纖維素基水凝膠在醫用領域的研究進展

張奧涵，陳偉坤，余旺旺

（南京工業職業技術大學機械工程學院，江蘇南京 210023）

1 纖維素基水凝膠的簡介

水凝膠是具有三維(3D)網絡結構的聚合物材料，因其具有親水性聚合物鏈，所以具有在間隙結構中吸收和保留大量水的能力。水凝膠一般分為天然來源水凝膠（天然水凝膠）或通過化學反應合成水凝膠。天然來源的水凝膠通常被稱為生物聚合物基水凝膠，其在生物相容性、生物降解性、無毒性、生物模仿性等方面具有一些特性[1]。然而合成水凝膠或化學改性水凝膠（雜化水凝膠）在功能方面有更大的改性，這使得合成或改性水凝膠比天然水凝膠更有市場吸引力。生物聚合物基水凝膠的來源主要來自植物或動物提取物以及纖維素，故這種水凝膠被稱為纖維素基（CB）水凝膠[2]。纖維素基水凝膠可以由純纖維素和天然纖維素與LiCl/二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）、離子液體（ILS）、堿/尿素（或硫脲）化學溶解。纖維素衍生物通常由酯類組成，如：醋酸纖維素、鄰苯二甲酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、醋酸纖維素三頭狀、鄰苯二甲酸羥丙基甲基纖維素（HPMCP）或乙醚類、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥丙基纖維素和羥丙基甲基纖維素組成[2]。

天然水凝膠通常來源于多糖和蛋白質衍生物[3]。纖維素及其衍生物基水凝膠由多糖開發而成[2]。基于天然纖維素的水凝膠可以通過物理交聯并從純纖維素溶液中制備。自然界中最豐富的是天然葡萄糖聚合物，如棉花和亞麻。此外，由羥基組成的甲殼素、殼聚糖和細菌纖維素也可用作纖維素的替代來源以開發具有獨特結構和性能的水凝膠[3]。

纖維素基復合水凝膠是通過將天然可生物降解聚合物、合成聚合物與纖維素或其衍生物如甲殼素、殼聚糖和淀粉混合，以實現新的結構設計和功能特性。例如在硫脲水溶液中混合纖維素和甲殼素，可以制備得到相分離的復合水凝膠[3]。另一種特殊類型的水溶性水凝膠稱為聚電解質復合物，可以通過在CMC 存在下引入其他帶正電荷的聚電解質來構建。殼聚糖和CMC 溶液混合形成兩性水凝膠膜，然后與戊二醛交聯。該水凝膠可以根據溶液的pH 而彎曲朝向到陽極或陰極[4]。

纖維素-無機雜化水凝膠是通過將無機物作為增強材料添加進纖維素基水凝膠體系來制備以提高功能性能。聚丙烯酰胺/海藻酸鈉/二氧化硅玻璃增強纖維素納米晶制備的纖維素-無機氫化物水凝膠，具有良好的壓縮剛度、高孔隙率、高降解穩定性、熱穩定性、良好的細胞粘附和增殖等力學性能，適合于骨組織工程應用[4]。

2 纖維素基水凝膠在醫用領域的研究進展

2.1 藥物輸送

復合水凝膠的藥物釋放系統通過響應環境刺激（光、溫度、pH、化學反應、電場和磁場）而在預期的位置如組織、細胞等傳遞藥物。由于水凝膠的溶脹性和收縮性引起的聚合物聚集導致透射率、水動力半徑和刺激誘導的分子間和分子內氫鍵的變化，因此儲存于在組件中的藥物可以釋放[5,6]。纖維素及其衍生物在不同反應水平上的加入導致了水凝膠系統的結構和形態變化，由于羧基內排斥力導致了孔尺寸的增強，從而導致了較大的溶脹比[6]。

Abouzeid 等[7]提到，在較高電解質濃度下，羧甲基纖維素/淀粉高吸水性水凝膠比純纖維素基水凝膠更有效。殼聚糖/果膠水凝膠由于較好的粘附性和酶降解性故而應用于結腸特異性藥物傳遞。pH 敏感的水凝膠可以用作輸送腸道或結腸特異性口服藥物的載體。

HalibN 等[8]提到了殼聚糖基水凝膠用于口腔、眼部和鼻腔給藥的多維度給藥系統。對于真皮和透皮給藥系統，HL N.M 等[9]詳細闡明了纖維素衍生物基水凝膠的制備方法。

纖維素基水凝膠在疾病早期發現和治療方面有較大的技術進步。納米粒子，如基于脂質的膠束和脂質體、聚合物膠束和樹狀大分子、碳納米材料以及無機和金屬納米粒子，正被廣泛應用于如位點特異性藥物傳遞、用于體外和體內診斷的生物傳感器以及用于醫學成像的造影劑[10]。纖維素衍生物還用于滿足活性藥物成分的填料、溶解度和生物利用度增強劑等不同要求，以方便劑型的制造或從制劑中獲得一定的釋放剖面[10]。

2.2 傷口愈合敷料

傷口愈合是一種自然的修復反應，而且是一個復雜而動態的過程。纖維素基水凝膠及其衍生物可被用來制作不同形式的傷口敷料產品，如：纖維、膜和海綿[11]。通常纖維素本身沒有抗菌活性來防止傷口感染，因此ZnO 或銀納米顆粒被浸漬到纖維素凝膠系統中以賦予抗菌性能[12]。水凝膠的多孔和相互連接的三維結構有助于細胞的生長，而且聚合物易改性的特點使它們能夠作為藥物運輸的強大和多用途的載體。如今新型可注射水凝膠可以替代危險的手術[11]，與純殼聚糖相比，殼聚糖衍生物具有更強的抑菌活性，在傷口自愈應用中更為穩定[11]。此外，最近的應用與各種類型的“智能”自愈和防腐涂層有關，這些涂層使用聚合物基納米粒子的刺激響應行為[12]。

2.3 組織工程

組織工程是纖維素基水凝膠的最新應用，纖維素基水凝膠作為支架來模擬細胞外基質的細胞功能，并產生新的組織[12～14]。例如支架為所需的新組織生成提供了適當的條件（空間和營養），并可能在原位或體外調節工程組織的結構和功能[13]。此外，水凝膠支架在人體許多組織的工程中幾乎有臨床用途，包括軟骨、骨骼、肌肉、皮膚、脂肪、動脈、韌帶、肌腱、肝臟、膀胱和神經元。除臨床使用外，水凝膠還可作為組織生長的表面修飾體。生物醫學植入物和支持組織生長的合成材料所需要的表面，要么能夠抵抗某些細胞的附著同時結合其他細胞，要么能夠在某些條件下結合生物部分。通過防止不需要的細胞粘附和促進骨與皮膚與種植體生物材料的相互作用來控制和調節細胞相互作用。組織工程還側重于替換受損或感染的組織或器官，以幫助身體再生新的功能組織[14]。根據Huang 等[14]的理論，這通常是通過含有活細胞、三維多孔基質或支架和生物活性分子的結構來實現的。另外支架材料應具有廣泛的生物相容性、生物降解性、機械強度、孔隙率和藥物活性劑釋放量等性能[13]。

2.4 保健和衛生產品

統計數據表明，水凝膠作為一種超吸水樹脂（SAP）在個人保健和衛生女性產品領域的使用量是相當驚人的。天然不溶性水凝膠具有較高的液體吸收能力，這是SAP 的關鍵要求之一，可以吸收水的初始重量的1000 倍以上。SAP 獨特的溶脹特性也有助于擴大孔徑，使大量分泌的液體，如血液、尿液，可以進入水凝膠結構。90%以上的紙尿褲、餐巾紙和其他衛生產品都是以丙烯酸或丙烯酰胺等丙烯酸酯為基礎的合成聚合物，但是其具有一些明顯的如毒性、非生物降解性、膨脹性、環境不友好性等[15,16]。隨著亞麻紗高吸水樹脂的發展，克服了傳統合成水凝膠的局限性[15]。

Mendes B 等[16]介紹了具有pH 和鹽溶液響應性的CMC 和HEC 基水凝膠。MendesB 等[16]評估了新開發的水凝膠在不同的pH 和鹽濃度下的吸水能力和抗拉強度，并表明在中性pH（7.4）時吸水率較高，并且吸水率隨著鹽的金屬離子電荷的降低而降低。此外，在丙酮存在下，通過相反轉干燥技術在水凝膠中加入微孔結構，由于毛細管效應，水保持能力和溶脹動力增強[15]。利用無毒交聯劑開發可生物降解、可再生和可回收的纖維素基水凝膠，以實現可回收性的SAP 的制備。DoenchI 等[17]提出將丙烯酸與KOH 中和，與殼聚糖混合，在紫外光固化下形成的高吸水性聚（丙烯酸）接枝殼聚糖水凝膠具有超強吸水能力。通過反向懸浮聚合法，以纖維素、丙烯酸和丙烯酰胺為單體制備的纖維素基SAP 具有耐濕性能和較高的吸水能力。此外Chen 等[18]提出了一種新的纖維素基水凝膠，該水凝膠由四元化纖維素(QC)和天然纖維素在溶液中化學交聯而成，以克服機械性能差、生物相容性差以及與商用一次性紙尿褲中使用的現有高吸水樹脂抗菌活性不足等固有弱點。

2.5 智能材料

由于纖維素基水凝膠的整體生物相容性、細胞和小分子的高存儲容量和凝膠-水溶液界面的低界面張力，纖維素基水凝膠在智能器件的制造廣受重視。纖維素顆粒及其衍生物和復合材料具有豐富的性質且兼具有環境友好性。纖維素的特性被應用于電響應電流變(ER)懸浮液[19]。含碳納米管的纖維素復合粒子可作為導體應用于健康監測、智能紡織品、液體泄漏檢測、應變傳感器、熱敏電阻、濕度或蒸汽傳感器、應變傳感器、生物傳感器、化學傳感器、電池、儲能和超級電容器[20]。

水凝膠膜可以作為一種高度敏感的pH 響應納米傳感器，其具有較短的響應時間。被功能化水凝膠包覆的生物傳感器可以通過產生信號來檢測和記錄有關濃度變化、特定官能團的信息，這一信號與含有有機和無機污染物的目標分析物的濃度成正比[21]。水凝膠的靈敏度取決于大量物理量，如溫度、電壓、pH、水中有機化合物的濃度和鹽濃度[21～24]。刺激響應的水凝膠能夠可逆地將化學能轉化為機械能，這使得它們作為傳感器應用的敏感材料非常有用。對此Guenther和Gerlac[22]進行了探索，用于測量基于水凝膠溶脹行為的傳感器中使用的環境參數，包括修改光學布拉格光柵傳感器中波長的全息衍射、石英晶體微天平在微重力傳感器中的共振頻率位移、微機械雙層懸臂梁的彎曲、彎曲板在電容器及電感微機械諧振器和壓阻壓力傳感器中的偏轉[22]。

對pH 敏感水凝膠的溶脹性能由于聚合物分子鏈中所含的功能性酸性或堿性基團而各不相同。由于這些基團的解離和反離子的流入，水凝膠中離子的密度高于周圍溶液中的離子密度，其導致滲透壓和進入水凝膠的溶液通量以及溶脹性能的差異[23]。另外，電荷與聚合物鏈的相互作用和排斥也導致溶脹增加。除了pH 的靈敏度和化學成分外，信號的重現性和長期穩定性是成功實現傳感器的最關鍵指標[24]。傳感器的良好長期穩定性取決于水凝膠的穩定性。在更深的意義上，刺激反應的多層膜可以通過膨脹和收縮來改變它們的孔徑以響應外部刺激。這些調節膜被設計成分離膜和傳感器。近幾年，Richter[24]發現纖維素基水凝膠在微流控和特殊成像系統中遵循這種設計原則。

3 總結和展望

纖維素基水凝膠是一種線性聚合物，因其獨特的化學結構和其所具有的親水基團能夠吸收和保留巨大比例的水，從而具有多種物理性質。多功能物理化學性質的結合使水凝膠具有廣泛的生物醫學應用。本綜述旨在關注纖維素基水凝膠及其衍生物在生物醫學應用。鑒于纖維素基水凝膠具有的生物相容性、生物降解性等特性，纖維素基水凝膠有望成為生物醫學工業中具有廣闊前景的材料，將廣泛應用于傷口敷料、組織工程和藥物輸送系統。然而這些研究也存在一定局限性，如結構不穩定、性能有待提高等問題，還需要進一步的探索與研究。