許 零 李宏偉 徐 曉

（廈門大學公共衛(wèi)生學院 分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室 廈門361102）

水凝膠具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸水能力達到自身干重的幾十倍到幾千倍。水溶性或者親水性的大分子通過物理或者化學方法，均可形成水凝膠。物理水凝膠以鏈間可逆連接維持穩(wěn)態(tài)，包括氫鍵［1］、離子間相互作用［2?3］、疏水締合［4］和分子鏈纏結(jié)［5］等（圖1）?；瘜W水凝膠以聚合物鏈間形成化學鍵構(gòu)建交聯(lián)網(wǎng)絡，性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)持久，又稱永久性水凝膠。

高能射線，如γ 射線和電子束（Electron beam，EB）輻照可有效誘導聚合物產(chǎn)生自由基，形成共價交聯(lián)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。高能輻照與其他制備水凝膠的化學交聯(lián)方法相比，不需要添加引發(fā)劑，清潔無污染；其次，可一步完成水凝膠的合成和殺菌，降低了成本；再次，射線穿透力度強、輻照均勻，常溫常壓下即可進行，產(chǎn)物純度和制備效能高，更適合生物醫(yī)用領(lǐng)域的材料制備。有關(guān)輻射交聯(lián)水凝膠的成果涉及醫(yī)用領(lǐng)域的多方面內(nèi)容，包括水凝膠敷料、角膜接觸鏡、水凝膠黏合劑（止血用）、水凝膠藥物緩釋載體、人工軟骨修復水凝膠材料和真皮組織工程支架等。本文主要介紹我國近年來輻射交聯(lián)醫(yī)用水凝膠的性能及其研究進展。

1 材料及輻射交聯(lián)特性

輻射交聯(lián)醫(yī)用水凝膠是原料在溶液或糊狀下制備的。水溶液體系受到輻照時，水在高能射線作用下被活化，會生成自由基產(chǎn)物和分子產(chǎn)物，其中羥基自由基（·OH）活性較強，在反應過程中可以奪取原材料分子鏈上的氫原子，使原材料分子鏈上生成自由基。在水存在下，僅有少部分原材料可直接吸收高能輻射能量，生成自由基。在一定溶度的水溶液中，大分子鏈流動性高，不同大分子鏈間的自由基復合后能夠形成網(wǎng)絡交聯(lián)結(jié)構(gòu)。同時，這些自由基還可誘導其他分子接枝到大分子鏈上。輻射制備水凝膠在常溫常壓下即可實現(xiàn)，允許多種材料在醫(yī)學領(lǐng)域的應用。

1.1 天然材料

水凝膠的天然材料主要有多糖和蛋白質(zhì)。天然材料的分子鏈上有許多供自由基生成的位點，這是共價鍵形成交聯(lián)網(wǎng)絡的基礎(chǔ)。正是這些交聯(lián)網(wǎng)絡的形成，使得可溶性天然材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄运z?！H沒有特異性，在多個位點都可以形成自由基，如葡萄糖酐單位有多個位點可供自由基生成（圖2）［6］。輻射制備水凝膠的多糖材料包括淀粉、羧甲基纖維素鈉、殼聚糖、海藻酸鈉和透明質(zhì)酸等。

一定吸收劑量下，水溶液中膠原蛋白維持三螺旋結(jié)構(gòu)的鏈間氫鍵和n→π*作用不被破壞，可維持三螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［3］。新生自由基主要是甘氨酸殘基（?NH?CH?）與碳原子相連的氫原子被·OH奪取而形成。不同膠原蛋白的多肽鏈上自由基聚合生成共價鍵，膠原分子間相互連接成水凝膠（圖3）［7］。后續(xù)結(jié)合真空冷凍干燥工藝，可獲得保存時間長、方便運輸?shù)母蓱B(tài)交聯(lián)支架。支架接觸水后，短時間即可恢復冷凍干燥前的交聯(lián)網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)。

翟茂林等［8］通過EB輻射誘導交聯(lián)制備羧甲基殼聚糖-聚乙烯醇基水凝膠，結(jié)果表明：除聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）發(fā)生交聯(lián)反應外，PVA 和羧甲基殼聚糖分子發(fā)生了接枝反應，生成的水凝膠有理想的力學性和溶脹性，同時抗大腸桿菌性能良好。Fan 等［9］以γ 射線（60Co）交聯(lián)殼聚糖、明膠、PVA，獲得良好pH 敏感性、溶脹性和水分蒸發(fā)速率的水凝膠，具有創(chuàng)面敷料應用的潛能。相似研究通過EB 和γ 射線（60Co）輻照直鏈、支鏈淀粉與PVA 等原料，分別制備水凝膠，通過傅里葉變換紅外光譜、差示掃描量熱法等證實EB及γ射線（60Co）均可誘導接枝和交聯(lián)反應發(fā)生，凝膠強度和斷裂伸長率測試表明水凝膠有良好的彈性和柔韌性，適合用作創(chuàng)面敷料［10］。

1.2 合成材料

輻射交聯(lián)水凝膠的合成材料有PVA、丙烯酸及其衍生物類（甲基丙烯酸羥乙酯、醋酸乙烯酯、N-異丙基丙烯酰胺等）化合物。同天然材料一樣，·OH結(jié)合的氫原子并不具有特異性，有研究指出在輻射作用下，·OH結(jié)合聚合物（如PVA、聚丙烯酸（Polyacrylic acid， PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone， PVP））分子鏈上的H 原子形成的初級自由基位點存在不同［11-12］，預測結(jié)構(gòu)及比例如圖4所示。

單體水溶液吸收輻射能量，發(fā)生單體自由基聚合。一定程度后，以聚合物形式進行反應，不同鏈上新生自由基聚合發(fā)生共價交聯(lián)，形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。常見的聚合物為PVA，其交聯(lián)反應主要機理如圖5 所示［13］。在輻照兩種或兩種以上單體，形成含有多種單體單元的聚合物時，即以共聚物形成水凝膠。

1.3 輻射交聯(lián)特性

在輻照過程中同時有降解和交聯(lián)反應發(fā)生，如水輻解、大分子鏈碳鍵（C?C）斷裂降解，以及新生自由基導致的交聯(lián)。聚合物鏈交聯(lián)可增加水凝膠的交聯(lián)密度，而輻射降解降低交聯(lián)密度。在一定吸收劑量范圍（50～200 kGy）內(nèi)，輻照促進丁苯橡膠聚合物鏈的交聯(lián)，當吸收劑量達到輻射交聯(lián)作用臨界點，交聯(lián)程度到達峰值，輻射降解引起碳骨架（C?C 鍵）斷裂趨勢增加。這與輻射降解作用程度大于輻射交聯(lián)有關(guān)［14］。輻射接枝制備的水凝膠，在一定輻射范圍內(nèi)其接枝率隨輻照劑量增大同樣表現(xiàn)出先增后降的趨勢［15?16］。

國外學者［17］證實水凝膠的溶脹性能在達到臨界交聯(lián)劑量后迅速上升，達到最大值后隨吸收劑量增加而降低。水凝膠滲透膨脹吸水（主要為自由水），共價鍵作用力與膨脹作用力相反，導致凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡彈性回縮，最終達到溶脹平衡狀態(tài)（圖6）［18］。分子動力學模型以及擬合模型驗證了輻射交聯(lián)水凝膠中隨著交聯(lián)度（10?4～10?3）增加，自由水（包括填充在凝膠網(wǎng)絡間隙和水凝膠形成孔隙之間的水）含量顯著降低，但可略微促進次級結(jié)合水的增加，對初級結(jié)合水的影響不明顯，穩(wěn)定在1～1.2 mol/L［13］。

研究利用EB 輻照技術(shù)將含有羧基的AA 單體以側(cè)鏈的形式接枝到PVA 大分子上，制備具有pH敏感性的PVA-PAA 水凝膠。隨著AA 比例增大，接枝在PVA 鏈上AA 單體增多，水凝膠中（?COO?）離子增多，提高了水凝膠的溶脹性。此外，接枝AA 單體在堿性緩沖溶液中易電離，AA/PVA質(zhì)量比的增加可提高水凝膠電導率，提示水凝膠的組分比例變化可改善水凝膠的性能［12］。

2 醫(yī)用領(lǐng)域的應用

輻射交聯(lián)水凝膠在醫(yī)用領(lǐng)域的應用包括傷口敷料、隱形眼鏡、人工角膜、藥物載體、組織工程材料等。輻射技術(shù)開辟了安全無毒的水凝膠制備領(lǐng)域，同時可輔助以功能性成分，如甘油改善產(chǎn)品的潤滑等性能。

2.1 傷口敷料

水凝膠醫(yī)用傷口敷料可吸收傷口滲出物，起到保持傷口清潔和干燥作用，避免過多的滲出液對傷口和周圍健康組織的浸潤，并維持創(chuàng)面濕潤微環(huán)境，促進創(chuàng)面上皮化，直至永久性皮膚屏障的重建。

輻射交聯(lián)醫(yī)用水凝膠傷口敷料主要制備成水凝膠薄片，在制備過程中一步完成滅菌工藝。同時，輻射技術(shù)也適合噴霧液、乳液或膏狀等無定形水凝膠的制備，如清創(chuàng)膠［19］。水凝膠敷料可作為緩釋體系，負載抗菌消炎藥物等有功能的活性化合物，加速傷口愈合［20］。

早在1993 年，我國就采用輻射交聯(lián)水溶性大分子、單體和增塑劑等制備水凝膠創(chuàng)面敷料，用于海軍411 醫(yī)院和其他一些醫(yī)院的病人。通過60例臨床療效觀察，結(jié)果表明：水凝膠敷料可以起到藥物緩釋，長期使用能有效緩解疼痛，減少傷口滲出液，加快傷口愈合，減少換藥次數(shù)，效果優(yōu)于常規(guī)敷料［21］。近年來，有以硝酸銀、明膠和羧甲基殼聚糖水溶液為原料，γ射線誘導明膠和羧甲基殼聚糖交聯(lián)和原位還原硝酸銀形成一系列連通多孔、納米銀均勻分布的抗菌水凝膠。除水凝膠原材料中羧甲基殼聚糖具有一定的抑菌性外，研究結(jié)果也顯示，隨著納米銀含量增加，水凝膠對大腸桿菌的抑菌率增強（圖7）［22］。

2.2 組織工程支架

輻射技術(shù)制備的醫(yī)用水凝膠支架常用在皮膚、軟骨、骨和其他特殊結(jié)構(gòu)替代物等方面。水凝膠支架為細胞的生長和繁殖構(gòu)建三維空間，模擬或替代原生組織的性能。

以γ 射線（60Co）輻照膠原水溶液，制備皮膚組織修復水凝膠支架，體外試驗結(jié)果表明，輻照交聯(lián)膠原水凝膠支架有良好的組織相容性（圖8）［23］。

SD 大鼠全層皮膚缺損模型修復的體內(nèi)試驗結(jié)果顯示，該支架有促進肉芽組織生長和促進較大、較深傷口愈合的潛力（圖9）［24］。

以γ 射線（60Co）輻照交聯(lián)PVA 和PVP 制備仿生軟骨水凝膠支架［25］。因為輻射誘導PVA 和PVP的交聯(lián)，對比未輻射交聯(lián)的PVA/PVP 水凝膠，PVP溶解和滲出較少，相對提高潤滑作用。此外，膠原蛋白作為脊椎動物和結(jié)締組織中的主要結(jié)構(gòu)蛋白，除在皮膚、肌腱、血管、角膜、腸道、胎盤等軟組織部位存在，也可見與礦物質(zhì)結(jié)合形成骨骼、牙齒等硬組織。在骨替代材料研究顯示，以γ射線（60Co）輻照誘導高度交聯(lián)的I型膠原水凝膠，有緊密的三維空間和穩(wěn)定的高強度力學結(jié)構(gòu)，可沉積更多的羥基磷灰石，適合礦化過程，有制備成骨組織替代材料的潛能［26］。

2.3 緩釋材料

水凝膠在醫(yī)學領(lǐng)域重要用途包括載藥并起緩釋作用。在較長時間內(nèi)，水凝膠持續(xù)控制藥物釋放，維持藥物在生理環(huán)境中的恒定濃度。研究顯示輻射合成的pH 敏感性（聚乙二醇-環(huán)精糊-丙烯酸）水凝膠在酸性環(huán)境下，聚合物鏈發(fā)生更多的氫鍵或靜電相互作用，分子鏈高度聚集，不易松弛，小分子藥物緩釋速率低［27］。采用γ 射線（60Co）輻照交聯(lián)制備的皮膚組織修復水凝膠支架以溶脹載荷技術(shù)（Swelling-loading technique）分別負載離子型（頭孢唑啉）和非離子型（茶堿）藥物。體外釋放試驗結(jié)果顯示與非離子型藥物相比，離子型藥物的釋放速率較慢［28］。水凝膠中的離子基團與離子藥物分子間的離子基團的相互作用，與藥物的釋放速率有關(guān)。影響藥物釋放速率的因素，還與攜帶有小分子藥物基團的降解或者水凝膠的降解有關(guān)。這種情況下水凝膠的降解速率將直接影響小分子藥物的釋放速率。

水凝膠也可制備成為微球材料，用以包裹藥物。我國的早期研究以γ射線輻照PVP和鐵磁顆粒為原料制備水凝膠微球，負載抗癌藥物鹽酸博萊霉素A5，在新西蘭兔的鱗狀細胞癌模型中，顯示出靶向抗癌功能［29］。

2.4 角膜接觸鏡

輻射制備角膜接觸鏡的水凝膠材料有聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate， PMMA）和聚甲基丙烯酸羥乙酯（Poly-hydroxyethyl methacrylate，PHEMA）。前者以制備硬性角膜接觸鏡為主，質(zhì)地硬，滲透性較差。后者為軟性角膜接觸鏡主要材料，滲透性好，允許氧氣進出，親水性強。

水凝膠的液態(tài)原料在固定容器進行輻射交聯(lián)，制備成棒狀水凝膠基材，并切割成固定大小薄片。通過雙面車削法將薄片制成角膜弧度匹配的形態(tài)，形成角膜接觸鏡。上?？萍即髮W射線應用研究所以PHEMA 為原材料，通過輻射聚合制備片型?。?.12 mm，中心厚度≤0.07 mm）、含水量41%、吸水性強、質(zhì)地柔軟的軟性角膜接觸鏡，在1 068只眼的臨床應用研究中表現(xiàn)出良好的角膜吸附性，可連續(xù)佩戴35 d，效果優(yōu)于通用型軟鏡［30-31］。

2.5 其他

我國輻射技術(shù)制備水凝膠材料還有創(chuàng)面止血、指示體溫等用途的研究報道。

一種輻射技術(shù)制備的具有交聯(lián)微孔結(jié)構(gòu)的復合大孔聚多糖止血材料在新西蘭兔肝損傷模型中，表現(xiàn)出良好的生物相容性，在止血時間和出血量指標中顯著低于空白對照組，并可降低肝組織損傷后的應激反應，為肝組織損傷后救治提供新的思路［32］。這種創(chuàng)面止血劑的水凝膠支架的原材料包括具有止血作用或強吸液作用的淀粉、殼聚糖衍生物、明膠等。

溫敏變色水凝膠在不同溫度下可以呈現(xiàn)不同的顏色，制備溫度敏感感受器，可指示發(fā)熱患者的體溫。一種溫敏變色水凝膠支架是EB輻照誘導聚N-異丙基丙烯酰胺和羥丙基纖維素交聯(lián)而成，其顯色劑是GO、Fe2O3。該研究指出通過吸收劑量和原材料組成比的變化可精確調(diào)控最低共溶溫度，而水凝膠在最低共溶溫度下可以快速變色以顯示溫度［33］。

3 市場現(xiàn)狀

以“水凝膠”為檢索詞，以“醫(yī)療器械、國產(chǎn)醫(yī)療器械產(chǎn)品（注冊）、（備案）”為檢索限定條件，利用國家藥品監(jiān)督管理局的數(shù)據(jù)查詢功能，檢索至2020 年1 月我國水凝膠貼等產(chǎn)品，輔助以專利驗證輻射制備。查詢結(jié)果顯示，我國市售輻射制備的水凝膠商品種類主要有傷口敷料、眼貼、冷敷貼等。傷口敷料（貼劑）的主要生產(chǎn)單位包括長春吉原生物科技有限公司和廈門凝賦生物科技有限公司等，具體見表1。

這些產(chǎn)品歸類于醫(yī)療器械，根據(jù)我國法規(guī)要求醫(yī)療器械在上市前均需通過生物學評價試驗，包括細胞毒性、致敏反應、刺激或皮內(nèi)反應、全身毒性、遺傳毒性等。再一次驗證了輻射制備的水凝膠符合生物相容性要求。

輻射技術(shù)制備水凝膠材料在醫(yī)用領(lǐng)域有較大的潛能。傷口敷料、組織工程支架、角膜接觸鏡等文獻或?qū)＠麛?shù)量多，但在商品轉(zhuǎn)化上可有進一步的提升空間。以皮膚組織替代物為例，我國市售產(chǎn)品主要有國外進口產(chǎn)品Pelnac、我國雙層人工真皮修復材料等，同時無菌供應。后一種產(chǎn)品采用的是EB輻照滅菌。相對而言，若采用輻射技術(shù)進行制備可在一步內(nèi)實現(xiàn)交聯(lián)和滅菌，簡化生產(chǎn)步驟、降低成本，同時維持原材料的生物相容性。

4 展望

水凝膠是一類生物相容性優(yōu)異的材料，具有保水性和可調(diào)節(jié)的生物化學特性。過去幾十年里，我國學者致力于輻射技術(shù)制備水凝膠研發(fā)和設計，拓展了水凝膠在醫(yī)用領(lǐng)域的應用，相關(guān)文獻、專利成果頗多，包括未明確用途的水凝膠、傷口敷料、組織工程支架、角膜接觸鏡等。輻射技術(shù)使得水凝膠制備更為高效、清潔、便利，如凝膠強度、凝膠率可由輻射參數(shù)調(diào)節(jié)，不殘留滅菌劑、交聯(lián)劑。輻射技術(shù)允許水凝膠以不同類型、形式、用途方向進行設計，為水凝膠材料提供了創(chuàng)新的機會，如粉狀的止血材料、膜片狀的止血生物紗或敷料、無定形態(tài)的清創(chuàng)膠等大量研究成果已具備良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

然而，更深層的難點和挑戰(zhàn)依然存在。輻射交聯(lián)水凝膠在傷口敷料的市場上已嶄露頭角，進入臨床應用。但綜合來看，商業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率仍有很大的提升空間，在角膜接觸鏡、組織工程支架等方面的商業(yè)產(chǎn)品有限，其潛力尚未充分開發(fā)。從我國國家藥品監(jiān)督管理局對醫(yī)療器械產(chǎn)品上市前的注冊審評要求出發(fā)，需要驗證輻射交聯(lián)水凝膠產(chǎn)品的技術(shù)原理、工藝參數(shù)滿足醫(yī)療器械的相關(guān)法規(guī)和要求，以保證轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的安全性、有效性和穩(wěn)定性，而目前國內(nèi)相關(guān)的研究較為匱乏，制約了新產(chǎn)品的上市和推廣進度。

近年來，水凝膠在組織工程領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究很多，國內(nèi)外利用3D打印、自組裝等技術(shù)手段制備的傷口敷料、組織工程支架等報道較多，輻射技術(shù)應該與這些技術(shù)融合，利用輻射技術(shù)制備生物醫(yī)用材料的獨特優(yōu)勢，在水凝膠的配方和制備工藝上進行創(chuàng)新，創(chuàng)造出對再生醫(yī)療技術(shù)進步有突出貢獻的新型組織工程材料。最終，結(jié)合輻射交聯(lián)水凝膠在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)積累，持續(xù)開發(fā)出引領(lǐng)行業(yè)進步的新產(chǎn)品。