性,并具有形状记忆性,逐步改变抗原的浓度,水凝胶可脉冲地释放蛋白质模型药物。此具有专一抗原识别性的semi-IPN水凝胶具有诱人的医学应用前景,是非常具有启发性的。2.2其它生物高分子凝胶生物体内许多组织具有水凝胶结构,生体组织由细胞和细胞外基质组成,而细胞外基质成分蛋白质、多糖等构建成类水凝胶结构。因而从仿生角度出发,创建多糖、蛋白质或多肽水凝胶具有极其重要的生物学意义。多糖在细胞传递信息和免疫识别上起着关键的作用,合成技术的发展使人们能合成出寡糖,由此加快了揭开寡糖在信号传递中的作用。蛋白聚糖是人工软骨主要的生物大分子之一,它包括一个核心蛋白和共价连接的糖胺聚糖(GAG)链。具有软骨特异性的GAG由硫酸-4软骨素,硫酸-6软骨素和硫酸角质素组成。但是这些分子是高度水溶的,分子量较低,难以形成凝胶。而与其它阳离子多糖如壳聚糖(CS)等作用可形成凝胶配合物,有望用于软骨支架中。另一类GAG是透明质酸,它存在于滑液,也存在于软骨基质内,其分子量较大并可形成凝胶。透明质酸通过化学改性拓展了其在医学领域的应用。完全酯化的透明质酸可在体内存留几月,而部分酯化的在几周内可降。透明质酸及其衍生物用于治疗骨关节炎可提高关节表面的润滑性,减小关节疼痛。实验已证实透明质酸具有抗发炎性和前列腺素合成的阻遏效应。此外,透明质酸可抑制蛋白聚糖释放和降解,阻止受纤连蛋白调控的软骨分解。壳聚糖(CS)的结构与糖胺聚糖相似,壳聚糖与透明质酸之间的离子交联不仅可使硫酸软骨素固定在水凝胶中,而且模仿了GAG富集的关节软骨细胞外基质。Suh研究组研制了硫酸-4软骨素(CSA)-壳聚糖(CS)水凝胶,并考察了软骨细胞在其表面的生长情况。通过对比实验发现,一周内,在聚苯乙烯培养板表面上的细胞呈成纤细胞形态,细胞增殖较快;而在CSA/CS凝胶膜上的细胞保持球形和多角形态,只有轻度的有丝分裂。且培养在CAS/CS上的软骨细胞合成出软骨特异性的Ⅱ型胶原,而聚苯乙烯表面的软骨细胞合成复杂的胶原系,无软骨特异性。目前被科研人员广泛关注的另一类生物高分子凝胶是多肽凝胶。合成多肽水凝胶的优势在于多肽具有比蛋白质更规整的氨基酸排列和可选择的氨基酸残基种类。中西英二报道了一系列功能性多肽凝胶。天冬氨酸以γ射线辐照交联可形成凝胶,其吸水率高达3400倍。研究人员对利用微生物产生的多肽创制凝胶也进行了很多探索性工作,这些α-多肽具有不同的生物降解性。从杆状菌的菌株发酵合成的聚(γ-谷氨酸)以γ射线交联可形成透明的凝胶,且吸水率高达3500倍。这些凝胶不仅具有高吸水性,且可被体内的酶分解。另一具有吸引力的多肽凝胶是化学交联的聚(N-烷羟基-L-谷酰胺),它具有适宜的水蒸气透过性和力学强度,并可被体内酶分解。改变烷基链的长度可控制多肽链的构象,使其具有与生体软组织同等的力学强度,即低杨氏模量和高的断裂强度。3生物高分子凝胶的制备及其性能从近年高分子凝胶发展趋势看,理论研究比较少,研究人员更对其应用前景感兴趣,尤其是在生物医学领域的应用。在这方面,高分子合成化学家作出了很多有意义的工作,他们合成了许多新