作者:黄明明 蔚立早 来源:中国科学报 发布时间:2012-12-4 10:54:34
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壳聚糖基自愈性水凝胶的临床梦:小材料大惊喜

自愈壳聚糖基水凝胶(上:中间打出的孔洞在2小时后自愈)与无自愈的明胶(下)对比实验。


 
 
磁性壳聚糖基自愈性水凝胶挤过狭窄通道,证明了其自愈性与磁性的协同作用。
 
■本报记者 黄明明 实习生 蔚立早
 
在11月举办的“2012生命科学论坛”上,来自清华大学化学系教授危岩课题组的副教授陶磊的汇报吸引了参会医生们的目光:以壳聚糖(主要来源为虾壳、蟹壳等)为主要原料,通过简单材料合成,制备出具有自愈能力的水凝胶。
 
以高分子材料为研究方向的危岩课题组看似与生命科学领域并无直接关系。而这一自愈性水凝胶原料价廉易得、制备方法简单、生物相容性好,恰有望在靶向给药、可控释放等方面发挥作用。
 
为何研究自愈性水凝胶
 
“科学研究要以人为本”,报告PPT的最后有这么一行字。这亦是危岩课题组多年的科研理念和梦想——组建强有力的团队,采用便宜的原材料,运用简单的制备方法,合成出有实际应用前景的高分子材料。
 
为何选择自愈性水凝胶作为研究课题呢?这要从传统给药方式所面临的问题说起。
 
目前,进行传统静脉药物注射时,药物进入人体血液循环系统后,需要经过心脏、肺、动脉等途径达到病灶,这一过程造成大量药物流失,给药效率较低。同时,高浓度注射药物时,药物的副作用不可忽视。此外,频繁给药也给病人增加了身体和经济上的负担。
 
危岩对《中国科学报》记者表示,课题组希望将自愈性水凝胶作为药物载体,注射到病灶部位,注射过程中破碎的水凝胶迅速实现自修复,将药物“固定”在预期部位,再缓慢释放,达到治疗目的,期望解决传统静脉给药方法上的不足。
 
“现有文献报道的自愈性水凝胶在实际应用时存在一些瓶颈问题:选择多肽、蛋白、DNA片段等作为成胶元素,成本比较昂贵;有些胶不能在生理条件下实现自愈;生物安全性和生物相容性不太理想等。”陶磊介绍说。
 
课题组选择壳聚糖作为主要原料来制备自愈性水凝胶,是基于以下原因:壳聚糖的主要来源是虾壳、蟹壳等,来源广泛,价格低廉。另外,壳聚糖能被生物体内的多种酶降解成天然的代谢物,具有良好的生物安全性和生物相容性,作为生物医用材料使用时具有较大优势。
 
小材料大惊喜
 
时间回溯到2010年11月,一个遥远的设想此刻就真实地胶着在试管里。
 
博士生张亚玲做了一个简单的实验,在室温且无任何外加催化剂的条件下,将壳聚糖溶液和两端带有苯甲醛基的功能化聚乙二醇溶液在试管里混合,不到1分钟,试管内就形成了水凝胶。
 
课题组在分析其分子结构时,认为该水凝胶体系是由动态化学键构建的,猜想该水凝胶可能具有自愈性。为此,他们做了以下实验:将两块颜色不同的水凝胶粘在一起,中间打个9mm的孔。随着时间的推移,水凝胶上的“伤口”逐渐缩小且颜色相互渗透,2个小时后水凝胶完全愈合。
 
自愈性的壳聚糖水凝胶做出来了!
 
这种自愈性水凝胶能在生理条件下实现自愈合吗?在生物刺激条件下具有响应性吗?否则它的临床应用只能是纸上谈兵。
 
为此,课题组将水、维生素B6、木瓜蛋白酶、溶菌酶等分别与其结合,试图找到壳聚糖水凝胶在不同生物刺激下的响应规律。
 
张亚玲把水溶性染料作为药物模型加入水凝胶中,记录染料在不同生物刺激下的释放速率。实验结果表明在加入维生素B6和木瓜蛋白酶的条件下,水凝胶内的药物释放速度明显快于加入水或溶菌酶的对照组。
 
课题组讨论认为,这一实验提供了两个信息:一是药物可以实现在生物刺激条件下的可控释放;二是溶菌酶在这个体系中对壳聚糖几乎没有降解作用。
 
“溶菌酶是一种蛋白,所以我们想到可以将壳聚糖基水凝胶作为一种蛋白药物的释放载体。”课题组成员介绍说。
 
在记录蛋白释放数据时,研究人员惊喜地发现溶菌酶不仅能够可控释放,而且释放前后酶的活性几乎不变,这证明了这种水凝胶不仅仅能作为小分子药物的释放载体,也能作为蛋白等生物大分子药物的释放载体。实验结果发表于2011年6月的Biomacromolecules (美国《生物大分子》杂志),并成为年度热读文章之一。
 
临床可行性
 
有了这一成果,课题组进而将目光转向细胞治疗。
 
依旧是用壳聚糖的一个衍生物,加上功能化的聚乙二醇,这次他们把细胞也带上了。细胞的生存条件更加苛刻,它能够在这种神奇的水凝胶中存活吗?
 
实验结果再次令研究人员兴奋不已。博士生杨斌在室温、pH值7.0的温和条件下把细胞、成胶元素相混合,不到1分钟,包含着细胞的水凝胶就迅速形成了。在激光共聚焦显微镜下观察3D水凝胶中的细胞存活情况,杨斌发现只有极少量的死亡细胞。实验开始后24小时和72小时的观察结果显示,细胞在水凝胶内存活良好,死亡细胞数量没有明显增加。实验结果表明这种水凝胶的生物相容性良好,有可能成为细胞治疗的新载体。实验结果已发表于2012年Polymer Chemistry(英国《高分子化学》杂志)。
 
接着,还有个更有趣的实验——让水凝胶动起来!
 
他们为水凝胶加入了磁性,赋予了这种壳聚糖基自愈性水凝胶行为的可控性。
 
制备方法依旧非常简单:在壳聚糖溶液中加入生物相容性良好的四氧化三铁纳米颗粒,再加上功能化的聚乙二醇。
 
实验结果显示,这种磁性水凝胶宛如一只“软体章鱼”!在外部磁场的驱动下,它能够通过改变自身形状,移动通过狭窄的空隙。据了解,制备出同时具有磁性和自愈性的水凝胶尚属首例。
 
“这是否意味着它是一种潜在的智能药物载体呢?”危岩课题组设想着。
 
让梦发生
 
目前,危岩课题组正将这一研究方向继续延伸:一是将更多功能元素融入到水凝胶体系,制备出更多新材料;二是将他们的水凝胶材料作为药物载体,展开活体实验。
 
“我们希望做出来的东西简单、便宜而且有用,这种多功能水凝胶或许已经接近我们的梦想。”陶磊表示。
 
记者获悉,最近课题组在他们的水凝胶体系里添加了生物惰性的二氧化硅,获得了具有多级孔结构的有机—无机杂化材料,这一材料在进行血细胞吸附实验时表现良好,是一种潜在的止血材料。实验结果已发表于2012年Advanced Healthcare Materials (德国《高等健康医学材料》杂志),并已申报专利。
 
下一步,若想让这种自愈性水凝胶真正从实验室走向临床,或许还有很多未知因素和待解决的问题,课题组正在和临床医生开展交流与合作。
 
或许未来的某一天,这种壳聚糖基水凝胶真的能够带着细胞或药物被直接注射到病灶附近,再通过外部磁场的作用,像“章鱼”一样准确“游”到病灶部位,并将药物固定于此,根据材料配比和生物刺激环境可控释放出药物。
 
这听起来像天方夜谭,但课题组正用他们的努力,让梦发生。
 
《中国科学报》 (2012-12-04 第5版 生物周刊)
 
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