智能水凝膠藥物控釋系統的研究進展

李玉芳，劉君瑜，王翔宇，肖 宇，包崇云

藥物控釋系統，是指以某種方式持續釋放藥物的體系，與傳統的片劑、注射劑等藥物制劑相比，其能夠保持穩定的血藥濃度，減少不良反應，提高生物利用率。水凝膠是一種常用的藥物釋放載體，它的高親水性和良好的生物粘附性，使其可以吸收大量的水分或生物液體，利于藥物的載入，并且使藥物可以在黏膜或者體液中保持較為持續的釋放[1-2]。水凝膠憑借著一系列優勢，在牙髓中的應用也成為熱點[3]。智能水凝膠除了具備水凝膠的基本特征之外，還對外界多種信號刺激產生響應，這些信號包括溫度、pH[4]，光、壓力、電場[5]、磁場以及某些特定的生化分子等。所以，智能水凝膠已經廣泛應用于生物傳感器、 組織工程和再生醫學[6-7]等多個生物領域。近年來，智能水凝膠的“響應特性”在藥物控釋研究領域也引起了學者們極大的關注，本文將按照不同的響應類型對智能水凝膠進行分類，介紹每一種智能水凝膠的結構、性質及應用。

1 智能水凝膠的分類與應用

1.1 溫度敏感型水凝膠

溫度敏感型水凝膠廣泛應用于藥物控釋系統，尤其在抗菌領域的應用研究屢見不鮮[8]。許多高分子聚合物都表現出隨溫度出現體積相變的響應性。其中，聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)是最廣泛使用的一種溫敏高分子。該聚合物可以在32 ℃的水中完成體積的轉變，這個溫度被稱為低臨界溶液溫度(LCST)，當環境溫度高于此溫度時，疏水作用較強，凝膠收縮，反之，親水作用強，水凝膠膨脹[9]。Yang等[10]利用聚乙二醇(PEG)的丙烯酸衍生物與PNIPAAm在水溶液中共聚，制得的聚合物其LCST為26 ℃，低于PNIPAAm的LCST。Zhang等[11]利用線性的聚乙烯醇(PVA)與PNIPAAm形成半互穿網絡結構制得了一系列溫敏水凝膠，結果證實這種水凝膠比單純PNIPAAm水凝膠具有更靈敏的溫度響應性。Cao等[12]將PNIPAM與肽納米纖維自組裝形成具有可逆的溶膠-凝膠相變的混合物，當高于其LCST時，呈現固態3D網絡結構，有利于抗菌肽的載入和釋放。

另一類溫敏水凝膠是聚氧乙烯(PEO)和環氧丙烷(PPO)的嵌段共聚物(商品化產品有普朗尼克Pluronic，泊洛沙姆Poloxamer)[13]，其LCST接近體溫，能夠在體內完成可逆性的溶膠-凝膠轉化，是藥物的合適載體，尤其可以應用于注射藥物輸送，可作為原位凝膠的藥物釋放代表[14]。溫敏水凝膠的這種特殊性能使其可以采用注射、外耳道等多種給藥方式在不同部位發揮緩釋作用。Li等[15]的相關研究表明向腫瘤內注射包裹強力霉素及低分子肝素的溫敏水凝膠，能夠有效抑制肺癌細胞的增殖。Yang等[16]設計了一種泊洛沙姆407的聚合物負載環氧沙星，經外耳道給藥應用于鼓膜治療中耳炎的動物實驗，證明該水凝膠的有效性。

1.2 pH敏感型水凝膠

所有pH敏感型水凝膠都是可質子化的聚合物，通常含有酸性或堿性基團(如羧基，氨基)[17-18]，這些基團可以根據外界環境的pH變化而釋放或接受質子，使水凝膠發生體積的變化。這一特點使pH敏感型水凝膠常被用作靶向藥物輸送和釋放的載體。

根據離子性質的不同，可以將pH敏感型水凝膠主要分為兩類：聚陰離子型和聚陽離子型。聚陰離子型水凝膠，特點是在酸性環境下體積收縮，在中性條件下膨脹。在制備某些蛋白類藥物的口服制劑時，因蛋白的理化性質不穩定，在胃酸環境中容易造成蛋白失活，利用率低，聚陰離子型水凝膠則對這一類藥物起到包裹和保護的作用。Gao等[19]將羧甲基纖維素與聚丙烯酸雜交共聚，以胰島素作為藥物模型載入其中，動物實驗顯示糖尿病大鼠服用該藥物凝膠6 h后即發揮藥效，起到了降低血糖的作用。同時，與游離的胰島素制劑相比，藥物利用率提高了10倍。聚陽離子型水凝膠，則是在酸性的環境下膨脹。El-Mahrouk 等[20]將殼聚糖與甲硝唑均勻混合，凍干后裝入膠囊中應用于動物模型，制備的水凝膠在犬胃中保存時間至少為48 h，對幽門螺桿菌的殺滅效果優于市售的甲硝唑口服片。Zhao等[21]合成了一種用于殺滅牙菌斑生物膜中的致病細菌的膠束，此種膠束在中性條件下帶有負電荷，可以與帶有正電荷的氯己定結合，當到達酸性的生物膜處，膠束轉變為正電荷，使氯己定釋放。研究表明，此種膠束能有效殺滅生物膜中的致病菌。

由于溫度和pH值是生物體內兩個基本的理化指標，因此很多研究將pH敏感型高分子和溫度敏感型高分子通過接枝或互穿形式結合成為雙重響應的水凝膠，使其具有溫度-pH的雙重響應性。Rwei等[22]用PNIPAm、4-氨基2-亞甲基-4琥珀半醛酸和環糊精的共聚作用在37 ℃時合成了3組分共聚物，用阿托伐他汀作為藥物模型，研究了該共聚物在不同的pH值(pH=2.0和pH=7.4)溶液中進行藥物釋放的情況，結果表明該水凝膠具有雙重敏感性。在pH=7.4的溶液中其藥物的釋放率最大，意味著這種體系可以有效地在中性或堿性(腸道)環境中釋放藥物。Yue等[23]將聚乙二醇與丙烯酸甲酯共聚制備了一種新的pH值和溫度雙重敏感的共聚物，研究了載有5-Fu的水凝膠在不同pH值(pH=1.2和pH=7.4)和溫度(25 ℃和37 ℃)下的釋放情況，在pH=1.2溫度為37 ℃時釋放量低，而在pH=7.4溫度為25 ℃時釋放量高，證明了這種新型的水凝膠控制和靶向遞送抗癌藥物的潛力。

1.3 生化分子敏感型水凝膠

這種類型的智能水凝膠中通常包含某些片段或分子可以對特定的生物分子進行選擇性地結合，將這些生物分子結合或固定于水凝膠上，該體系就能對特定的化學物質(如葡萄糖、DNA、抗原抗體等)的不同濃度變化做出響應，產生體積的轉變。其中具有代表性的是葡萄糖敏感型水凝膠。

葡萄糖敏感型水凝膠在近年來得到廣泛的關注，目前主要用于胰島素的智能控釋研究。根據不同的反應機制，葡萄糖敏感型水凝膠可分為3種。

(1)基于葡萄糖氧化酶(GOx)和pH敏感性水凝膠基質形成，它的釋藥機制主要是，在血糖濃度升高時，依靠GOx與環境中的葡萄糖分子進行催化反應，生成葡萄糖酸和過氧化氫，導致周圍環境pH值變化，該化學信號由pH敏感型水凝膠獲得，繼而發生自身體積的改變—膨脹或者收縮來釋放藥物[24]。Li等[25]將GOx與過氧化物酶固定于一種pH敏感肽水凝膠，同時包裹胰島素，研究胰島素的釋放情況，在低糖溶液中只有少量的胰島素被釋放出來，而在高血糖狀態下，胰島素的釋放率增加，水凝膠的反應速度也明顯加快。Liu等[26]將GOx固定于光交聯的殼聚糖水凝膠膜表面負載甲硝唑用于牙周炎治療，該材料可以感知周圍葡萄糖的濃度，以調整凝膠體積控制甲硝唑的釋放，實驗證明該水凝膠在高濃度葡萄糖溶液中對牙齦卟啉單胞菌有較好的抗菌能力。Wang等[27]制備了一種緩釋TNFα抗體的葡萄糖敏感支架用于糖尿病牙槽骨缺損的修復，研究表明，該支架對葡萄糖控制不良引起的牙槽骨缺損具有良好的抗炎和促進骨形成的作用。

(2)基于葡萄糖結合蛋白，主要是伴刀豆球蛋白A(Con A)形成的體系，其釋藥機制為：Con A是一種植物凝集素蛋白，能特定地與葡萄糖、甘露糖結合，在這種體系中，藥物分子包被于Con A與糖基化的基質材料形成的水凝膠中，當葡萄糖濃度升高時，周圍的葡萄糖分子會競爭性地與Con A結合，導致藥物和Con A之間的結合力下降，水凝膠的交聯結構被破壞，然后釋放藥物。Tanna等[28]依靠Con A、葡聚糖與羥乙烯聚合物共價耦合作為胰島素的釋放載體，血糖升高時轉化為溶膠。

(3)基于葡萄糖結合分子，主要是含苯基硼酸基團(PBA)形成的體系，這種體系的水凝膠能與含有羥基的藥物發生結合，當溶液中葡萄糖濃度升高時，類似于Con A體系，葡萄糖分子會與藥物發生競爭，導致水凝膠結構的破壞而釋放藥物[29]。Zhao等[30]合成的苯硼酸葡萄糖敏感顆粒-水凝膠負載胰島素后，注射于糖尿病小鼠皮下，可使血糖維持在正常范圍內2周左右，該水凝膠給藥頻率較低，可以模擬胰島素分泌，是糖尿病治療的有效方法。

1.4 光敏感型水凝膠

光敏感水凝膠是可以由光輻射引發體積變化的一類水凝膠。光敏感凝膠常可用于經皮膚和眼部等體表部位給藥。Pauly等[31]將聚甲基丙烯酸甲酯接枝到聚合多孔膜上通過原子自由基聚合反應(ATRP)制得光響應膜，在紫外線輻射下獲得了良好的滲透性，可以用于皮膚藥物輸送。由于多數光響應型水凝膠的制備是依靠材料的溫敏性，因此溫度和光照雙響應的載藥系統也引起了很多關注。Wang等[32]報道了一種兩親性的光熱雙重響應的三嵌段水凝膠，由聚N-異丙基丙烯酰胺、聚丙烯酰嗎啉、聚(2 -((((2-硝基卞)氧)羰基)氨基)甲基丙烯酸乙酯)嵌段共聚構成核殼結構，將親水性藥物吉西他濱和疏水性藥物阿霉素共同載入，結果顯示，該水凝膠具有雙重敏感，可以在溫度或者紫外光的影響下，實現凝膠和溶膠轉換，達到釋放藥物的效果。

1.5 電場敏感性水凝膠

此種水凝膠以電流作為環境信號來誘導水凝膠的響應，溶液中的離子在電場作用下發生定向遷移，導致凝膠的內外兩側出現離子濃度差，繼而引起滲透壓的差異，促使水凝膠發生體積的變化。很多高分子都可以用作制備電敏感型水凝膠，比如合成高分子中的聚乙烯醇(PVA)和馬來酸酐丙烯酸鈉共聚物[33]，磺化聚苯乙烯[34]，天然高分子中的殼聚糖，透明質酸等[35-36]。Ge等[37]制備了由導電聚合物聚吡咯制成的包含納米粒子的雙刺激(溫度和電場)響應系統，將液體狀態下的聚合物注射于小鼠背部后，聚合物轉變為凝膠，并在電場刺激下實現了藥物的局部釋放。Qu等[38]將右旋糖酐與苯胺三聚體混合，合成了一系列具有良好的控釋能力的水凝膠。除電場敏感型水凝膠，還有一類磁場敏感型水凝膠。Song等[39]以超分子鏈作為支架，在磁性溶液中浸泡合成磁性DNA水凝膠，制備了磁性DNA水凝膠封裝單酶或多酶，與游離酶相比，包封多酶磁性DNA水凝膠顯著增強了酶活性，提高了級聯反應效率。

1.6 壓力敏感型水凝膠

壓力敏感型的智能水凝膠的體積變化主要是基于熱力學計算理論，根據這一理論，在低壓力下坍塌的水凝膠會膨脹得更劇烈。Kim等[40]制備的聚N-異丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide)水凝膠證實了這一理論。實驗表明，當溫度接近LCST時，聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠在流體靜壓力作用下其膨脹程度將會增加。其他的一些溫度敏感型水凝膠，比如聚N,N-二乙基丙烯酰胺，聚N正丙基丙烯酰胺在接近其LCST時也表現出壓力敏感性。Manasadeepa等[41]制備了載有阿莫西林和雙氯芬酸鈉的壓敏膠，實驗發現壓敏膠具有良好的粘附性，且給藥方便，去除并未損傷頰黏膜，藥物釋放時間長達8 h。

2 結 語

目前大多數智能水凝膠仍處于實驗室研究階段，性能尚不完善，其感應性、生物相容性和生物降解性均有待改善，并且應用于生物醫學，包括口腔醫學的智能水凝膠研究仍較少。只有依據口腔內特殊環境，經過高分子科學、材料學、醫學和藥劑學等多學科的交叉發展，才能使智能水凝膠的基本性能及藥物控釋過程達到臨床應用要求，到時候會有更多的基礎研究轉化用于臨床治療，造福生物醫學。