温敏性抗菌水凝胶的制备与控释技术研究进展

引用本文: 彭锐, 张晶晶, 杜春贵, 滑亚婷. 温敏性抗菌水凝胶的制备与控释技术研究进展[J]. 化学通报, 2020, 83(1): 10-16. shu

Citation: Peng Rui, Zhang Jingjing, Du Chungui, Hua Yating. Progress in Preparation and Controlled Release Technology of Thermo-Sensitive Antibacterial Hydrogels[J]. Chemistry, 2020, 83(1): 10-16. shu

温敏性抗菌水凝胶的制备与控释技术研究进展

浙江农林大学工程学院杭州 311300

通讯作者: 杜春贵男, 教授, 博士, E-mail:chunguidu@163.com

基金项目:

国家自然科学基金项目（31870541，31370568）资助

摘要: 温敏水凝胶是一类通过感知温度变化使自身发生相变的智能型聚合物凝胶，通过负载抗菌剂或抗菌性单体制备抗菌水凝胶是近年来药物控制释放、组织工程以及生物免疫等领域关注的热点本文概述了负载抗菌剂型温敏性抗菌水凝胶的物理交联和化学交联制备技术的研究概况，着重阐述了温敏性抗菌水凝胶的孔径调控、制备材料调控、载药模式调控等技术的研究进展，并对温敏性抗菌水凝胶的控释技术应用前景，特别是在生物质材料领域的应用前景进行了展望

关键词:

温敏水凝胶
/ 抗菌
/ 制备
/ 控释

English

Progress in Preparation and Controlled Release Technology of Thermo-Sensitive Antibacterial Hydrogels

School of Engineering, Zhejiang A&F University, Hangzhou, 311300

Corresponding author: Du Chungui, chunguidu@163.com

Received Date: 15 August 2019
Accepted Date: 20 October 2019
Available Online: 01 January 2020

Abstract: Thermo-sensitive hydrogels are a class of intelligent polymer gels that undergo a phase change by sensing temperature changes. Preparation of antibacterial hydrogels by loading antibacterial agents or by antibacterial monomers is a hot spot in the fields of drug controlled release, tissue engineering and biological immunity in recent years. In this paper, the research progress in physical crosslinking and chemical crosslinking preparation technology of temperature-sensitive antibacterial hydrogels are reviewed. The control technology, such as the pore diameter, the preparation material and drug loading mode regulation is described. And the application of thermo-sensitive antibacterial hydrogel in controlled release technology, and especially the application prospect in the field of biomass materials are prospected.

Key words:

1967年Scarpa等^[1]首先提出了聚N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)在31℃时存在临界相转变温度(LCST)，随后温敏性水凝胶开始被广泛研究与报道温敏性水凝胶即对温度敏感的水凝胶，属于智能高分子水凝胶的一种，其在应答外界温度刺激时会发生自身相变，在LCST下具有溶胀或收缩行为，常用于药物的控释、酶的固定化等领域^[2~4]

温敏性抗菌水凝胶是指将抗菌剂负载于温敏性水凝胶中或者用抗菌性单体交联聚合成具有抗菌功能的凝胶材料^[5]20世纪70年代，温敏性水凝胶逐渐被应用于医药行业的抗菌性研究，并逐渐发展成为一个新的研究方向；我国在90年代亦有学者投入到温敏性抗菌水凝胶的研究当中^[6]对于自身抗菌型和负载抗菌剂型温敏性水凝胶，影响其抗菌效果的因素分别为抗菌性单体与抗菌剂的抗菌性能两者的区别在于后者与抗菌剂的释放有关，主要受水凝胶溶胀性能的影响，而溶胀性能又受制于共聚单体比率等聚合条件的调控因此，对于负载抗菌剂型温敏性水凝胶可以通过调整制备条件实现抗菌物质的有效释放^[7]温敏性抗菌水凝胶既具有水凝胶的韧性、吸水溶胀性、生物相容性，又兼顾抗菌剂的抗菌性，在生物医药、纺织等行业具有广阔的应用前景^[8~10]近年来，有关温敏性抗菌水凝胶多响应性及多功能性的研究与应用已被众多研究者报道与熟知^[11~15]

温敏性抗菌水凝胶的制备方法主要包括物理交联法和化学交联法其中，物理交联过程中因不涉及化学试剂的使用而避免了抗菌剂的抗菌性能削弱甚至消失，但交联不均匀等问题的存在，导致制得的水凝胶出现力学性能差、交联点易于解体等问题^{[16, 17]}与物理交联形成的可逆凝胶网络不同，化学交联的水凝胶不溶于水且制备过程中所形成的永久性凝胶网络有效地确保了其在受到外界环境刺激时会通过溶胀和溶胀可逆行为做出响应^{[18, 19]}

温敏性抗菌水凝胶的控释技术是基于水凝胶具备的储存药物、控制释放速度、驱动释放三种功能，通过改变水凝胶的溶胀性进而实现抗菌剂定时、定量释放的一种新兴技术此外，温敏性抗菌水凝胶对抗菌物质的挥发、分解有极大的阻碍作用，可以充分保证抗菌物质的稳定性截止目前，尽管已有大量人员对温敏性抗菌水凝胶进行了研究与报道，但主要集中在制备工艺与性能等方面，而对温敏性抗菌水凝胶调控技术的研究报道很少，特别是负载抗菌剂型温敏性抗菌水凝胶的控释技术的相关研究报道更少为此，笔者对温敏性抗菌水凝胶的制备方法、控释技术的研究进展进行了综述，并对其今后的应用前景进行了展望，可为温敏性抗菌水凝胶大力推广应用提供有益的参考与借鉴

1. 温敏性抗菌水凝胶的制备方法

温敏性水凝胶通过负载抗菌剂制得温敏性抗菌水凝胶，在制备过程中最重要的是分子之间发生交联作用，主要从物理交联和化学交联两方面实现，这些交联作用的温度依赖性控制了凝胶的温敏行为^[20]

1.1 物理交联

物理交联是指通过静电、氢键、疏水相互作用等物理结合的方式形成水凝胶三维网络的制备方法^[21]其中，氢键交联的物理凝胶应用最为广泛，其利用分子间的氢键形成具有可逆性氢键交联网状结构的交联形式^[22]Cheng等^[23]通过将水相氧化石墨烯(GO)分散体与纳米凝胶分散体混合，制备了一种可注射的温敏性抗菌水凝胶，羧基和乙氧基之间依靠氢键相互作用使GO和纳米凝胶完成可逆组装该混合水凝胶在温度的刺激下使氢键断裂，释放GO，具有较高的抗菌活性，可以作为抗菌支架进行组织修复

氢键交联通常也可以通过反复冻融的方式来实现，反复冻融法是使含有活泼基团的聚合物内部生成微晶，以微晶作为交联点富集成三维网络结构的水凝胶的一种方法^[24]Sung等^[25]利用循环冻融技术由壳聚糖、聚乙烯醇和二甲基四环素合成温敏性水凝胶，具有良好的抗菌作用2018年，Noori等^[26]采用反复冻融法制备了聚乙烯醇/壳聚糖/纳米粘土纳米复合水凝胶，温度升高导致溶胀增加，该系统具有抗pH和温度变化的智能释放能力，且该水凝胶的抗菌活性超过99%

1.2 化学交联

化学交联是指在机械力、光、热、高能辐射、超声波等媒介和交联剂等的作用下，大分子链之间通过化学键联结起来，形成三维网络结构的过程^{[27, 28]}自由基聚合法在化学交联方法中最具代表性，其是在交联剂存在下单体经自由基均聚或共聚制备高分子水凝胶的一种方法^[29]

2010年，Xu等^[30]利用自由基聚合法制备的温敏性抗菌水凝胶在一定温度下可实现对大分子抗菌药物的持续释放罗春华等^[31]通过自由基聚合制备了负载盐酸四环素且具有温度和光双重敏感的水凝胶，在37℃时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均出现明显的抑菌圈，并且抗菌性能随着盐酸四环素浓度的增加而提高张俊芝等^[32]以生物相容性良好的L-精氨酸为原料，经过改性制备具有两性离子基团的改性精氨酸M-Arg单体，然后与NIPAM按不同投料比经自由基聚合制备出生物相容性良好和具有温敏性的P(M-Arg/NIPAM)系列可逆的复合水凝胶敷料，通过载入具有广谱抗菌效果的洗必泰后，使其具有良好的抗菌及药物控释性能溶胀性能测试表明，载药水凝胶敷料对温度具有敏感性，其溶胀率随着温度的升高而降低，在30~40 ℃范围内收缩率较大，有利于药物的快速释放

与物理交联形成的可逆凝胶网络不同，化学交联可以形成永久性的凝胶网络，化学交联水凝胶不溶于水，在受到外界环境的刺激时会通过溶胀和溶胀可逆行为来做出响应^[33~35]物理交联的温敏性抗菌水凝胶避免了化学试剂的影响，抗菌剂的抗菌活性稳定，具有低毒(甚至无毒)、易生物降解等优点，故在生物医学等领域应用更广

2. 温敏性抗菌水凝胶的控释技术

1987年，Bae等^[36]合成了负载吲哚美辛的聚(NIPAM-co-甲基丙烯酸丁酯)温敏抗菌性水凝胶，通过对吲哚美辛的控释实验进行控释技术研究此后，有关温敏性抗菌水凝胶的制备与应用研究受到不断关注

温敏性抗菌水凝胶的释药机理是：当水凝胶的外界环境温度升高到LCST以上，水凝胶表面会收缩成一个致密的、很薄的皮层，阻止水凝胶内部的水分和药物向外扩散，水凝胶会处于“关”的状态；当温度低于LCST时，皮层溶胀消失，内部的抗菌剂通过自由扩散的形式向外释放，水凝胶处于“开”的状态，可以通过孔径、制备材料、载药模式的改变控制抗菌剂的释放^[37~39]

温敏性水凝胶控释技术是指以温敏性高分子材料作为基材与活性制剂结合制得温敏性水凝胶，在环境温度刺激下控制药物释放，从而使活性制剂的浓度保持在预定范围内的技术，在药物控释领域中是一种可以对抗菌物质实施有效调控的新型技术手段目前，有关温敏性抗菌水凝胶的调控技术的研究，主要通过改变温敏性水凝胶的溶胀性能及抗菌物质含量实现对抗菌物质的控制释放

2.1 孔径调控

传统方法合成的温敏水凝胶具有较高的溶胀比，但溶胀速率慢限制了其发展，合成具有多孔结构的凝胶以提高温敏水凝胶的响应速率可以有效克服这一不足

冷冻干燥法多用于制备具有多孔结构的物理交联水凝胶，具有制备工艺简单、环保且不存在致孔剂残留等优点^[40~42]2013年，杨桔^[43]以NIPAM与丙烯酰胺为单体采用冷冻干燥法制备的P(NIPAM-Co-AAM)温敏性水凝胶，具有多孔结构，在相同的较短时间药物释放量达90%，而普通的水凝胶只释放了60%左右的药物2015年，Kojarunchitt等^[44]采用相同的方法制得的多孔水凝胶的温度响应速率得到有效提升体外释放实验表明，37℃下能够持续释放抗原至少14d，且抗菌效果稳定图 1为冷冻干燥法制备多孔水凝胶的过程示意图

图 1

图 1. 冷冻干燥法制备多孔水凝胶的过程示意图^[42]

Figure 1. Process diagram of preparation of porous hydrogel by freeze-drying^[42]

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2017年，Bardajee等^[45]用NIPAM接枝共聚到淀粉改性氧化石墨烯(SMGO)合成出一种多孔温敏纳米凝胶(TNGs)，与GO和SMGO制备的传统凝胶相比，TNGs具有纳米孔结构，对抗菌药物阿霉素(DOX)和双氯芬酸钠(DS)具有较高的载药量体外释放实验结果显示，在42℃条件下，TNGs释放DS和DOX的速度明显快于37℃条件下这是由于在PNIPAM的LCST以下，PNIPAM侧链上的酰胺极性基团与DOX分子的羟基(或DS分子的羧基)之间存在较强的范德华力相互作用和氢键作用；温度升高，提供键能，破坏范德华相互作用和氢键，DOX(或DS)释放图 2中可以看到TNGs的孔洞结构形貌

图 2

图 2. GO、SMGO、TNGs的SEM和TEM图^[45]

Figure 2. SEM and TEM images of GO, SMGO, and TNGs^[45]

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2.2 制备材料调控

2.2.1 共聚单体比率

合成水凝胶的聚合物单体材料起到“响应性开关”的作用，影响水凝胶的水解速率因此，水凝胶单体材料的含量对抗菌水凝胶中抗菌药物的释放起到重要作用，进而可以通过调整水凝胶共聚单体的比例来控制抗菌剂的释放时间和释放量(见表 1与图 3)

表 1

表 1 制备不同单体配比的抗菌水凝胶^[32]

Table 1. Preparation of antibacterial hydrogels with different monomer ratios^[32]

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试样	编号	M-Arg/mg	NIPAM/g	产率/%	载药量/%
(M-Arg/NIPAAm)	1^#	33	67	52.31	2.25
(M-Arg/NIPAAm)	2^#	50	50	53.33	1.83
(M-Arg/NIPAAm)	3^#	67	33	69.23	1.49

图 3

图 3. 不同水凝胶敷料内洗必泰的释放^[32]

Figure 3. Release of chlorhexidine in different hydrogel dressings^[32]

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Escobedo-Lozano等^[9]的研究表明，随着SA含量的增加，PVA-SA膜的水解降解速率以及生物相容性显著增加崔海春等^[46]将己二酸对硝基苯基酯单体(NA)和赖氨酸二丁二醇酯(Lys-4)以不同的交联比制得系列负载抗菌剂三氯生的载药水凝胶，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均能有效抑制结果表明，交联密度大的水凝胶具有降解速率小、释放周期长、载药率和载药量大等特性

2017年，张俊芝等^[32]以表 1的投料比经自由基共聚制得具有温敏性的系列物理交联水凝胶，在包埋抗菌剂洗必泰后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好的抗菌性，且在同等条件下，NIPAM单体含量越高，水凝胶抗菌时效越长(见图 4)

图 4

图 4. P(M-Arg/NIPAM)水凝胶敷料对大肠杆菌的抗菌活性^[32]

Figure 4. Antibacterial activity of the P(M-Arg/NIPAM) hydrogel dressings against E. coli^[32]

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2.2.2 共聚单体的尺寸

通过减小水凝胶单体材料的尺寸改善水凝胶溶胀过程中的溶胀速率，可以提高水凝胶的响应速度及抗菌剂的释放速度，最终实现对药物更有效的控制释放，图 5(a)为水凝胶载药微球的粒径对释药速率的影响示意图，图 5(b)为不同粒径的水凝胶载药微球释药率与时间平方根的关系图

图 5

图 5. 不同尺寸的GLPS超分子水凝胶载药微球的释药性能^[48]

Figure 5. Drug release properties of GLPS supramolecular hydrogel microspheres with different sizes^[48]

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通过不同的制备和合成方法，可以得到多种形态的纳米粒子，如纳米颗粒、纳米球或者纳米胶囊等(见图 6)纳米凝胶中的连接点是基于纳米粒子与纳米粒子之间的相互作用，外界温度的增加使纳米粒子间作用力被破坏2012年，Fullenkamp等^[27]研制了一种能同时形成银纳米粒子和固化银纳米粒子的银释放抗菌水凝胶，在一定温度下的缓冲溶液中，银的释放持续至少两周，具有显著的抑菌性2015年，Yadollahi等^[48]在羧甲基纤维素水凝胶中原位合成粒径为10~20 nm的甲基纤维素/氧化锌纳米复合水凝胶与纯水凝胶相比，纳米复合水凝胶在不同水溶液中的溶胀率要高得多，可以有效地应用于生物医学领域Cheng等^[23]在2018年报道了一种由氧化石墨烯(GO)和热敏纳米凝胶直接组装而成的可注射纳米水凝胶，在温度的刺激下具有药物释放行为，具有较高的抗菌活性

图 6

图 6. 不同类型的纳米载体^{[49, 50]}

Figure 6. Different types of nanocarriers^{[49, 50]}

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2.2.3 载药浓度

温敏性抗菌水凝胶中抗菌剂的浓度会直接影抗菌剂的释放速率，因而可以通过对抗菌剂含量的调节控制抗菌剂的释放，达到期望的抗菌效果2010年，Ji等^[51]以壳聚糖(CS)、季铵盐和甘油磷酸酯为原料，制备出负载0.1%氯己定(Chx)的温敏水凝胶，37℃时可持续释放Chx达18h以上，释放速率可通过调节甘油磷酸酯或Chx浓度来控制孔杰等^[52]所制备的复合水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抗菌效果，随着纳米银含量的增加，抗菌效力提升Gao等^[53]以聚乙二醇衍生物为前体形成含有DOX·HCl的温敏性可注射抗菌凝胶，置于缓冲液中37℃下浸泡进行体外释放实验，从图 7中可以看出，药物释放速率受载药浓度的影响载药浓度较高的水凝胶释放速率稍快，这是由于水凝胶与释放介质之间的DOX·HCl浓度差异较大所致

图 7

图 7. 不同浓度的阿霉素(DOX)在pH=6.8和7.4时的释放曲线^[53]

Figure 7. Release curves of DOX at pH=6.8 and 7.4 at different concentrations^[53]

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2.3 载药模式调控

除了温敏性水凝胶，也有学者尝试用温敏性微球实现对抗菌药物的有效控释^[54~56]作为一种新型控释给药系统，温敏性微球是一种利用温敏性高分子材料将药物包裹或使药物分散于载体材料中而形成的微小球状实体制剂，其中药库型微小胶囊称为微囊，基质型固体骨架物称为微球，其粒径一般在1~250 μm^[57]刘纯等^[58]制备出负载抗菌物质DS的丝素蛋白-壳聚糖温敏性微球，37℃下体外释放实验结果表明，该微球持续释药时间可以达到200h微球技术具有以下优点：避免抗菌剂氧化、挥发保持其稳定性；屏蔽抗菌剂的气味；可以降低抗菌剂对活体的刺激；可以将活细胞或者生物性活体进行包合；使抗菌剂有导向的聚集，提高靶向性

但是，微球载药具有突释的弊端，材料降解速率的影响会使释药过程不稳定；同时，温敏凝胶直接载药也存在机械强度低等问题，可能导致抗菌药物释放效果不佳早在2003年，Ganguly等^[59]采用一种联合调控模式，将抗菌药物微球载于温敏凝胶上形成联用体系体外释放实验显示，当抗菌药物先载入微球再与凝胶混合后，药物的释放得到延缓，且释放遵循骨架扩散机制Zhao等^[60]采用类似的方法，制备出海藻酸微球与聚酯-聚乙二醇(PLGA-PEG-PLGA)水凝胶复合膜释放实验中，水溶性抗菌剂的扩散速度明显降低，缓释作用增强，最终实现安全、平缓释放

综上所述，温敏性抗菌水凝胶的释放过程不仅受药物分子扩散率和浓度梯度的控制，而且受结合配体浓度、相互作用强度和结合动力学的影响^[54]

3. 结语

目前，温敏性抗菌水凝胶的研究多局限于生物医学方面，在纺织、食品行业虽有涉及，但主要侧重抗菌性研究，对温敏性的研究较少展望未来，温敏性抗菌水凝胶的研究与应用可以着重从以下两个方面开展

(1) 生物质材料的抗菌作为生物质材料的木材和竹材及其制品在建筑、家具、园林工程和室内装饰装修等领域得到广泛应用，但受环境温度、湿度等因素的影响，在加工、运输和使用过程中极易被真菌侵蚀而发生霉变，这不仅限制了其应用，而且还会造成巨大的经济损失^{[3, 61~64]}由于霉菌最适宜生长的温度为25~32℃^[61]，因此将抗菌剂包埋于温敏性水凝胶中，制备在32℃左右具有温度响应特性的温敏性抗菌水凝胶防霉剂，以环境温度作为响应条件控制水凝胶膨胀或收缩，可以实现生物质材料的长效抗菌并减少抗菌剂的流失因为每年生物质材料受真菌污染的数量较大，所以温敏性抗菌水凝胶的控释技术在生物质材料的抗菌研究与应用中将具有广阔的前景

(2) 天然抗菌剂的应用抗菌剂根据其化学特性可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂三大类无机抗菌剂易变色、制造困难、成本较高、工艺复杂、生产过程涉及重金属离子，易对环境产生污染有机抗菌剂多是通过化学合成得到的，存在耐热性差、易在溶剂环境中析出、易产生耐药性、分解产物经常有毒等问题天然抗菌剂对人体安全性高，具有长效的广谱抗菌功能，生物相容性好，可降解，广泛应用于生物医用领域常见的天然抗菌剂如柠檬醛，主要来源于中药山苍子，有较强的抑菌性能，由于我国的山苍子产量居世界第一，因而采用柠檬醛作抗菌剂制备温敏性抗菌水凝胶，不仅来源丰富、成本低，而且绿色、安全^[65~67]

我们相信，随着科学技术的不断进步和国内外学者的不懈努力，温敏性抗菌水凝胶将突破现有应用局限，能在生物质材料及其他领域发挥重要作用

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图 1 冷冻干燥法制备多孔水凝胶的过程示意图^[42]

Figure 1 Process diagram of preparation of porous hydrogel by freeze-drying^[42]

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图 2 GO、SMGO、TNGs的SEM和TEM图^[45]

Figure 2 SEM and TEM images of GO, SMGO, and TNGs^[45]

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图 3 不同水凝胶敷料内洗必泰的释放^[32]

Figure 3 Release of chlorhexidine in different hydrogel dressings^[32]

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图 4 P(M-Arg/NIPAM)水凝胶敷料对大肠杆菌的抗菌活性^[32]

Figure 4 Antibacterial activity of the P(M-Arg/NIPAM) hydrogel dressings against E. coli^[32]

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图 5 不同尺寸的GLPS超分子水凝胶载药微球的释药性能^[48]

Figure 5 Drug release properties of GLPS supramolecular hydrogel microspheres with different sizes^[48]

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图 6 不同类型的纳米载体^{[49, 50]}

Figure 6 Different types of nanocarriers^{[49, 50]}

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图 7 不同浓度的阿霉素(DOX)在pH=6.8和7.4时的释放曲线^[53]

Figure 7 Release curves of DOX at pH=6.8 and 7.4 at different concentrations^[53]

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表 1 制备不同单体配比的抗菌水凝胶^[32]

Table 1. Preparation of antibacterial hydrogels with different monomer ratios^[32]

试样	编号	M-Arg/mg	NIPAM/g	产率/%	载药量/%
(M-Arg/NIPAAm)	1^#	33	67	52.31	2.25
(M-Arg/NIPAAm)	2^#	50	50	53.33	1.83
(M-Arg/NIPAAm)	3^#	67	33	69.23	1.49

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142