第1章 绪论

1.1 医用水凝胶

水凝胶是亲水性聚合物交联网络经水溶胀形成的一种材料形态，是少量的亲水性大分子与大量水的结合体，其中亲水性大分子之间有适度的物理或化学交联，能够保持水凝胶的固态结构。这些聚合物网络中有亲水的基团或区域，对水有高亲和力，可以吸收和保存大量的水。由于它们有交联网络，因而不会溶解，水可以渗透到聚合物网络的分子链之间，从而导致溶胀。从流体力学来看，低浓度亲水性高分子的水溶液，如果没有链段的缠绕，通常表现出牛顿力学行为，高分子链之间交联之后，网络结构就会表现出黏弹性或纯粹的弹性。

医用水凝胶的特性在于较高的水分含量和生物相容性，是生物材料中的重要应用种类。早的应用是将天然高分子胶原制成水凝胶支架，用作烧伤的敷料和人工皮肤，后来随着组织工程的兴起，以天然高分子为基体的水凝胶支架随即成为包裹细胞的研究热点。水凝胶作为理想的细胞支架和药物载体，有望用于修复和诱导再生多种组织和器官。目前，医用水凝胶已在生物和医学领域得到广泛应用，的进展包括新型水凝胶的合成及其在药物输送、组织工程和再生医学方面的应用。

医用水凝胶材料按其生物性能可分为非生物降解和可生物降解两大类。非生物降解水凝胶材料在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并保持良好的力学性能。该类材料应要求其本身生物相容性好，不对机体产生明显的毒副作用，主要用于止血材料、药物释放、人体软/硬组织的填充和替换等。

1.2 医用可降解水凝胶

医用可降解水凝胶，是指水凝胶在植入人体后经过一段时间能被逐渐分解或降解成无毒的小分子物质并被排出体外，或者是被人体代谢和吸收。对这类材料的基本要求是生物相容性良好、高分子本身和降解产物均无毒，同时，要具有与应用匹配的降解速度、适当的物理力学性能及可成型性。

1.2.1 基体材料

医用可降解水凝胶基体材料丰富多样，主要包括天然高分子和合成高分子。这两类材料各有优缺点，通常天然高分子的细胞相容性较好，而合成高分子的机械力学性能较好。

天然高分子是由生物体内提取或自然环境中直接得到的一类大分子，具有良好的生物相容性和可降解性。天然高分子一般不具备足够的机械性能和加工性能，某些蛋白类材料还会在体内引起异体免疫反应，因而在医学中应用更多的是经过化学改性的衍生物或与其他材料的复合物。天然高分子材料往往具有良好的生物安全性和生物相容性，但是，天然高分子材料的降解速率一般都太快，而且因其来源不同，结构与性能存在批次间的差异。

用于制备水凝胶的天然高分子材料为动物体的细胞外基质(ECMs)的主要组成以及其他一些生物体的提取物，主要为多聚糖和蛋白类材料，此外还包括一些生物合成聚酯。多聚糖材料主要包括甲壳质(chitin)、壳聚糖(chitosan)、海藻酸盐(alginates)、透明质酸(hyaluronic acid)、肝素(heparin)、硫酸软骨素(chondroitin sulfate)、改性纤维素(cellulose)、琼脂(agar)、淀粉(starch)及葡聚糖(dextran)衍生物等。蛋白类材料主要包括胶原(collagen)、明胶(gelatin)、血纤蛋白(fibrin)和蚕丝蛋白(silk protein)。合成高分子中研究多的是聚乙二醇(PEG)，另外常见的还有聚氧化乙烯(PEO)、聚反丁烯二酸丙二醇酯(PPF)、聚乳酸和聚己内酯等嵌段共聚物。

1.2.2 交联机理

水凝胶的形成，是采用适当的物理或化学方法，将前驱物或大分子单体在较短的时间内交联固化成为三维材料。通常，水凝胶转变体系在交联之前是黏度相对较低的水溶液，但是在一定的生理学条件下交联后会迅速转变成凝胶。因此，交联固化机理直接影响整个凝胶形成过程的动力学、水凝胶的稳定性以及活性物质在凝胶中的状态。目前，医用可降解水凝胶的交联固化方法主要有离子交联、氢键作用、热致相转变、特异性结合、自由基聚合、共轭反应、分子自组装和酶反应等交联手段。此外，采用添加化学交联剂的方法，如戊二醛(GA)、水溶性碳二亚胺(EDAC)、京尼平等，也可交联制备可降解水凝胶，但由于交联剂具有细胞毒性，因此这类水凝胶不具备原位包覆细胞价值。表1-1中列举了部分近来报道较多的医用可降解水凝胶材料。

表1-1 医用可降解水凝胶材料的交联机制

离子交联是指带电荷的聚合物与带有相反电荷的多价离子或聚合物作用，通过离子键合作用形成水凝胶。某些天然多糖及其衍生物是高分子聚电解质，采用离子引发交联可以形成凝胶，并且产生特殊的刺激响应性，如pH等。海藻酸盐是一种天然衍生多糖，其水溶液通过与二价离子(如Ca2+)的相互作用呈现出可逆凝胶化反应，这些阳离子与海藻酸链上的古罗糖醛酸单元相互作用形成离子键桥，即所谓的"蛋盒结构"。海藻酸凝胶是被广泛用作细胞外基质类似物的支架，具有良好的生物相容性，有利于体外细胞的培养，有希望成为一种商品化的可注射型软组织修复用生物材料。

热致相转变主要是指聚合物溶液通过温度的改变形成凝胶，当温度变化时，聚合物分子链的物理缠结形成交联网络结构。这种水凝胶的形成不需要其他化学试剂的引发，可以以液体的形式注射于体内，原位固化，并且它们的交联点温度可通过调节接近体温，大大降低了外界物质对细胞的影响。热致相转变水凝胶的典型代表为N-聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和普朗尼克(Pluronic，PEO-PPO-PEO)。较为普遍的做法是将PNIPAAm和Pluronic以共聚物或化学接枝的形式与可降解聚合物结合，得到具有良好可控注射和细胞活性的温敏型水凝胶支架。热致相转变水凝胶的共同特征是有亲/疏水基团的共存，疏水基团包括甲基、乙基、丙基等。水凝胶在低温时为液体，当温度升到一定值时形成凝胶，存在临界溶解温度(LCST)。低于LCST时，焓变起主导作用，分子链中的极性基团与水分子形成氢键使聚合物溶解在水中；当温度高于LCST时，熵变(疏水作用)起主导作用，疏水的异丙基在转变中发生脱水，导致聚合物分子在水中的沉淀，但其分子链中大量的羰基仍然能与水分子形成氢键。因此，温度高于LCST时，水凝胶的形成主要是由于疏水作用导致分子链聚集形成交联网络。这类热致相转变水凝胶体积会随温度而变化，在LCST附近体积会突然收缩或膨胀，即发生溶胶相到收缩相的体积转变。目前组织工程领域的研究，主要集中在PNIPAAm共聚物上面，尤其是作为细胞和生长因子的载体的研究；而Pluronic对细胞包载的机械性能，可通过将Pluronic的物理凝胶机制与化学固化结合来进行调节。

共轭反应或偶联反应交联的可注射水凝胶成为研究热点，主要包括迈克尔加成(Michael addition)、席夫碱(Schiff base)反应、第尔斯-阿尔德(Diels-Alder)加成反应和点击化学(click chemistry)等。此类交联过程可在温和条件下进行，且整个凝胶化过程不需要添加不利于细胞生长的化学助剂，因此应用于组织工程具有很大的优越性。与物理交联水凝胶不同，共轭反应交联水凝胶不会发生溶液-凝胶相转变，因此不会有明显的体积变化，这将有利于用于器官缺损的填补。其中，席夫碱反应(醛基与氨基缩合形成酰胺键)是简单易行的交联水凝胶的方法。许多分子中含有相邻羟基基团的多聚糖，如海藻酸、硫酸软骨素、透明质酸和纤维素等，都可以被高碘酸盐氧化来制备此类水凝胶材料。例如，通过席夫碱反应交联的水溶性壳聚糖-透明质酸复合水凝胶支架材料具有较高的细胞活性。采用高碘酸钠使透明质酸部分氧化得到含醛基的透明质酸，与含有大量氨基的水溶性壳聚糖充分混合形成可原位自交联的水凝胶支架材料。该水凝胶的凝胶时间、降解、溶胀和压缩模量等性能可通过不同壳聚糖和透明质酸的浓度和配比进行调节。

自由基聚合交联是使带有不饱和或光敏性官能团的前驱物在热或者光作用下发生自由基聚合或交联形成共价键交联水凝胶。自由基的产生主要通过添加热引发剂或者光引发剂，引发大分子单体上的官能团进行聚合和交联。热引发聚合中，官能团一般是C=C双键，主要采用氧化还原引发体系。氧化还原引发剂水溶性较好，活性较高，但氧化还原体系不可避免地会引起整个水凝胶体系的pH的变化，并且其副产物可能会影响细胞的存活和生长，所以引发体系的选择至关重要。软骨组织工程中常用的有过硫酸铵/四甲基乙二胺(APS/TEMED)和过硫酸铵/抗坏血酸等，主要用于接枝双键的高分子及其衍生物的交联。因此，该凝胶体系需注意引发剂种类的选择、引发剂及副产物的生物毒性、聚合中温度和pH的变化。光引发聚合中，含光敏性官能团(如叠氮)的前驱物可在UV照射下直接聚合；含双键官能团的前驱物可通过加入光引发剂(如I2959)后在UV照射下聚合。光引发聚合速率相对较快，而且副产物较少，但须严格控制UV的照射强度及照射时间、光引发剂浓度以及反应时的温度变化。热引发聚合与光引发聚合比较，后者聚合速率快，对细胞影响较小，但由于UV的透过率有限，不能用于较深组织的修复，而前者无此限制。自由基交联形成的凝胶为共价键交联，凝胶结构比较稳定，强度较高，而且反应可控制性较好，易于手术中的操作，但由于需其他物质参与，并伴有化学反应，因此对细胞的影响较大。通过对引发体系各项参数的优化及其他操作条件的严格控制，能够降低或消除体系对细胞的影响以满足组织工程的需要。通常采用自由基聚合交联的水凝胶支架的机械性能比较优异，这正是软骨修复应用中所希望的特性之一。采用不同类型、浓度的引发剂以及不同交联剂的比例，交联聚合物具有显著不同的特性，其中交联剂的比例影响交联密度，从而影响终的机械性能。特别需要注意的是，固化时间的控制必须要符合临床上的应用，以避免水凝胶固化时间不当引起注射材料周围组织的坏死。

1.3 医用可降解水凝胶的应用

医用可降解水凝胶材料主要用于细胞、药物和基因载体材料，按材料形态可分为大尺寸水凝胶、可注射型水凝胶、微凝胶材料等。

1.3.1 细胞支架

医用可降解水凝胶重要的应用是作为可注射型细胞支架，用于组织工程和再生医学领域。通常情况下，细胞体外培养的环境无法模拟人体内部的细胞生长环境，因而细胞在体外培养时很容易丧失其功能性的表达，不能进行正常的基质分泌、分化和增殖。水凝胶有利于营养物质和细胞分泌产物的运输，能够为细胞的分裂与分化提供更接近于天然细胞外基质的化学与物理环境。

从临床使用的角度考虑，水凝胶支架可通过注射的方法植入所需部位，在一定条件下原位形成三维支撑体，避免了创伤性的外科手术，降低了手术难度，更容易被患者所接受。用于临床治疗时，将细胞悬浮于液态支架前驱体组分中，混合后直接注射到缺损部位，支架在体温下可快速原位成型，细胞可以均匀分布在整个水凝胶支架中。因其高含水量、生物相容性和机械性能类似天然软组织，类似体内环境的特质更有利于细胞的分化和功能表达，使得水凝胶在组织工程应用方面特别有吸引力。此外，水凝胶尤其适合填补任意形状的缺损，其物理形态和人体软组织接近，可用于向细胞传递信号，作为细胞生长和功能的支持结构，为缺损空间提供填充。

用于临床治疗时，水凝胶既可以直接植入体内作为组织的替代材料，也可在水凝胶交联之前将细胞悬浮于液态前驱体组分中，混合后直接注射到缺损部位，然后在体温下快速原位交联成型。所需营养由体液交换提供，细胞可渗透其中进行生长，终修复受损的组织。图1-1为水凝胶材料作为细胞支架在组织工程中的应用示意图。

图1-1 可注射型水凝胶材料在组织工程中的应用示意图

水凝胶支架的物理参数包括机械强度和降解等，而生物特性包括生物相容性和提供与生物相关的微环境的能力。由于水凝胶支架要负载细胞和细胞生长因子，因此注射后溶液凝胶化的条件必须是温和的。作为组织工程支架，还需考虑可注射型水凝胶的机械性能。对于软骨和骨等承重组织，支架需具有足够的机械强度以支撑所修复的组织，