智能水凝膠在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

陸怡雨，李 昊

廣西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔修復(fù)科，廣西 南寧 530021

智能水凝膠是一種擁有網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)、受外界刺激（溫度、pH 及活性物質(zhì)等）后溶脹性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能、形狀等發(fā)生顯著變化的響應(yīng)性材料，其不同于傳統(tǒng)牙科材料的惰性，能“主動(dòng)”對(duì)環(huán)境改變做出有益的反應(yīng)，也被稱為“敏感型水凝膠”。近年來(lái)研究者們通過(guò)不斷地對(duì)智能型水凝膠進(jìn)行材料改性以提升其性能，從而來(lái)滿足臨床不同方面的需求。人體有著相對(duì)穩(wěn)定的pH 環(huán)境與溫度，因此pH 敏感型與溫度敏感型（簡(jiǎn)稱溫敏型）水凝膠在口腔內(nèi)應(yīng)用時(shí)可具有更多優(yōu)勢(shì)。智能型水凝膠在口腔醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用報(bào)道較為少見，本文將常用于口腔醫(yī)學(xué)方面的智能型水凝膠進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類，并對(duì)其材料性能及應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，探討其將來(lái)作為醫(yī)用口腔材料在口腔臨床領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 溫敏型水凝膠

溫敏型水凝膠有一臨界溶解溫度（lower critical solution temperature，LCST），會(huì)導(dǎo)致智能水凝膠體系的溶膠—凝膠相變，最終產(chǎn)生膨脹和收縮的快速轉(zhuǎn)換［1］。當(dāng)溫度低于臨界溶解溫度時(shí)，親水性發(fā)揮主要作用，材料以液體狀態(tài)存在；當(dāng)高于臨界溶解溫度時(shí)，疏水性占主導(dǎo)地位，達(dá)成溶膠—凝膠的轉(zhuǎn)變。溫敏型水凝膠在口腔中的應(yīng)用最為廣泛。由于聚N?異丙基丙烯酰胺（poly N?isopropylacrylamide，PNIPAM）的最低臨界溶解溫度約32 ℃與人體正常生理溫度較為接近，因此這類響應(yīng)型水凝膠被研究的最為廣泛和深入，在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用于藥物釋放、生物支架及組織工程等方面［1］。而近年不斷有研究對(duì)溫敏型材料進(jìn)行改性或形成新的復(fù)合材料以提高其性能，應(yīng)用于口腔臨床的前景更為可觀。

1.1 多糖復(fù)合水凝膠

隨著智能水凝膠的發(fā)展，陸續(xù)有殼聚糖、海藻酸鹽和纖維素等多糖與溫敏型水凝膠結(jié)合的新研究，并取得良好研究成效［2］。殼聚糖（chitosan，CS）結(jié)構(gòu)中的N?乙?；咸烟前方Y(jié)構(gòu)類似于糖胺聚糖，能促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)、增殖和分化，因此復(fù)合殼聚糖與其他材料制成的生物支架是修復(fù)骨缺損的理想選擇［3］。溶液狀態(tài)下，水凝膠可以完全充盈到骨和軟骨等不規(guī)則缺損部位，有利于支架的制備與植入；凝膠固化后，能夠起到維持空間和緩釋活性因子以促進(jìn)骨再生的作用［4-5］。有研究合成載堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）的CS溫敏型水凝膠能促進(jìn)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMMSC）成骨分化，并促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，為修復(fù)牙槽骨缺損提供重要依據(jù)［6］。牙髓再生組織工程需要能在狹小根管內(nèi)操作、促進(jìn)牙髓干細(xì)胞（hu?man pulp stem cell，hDPSC）增殖和成牙本質(zhì)向分化等功能的材料，因此水凝膠支架有極大應(yīng)用前景［7］。Bordini 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖基水凝膠可以促進(jìn)hDPSC 和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)外的增殖、遷移和成牙本質(zhì)分化，被用于牙髓再生研究，有望成為新一代適合口腔臨床應(yīng)用的蓋髓劑。且有體外研究表明載有他克莫司的可注射溫敏水凝膠能促進(jìn)hDPSC 的成骨分化，提高成骨細(xì)胞的活性，并抑制破骨細(xì)胞的形成［9］。水凝膠因其良好生物相容性及緩釋性，被作為支架材料、藥物載體應(yīng)用于牙周再生、黏膜給藥中。馬志偉等［5］制備加載重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白?2（recombinant human bone morphogenet?ic protein?2，rhBMP?2）的溫敏CS 凝膠，用于研究修復(fù)牙周組織缺損，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明載藥凝膠組新生的牙槽骨高度、牙骨質(zhì)高度及結(jié)締組織附著的測(cè)量結(jié)果均明顯高于空白凝膠組及空白對(duì)照組，獲得較充分的牙周組織再生。同樣，Xu 等［10］將阿司匹林和促紅細(xì)胞生成素復(fù)合到殼聚糖/β?甘油磷酸鈉/明膠水凝膠中，用于牙周炎治療，水凝膠置入骨缺損區(qū)后，作為藥物載體緩慢釋放阿司匹林、促紅細(xì)胞生成素，發(fā)揮抗炎作用，并作為生物支架促進(jìn)牙槽骨再生。采用泊洛沙姆和殼聚糖作為基質(zhì)制備的莫西沙星溫敏型水凝膠在進(jìn)入口腔后環(huán)境溫度迅速升高至37 ℃，溶液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)而長(zhǎng)期滯留在牙周袋中，可持續(xù)釋放藥物的>8 h［11］。以PNIPAM 和透明質(zhì)酸為基質(zhì)制備的溫敏型水凝膠可適用于口腔潰瘍、肉芽腫性疾病等口腔黏膜的局部給藥，具有局部停留時(shí)間長(zhǎng)、起效快和使用方便的優(yōu)點(diǎn)，效果良好［12］。5?氟尿嘧啶（5?Fluorouracil，5?FU）是治療口腔鱗狀細(xì)胞癌的重要化療藥物，載有5?FU的可注射熱敏智能水凝膠局部給藥系統(tǒng)，最大程度降不良反應(yīng)，按一定速率持續(xù)釋放藥物12 h，對(duì)于腫瘤的治療很有前景［13］。

1.2 納米復(fù)合水凝膠

對(duì)于骨缺損而言，傳統(tǒng)的生物材料為方便植入會(huì)制成稍小于缺損區(qū)的形狀大小，而對(duì)于復(fù)雜形狀骨缺損，因缺損邊緣不規(guī)則導(dǎo)致傳統(tǒng)材料以既定形狀植入后常導(dǎo)致邊緣不密合進(jìn)而發(fā)生不均勻骨修復(fù)、材料吸收等問(wèn)題。因此溫敏型可注射水凝膠的溶膠?凝膠相變?cè)诠侨睋p修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。溫敏型可注射水凝膠以液態(tài)注射至骨缺損內(nèi)并充滿缺損空隙，后隨溫度改變而轉(zhuǎn)化為凝膠態(tài)與缺損邊緣密合良好，有利于達(dá)到骨缺損均勻修復(fù)［14］。然而可注射水凝膠因較弱的力學(xué)性能，限制其在承力區(qū)骨缺損的應(yīng)用。納米復(fù)合水凝膠（Nanocomposite hy?drogel，NCH）創(chuàng)新地將納米填料與水凝膠結(jié)合，使納米顆粒與水凝膠結(jié)構(gòu)鏈形成緊密界面，融合2 種材料的優(yōu)點(diǎn)，既改善水凝膠的機(jī)械性能，同時(shí)保持納米顆粒本身良好的骨傳導(dǎo)性和生物相容性，從而促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖與成骨分化，達(dá)到促進(jìn)骨再生的目的［15］。Zewail等［16］開發(fā)含有來(lái)氟米特脂質(zhì)納米載體的關(guān)節(jié)內(nèi)注射智能水凝膠，通過(guò)促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖、抑制其凋亡等過(guò)程，靶向性治療關(guān)節(jié)炎，增強(qiáng)軟骨修復(fù)。在骨缺損修復(fù)和再生領(lǐng)域，無(wú)機(jī)羥基磷灰石/PLGA納米膠體凝膠作為一種可注射骨填充材料，制作成生物相容性支架，模仿特定組織的固有特征，將細(xì)胞和生長(zhǎng)因子順利運(yùn)送到受損組織，并為新形成的組織提供支持，直到其成熟。Pan 等［17］將納米羥基磷灰石（hydroxylapatite，HA）復(fù)合改性的可注射水凝膠注射到大鼠拔牙后的下頜切牙區(qū)中，發(fā)現(xiàn)植入材料周圍的新骨體積、牙槽嵴明顯增加、增高，可達(dá)50%以上。有學(xué)者通過(guò)復(fù)合含有生物活性、成骨誘導(dǎo)及成骨分化的氧化石墨烯（graphene oxide，GO）與溫敏性聚合物PPCN 獲得溫敏型水凝膠GOP。GOP 做為一種溫敏型凝膠，不僅能隨溫度變化產(chǎn)生液體?膠體反應(yīng)，同時(shí)還具有良好的生物相容性和增強(qiáng)骨形成的作用。通過(guò)融合生物工程支架，種子細(xì)胞與誘導(dǎo)因子這三大基本要素，載骨形態(tài)發(fā)生蛋白?9（bone morphogenetic proteinrh?9，BMP?9）高表達(dá)間充質(zhì)干細(xì)胞的GOP 凝膠具備了理想的骨修復(fù)材料特質(zhì)，隨著進(jìn)一步研究的深入該種材料可能成為骨缺損修復(fù)的新選擇［18］。將環(huán)丙沙星（cipro?floxacin，CIP）和β?環(huán)糊精（β?cyclodextrin，β?CD）結(jié)合并切割成短納米纖維，嵌入到甲基丙烯酰明膠（gelatin?methacryloyl，GelMA）中，得到的可注射抗菌水凝膠可維持有效藥物濃度較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)糞腸球菌生物膜有良好的抗菌效果，有助于根除在感染牙周組織、根管系統(tǒng)或根尖周組織中定植的微生物及其毒副產(chǎn)物。β?CD 的加入增加了CIP 的溶解度和賦予GelMA降解度可調(diào)的特性，同時(shí)水凝膠與納米纖維之間動(dòng)態(tài)的相互作用使水凝膠具有剪切變薄和自愈合的性能［19］。

2 pH敏感型水凝膠

聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA）、聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAAM）、殼聚糖等材料均有pH 敏感性，能感知pH的變化而產(chǎn)生溶脹行為，是作為pH敏感型水凝膠的經(jīng)典材料［20］。由于細(xì)菌感染與腫瘤生長(zhǎng)往往在局部產(chǎn)生酸性環(huán)境，pH敏感型凝膠可以根據(jù)pH值設(shè)定進(jìn)行溶脹反應(yīng)的特點(diǎn)被利用于藥物緩釋，其優(yōu)勢(shì)在于為置入凝膠區(qū)域提供了穩(wěn)定的pH 環(huán)境。JIANG 等［21］利用殼聚糖鹽酸鹽和氧化葡聚糖制備的pH 敏感型水凝膠，其因殼聚糖鹽酸鹽的氨基和氧化葡聚糖的醛基之間形成亞胺鍵，使水凝膠具有自愈能力，且表現(xiàn)出的pH 響應(yīng)性顯示酸性微環(huán)境中的水凝膠降解速率更高、內(nèi)部孔隙更大，提高了藥物釋放速率。有研究表明，弱堿性環(huán)境有利于成骨分化的產(chǎn)生，因此pH 敏感型凝膠可能在感染性骨缺損尤其是慢性骨髓炎的修復(fù)中有重大意義。因?yàn)楦腥经h(huán)境多伴有pH 值的改變，pH敏感型凝膠可以在復(fù)合抗生素或抗菌離子后通過(guò)注射進(jìn)入感染缺損區(qū)域，凝膠因環(huán)境pH 值改變而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變化，從而釋放抗炎、抗菌物質(zhì)的同時(shí)完成形態(tài)重建，以完整填塞骨缺損，達(dá)到骨缺損修復(fù)的目的［22］。趙辰［18］基于無(wú)定形磷酸鈣（amor?phous calcium phosphate，ACP）良好生物活性、細(xì)胞附著和骨傳導(dǎo)能力與羧甲基殼聚糖（carboxymethyl chitosan，CMC）穩(wěn)定ACP 的重要作用，將兩者有機(jī)復(fù)合形成具有穩(wěn)定性的pH 敏感型CMC?ACP 凝膠。CMC?ACP 在pH 上升到7.5 時(shí)形成膠體，將BMP?9 高表達(dá)的小鼠脂肪來(lái)源細(xì)胞（immortalized mouse adipose?derived cell，iMAD）與水凝膠混勻后注射到裸鼠皮下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMC?ACP 組形成了均勻且高骨含量的骨塊。以三甲基殼聚糖（N，N，N?trimethyl?chitosan，TMC）、脂質(zhì)體（liposomes，Lip）和強(qiáng)力霉素（doxycycline，DOX）為原料合成的pH敏感型的多西環(huán)素納米粒（TMC?Lip?DOX NPs）在體內(nèi)能有效破壞細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)，破壞菌斑毒力，減少牙根表面的細(xì)菌菌斑，能夠有效地治療牙周病。而其制成pH敏感型水凝膠能較長(zhǎng)時(shí)間停留于牙周袋，因此在牙周病的臨床治療中具有潛在的應(yīng)用前景［23］。

另外，已有學(xué)者研究出將pH 敏感聚合物與溫度響應(yīng)性材料相結(jié)合，對(duì)人體內(nèi)局部的pH 和溫度變化做出反應(yīng)，用于藥物釋放、藥物輸送的雙刺激敏感型水凝膠，但口腔醫(yī)學(xué)方面仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，未進(jìn)行臨床應(yīng)用［24］。

3 酶敏感型水凝膠

酶是重要的生物催化劑，對(duì)底物有特異性和選擇性，在生物體內(nèi)參與各種化學(xué)和生物過(guò)程。酶催化反應(yīng)常需要較溫和的條件，口腔內(nèi)溫度較恒定，因此其對(duì)口腔的應(yīng)用方面有較廣闊的前景。酶敏感型水凝膠是一種新型智能材料，當(dāng)被某些酶催化合成或水解時(shí)，材料發(fā)生溶膠?凝膠或凝膠?溶膠相變［1］。近年，大多數(shù)研究都集中在蛋白酶如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix etalloproteinase，MMP）和糖苷酶反應(yīng)性水凝膠上［25］。MMP是炎癥、腫瘤等病理狀態(tài)下的標(biāo)志物之一，在疾病進(jìn)展期間活性明顯增加。齦溝內(nèi)基質(zhì)金屬蛋白酶8（matrix metalloproteinase?8，MMP?8）活性的增加與牙周炎的嚴(yán)重程度有顯著相關(guān)性，Guo 等［26］制備MMP?8 可切割肽作為交聯(lián)劑的MMP?8反應(yīng)型聚乙二醇水凝膠，作為牙周炎的藥物釋放載體，在MMP?8 濃度增加時(shí)，水凝膠緩慢釋放抗菌藥物。且MMP在骨代謝中發(fā)揮關(guān)鍵作用，參與骨重塑，因此基于MMP可切割肽的水凝膠可以響應(yīng)各種MMP 水平，從而加速骨再生，在骨再生領(lǐng)域具有相當(dāng)廣闊的前景［27］。Zhou 等［28］開發(fā)了一種包裹了rhBMP?2 的可注射骨髓基質(zhì)細(xì)胞（bone marrow stromal cell，BMSC）水凝膠支架，當(dāng)其暴露在過(guò)氧化氫和辣根過(guò)氧化物酶中時(shí)，支架能夠在15 s 內(nèi)填充缺損的骨骼，14 d 后促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖并實(shí)現(xiàn)成骨分化，以促進(jìn)骨再生。有研究表明負(fù)載有適宜濃度金屬納米顆粒的酶交聯(lián)水凝膠，既提高水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，又不影響水凝膠的抗菌活性，能有效殺死革蘭氏陰性菌，對(duì)致病菌主要為革蘭氏陰性菌的牙周炎的治療有一定的參考價(jià)值［29］。Liu 等［30］研發(fā)載有基質(zhì)細(xì)胞衍生因子?1（stromal derived factors 1，SDF?1）的智能水凝膠，通過(guò)響應(yīng)牙齦蛋白酶，抑制牙齦卟啉單胞菌的繁殖，釋放SDF?1促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞的募集，并誘導(dǎo)成骨。通過(guò)改變堿性磷酸酶水平激活的鹽酸米諾環(huán)素的受控釋放用于牙周病的治療等研究也取得一定成效［31］。

4 光敏感型水凝膠

光敏感型水凝膠由聚合物網(wǎng)絡(luò)和光響應(yīng)基團(tuán)組成，通過(guò)光響應(yīng)基團(tuán)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理或化學(xué)信號(hào)，繼而控制水凝膠的物理或化學(xué)性質(zhì)，影響其微結(jié)構(gòu)，以調(diào)控細(xì)胞的行為如黏附、遷移和分化。以硫醇?烯、香豆素為代表的光響應(yīng)基團(tuán)在光照條件下光致二聚化，為水凝膠提供了豐富的交聯(lián)點(diǎn)［32］。Ma 等［33］制備GelMA/PEGDA 可注射光交聯(lián)水凝膠，并將牙周膜干細(xì)胞（periodontal ligament stem cell，PDLSC）封裝在此水凝膠中，在大鼠牙槽骨缺損中注射并進(jìn)行原位紫外光交聯(lián)，水凝膠作為牙周膜干細(xì)胞的運(yùn)載工具與培養(yǎng)基質(zhì)，減少由于機(jī)械力所導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，并作為生物支架填補(bǔ)缺損為PDLSC的生長(zhǎng)提供空間，結(jié)果顯示缺損處有明顯的新骨形成。Sani等［34］開發(fā)的一種基于可見光活化的天然衍生聚合物（明膠）和抗微生物肽的水凝膠，用于治療種植體周圍疾病，取得良好療效?？勺⑸渥贤夤饷舾蠫elMA 水凝膠作為氯己定、甲硝唑的藥物載體，運(yùn)用于根管消毒，對(duì)糞腸球菌、變形鏈球菌和中間變形鏈球菌均有明顯的抑制作用［35］。

將光熱劑MXene 納米片和抗癌藥物阿霉素包裹在可逆性熱凝膠瓊脂糖中，形成的具有光熱響應(yīng)性藥物釋放水凝膠，在近紅外照射下溫度升高，瓊脂糖熔化釋放阿霉素，當(dāng)溫度降低后瓊脂糖重新凝膠化，藥物停止釋放。藥物釋放的可控性有利于局部的癌癥治療［36］。然而因穿透深度有限、光熱轉(zhuǎn)換效率低、生物安全性和生物降解性較低、難以代謝排出、細(xì)胞毒性等缺點(diǎn)，較大程度上限制光敏感型水凝膠的應(yīng)用［32］。

5 葡萄糖敏感型水凝膠

將某些片段或分子和特定材料復(fù)合到水凝膠上，對(duì)葡萄糖的不同濃度變化做出響應(yīng)，產(chǎn)生體積轉(zhuǎn)變的聚合物，可稱為葡萄糖敏感型水凝膠。有研究制成緩釋TNF?α 抗體的葡萄糖敏感支架用于糖尿病牙槽骨缺損的修復(fù)，結(jié)果顯示該支架對(duì)葡萄糖控制不良引起的牙槽骨缺損具有良好的抗炎和促進(jìn)骨形成的作用［37］。劉君瑜等［38］將葡萄糖氧化酶結(jié)合甲硝唑制備血糖敏感型水凝膠，進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)其水凝膠能響應(yīng)血糖，并一定程度上緩解糖尿病大鼠牙周炎牙齦出血、腫脹等癥狀。葡萄糖敏感的半滲透型CS?聚（環(huán)氧乙烷）水凝膠用于糖尿病患者牙周炎治療，作為局部藥物載體可以在高的葡萄糖濃度下釋放甲硝唑，并具有很強(qiáng)的抑制牙齦卟啉單胞菌的能力［39］。木葡聚糖被用作交聯(lián)劑，以獲得可注射和黏膜黏附的甲基纖維素基水凝膠，直接在牙周袋中獲得，用于原位釋放甲硝唑［40］。

智能水凝膠因其制備方法簡(jiǎn)單、刺激響應(yīng)模式豐富、生物相容性高、改進(jìn)拓展?jié)摿薮蟮泉?dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的口腔應(yīng)用前景，雙敏感型水凝膠（如溫度/pH敏感型水凝膠）的研究也越來(lái)越多。但是，水凝膠往往易碎致很難搬運(yùn)和裝載，其傾向于表現(xiàn)出不均勻的交聯(lián)密度分布，被稱為空間不均勻性，這種特性降低了水凝膠的強(qiáng)度。由天然聚合物制成的水凝膠通常是可生物降解的，其局限性是很難從生物組織中分離出來(lái)，因?yàn)樗鼈兡７潞皖愃扑〈淖匀唤M織，通用性也受到了限制。另一方面，合成水凝膠也有局限性，因?yàn)樗鼈兛赡懿皇巧锵嗳菪曰蛏锟山到庑缘?，且難以滅菌。水凝膠的滅菌可能比其他類型的聚合物更復(fù)雜，因?yàn)檫@些材料中存在水，這可能會(huì)增強(qiáng)滅菌過(guò)程的有害影響。盡管用于再生醫(yī)學(xué)的水凝膠具有優(yōu)良的特性和驚人的潛力，但仍然存在一些挑戰(zhàn)，特別是在它們對(duì)傳統(tǒng)滅菌方案的敏感性方面。任何生物材料都必須經(jīng)過(guò)有效的滅菌，才能獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，才能安全地進(jìn)行臨床試驗(yàn)。因此，現(xiàn)研究口腔醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的智能水凝膠多局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，較少出現(xiàn)于臨床上。未來(lái)重點(diǎn)的研究方向應(yīng)該放在研發(fā)敏感度更高、性能更佳、便于消毒且無(wú)細(xì)胞毒性的雙重或多重敏感型智能水凝膠，致力于提高其骨組織再生、藥物緩釋等應(yīng)用的能力。