刺激響應(yīng)性水凝膠的研究進展

刺激響應(yīng)性水凝膠的研究進展

高純度凝膠可在溫度、ph值、電極或化學(xué)品的變化后溶解或收縮。這種凝膠的刺激和響應(yīng)通常被研究人員稱為“智力”。在過去10年里,全世界眾多研究者們對刺激響應(yīng)性凝膠進行了廣泛的研究,希望能研制出與金屬、陶瓷、玻璃等硬材完全不同的可‘智能化’的響應(yīng)環(huán)境,且具有自我感知、自我調(diào)控能力的軟“濕件”。但是由于水凝膠極弱的力學(xué)性能,將其應(yīng)用于智能器件似乎還有很長的路要走。然而,水凝膠的刺激響應(yīng)性卻類似于開放的生物系統(tǒng),且生物體中的許多軟組織具有類水凝膠結(jié)構(gòu),因而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,水凝膠作為藥物釋放載體,軟骨支架,細胞外基質(zhì)顯示出巨大的應(yīng)用前景。本文將簡要介紹近幾年高分子凝膠中水的特異性研究成果,以及凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的最新進展。1非凍結(jié)結(jié)合水的存在機理水合能力和吸水溶脹是水凝膠的一個重要性質(zhì),由于凝膠中的水與高分子鏈段強烈的相互作用,因此凝膠網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對其所包含的水的特性將產(chǎn)生顯著影響,這方面的工作見諸于大量文獻。在目前大量的文獻中,研究人員普遍采用三態(tài)水模型,即自由水、中間水和結(jié)合水。三態(tài)水模型認為結(jié)合水由高分子鏈上的極性基團與水分子之間的氫鍵產(chǎn)生,且檢測各態(tài)水的存在時,通常依據(jù)DSC曲線上水的熱轉(zhuǎn)變行為。DSC曲線上未出現(xiàn)熔化峰被認為是由于水分子參與氫鍵形成結(jié)合水而不凍結(jié),因此結(jié)合水也被稱為“非凍結(jié)水”。但水的“不凍結(jié)”是由多種因素造成的。Raman光譜已證明水分子結(jié)構(gòu)強烈地受高分子鏈段纏結(jié)的影響。筆者以DSC,正電子湮滅技術(shù)(PALS)和NMR研究了不同水含量的明膠內(nèi)結(jié)合水含量的變化規(guī)律。在較低水含量明膠呈凝膠狀態(tài)時,非凍結(jié)結(jié)合水含量隨著水含量增加而增加,但在水含量為50gwater/g明膠,明膠處于溶膠狀態(tài)時,DSC方法未能檢測到非凍結(jié)水的存在。按氫鍵結(jié)合水理論,當明膠網(wǎng)絡(luò)中的極性基團位點全部為水分子-OH結(jié)合后,結(jié)合水含量應(yīng)達到一定值,即使在溶膠狀態(tài),也應(yīng)存在結(jié)合水,因為此時大量的水分子仍可與極性基團形成氫鍵。通過正電子湮滅技術(shù)測定明膠的自由體積和含量,發(fā)現(xiàn)明膠的自由體積均在納米范圍內(nèi),即凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在“納米孔隙”,且NMR結(jié)果表明結(jié)合水的自旋-晶格松弛時間(T1)比自由水降低近15倍。從動力學(xué)上,納米孔隙會阻礙包埋其中水的結(jié)晶,可見這部分水也會形成非凍結(jié)結(jié)合水。Reutner等計算出明膠每一氨基酸殘基與1,2和3個水分子結(jié)合時的結(jié)合水含量分別為15.1%、26.2%和34.7%。我們的DSC實驗結(jié)果得到的非凍結(jié)結(jié)合水含量高達57.4%,可見確有一部分結(jié)合水并非源于水分子與高分子極性氫鍵的形成。在明膠水含量為50%時,PALS結(jié)果表明高分子網(wǎng)絡(luò)中的納米孔隙含量下降,束縛其中的水含量亦下降。因此源于納米孔隙的結(jié)合水含量減小。并且此時處于溶膠狀態(tài)的鏈段運動行為類似液體,使結(jié)合于鏈段上的水分子亦具有與自由水相當?shù)倪\動性,因而此時非凍結(jié)結(jié)合水含量近于零。至此,有理由認為水與凝膠網(wǎng)絡(luò)的極性基團間的氫鍵不是非凍結(jié)結(jié)合水產(chǎn)生的唯一因素,網(wǎng)絡(luò)間的納米孔隙也是非凍結(jié)結(jié)合水形成重要的原因;氫鍵結(jié)合水只是凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同物理狀態(tài)水的一種。2高簇膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用2.1水凝膠rabcitifg作為刺激響應(yīng)性藥物釋放載體,pH、溫度和化學(xué)物質(zhì)敏感性水凝膠一直是研究的熱點,而對化學(xué)物質(zhì)敏感水凝膠研究最多的是響應(yīng)葡萄糖濃度的變化控制胰島素釋放的體系。最近,Miyata等獨具匠心地開創(chuàng)了一抗原-抗體敏感性水凝膠。首先將羊抗兔免疫球蛋白抗體(GARIgG)通過化學(xué)方法連接到琥珀酰亞胺丙烯酸酯(NSA)上形成乙烯基GARIgG,然后以過硫酸銨(APS)和四甲基二胺(TEMED)為氧化還原劑與丙烯酰胺(AAm)形成聚合GARIgG;以類似的方法,將兔免疫球蛋白抗原(rabbitIgG)連接到琥珀酰亞胺丙烯酸酯上形成乙烯基rabbitIgG。再將丙烯酰胺、乙烯基rabbitIgG和交聯(lián)劑N,N-甲基雙丙烯酰胺溶解到含有聚合GARIgG的磷酸鹽(PBS)溶液中,加入APS和TEMED氧化還原劑,最終可形成抗原-抗體半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(semi-IPN)凝膠。此合成路線示于Fig.1中。實驗中發(fā)現(xiàn)該抗原-抗體semi-IPN凝膠的溶脹行為可響應(yīng)自由兔抗原rabbitIgG濃度的變化而改變。Fig.2為抗原-抗體semi-IPN凝膠和無抗原-抗體的聚丙烯酰胺凝膠溶脹度與兔抗原濃度的關(guān)系曲線。由圖可見,抗原-抗體semi-IPN凝膠的溶脹度隨自由兔抗原濃度的增加而上升,而純丙烯酰胺凝膠的溶脹度不依賴于抗原濃度變化。進一步的實驗發(fā)現(xiàn),GARIgG對自由兔抗原的結(jié)合能力比聚合到水凝膠上的抗原能力大3.4倍。由此原作者認為加入的自由兔抗原對GARIgG具有強烈的結(jié)合能力,因而競爭的結(jié)果是semi-IPN水凝膠上的抗體-抗原結(jié)合點解離,自由的兔抗原與網(wǎng)絡(luò)上的GARIgG結(jié)合形成新的結(jié)合位點,因此兔抗原的加入誘發(fā)水凝膠溶脹。有趣的是semi-IPN凝膠具有專一的抗原識別性,它只響應(yīng)兔抗原的濃度變化而溶脹,對羊抗原無響應(yīng)性。這是由于goatIgG對GARIgG無識別性,故它的加入不會破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)上的抗原-抗體結(jié)合點。此外semi-IPN凝膠呈現(xiàn)可逆的兔抗原響應(yīng)性,并具有形狀記憶性,逐步改變抗原的濃度,水凝膠可脈沖地釋放蛋白質(zhì)模型藥物。此具有專一抗原識別性的semi-IPN水凝膠具有誘人的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景,是非常具有啟發(fā)性的。2.2其它生物高分子凝膠生物體內(nèi)許多組織具有水凝膠結(jié)構(gòu),生體組織由細胞和細胞外基質(zhì)組成,而細胞外基質(zhì)成分蛋白質(zhì)、多糖等構(gòu)建成類水凝膠結(jié)構(gòu)。因而從仿生角度出發(fā),創(chuàng)建多糖、蛋白質(zhì)或多肽水凝膠具有極其重要的生物學(xué)意義。多糖在細胞傳遞信息和免疫識別上起著關(guān)鍵的作用,合成技術(shù)的發(fā)展使人們能合成出寡糖,由此加快了揭開寡糖在信號傳遞中的作用。蛋白聚糖是人工軟骨主要的生物大分子之一,它包括一個核心蛋白和共價連接的糖胺聚糖(GAG)鏈。具有軟骨特異性的GAG由硫酸-4軟骨素,硫酸-6軟骨素和硫酸角質(zhì)素組成。但是這些分子是高度水溶的,分子量較低,難以形成凝膠。而與其它陽離子多糖如殼聚糖(CS)等作用可形成凝膠配合物,有望用于軟骨支架中。另一類GAG是透明質(zhì)酸,它存在于滑液,也存在于軟骨基質(zhì)內(nèi),其分子量較大并可形成凝膠。透明質(zhì)酸通過化學(xué)改性拓展了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。完全酯化的透明質(zhì)酸可在體內(nèi)存留幾月,而部分酯化的在幾周內(nèi)可降。透明質(zhì)酸及其衍生物用于治療骨關(guān)節(jié)炎可提高關(guān)節(jié)表面的潤滑性,減小關(guān)節(jié)疼痛。實驗已證實透明質(zhì)酸具有抗發(fā)炎性和前列腺素合成的阻遏效應(yīng)。此外,透明質(zhì)酸可抑制蛋白聚糖釋放和降解,阻止受纖連蛋白調(diào)控的軟骨分解。殼聚糖(CS)的結(jié)構(gòu)與糖胺聚糖相似,殼聚糖與透明質(zhì)酸之間的離子交聯(lián)不僅可使硫酸軟骨素固定在水凝膠中,而且模仿了GAG富集的關(guān)節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)。Suh研究組研制了硫酸-4軟骨素(CSA)-殼聚糖(CS)水凝膠,并考察了軟骨細胞在其表面的生長情況。通過對比實驗發(fā)現(xiàn),一周內(nèi),在聚苯乙烯培養(yǎng)板表面上的細胞呈成纖細胞形態(tài),細胞增殖較快;而在CSA/CS凝膠膜上的細胞保持球形和多角形態(tài),只有輕度的有絲分裂。且培養(yǎng)在CAS/CS上的軟骨細胞合成出軟骨特異性的Ⅱ型膠原,而聚苯乙烯表面的軟骨細胞合成復(fù)雜的膠原系,無軟骨特異性。目前被科研人員廣泛關(guān)注的另一類生物高分子凝膠是多肽凝膠。合成多肽水凝膠的優(yōu)勢在于多肽具有比蛋白質(zhì)更規(guī)整的氨基酸排列和可選擇的氨基酸殘基種類。中西英二報道了一系列功能性多肽凝膠。天冬氨酸以γ射線輻照交聯(lián)可形成凝膠,其吸水率高達3400倍。研究人員對利用微生物產(chǎn)生的多肽創(chuàng)制凝膠也進行了很多探索性工作,這些α-多肽具有不同的生物降解性。從桿狀菌的菌株發(fā)酵合成的聚(γ-谷氨酸)以γ射線交聯(lián)可形成透明的凝膠,且吸水率高達3500倍。這些凝膠不僅具有高吸水性,且可被體內(nèi)的酶分解。另一具有吸引力的多肽凝膠是化學(xué)交聯(lián)的聚(N-烷羥基-L-谷酰胺),它具有適宜的水蒸氣透過性和力學(xué)強度,并可被體內(nèi)酶分解。改變烷基鏈的長度可控制多肽鏈的構(gòu)象,使其具有與生體軟組織同等的力學(xué)強度,即低楊氏模量和高的斷裂強度。3生物高分子凝膠的制備及其性能從近年高分子凝膠發(fā)展趨勢看,理論研究比較少,研究人員更對其應(yīng)用前景感興趣,尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在這方面,高分子合成化學(xué)家作出了很多有意義的工作,他們合成了許多新