刺激響應水凝膠在藥物控制釋放中的應用

暴學英 袁宏博 高冬 崔起帆 馬剛 邢成芬

摘要 傳統的給藥方式具有藥物使用效率低、全身毒性大的缺陷，研究開發可局部持續給藥的生物材料成為了研究熱點。其中，水凝膠因其獨特的物理化學性質越來越引起人們的關注。水凝膠是一種柔軟的3D結構材料，通過交聯可形成多孔網絡結構，具有可注射的性質和作為藥物倉儲的潛質。人體的病變部位的微環境與正常部位有著明顯的差異，比如溫度升高、PH值升高或者某些特異性酶的分泌增多等。而對這些外部刺激如溫度、光、電磁、pH、葡萄糖或酶促環境等做出響應，從而釋放出藥物的水凝膠，稱之為刺激響應性水凝膠或者“智能”水凝膠。刺激響應性水凝膠作為藥物遞送系統對生物醫學具有重大意義。本文綜述了在不同微環境條件下刺激響應性水凝膠的藥物遞送原理，并對其未來的發展進行了展望。

關 鍵 詞 水凝膠;刺激響應;藥物釋放;持續可控;微環境

中圖分類號 O632? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Traditional methods of drug delivery have the disadvantages of low efficiency and high systemic toxicity. The research and development of biomaterials that can continuously release drugs locally has become a research hotspot. Among them， hydrogels have attracted growing attention due to their unique physical and chemical properties. Hydrogel is a soft 3D structural material with porous network structure through cross-linking， which is favorable for injection and drug storage. The micro-environment of the diseased region is significantly different from the normal part， such as increased temperature， pH， or secretion of certain specific enzymes. The hydrogel that releases drugs in response to these external stimuli， such as temperature， light， electromagnetic， pH， glucose， or enzymatic environment， is called a stimuli-responsive hydrogel or "smart" hydrogel. Stimuli-responsive hydrogels are of great significance for biomedicine as a drug delivery system. This article has reviewed the principles of drug delivery for stimuli-responsive hydrogels under different microenvironment conditions， and brought prospects for its future development.

Key words hydrogels; stimuli-responsive; drug release; continuously controllable; microenvironment

0 引言

水凝膠是一種柔軟的3D結構聚合物材料[1]，其主要組成成分是水（約含99%）。水通過分子間的親水性和聚合物鏈間的交聯聚集在一起，進而形成了多孔網絡狀結構。水凝膠通常由天然[2]或合成的聚合物制成[3]。天然來源的聚合物包括多糖和多肽：藻酸鹽、果膠、纖維素、明膠、葡聚糖-蛋白質/脂質。水凝膠也可以由N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）[4]、聚丙二醇（PPG）[5]、聚乙二醇（PEG）、聚酰亞胺、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺等合成（PAM）[6]。在水凝膠中，聚合物鏈通過物理或化學鍵交聯形成多孔網絡狀結構。物理交聯的水凝膠是由離子相互作用、疏水相互作用、自組裝、非共價相互作用、熱縮合、特定分子識別和卷曲螺旋相互作用形成的?；瘜W交聯的水凝膠是由自由基聚合、官能團和高能輻射引起的化學反應或牢固的化學鍵形成[7]。水凝膠的溶脹、粘度、彈性、剛度和機械強度等多種特性決定了水凝膠的智能性和功能性。這些水凝膠的性質取決于聚合物鏈的尺寸、強度，纖維的取向、組成，以及網絡篩孔的尺寸分布，結合和游離水含量的水平，化學鍵的強度以及鏈的交聯方式[8]。

水凝膠已經成為了新型應用的先進材料，其應用范圍從藥物遞送[9-10]到傷口敷料愈合[11-13]、增強視力的隱形眼鏡[14]、食品[15]、組織工程[16-17]和許多其他技術應用[18]。其中基于水凝膠的藥物遞送系統越來越引起科學界的關注，這種系統可作為治療各種疾病的藥物倉庫。人體的許多部位都含有以細胞外基質、膠原蛋白、粘液、明膠、軟骨、半月板、表皮、玻璃體液和肌腱形式存在的水凝膠。水凝膠的親水性和3D結構使它們具有保持大量水或生物液體的能力。水凝膠由動態交聯結構組成，這使它們能夠保持水凝膠網絡的完整性。水凝膠支架中高含水量的存在有助于營養物質的擴散。它們還具有與天然細胞外基質（ECM）極其相似的彈性和柔韌性，可為周圍細胞提供結構和生化支持，有很好的生物相容性，這些性質促使水凝膠成為用于藥物遞送的新型材料。水凝膠通過將目標藥物封裝在水凝膠基質中從而組裝成為載藥水凝膠，在目標位置可根據病變部位微環境的變化，例如溫度升高或pH值發生改變等刺激從而發生收縮、溶脹或降解等結構上的變化，促使包封于水凝膠結構網絡中的藥物分子釋放至病變局部。

普通水凝膠作為藥物遞送系統主要是依靠藥物本身的擴散或者材料自身的降解進行釋放藥物，這種釋放方式是不可控制的，可能無法達到藥物遞送的預期效果。經過研究人員不斷的努力，通過修改其物理和化學性質來設計這些水凝膠，使其對溫度、pH、光、磁場和電場、離子、離子強度或酶促環境等外部刺激做出響應，稱其為刺激響應性水凝膠或者“智能”水凝膠。刺激響應水凝膠在非侵入性遠程控制療法中顯示出巨大潛力，包括靶向藥物[19-21]，再生醫學[22]，組織工程[23-26]和植入人工器官[27-28]等。文章主要介紹了不同環境下用于局部藥物遞送的刺激響應水凝膠的最新研究進展，并討論當前的研究重點和未來趨勢。

1 刺激響應性水凝膠的分類

近來，人們對于刺激響應性的水凝膠產生了極大的興趣，這些智能水凝膠具有響應其外部環境變化的能力。例如，這些聚合物可響應于pH、離子強度或溫度的變化而在其溶脹行為、溶膠-凝膠轉變、網絡結構、滲透性或機械強度方面顯示出顯著變化。相比之下，常規的水凝膠僅在周圍環境和水的變化下而經歷溶脹-退溶脹過程。

物理刺激包括溫度、電場、磁場和光，而化學刺激包括pH、離子和特定的分子識別事件（例如葡萄糖）。一些水凝膠還對酶和抗原的特定分子產生反應，這可能會引起生物學或生化反應。其中，在所有對刺激敏感的水凝膠中，pH和溫度響應性的水凝膠已得到了最廣泛的研究。因為這兩個因素在人體內具有生理學意義，并且可以輕松控制并適用于體內或體外條件。

1.1 溫度響應性水凝膠

溫度響應性水凝膠是水凝膠系統中研究最為廣泛的一類。水凝膠是由具有較低臨界溶液溫度（LCST）的聚合物溶液形成的，該臨界溶液隨著溫度升高到LCST以上而收縮，從而顯示出與溫度的非線性關系，這被稱為逆溫度依賴性。溫度響應性聚合物水凝膠的特征是單體中存在疏水性基團（例如甲基，乙基和丙基）和親水性基團（例如酰胺和羧基）。親水性基團在低溫下通過氫鍵與水結合，促使水凝膠膨脹從而呈現溶液狀態，在溫度上升接近人體溫度時，氫鍵會減少，水凝膠收縮呈現為凝膠狀態。溫度響應性聚合物水凝膠在低溫溶液狀態時可混入目標藥物，當溫度升高，轉變為凝膠狀態時可封裝目標藥物到體系中，達到裝載藥物的目的，具有很強的可操作性。

1.2 光響應性水凝膠

對光有反應的水凝膠稱為光響應性水凝膠。光響應性水凝膠是控制藥物釋放的實用選擇，因為可以高精度無創地誘導它們，從而增加其在靶部位的作用并降低全身毒性。當前正在使用和研究的光源包括UV，可見光，NIR和各種波長的激光。光響應性水凝膠由聚合物網絡和作為功能部分的感光基團組成，光的刺激可引起其物理和化學性質的改變。光學信號首先被光致變色分子捕獲，該光致變色分子通過異構化（順反，開-閉）、裂解和二聚化的光反應將光輻照信號轉換為化學信號，后者的信號被轉移到水凝膠的功能部分并控制其性能。盡管有最新進展，但許多光響應性聚合物的合成過程異常復雜且對技術敏感，這限制了其批量生產的能力。

1.3 電磁響應性水凝膠

響應電場和磁場的水凝膠分別響應電流刺激或外部磁場的微小變化而改變其性能，這種水凝膠就叫做電磁響應性水凝膠。電磁響應性水凝膠是一種會膨脹、收縮或彎曲的水凝膠，通常會以聚電解質水凝膠（包含高濃度可電離的系統）的形式研究這些水凝膠。合成電活性水凝膠的聚合物包括聚乙烯醇、丙烯酸/乙烯基磺酸或磺化聚苯乙烯，天然存在的聚合物通常也可以用于制備電響應或磁響應材料，例如藻酸鹽、透明質酸和殼聚糖已與合成聚合物共混用以制備此類水凝膠[29-30]。刺激響應性水凝膠和帶有磁性的材料（如磁性納米粒子）結合已顯示出能夠以快速模式響應適當的磁場，這些對刺激有反應的水凝膠在響應環境刺激時其網絡結構和溶脹行為發生了巨大變化，并且形狀和體積會發生可逆地變化。這些性質促使電磁響應性水凝膠可用于靶向藥物輸送系統，監視系統的濃度和分布并影響藥物釋放速率，從而能夠精確控制藥物輸送的位置和速率。

1.4 pH響應性水凝膠

水凝膠制備中使用的經典pH敏感聚合物為聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酰胺（PAAm）、聚甲基丙烯酸（PMAA）、聚甲基丙烯酸二乙氨基乙基酯（PDEAEMA）和聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯（PDMAEMA）及其共聚物。這些聚合物含有疏水基團并可以在水中溶脹，這取決于外部環境的pH。另一方面，各種天然聚合物，例如殼聚糖（陰離子）、藻酸鹽（陽離子）、白蛋白和明膠，也表現出pH響應的溶脹行為。由于這些多糖的pH敏感特性，這些聚合物與熱響應性材料的組合可產生雙重刺激響應性聚合凝膠，用作響應人體局部pH和溫度條件的傳遞媒介。pH響應凝膠在組織工程應用中，特別是在生物活性劑的遞送和摻入方面顯示出廣闊的前景。這些類型的水凝膠最常用于口服給藥的控釋藥物的開發，還被設計用于臨床實踐中胰島素的遞送。

1.5 葡萄糖響應性水凝膠

研究了對葡萄糖敏感的水凝膠，因為它們是開發胰島素輸送系統的杰出候選者，該系統可以作為人造胰腺來響應血糖濃度從而施加精確量的胰島素。近年來，隨著更好地控制糖尿病患者的血糖水平的需求的不斷增長導致該領域的研究開發逐年增加。開發對血糖濃度有反應的自我調節胰島素釋放系統的最通用方法是將葡萄糖氧化酶（GOD）和過氧化氫酶固定在pH響應水凝膠中，該凝膠封裝胰島素的飽和溶液。濃度梯度的這種變化促進了水凝膠的溶脹和網絡篩孔尺寸的增加，從而導致先前捕獲的胰島素從基質中擴散出來。胰島素釋放后，糖水平下降，導致pH升高，從而阻止了其他胰島素的釋放[31-32]。

1.6 生物/生化響應性水凝膠

生物響應性水凝膠是含有生物學指導功能的部分并已設計為與生物環境相互作用的系統。生物響應性水凝膠的體內適用性使其特別引人注目，令人感興趣的還包括生物分子的使用，通常是在特定酶的作用下可裂解的肽序列，這些酶在水凝膠系統中起交聯作用[33]。酶在底物上的催化活性會導致凝膠溶脹特性的變化。例如酶基質金屬蛋白酶（MMP）家族，具有分解ECM分子的特性，并廣泛參與組織發育和重塑[34-35]。由于酶的反應性具有很高的選擇性，并且是各種生物學途徑中的重要組成部分，因此可以通過摻入特定的底物來對材料進行編程以對特定的酶做出反應。最近，刺激響應性水凝膠作為藥物遞送的載體受到越來越多的關注。通過簡單地將生物活性底物摻入前體溶液中將其包封，可將其應用于腫瘤治療中。

2 刺激響應水凝膠在藥物控制釋放中的應用

2.1 溫度響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

Pratikkumar等利用可生物降解的聚合物聚己內酯（PCL）和聚乙二醇（PEG）成功制備了穩定的溫度響應性水凝膠體系，此體系是可注射的并且具有很好的生物相容性，經實驗檢測該溫敏性水凝膠獲得了藥物雙氯芬酸鈉的持續藥物釋放[36]。Rowan等設計制備出了一種新型仿生水凝膠多肽聚乙腈類（PIC）聚合物。這種水凝膠具有穩定的螺旋骨架、溫敏性凝膠化性質、多孔微觀結構以及應力剛化的效應（見圖1），能夠很好地模擬細胞生長的微環境[37-42]。最近，邢成芬研究組將陽離子寡聚（對亞苯基亞乙烯基）（OPV）與PIC組裝在一起，制備并構建了一種可以實現3D細胞培養的新型仿生復合溫敏性水凝膠。當細胞在3D培養過程中發生癌變或微生物感染時，添加魯米諾發光系統會導致強大的生物發光共振能量轉移（BRET）過程，從而在3D培養物中產生高活性的活性氧（ROS），并殺死癌細胞和致病微生物[43]。在此基礎上，最近此研究組又設計制備了基于PIC和共軛聚噻吩（PMNT）的混合仿生溫敏性水凝膠。在紅燈照射下，PMNT和PIC的組裝體系生成的ROS比PMNT多很多，顯示出對各種病原體有效光動力學的抗菌活性[44]。

2.2 光響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

光響應性水凝膠作為藥物遞送的載體受到了特別的關注，光敏性水凝膠具有可以立即準確地施加光刺激的優點。吳華悅等基于香豆素衍生物合成了光可裂解的低分子量水凝膠劑（LMWG）。核磁和紫外光譜研究表明該膠凝劑具有良好的膠凝能力，并且膠凝的驅動力是氫鍵和p-p堆積。該水凝膠在光照射下，在7-氨基香豆素中的C-N鍵處會發生光裂解。光裂解引起的凝膠-溶膠轉變，有希望在抗腫瘤藥物阿糖胞苷的光觸發藥物釋放中發揮潛力[45]。Qiu和Park[46]研究了由環糊精或偶氮苯改性的葡聚糖組成的光響應性水凝膠，此光響應性水凝膠可作為蛋白質的受控傳遞系統。但是，這些水凝膠系統的響應時間太慢。因此，速效水凝膠的研發是很有必要的，這需要水凝膠性能的顯著改善。

2.3 電磁響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

Ana等研究了摻雜有氧化鐵納米顆粒（MNPs）的PVA水凝膠，研究表明當暴露于外部磁場強度的周期性變化（開/關）時，能夠以無創的方式可逆地調節摻雜有氧化鐵納米顆粒（MNPs）的水凝膠的親水性。當磁場強度連續變化時，觀察到磁性PVA水凝膠的表面接觸角的變化。由于這些雜化水凝膠的親水性對磁性的依賴性，磁場也對蛋白質吸附產生了影響，通過開/關磁場實現了對蛋白質吸附釋放機制的非侵入性調節（見圖2）。這對蛋白質藥物的應用具有重大意義[47]。

2.4 pH響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

Sung等研究建立了pH響應水凝膠在蛋白質藥物遞送中的應用，該研究中使用了以殼聚糖為基礎的衍生物N，O-羧甲基殼聚糖（NOCC）和藻酸鹽水解膠體，并與水果提取物京尼平混合，從而形成聚合物載體，該載體在實現基于位點的蛋白質藥物遞送方面顯示出良好的效果[48]。具有pH響應能力的水凝膠可以在酸性條件下有效地釋放出藥物，并在正常的生理環境中將藥物的釋放量降至最低。郭保林等開發了一系列基于N-羧乙基殼聚糖（CEC）和二苯甲醛封端的聚乙二醇（PEGDA）的pH響應型自修復注射水凝膠，并證明了其作為阿霉素（Dox）載體通過使用席夫堿的pH響應性質可用來治療肝癌[49]。

2.5 葡萄糖響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

王立等[50]報道了一種葡萄糖反應性，不可降解的微針（MN），它由含硼酸鹽的水凝膠組成，并通過生物相容性絲素蛋白（SF）半萜烯修飾，可用于智能胰島素的輸送（見圖3）。微針技術可以以非侵入性的方式經皮輸送胰島素，為糖尿病管理中的皮下自我注射提供了一種有希望的替代方法。該混合微針在皮膚施用后保持完整，而不會在皮膚上留下聚合物殘留，因此允許長期控制藥物遞送的可能性，同時降低了感染的風險并消除了安全隱患。

2.6 生物/生化響應性水凝膠在藥物控制釋放中的應用

王樹等設計并合成了一種新型的陽離子OPVBT，它在白光照射下會產生大量的ROS。通過邁克爾加成反應將半胱氨酸末端的寡肽添加到四臂PEG-VS上，構建了與OPVBT結合的MMP敏感水凝膠系統。由于腫瘤細胞中MMP的過度表達，從水凝膠中釋放出來的OPVBT可以選擇性地照亮腫瘤細胞，并在光照射下通過ROS抑制腫瘤細胞的生長[51]。Ali等的研究中使用明膠甲基丙烯?；℅elMA）作為工程可生物降解微針的基礎材料，將抗癌藥阿霉素（DOX）裝入GelMA微針中。GelMA微針可以有效地穿透小鼠尸體皮膚的角質層，可以通過調節交聯度來調節GelMA微針的機械性能和藥物釋放行為。GelMA微針通過支架的溶脹和酶促降解釋放了負載的治療藥物，測試證明了所釋放的藥物對黑素瘤細胞系A375具有抗癌功效[52]。

3 結語

文章總結了在不同刺激條件下的智能響應性水凝膠，提供了多種智能響應性水凝膠生物材料，并且總結了在不同環境下載藥的刺激響應性智能水凝膠的響應機理及其在生物醫藥的應用。環境刺激包括溫度、光、電磁、pH、葡萄糖或酶促環境的變化。智能響應性水凝膠的性質會依據這些環境刺激發生氫鍵減少、結構異構化等改變，致使水凝膠的溶脹行為、溶膠-凝膠轉變、網絡結構、滲透性或機械強度方面顯示出顯著變化。刺激響應性水凝膠的3D多孔網絡結構為裝載藥物提供了可能，智能水凝膠根據環境的變化而發生理化性質的改變，會使水凝膠網絡結構發生構象變化，從而促進目標藥物從網絡體系中釋放到病變部位，達到治療的作用。水凝膠局部藥物遞送的治療方法提高了藥物的利用率，增強了藥物效果，降低了藥物毒性，這為許多重大疾病提供了新的治療方式。

但是，水凝膠作為局部藥物遞送的生物材料，仍然具有無法精確控制藥物釋放速率的缺陷，這會導致病變部位的藥物濃度無法維持一個恒定值，影響治療疾病的效果。另外，水凝膠對于病變部位成膠的靶向比較差，多數是通過直接注射到病變部位或相近部位而實現的。而且，隨著突然發作、病情危重的疾病逐年增多，速效水凝膠研究開發的需求越來越緊迫。因此，在未來對于刺激響應性水凝膠的研究還需要注重改善水凝膠的性能，提高水凝膠藥物遞送速率的穩定性和水凝膠的靶向性以及應激性。例如可以通過在水凝膠分子上裝載能與目標部位細胞的細胞膜上蛋白質有特異性結合的分子或者基團，從而獲得性能更加優良的智能水凝膠。

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