可注射溫敏殼聚糖/甘油磷酸鈉基水凝膠在醫學中應用進展*

孫 斌 劉洪臣

水凝膠是一種親水性的多聚物的三維網絡結構物質，它能夠吸收和保留相當一部分水份并使它們維持一定的形狀[1]，由于其親水的特性，被廣泛的應用于生物醫藥領域[2]。其最大的優點在于它們可以在液態下復合細胞、治療性的藥物、生長因子等，以內窺鏡或者注射器等微創的方式將其植入體內并且在原位形成凝膠。通常，它們以化學交聯或者物理交聯的方式使水凝膠在原位完成液態至固態(凝膠)的相轉變過程。化學交聯是指通過光聚合反應(photopolymerization)[3]，二硫化物粘合(disulfide bond)，或者由硫氫基、丙烯酸酯、砜基[4]等交聯劑引發化學反應而引發凝膠化。物理交聯是指通過一些環境因素的改變，如pH值、溫度、或者二者共同的刺激引發凝膠化。由于物理交聯的水凝膠能在體外以很好的流動性接種細胞等物質，在體內接受物理刺激迅速的轉變為固態凝膠，而且避免了光的輻照，化學交聯劑的污染，以及在化學交聯可能引發的體積變化和產熱等缺點，所以近些年來，此類依靠溫度、pH刺激引發凝膠化的水凝膠系統尤為得到人們的廣泛關注[5]。

2000年，chenite等[6]利用酸性的殼聚糖溶液與β-甘油磷酸鈉(GP)制備了一種具有中性pH值，依靠溫度改變引發凝膠化的殼聚糖/GP基水凝膠系統。殼聚糖是一種可生物降解，具有天然抗菌性以及良好生物形容性的天然多聚體[7,8]。由于殼聚糖良好的生物性能，這種殼聚糖/GP基水凝膠系統成為人們研究的熱點。下面，我們就它的一些凝膠機制，以及在藥物緩釋及組織工程研究應用等方面作一個綜述。

1.殼聚糖/GP基水凝膠的凝膠特性

殼聚糖是一種天然的陽離子多糖,當pH小于6.2時溶解于醋酸等酸性溶液中，當高于這個數值則出現白色絮狀沉淀。Chenite首次在2000年，用高脫乙酰度的殼聚糖和甘油磷酸鈉混合，得到了pH值中性且在常溫下可長時間保持液態的殼聚糖/甘油磷酸鈉(GP)復合物。這種混合物具有溫敏活性,即在室溫或低于室溫時可保持液態較長時間,而溫度升高到生理體溫(37℃)后發生凝膠化。其研究小組進一步研究發現[9]，殼聚糖的脫乙酰度對于此殼聚糖/GP凝膠體系的影響較大。當殼聚糖的脫乙酰度越低時，凝膠所需要的溫度越高，而且相應凝膠化的時間也越長一些。殼聚糖的分子量則對于凝膠溫度的影響不是很大。而當殼聚糖的脫乙酰度以及濃度保持不變時，GP的濃度直接影響著凝膠的溫度，當GP升高時，pH上升，凝膠溫度下降。與此同時，裸鼠體內的炎性反應實驗也表明，殼聚糖/GP中殼聚糖的脫乙酰度越高其生物相容性越好[10]。

對于這種水凝膠的凝膠原理，人們到現在仍然沒有得出確切的結論，但是研究者對此還是形成了一些初步的認識。起初，研究者認為是由于加入了GP之后，由于溫度的上升，GP與殼聚糖之間的分子力上升而使得溶液中疏水作用的增強從而引起凝膠化[6,9，11]。但是隨后的研究認為，由于溫度升高，兩者之間的離子間的分子作用力反而是降低的，是由于殼聚糖中的陽離子胺基基團與GP中的磷酸鹽陰離子發生質子的轉換，才使得凝膠化形成[12]。之后的實驗也證實，使用雙蒸水清洗的殼聚糖/GP基水凝膠中的N和P物質是可以移除的，從而證明GP并沒有通過離子力或者共價力與殼聚糖相交聯[13]。所以，殼聚糖/GP基的水凝膠屬于物理交聯的水凝膠，相比其他一些用化學交聯劑制備的殼聚糖及其衍生物水凝膠，其制備方法顯得更加綠色環保。

2.殼聚糖/GP基水凝膠作為緩釋系統的應用

由于殼聚糖/GP基水凝膠的pH值接近中性，而且是通過物理交聯的水凝膠，在交聯的過程中避免了使用化學交聯劑，所以它非常適合作為一些敏感大分子如蛋白質及肽類藥物的載體。Ruel-Garie′py等人[14]首次將殼聚糖/GP應用到藥物緩釋的研究。隨后，他們又嘗試殼聚糖/GP對親水性小分子類脂質體的緩釋，也取得了良好的效果[15]。2004年，研究小組又將另一種疏水性的抗腫瘤藥物紫杉醇與殼聚糖/GP水凝膠復合[16]，發現紫杉醇在殼聚糖/GP中體外緩釋的時間超過了一個月。在體內實驗中他們將復合藥物的凝膠直接注射到鼠的乳腺腫瘤中，對腫瘤的抑制作用明顯，且相比較傳統的藥物使用方法，這種局部用藥具有全身毒性作用小的優點。最近，Sung wooKim等人[17]利用殼聚糖/GP復合另一種用于腫瘤化學治療的鞣花酸(ellagic acid)，發現其對兩種腦部腫瘤細胞的生長有著明顯的抑制作用。

Wu等[18]研究發現，當緩釋藥物時，殼聚糖/GP水凝膠在酸性或堿性條件下均發生較強的突釋，而在用季銨鹽殼聚糖與GP構建的水凝膠中，藥物緩釋顯得較為緩慢。隨后，其研究小組還利用聚乙稀醇(PEG)與殼聚糖交聯，制備了殼聚糖-PEG/GP水凝膠體系用作鼻類藥物載體，發現其無毒性，而且有利于親水性大分子藥物鼻內的黏附釋放[19]。吉秋霞等也利用改性的季銨鹽殼聚糖與GP制備水凝膠緩釋洗必泰，發現其對某些牙周致病菌有著良好的抑制作用[20]。此外，第四軍醫大學馬志偉等人[21]嘗試利用殼聚糖/GP溫敏水凝膠雙緩釋骨形成蛋白和氯己定用于牙周組織再生的初步實驗研究，也取得了一定的效果。由此可見，殼聚糖/GP基水凝膠能適用于多種用途的緩釋。

3.殼聚糖/GP基水凝膠在組織工程及再生醫學中的應用

3.1 軟骨組織工程的應用

由于局部血供不足，膝關節軟骨的自我再生能力很差，細胞治療就被認為是很希望的軟骨再生的修復方式，但在軟骨細胞的培養中發現，在經過三四代培養后，軟骨細胞往往失去分泌軟骨基質的能力。而殼聚糖在結構上與軟骨基質中的糖胺聚糖(GAG)以及透明質酸很相似，所以Hoemann等人[22]利用殼聚糖/GP水凝膠模擬軟骨的細胞外基質復合軟骨細胞進行培養，發現軟骨細胞在支架中生長良好，仍然發揮其軟骨細胞表型。隨后，其研究小組將殼聚糖/GP與自體血相復合，進行一系列的體內體外實驗，成骨的在軟骨缺損的動物模型上取得了成功的軟骨再生[23-25]。國內的研究者將羥乙基纖維素(HEC)加入殼聚糖/GP中提高了其力學性能，也在山羊的膝軟骨缺損模型中取得了修復成功[26]。除此之外，殼聚糖/GP優越的可注射性能使得軟骨缺損的微創治療變得十分的可行，具有十分良好的臨床應用前景。

3.2 骨組織工程的應用

殼聚糖很早就被作為支架材料單獨或者聯合的應用到骨組織工程中，被證明其具備良好的骨傳導性能，以及一定的促進成骨細胞增殖的作用[27]。Kyung Sook Kim等人[28]嘗試將鼠肌肉來源的間充質干細胞與殼聚糖/GP復合，同時在殼聚糖/GP中預先混合了一定比例的成骨誘導液，將其植入裸鼠皮下，四周后的組織切片的von kossa染色陽性，而且同時還發現支架中復合的間充質干細胞對侵潤的宿主炎性細胞有免疫抑制作用。其研究小組還發現，骨組織工程中使用最廣泛，研究最多的骨髓來源的間充質干細胞也在殼聚糖/GP水凝膠中生長良好[29]。他們認為殼聚糖/GP有著良好的骨組織工程支架材料應用潛力。

3.3 心肌組織工程

心肌梗塞造成心肌細胞缺失，對局部缺血以及壞死部位的細胞治療面臨著移植細胞的存留率以及存活率不高的困境，國內軍事醫學科學院盧文寧等人[30，31]嘗試將胚胎干細胞加入到殼聚糖/GP水凝膠中，植入到局部心肌梗塞的鼠模型中，四周后，梗塞區域的心臟功能，心室壁厚度，以及血管密度均顯著高于對照組。他們認為殼聚糖/GP水凝膠是一種非常適宜的心肌細胞載體能被應用于心肌組織工程。

3.4 其他

和軟骨組織一樣，髓核也是一種無血管的組織，其自身的再生能力很差，Roughley等人[32-34]將殼聚糖/GP與髓核細胞相復合，一系列的體內體外研究顯示，殼聚糖/GP水凝膠也取得了良好的髓核再生修復的效果。此外殼聚糖/GP還被應用到神經及腦再生修復等領域中[35，36]。

4.小結與展望

綜上所述，殼聚糖/GP基水凝膠是一種良好的細胞與藥物的載體，可以被用于藥物緩釋以及組織工程等眾多領域。但是，雖然殼聚糖/GP水凝膠在生物醫藥領域的多個方向已經有所建樹，但它也存在著一些自身的缺點，如力學性能較差。此外，單一使用一種材料構建的支架材料作用比較有限，今后，我們可以嘗試將殼聚糖進行改性，如之前提到的季銨鹽殼聚糖，或者與一些合成的高分子多聚物如聚乙烯醇(PEG)、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)等進行接枝，又或者與其他的一些天然或者合成的生物性能好的材料比如膠原，PLGA，TCP等與殼聚糖進行有效的物理交聯，力圖發揮各自材料的優點，彌補對方的缺點，構建一種能發揮多種功效的智能的復合型水凝膠支架材料。

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