[发明专利]原位成型水凝胶及其生物医学用途

说明书

技术领域

本发明涉及在生物稳定性和机械强度方面有所改进的原位成型(in situ-forming)可注射水凝胶及其生物医学用途。

背景技术

由于水凝胶生物相容性高、水含量高并且对营养物质和代谢产物的透过性优异，已经对水凝胶作为用于各种生物医学应用的生物材料(如植入物、药物和细胞递送载体)进行了广泛研究。水凝胶可由天然存在的或合成的聚合物制备，并能够以化学和物理的三维交联网络的形式形成。在过去的十年中，水凝胶研究的趋势转向了原位成型水凝胶，所述原位成型水凝胶在将聚合物溶液进行体内注射后的实际部位处成型。

可将原位成型水凝胶用于可注射水凝胶体系中。基于微创技术，可注射水凝胶体系引起了广泛的重视，这是由于可注射水凝胶体系构成了令患者感到舒适的简单制剂。这些体系可由可注射流体组成，在使用微创方法注射后，这些可注射流体在固化前可在体内(例如，在组织、器官或体腔内)形成水凝胶。

例如，可注射水凝胶体系的植入并不需要手术操作，但是可通过简单混合将各种药物和生物活性分子容易地包封入该水凝胶。利用可注射水凝胶可以填充体腔的缺陷或凹陷部位(defected or depressed sites)。可注射水凝胶体系的机械性能差，但是却享有如下优势：显示出高的细胞接种效率；可用作生物活性药物(如肽、蛋白质和DNA)的载体；有效地将营养物质递送至细胞。

原位水凝胶的成型可以是由UV-聚合或Michael加成实现的化学交联的结果，或是物理化学交联(如疏水相互作用后的热敏结合、立构复合物(stereocomplex)形成或离子键合)的结果。当通过化学交联成型时，原位成型后的水凝胶其用途受限于细胞毒性和不佳的体内安全性，这主要是由使用有毒的添加剂(如光引发剂或交联剂)而引起。相反，通过物理化学交联制备的原位成型水凝胶原则上不含有有毒添加剂，但是却存在机械强度和稳定性低的缺点。

就光敏水凝胶来说，由于其前体聚合物溶液的高粘度，很难将其前体聚合物溶液的溶液与细胞或药物均匀混合；并且另一缺点在于制备光敏水凝胶要花费的时间长。另一方面，当立构复合水凝胶降解时，它产生导致周围组织坏死和细胞毒性的酸性副产品。

为了克服这些问题，最近开发了酶触发型(enzyme-triggered)原位成型水凝胶。该交联的水凝胶是在辣根过氧化物酶(HRP)和过氧化氢(H₂O₂)存在时，由聚合物的原位聚合得到的。除具有良好的原位安全性之外，该酶触发型原位成型水凝胶还享有化学交联水凝胶的优势，即，机械强度高。

迄今为止开发出的酶触发型原位成型水凝胶如下：葡聚糖-酪胺(dec-TA)(Rong Jin等，Biomaterials 2007)、透明质酸-酪胺(HA-TA)(Motoichi Kurisawa等，Chem.Commun.2005)、明胶-羟基苯丙酸(Lishan Wang等，Biomaterials 2009)、明胶-酪胺(GTA)(Shinji Sakai等，Biomateirals 2009)和海藻酸-羟基苯乙酸(AHPA)(Shinji Sakai等，Acta Biomaterialia 2007)。

通过酶介导的交联由透明质酸-酪胺原位成型后的水凝胶可从LifeCore购得，并且已有许多相关的PCT专利和美国专利公告。聚合物骨架中的苯酚部分通过邻位碳-碳键和/或通过邻位碳原子与苯氧基的氧之间的碳-氧键，发生HRP-介导的偶联反应。

利用HRP与H₂O₂的浓度比可容易地控制成型后的水凝胶的理化性质(如凝胶化时间、机械强度、生物可降解性等)。然而，由于聚合物溶液的溶解度和苯酚-苯酚偶联的反应性，这些酶触发型水凝胶存在稳定性与机械性能差的缺点。

例如，由于聚合物溶液的高粘度，这些水凝胶中的聚合物溶液的量被限制在低至1-5wt％。实际上，这种高粘度使细胞或药物难以在水凝胶内均匀地混合。

明胶-酪胺(GTA)的低溶解度会产生不透明的水凝胶，并使得聚合物溶液处于5wt％以下的浓度。由于明胶的溶解率受到其它因素(特别是低温)的影响，因此需要解决这一问题。

对于明胶-羟基苯丙酸水凝胶，它们的机械强度最多为600Pa。这一不佳的机械强度归因于聚合物骨架的苯酚部分彼此直接键合的事实。因为形成苯酚-苯酚键的自由基需要HRP分子和苯酚部分之间的距离为至少数埃所以苯酚部分的可移动性在苯酚-苯酚键的形成中起重要作用。因此，在苯酚部分直接键合的结构中存在不利之处。