1、26 阅f丝调 2009年第3期 医用水凝胶的研究进展 李进进 ，朱南康 ，陈国强 (1苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021；2苏州大学辐照技术研究所，江苏苏州 215200) 摘要：介绍了水凝胶的相关理论和辐射交联技术在水凝胶加工中的应用，综述了含有药物、壳聚糖及羧甲基壳聚 糖等水凝胶的性能和研究进展，简要说明了壳聚糖及其衍生物的功能性，并对有抗菌性能的水凝胶敷料进行展望。 关键词：水凝胶；壳聚糖；辐射交联 水凝胶，是一种能够在水中溶胀，吸收并保持大 量水分而又不溶解于水的亲水性的网状高分子溶胀 体，表面光滑，生物相容性好，在生物和医学工程领 域得到了广泛的研究和应用 。水凝胶
2、聚合物在主 链或侧链上有亲水基团一OH、一O一、一COoH、一 C0ONa基等，在溶胀以后，相当一部分水与这些亲 水基团形成氢键，因而水凝胶能吸收和保持大量的 水2 ；水凝胶表面与周围水溶液之间的表面张力低， 可以减少对体液中蛋白质的吸附作用，所以，水凝胶 作为医疗器材具有很好的生物相容性；另外，水凝胶 具有良好的水蒸气透过率和合适的气体(如O 和 CO )通过率 ；而且，水凝胶不会和伤口粘连，敷贴 及取出极为方便。因而，水凝胶成为近年来较为热 门的研究课题之一。 1水凝胶的分类 11天然水凝胶 形成水凝胶的天然高分子材料主要有胶原、明 胶、透明质酸盐、纤维蛋白、藻酸盐和壳聚糖等。 胶原是一种
3、天然高分子物质，具有较好的生物 学特性，其特有的氨基酸序列可以被细胞识别并被 细胞所释放的酶降解，非常适合制作复合型创伤敷 料；明胶是胶原的衍生物，不具有免疫原性，而且其 水溶液降温就可制成水凝胶；透明质酸是一种蛋白 多糖，是一种细胞外基质，能够促进伤口的愈合，也 非常适合作为创伤敷料；纤维蛋白也已经被用作外 科缝合线及黏合剂，在伤口愈合过程中起到重要作 用。天然水凝胶大多无毒，而且对机体的刺激性很 小，性能优良。但是它们的主要缺点是力学性能太 差，一般只能和其他材料配合使用，或者通过化学改 性来提高力学性能_4。翟茂林、哈鸿飞等 采用辐 射技术制备了K一型卡拉胶(KC)聚乙烯基吡咯烷 酮(P
4、VP)共混水凝胶，研究了共混凝胶内KC含量、 PVP的分子量和辐照剂量等对KCPVP共混水凝 胶性能的影响，KC与高分子量的PVP共混后，在 较低剂量下KC的降解被抑制，从而制得一种由物 理交联的KC和化学交联的PVP形成的互穿网络 (IPN)凝胶，凝胶强度及溶胀性能均得到显著改善。 12合成水凝胶 目前用于合成水凝胶的高分子材料主要有丙烯 酰胺、丙烯酸、聚乙烯醇、甲基丙烯酸羟乙酯、聚氧乙 烯、聚丙烯酸等。合成水凝胶没有免疫原性，易于制 备，且价格较天然水凝胶便宜。但是，合成水凝胶主 要由自由基引发剂和交联剂进行交联的，而应用自 由基引发剂及交联剂尚有缺点，即单体残留、交联剂 或引发剂残留等都
5、会引起炎症或细胞毒性。 辐射交联是指通过电子束或 光子照射，使链 状高分子聚合物交联形成水凝胶的过程 。用辐射 的方法来合成生物医学用水凝胶有许多优点。首 先，它解决了产品灭菌的问题，从一定程度上建立了 一种比传统方法更简单的加工技术；其次，它可以生 产纯净的产品，而不受加载材料和有毒反应残留物 的污染；再次，加速器和丫装置电离辐射的应用对人 类和环境是安全的，可以用来合成人类友好型产 品 。 Yoshfi等l_8 用PEO和PVA经过电子束交联 制得了一种水凝胶烧伤敷料，通过动物实验发现这 2009年第3期 帕，丝tI目 27 种敷料不仅可以加快伤口愈合速度，而且容易更换， 创面没有任何敷料
6、屑残留。 杨占山等9-1o 研究了应用电子束辐射接枝了 不同比例聚乙烯醇(PVA)的聚氧化乙烯(PEO)水 凝胶膜，并研究了该膜的理化特性，讨论了凝胶分数 与辐射剂量、聚合物浓度之间的关系。 ZAjji等1圯用7射线辐照PVP、PEG和琼脂 制得一种伤口敷料水凝胶，研究了实验参数对水凝 胶性能(凝胶分数、最大溶胀度、溶胀动力学和机械 性能)的影响。凝胶分数随PVP浓度的增加而增 加，随PEG浓度的增加而降低。该水凝胶具有良好 的阻菌性能。 2抗菌水凝胶 21含药水凝胶 抗生素的局部应用对伤口感染的防治是十分必 要的。而全身应用抗生素，伤口局部的药物浓度常 常达不到防治感染的有效范围，加大药物剂
7、量，副作 用也会相应增加。把抗生素掺人敷料内用于伤口局 部，是一种简单而有效的给药途径。 杨占山、朱南康等 曾应用冻融循环和辐射交 联技术，制备了含有醋酸氨苄磺胺的增强聚氧化乙 烯共聚水凝胶膜，并对其理化性能和药物释放进行 了研究。经过冻融循环处理后，聚氧化乙烯共聚水 凝胶膜的机械性能得到了明显改善，使该膜作为伤 口敷料具有理想的柔韧性、交联度和伸缩性。岳凌 等l_1列对对辐照前、后两种庆大霉素进行体外抑菌实 验，研究辐照对庆大霉素效价的影响，并应用辐照交 联技术分别对辐照前、后加入药物，制备含药水凝胶 膜，研究其药物体外释放规律，证实辐照前掺入药物 的水凝胶膜的药物释放更为完全。 22壳聚糖
8、水凝胶 壳聚糖，是甲壳素部分或全部脱乙酰化的产物， 是分子链由?-(1，4)一2一乙酰胺基一【)I葡糖单元和8一 (1、4)一2一氨基一【)_葡糖单元组成的共聚物。一般来 说，甲壳素中的N一乙酰基脱去50 以上就可以称为 壳聚糖 。壳聚糖是自然界存在的惟一的高分子 碱性多糖，其资源量仅次于自然界中含量最为丰富 的纤维素。壳聚糖无毒无味，生物相容性好，可生物 降解，且来源丰富，价格低廉。脱乙酰度为78 92 ，相对分子量为(129322)10 的壳聚糖 有很强的凝血作用_】 。此外，壳聚糖对伤口疼痛有 很好的舒缓作用，并能促进伤口的愈合及减小疤痕， 其分子量为(34)10 的抑菌效果要明显优于其
9、 它分子量范围的壳聚糖 。 Shin等 将聚乙烯醇和聚甲基硅氧烷通过 UV辐射的方法接枝到壳聚糖上，制备了三元半穿 网络水凝胶，这种水凝胶可以用作性能良好的生物 材料。通过改变聚乙烯醇、聚甲基硅氧烷和壳聚糖 的单体浓度可制作成性能各异的水凝胶膜。 杨黎明等 。 采用电子束对壳聚糖和丙烯酸混 合水溶液进行辐照，制得了壳聚糖聚丙烯酸(cs PAAc)共聚物水凝胶。研究了pH值、组分配比和 辐照剂量等因素对产物溶胀率的影响。该水凝胶具 有pH敏感性，在强酸性(pH一1)和碱性(pH7) 条件下均表现出较好的溶胀性；而在pH 25范围 内溶胀率较小。 吴国杰等1 以壳聚糖和聚醚为原料，戊二醛为 交联剂
10、，在醋酸溶液中合成了聚醚一壳聚糖水凝胶。 聚醚的引入不仅可以改善凝胶的亲水溶胀性，而且 可以改善凝胶的力学性能。研究了凝胶温度、聚醚 与壳聚糖的质量比、交联剂浓度等对半互穿网络水 凝胶溶胀性能的影响，结果表明聚醚一壳聚糖凝胶是 pH敏感性水凝胶。 Ishihara等侧通过将叠氮苯甲酸和乳糖酸与壳 聚糖分子中的氨基进行缩合反应(产物表示为Az CHLA)后用紫外光照射60 S制成水凝胶。细胞 培养实验表明AzCHLA和由它制得的水凝胶没 有毒性。组织实验表明，给药30 d后，水凝胶产生 部分降解，部分水凝胶被巨噬细胞吞噬，在水凝胶周 围诱发产生了肉芽组织。 23羧甲基壳聚糖水凝胶 壳聚糖分子内存
11、在的羟基、氨基被化学改性。 取代基团发生在O一位则生成()一羧甲基壳聚糖；取 代基团发生在N一位则生成N一羧甲基壳聚糖；取代 基团同时发生在O一位和N一位即生成N，()一羧甲基 壳聚糖(NOCC)。但是，与壳聚糖相比较，NOCC 的一NH 基减少了，抑菌能力将有所下降。可以在 不改变NH。基的基础上，将一OH羧甲基化，这 样一NH 基的数量没有减少，而且由于分子间和分 子内的作用解离的一HN。基的数量增多，使壳聚 糖的抑菌能力增强了 。 当羧甲基纤维素溶液用电子束辐照5 kGy， 10 的羧甲基纤维素溶液可以得到42的凝胶分 数；辐照剂量增加到40 kGy后，凝胶分数可以提高 到60 ；浓度2
12、O的羧甲基纤维素溶液辐照10kGy 后，凝胶分数可以提高到70 ，这样得到的水凝胶 28 乡丝蜩 2009年第3期 适合用做医疗保健产品，如外科手术护垫，可以有效 的预防褥疮2 。 刘鹏飞等_2 利用丙烯酰胺(AAm)接枝改性纤 维素，然后进行羧甲基化反应得到高取代度的丙烯 酰胺一羧甲基纤维素钠(AAmCMCNa)，然后对该 材料进行7射线辐照制备出新型改性CMC水凝 胶。该水凝胶和CMCNa水凝胶相比，优点在于辐 照交联所用的剂量下降，而且所需的CMC浓度减 少，且表现出较好的温度敏感性和pH敏感性。 Zhao等_2_l_用电子柬辐射的方法在室温条件下 制备了聚乙烯醇(PVA)一羧甲基壳聚糖
13、(CMC)共混 水凝胶，与PVA水凝胶相比较，该水凝胶在机械性 能与溶胀性能方面都有明显提高，而且该水凝胶对 埃希氏菌属的大肠杆菌有较好的抗菌性。 3 结语 传统敷料虽然有许多优点，但应用并不令人满 意，其吸液量低，需要厚厚地包扎并经常更换，敷料 吸液后易干燥，并与伤口发生粘连而造成二次创伤 等。尸体皮等生物敷料虽比传统的医用脱脂棉纱布 有很大的改进，但尚有许多目前不能克服的缺点，其 应用受到了限制。而水凝胶医用敷料具有加快伤口 愈合速度、容易更换、可负载各种药物、创面没有任 何敷料残留屑等优点，正在逐渐取代传统敷料。壳 聚糖具有透气、止血、促进伤口愈合、减小疤痕、抑 菌、良好的生理相容性和生
14、物可降解性等优异的性 能，非常适于作为伤口敷料的原料。因此，含有壳聚 糖的抗菌水凝胶敷料具有很好的发展前景。 参考文献： 13 Y L Kuen，J M DavidHydrogels for tissue engineeringJ Chemical Reviews，2001：1869 2 幕内惠三聚合物辐射加工M北京：科学出版社，2003：104 1O6 3J M Rosiak，P Ulanski，L A Pajewski，et a1Radiation forma tion of hydrogels for biomeical purposesSome remarks and comments
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