殼聚糖水凝膠用于局部藥物控釋的研究進展

陶文娟

大量的活性化合物具有作為藥物治療的潛力，但在臨床應用上很少取得滿意的效果，主要是因為它們在體內的生物利用度低[1]。這些復合物的生物活性主要取決于藥物的輸入方式和器官的生理代謝特征[2]。利用高分子化合物的疏水和親水性，以及高分子聚合物之間、聚合物和藥物之間、聚合物和溶劑之間或聚合物和生理介質之間的相互作用，可設計出在特定組織、特定時間釋放藥物的智能化運載系統[3]。

水凝膠是藥物運載系統的一個典型代表，它在智能化藥物運載方面無疑是理想的候選材料之一。利用親水性聚合物可制備出性能優異的智能藥物運載系統，但主要的問題還是它們的生物可降解性和生物可相容性[4-5]。殼聚糖作為一種天然高分子在水凝膠中的應用，近年受到了極大的關注，因為它們具有良好的生物相容性、低毒性以及可被人體內酶降解的優點，加之其得天獨厚的物理特征（如親水性、功能性氨基酸基團和陽離子凈電荷）使得殼聚糖高分子聚合物成為智能化運載某些化合物（如肽、蛋白質、抗原、寡核苷酸和基因）的完美工具[6]。本文就不同類型殼聚糖水凝膠的特性及其在臨床上用于局部藥物控釋的最新進展做一綜述。

1 水凝膠

水凝膠是由高分子聚合物通過非共價鍵的物理結合或共價交聯鏈結合而交聯成的網絡，具有大量的親水性基團，因而對水具有很高的親和力。能作為出色的藥物運載工具是因為其本身的優異性：①聚合物鏈之間形成的物理或化學鍵使得水凝膠不易溶解；②完全舒展的水凝膠具有某些和活組織相似的物理性狀，如柔軟、富有彈性、低的生物流體界面張力，使其植入后對周圍組織不那么敏感；③表面和體液之間的低界面張力減少了蛋白質吸附和細胞黏附，降低了負面免疫反應的可能性；④廣泛用于水凝膠制備的聚合物（如聚丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚 2-羥乙基甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯和聚丙烯酰胺等）均具有生物黏附特性，這能夠增強藥物的停留時間和組織滲透性；⑤由于水凝膠的生理化學性類似于原生細胞外基質，可作為組織再生以及藥物載荷的輔助材料[4-6]。

2 殼聚糖水凝膠的制備

天然聚合物，如多糖和蛋白質，作為結構材料廣泛用于水凝膠制備，其優點包括生物相容性、低毒性、易于酶降解。殼聚糖（C6H11O4N）n為白色或微黃色片狀固體，溶于酸，又稱可溶性甲殼質、甲殼胺、幾丁聚糖等，是唯一的一種多功能天然陽離子聚電解質，廣泛用于農業、食品工業、造紙和水處理方面。在生物醫學、藥物控釋和組織工程領域，也是最被廣泛應用的多糖之一，主要是因為其具有體內可降解性、良好的成膜性、低毒性、生物相容性及一定的抗菌和抗腫瘤性等優異性能。作為藥用輔料，其黏性、可壓性、流動性和崩解性均非常符合藥物的制備和運載條件。決定殼聚糖物理化學性質和生物活性的主要因素是其分子量、乙酰度和濃度，以及外界的溫度和pH，例如殼聚糖的伸展性和剛性很大程度上取決于殼聚糖的分子量和乙酰度。作為一種陽離子多糖，殼聚糖分子在溶液中存在四種相互作用力：疏水作用、范德華力、氫鍵和靜電作用。殼聚糖的生物活性、絮凝和吸附等特性都可在水溶液中得以體現，在藥物運載系統中，如何調控和平衡殼聚糖分子和金屬離子、蛋白質、細胞和細菌之間的相互作用尤為重要[6]。

2.1 物理網絡結構

為了制備出優質的殼聚糖水凝膠，殼聚糖聚合物網絡必須滿足兩個條件：⑴在熱分子網絡中，跨鏈的作用強度足夠形成半永久性連接點；⑵殼聚糖網絡能夠充分地吸收和駐留水分子[7]。

2.1.1 離子負荷體 殼聚糖帶有陽離子氨基酸基團，可以和帶陰離子的小分子形成混合的離子帶電復合體。帶電基團的相互作用可以改變水凝膠的特性，主要取決于陰離子的電荷密度、帶陰離子材料的體積、殼聚糖的濃度及其脫乙酰度[8]。小分子和殼聚糖的總電荷密度直接受到環境酸堿度和各材料的酸堿解離常數影響。解離常數 6.3 左右時，殼聚糖幾乎不帶電，這限制了其形成離子復合體的能力，降低了其在生理條件的利用[9]。這也說明，可以通過改變某一材料的特性，如酸堿敏感性，而改變整個水凝膠復合的特性。

2.1.2 高分子電解質復合物 高分子電解質聚合物形成靜電與殼聚糖相互作用，其結合力度遠強于其他水凝膠中普通材料之間的黏附結合，非常直接并且可逆，在安全方面的隱患相對較小。殼聚糖基高分子電解質聚合物的成分主要是水溶性的陰離子大分子，如 DNA、陰離子多糖、陰離子大分子（如海藻酸鈉）、聚糖（硫酸軟骨素、透明質酸、羧甲基纖維素、果膠、硫酸葡聚糖、黃原膠等）、蛋白質（如明膠、白蛋白、絲素蛋白、角蛋白、膠原）和陰離子合成聚合物（如聚丙烯酸）。這些化合物的穩定性依賴于電荷密度、溶劑、離子強度、pH 值和溫度等[10]。選擇復合物的陰離子分子材料主要依賴于其在生理條件所能帶的電荷。

2.1.3 物理混合物 除了多聚物特異的物理作用外，殼聚糖還可以和其他水溶性非離子聚合物（如聚乙烯醇等）形成水凝膠。最近，一種新的水凝膠由殼聚糖與聚乙烯亞胺聚合而成。多聚物與殼聚糖混合后，5 min 內即能形成三維的水凝膠，在細胞培養環境下可穩定支持基層胎兒骨骼細胞的生長。該凝膠結構是由殼聚糖－殼聚糖的相互作用所支撐，因為殼聚糖在沒有其他多聚物分子存在下，本身即可形成水凝膠[11]。

2.1.4 熱可逆凝膠 熱可逆水凝膠系統（thermoreversible gels）中聚合物鏈是通過范德華力或氫鍵交聯而不是通過共價鍵。其優點是，溫度的變化（從 4～100 ℃）不會產生溶膠－凝膠相變，即在溫度較高時形成凝膠，溫度較低時形成溶膠。Pluronics?和Tetronics?是最常用的熱可逆水凝膠，具有良好的生物可降解性，通過溫度調節溶膠－凝膠相變，使其成為注射用藥物控釋載體的極佳選擇，如用溫度敏感的甘油磷酸鹽和殼聚糖可物理混合熱可逆水凝膠用于水介質中[12]。最近，其他熱可逆水凝膠也陸續被開發，如利用殼聚糖共聚物混合多聚 N-異丙基丙烯酰胺和泊洛沙姆，這被認為是制備可逆水凝膠的極佳方案。

2.2 交聯網絡

外強度很大的殼聚糖水凝膠可以通過共價鍵交聯制備成不可逆的網絡，以下介紹幾種不可逆殼聚糖水凝膠的制備方式。

2.2.1 化學交聯 化學交聯是利用聚合物鏈共價結合而形成永久性的凝膠網絡，交聯的殼聚糖網絡可以利用現有氨基、羥基和交聯劑形成連接[13]。

2.2.2 小分子交聯劑 許多雙功能小分子被用于殼聚糖聚合物的交聯，如戊二醛、二縮水甘油醚、二異氰酸酯、丙烯酸酯等[12]。這些水凝膠的機械性相對于物理性水凝膠來說得到了很大的提高，但很多交聯劑的生物相容性及在體內的活動并不太清楚，甚至有高生物毒性。一種新的優良的天然生物交聯劑——京尼平（genipin），是梔子苷經 β-葡萄糖苷酶水解后生成的環烯醚萜類化合物，與殼聚糖混合成的水凝膠，毒性遠低于戊二醛和其他常用化學交聯劑[13]。

2.2.3 聚合物-聚合物交聯 為了盡量減少使用交聯劑分子，聚合物自身所帶的官能團得到了關注，這可用于制備共價鍵結合的水凝膠。殼聚糖和透明質酸通過原位聚合物－聚合物連接可制備成具有生物降解性的水凝膠。N-琥珀酰殼聚糖醛和透明質酸混合后會形成 Schiff 堿，在生理酸堿度條件下，該水凝膠至少可以穩定 4 周。類似的方法也適用于其他水凝膠制備系統，如纖維素和海藻酸鈉混合系統[14]。

2.2.4 光交聯 聚合物自身所帶的光敏感的官能團在水凝膠制備中也有良好的潛能。將這些活性官能團加入殼聚糖后，聚合物經紫外光照射而發生交聯，如殼聚糖－聚丙二醇水凝膠就是通過紫外光交聯。這種技術優點非常突出，如易于形成、速度快、安全、低成本等。One 等通過功能化聚合物上的疊氮基團制備成了光敏感的殼聚糖水凝膠。紫外線照射下，疊氮轉化為活性氮烯基團，可以綁定到殼聚糖的自由氨基酸基團上快速成膠，可以運載生長因子，具有良好的控釋能力[15]。

2.2.5 酶法交聯 盡管光敏聚合物材料的發展具有不可限量的前途，但仍有其局限。一種較為溫和的原位凝膠制備方法是用酶催化交聯反應。最近，Jin 等[16]開發出一種可注射的殼聚糖水凝膠，由水溶性殼聚糖衍生物和殼聚糖嫁接的乙醇酸和β-苯酚丙酸通過辣根過氧化物酶和過氧化氫酶交聯。

2.3 藥物釋放的觸發

相對來說，化學和生物學刺激更能精細地和有選擇性地控制藥物釋放。因此，在水凝膠制備中利用不同的物理和化學策略，無疑是開發更好的藥物運載系統所必須考慮的。目前，藥物釋放觸發方式主要有以下幾種：

2.3.1 pH 值響應釋放 由于極端的 pH 值變化環境，使口服給藥釋放效率過低。這種環境下最好的藥物控釋方式是由 pH 值來觸發。中性或陰離子聚合物對酸環境下 pH 變化不太敏感，而帶正電荷的殼聚糖在酸環境下可以感應 pH值的變化。如戊二醛可使 N-（2-羧基苯甲烷）和殼聚糖交聯得到 pH 值敏感的水凝膠，用于藥物運載[17]。

2.3.2 電場敏感釋放 電敏釋放是一種外部觸發藥物釋放的方式。在電場作用下，殼聚糖水凝膠形狀發生變化（收縮、膨脹、彎曲）使所載得到釋放。這樣就可以通過電信號的開/關來控制藥物釋放[18]。雖然電敏殼聚糖水凝膠可通過調節電場達到藥物控釋效果，但在生理條件下達到有效的釋放率還有待研究。

2.3.3 酶響應釋放 控制藥物釋放最好的方式應該是通過身體不同組織部位的酶來調節。殼聚糖水凝膠已被用于結腸內特定藥物釋放（如胰島素），其受局部組織活性酶的調控。例如運載胰島素的殼聚糖膠囊，在大鼠的實驗研究上發現，利用結腸內特異的胰島素運載方式，口服后在胃和小腸內很穩定[19]。

3 應用

殼聚糖水凝膠運載系統所具有的藥物釋放特征和生物化學特征，使其成為藥物運載的極佳選擇。

3.1 皮下運載

殼聚糖基水凝膠藥物運載系統可以在體內選擇性釋放藥物的能力，使其在皮下給藥和藥物植入領域成為首選材料。其缺失免疫原性和炎癥，更是其他皮下植入材料所不具備的優點。殼聚糖水凝膠的研究重點主要集中在其生物可降解性系統[20]。這種水凝膠制備移用了多種化學材料和物理作用以達到藥物運載和釋放的效果，如生長因子的運載[21]，癌癥的治療。Lee 等[22]開發了一種與戊二醛交聯的殼聚糖基水凝膠，在植入乳腺癌的小鼠模型上測試得到了不錯的效果。

3.2 口服給藥

該療法在體內主要經由口（口腔）、胃、小腸、結腸或器官給藥。水凝膠可以針對不同器官的生理環境和特征進行藥物運載方案設計。殼聚糖和殼聚糖水凝膠作為藥物運載系統有兩個優點：pH 值的敏感性和黏附屬性。在通過胃腸道時，pH 值波動較大，從 1 至 7.5，水凝膠隨 pH 值的變化而呈現不同的功能屬性[23]。通過調節水凝膠的溶脹反應而在不同的酸堿環境下實現藥物控釋。

3.3 眼科藥物運載

該新型液體制劑的開發在眼睛局部給藥方式中得到了關注。相對于其他藥物而言，殼聚糖水凝膠具有較高的角膜滯留時間，雖然微米和納米運載系統在眼科藥物運載中受到了熱捧，但水凝膠在液態下可長期貯存的優點使其應用前景也被大為看好。Cao 等[24]開發一種原位的殼聚糖基熱敏感水凝膠，用于眼科藥物運載，在兔的實驗上很成功。

3.4 外皮給藥

為了避免不同胃腸道的惡劣環境，低分子量的藥物可以通過局部皮膚吸收的方式運載。其主要優點是藥物的持續釋放以及可以隨時通過移走水凝膠而中斷給藥，如 Glimepride作為第三代口服降糖磺酰脲類藥物，由于其難溶解而產生的生物利用度問題，在水凝膠運載系統中已經顯示潛在的高效性。活體應用于小鼠顯示，治療效果超過 48 h，提示了其臨床可能效力[25]。殼聚糖水凝膠還能運載生物堿[26]和活性S 消旋普萘洛爾[27]。

3.5 傷口愈合

在傷口愈合護理過程中，理想敷料保護應該是傷口不受細菌感染，具有一個潮濕的治療環境，并且藥物具有生物相容性。殼聚糖基材料，基于不同配方，可以加速傷口愈合，可能是因為其能夠加強血管供應和牽連更好的膠原纖維聚集細胞外基質[28]。例如，成纖維細胞生長因子 2（FGF-2）可以通過激活毛細血管內皮細胞和成纖維細胞刺激血管新生[29]。

4 結論

隨著獨特的交聯機制的發展和誘導用于物理凝膠化的新分子開發，制備出的水凝膠可以具有不同的孔隙度、機械強度和維度。我們主要綜述了殼聚糖的陽離子特征，根據其特征賦予其在水凝膠制備中作為生物材料的獨特優勢。

特別是，這些方法可以用于局部藥物運輸，選擇性地運載特定的治療藥物，并精確地控制其靶組織的局部部位釋放。研究開發具有可生物降解、生物相容性好、響應速率高的藥物控釋用智能水凝膠是當前藥物運載系統的重點。事實上，殼聚糖已在腫瘤治療和組織再生中應用的可注射的原位成膠系統中得到了廣泛的關注。在口服和眼科給藥系統中，其也是極佳的藥物運輸工具。因此，進一步的了解殼聚糖鏈網絡的動力學，無疑為下一代藥物運載系統的發展提供了必不可少的基礎。通過了解不同藥物的裝載和釋放基本特征，我們可以設計出任何不同環境下的給藥系統。

值得注意的是，盡管殼聚糖作為藥物輔料使用的研究并不新鮮，但它在藥物市場上卻仍然沒有太多的產品銷售。糾結的問題依然是，其裝載藥物的生物利用度以及載體本身的副作用。因此，一旦殼聚糖水凝膠制備的設計參數明確化，廉價、無毒、高效的殼聚糖水凝膠給藥系統的出現將為臨床提供無可限量的輔助。

[1]Kidane A, Bhatt PP.Recent advances in small molecule drug delivery.Curr Opin Chem Biol, 2005, 9(4):347-351.

[2]Belting M, Wittrup A.Macromolecular drug delivery: basic principles and therapeutic applications.Mol Biotechnol, 2009, 43(1):89-94.

[3]Hoffman AS.Hydrogels for biomedical applications.Adv Drug Deliv Rev, 2002, 54(1):3-12.

[4]Kim SW, Bae YH, Okano T.Hydrogels: swelling, drug loading, and release.Pharm Res, 1992, 9(3):283-290.

[5]Peppas NA, Hilt JZ, Khademhosseini A, et al.Hydrogels in biology and medicine: from molecular principles to bionanotechnology.Adv Mater, 2006, 18(11):1345-1360.

[6]Bhattarai N, Gunn J, Zhang M.Chitosan-based hydrogels for controlled, localized drug delivery.Adv Drug Deliv Rev, 2010, 62(1):83-99.

[7]Boucard N, Viton C, Domard A.New aspects of the formation of physical hydrogels of chitosan in a hydroalcoholic medium.Biomacromolecules, 2005, 6(6):3227-3237.

[8]Brack HP, Tirmizi SA, Risen WM.A spectroscopic and viscometric study of the metal ion-induced gelation of the biopolymer chitosan.Polymer, 1997, 38(10):2351-2362.

[9]Shu XZ, Zhu KJ, Song W.Novel pH-sensitive citrate cross-linked chitosan film for drug controlled release.Int J Pharm, 2001, 212(1):19-28.

[10]Tsuchida E, Abe K.Interactions between macromolecules in solution and intermacromolecular complexes.Adv Polym Sci, 1982, 45(1):1-119.

[11]Boussif O, Lezoualc'h F, Zanta MA, et al.A versatile vector for gene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo:polyethylenimine.Proc Natl Acad Sci U S A, 1995, 92(16):7297-7301.

[12]Hoare TR, Kohane DS.Hydrogels in drug delivery: progress and challenges.Polymer, 2008, 49(8):1993-2007.

[13]Sung HW, Huang RN, Huang LH, et al.In vitro evaluation of cytotoxicity of a naturally occurring cross-linking reagent for biological tissue fixation.J Biomater Sci Polym Ed, 1999, 10(1):63-78.

[14]Ito T, Yeo Y, Highley CB, et al.Dextran-based in situ cross-linked injectable hydrogels to prevent peritoneal adhesions.Biomaterials,2007, 28(23):3418-3426.

[15]Yoo HS.Photo-cross-linkable and thermo-responsive hydrogels containing chitosan and Pluronic for sustained release of human growth hormone (hGH).J Biomater Sci Polym Ed, 2007, 18(11):1429-1441.

[16]Jin R, Teixeira LS, Dijkstra PJ, et al.Enzymatically-crosslinked injectable hydrogels based on biomimetic dextran-hyaluronic acid conjugates for cartilage tissue engineering.Biomaterials, 2010,31(11):3103-3113.

[17]Azab AK, Orkin B, Doviner V, et al.Crosslinked chitosan implants as potential degradable devices for brachytherapy: in vitro and in vivo analysis.J Control Release, 2006, 111(3):281-289.

[18]Murdan S.Electro-responsive drug delivery from hydrogels.J Control Release, 2003, 92(1/2):1-17.

[19]Tozaki H, Komoike J, Tada C, et al.Chitosan capsules for colon-specific drug delivery: improvement of insulin absorption from the rat colon.J Pharm Sci, 1997, 86(9):1016-1021.

[20]Khor E, Lim LY.Implantable applications of chitin and chitosan.Biomaterials, 2003, 24(13): 2339-2349.

[21]Katz JS, Burdick JA.Hydrogel mediated delivery of trophic factors for neural repair.Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol,2009, 1(1):128-319.

[22]Lee YM, Park YJ, Lee SJ, et al.The bone regenerative effect of platelet-derived growth factor-BB delivered with a chitosan/tricalcium phosphate sponge carrier.J Periodontol, 2000, 71(3):418-424.

[23]Basak P, Adhikari B.Poly (vinyl alcohol) hydrogels for pH dependentcolon targeted drug delivery.J Mater Sci Mater Med, 2009, 20 Suppl 1:S137-S146.

[24]Cao Y, Zhang C, Shen W, et al.Poly(N-isopropylacrylamide)-chitosan as thermosensitive in situ gel-forming system for ocular drug delivery.J Control Release, 2007, 120(3):186-194.

[25]Ammar HO, Salama HA, El-Nahhas SA, et al.Design and evaluation of chitosan films for transdermal delivery of glimepiride.Curr Drug Deliv, 2008, 5(4):290-298.

[26]Tsai CJ, Hsu LR, Fang JY, et al.Chitosan hydrogel as a base for transdermal delivery of berberine and its evaluation in rat skin.Biol Pharm Bull, 1999, 22(4):397-401.

[27]Suedee R, Bodhibukkana C, Tangthong N, et al.Development of a reservoir-type transdermal enantioselective-controlled delivery system for racemic propranolol using a molecularly imprinted polymer composite membrane.J Control Release, 2008, 129(3):170-178.

[28]Shigemasa Y, Minami S.Applications of chitin and chitosan for biomaterials.Biotechnol Genet Eng Rev, 1996, 13:383-420.

[29]Park CJ, Clark SG, Lichtensteiger CA, et al.Accelerated wound closure of pressure ulcers in aged mice by chitosan scaffolds with and without bFGF.Acta Biomater, 2009, 5(6):1926-1936.