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辐射交联医用水凝胶的国内研究进展

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摘要：

水凝胶具有三维网状结构，吸水能力达到自身干重的几十倍到几千倍。水溶性或者亲水性的大分子通过物理或者化学方法，均可形成水凝胶。物理水凝胶以链间可逆连接维持稳态，包括氢键［1］、离子间相互作用［2?3］、疏水缔合［4］和分子链缠结［5］等（图1）。化学水凝胶以聚合物链间形成化学键构建交联网络，性质稳定、结构持久，又称永久性水凝胶。

高能射线，如γ 射线和电子束（Electron beam，EB）辐照可有效诱导聚合物产生自由基，形成共价交联的网络结构。高能辐照与其他制备水凝胶的化学交联方法相比，不需要添加引发剂，清洁无污染；其次，可一步完成水凝胶的合成和杀菌，降低了成本；再次，射线穿透力度强、辐照均匀，常温常压下即可进行，产物纯度和制备效能高，更适合生物医用领域的材料制备。有关辐射交联水凝胶的成果涉及医用领域的多方面内容，包括水凝胶敷料、角膜接触镜、水凝胶黏合剂（止血用）、水凝胶药物缓释载体、人工软骨修复水凝胶材料和真皮组织工程支架等。本文主要介绍我国近年来辐射交联医用水凝胶的性能及其研究进展。

图1 物理水凝胶网络结构形成主要机理示例Fig.1 Schematic of general mechanism of network formation for physical hydrogels

1 材料及辐射交联特性

辐射交联医用水凝胶是原料在溶液或糊状下制备的。水溶液体系受到辐照时，水在高能射线作用下被活化，会生成自由基产物和分子产物，其中羟基自由基（·OH）活性较强，在反应过程中可以夺取原材料分子链上的氢原子，使原材料分子链上生成自由基。在水存在下，仅有少部分原材料可直接吸收高能辐射能量，生成自由基。在一定溶度的水溶液中，大分子链流动性高，不同大分子链间的自由基复合后能够形成网络交联结构。同时，这些自由基还可诱导其他分子接枝到大分子链上。辐射制备水凝胶在常温常压下即可实现，允许多种材料在医学领域的应用。

1.1 天然材料

水凝胶的天然材料主要有多糖和蛋白质。天然材料的分子链上有许多供自由基生成的位点，这是共价键形成交联网络的基础。正是这些交联网络的形成，使得可溶性天然材料转变为不溶性水凝胶。·OH没有特异性，在多个位点都可以形成自由基，如葡萄糖酐单位有多个位点可供自由基生成（图2）［6］。辐射制备水凝胶的多糖材料包括淀粉、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、海藻酸钠和透明质酸等。

图2 辐解时葡萄糖酐单位C1～C6原子上形成新生自由基Fig.2 Primary radicals formed on C1～C6 atoms of anhydroglucose unit upon radiolysis

一定吸收剂量下，水溶液中胶原蛋白维持三螺旋结构的链间氢键和n→π*作用不被破坏，可维持三螺旋结构稳定［3］。新生自由基主要是甘氨酸残基（?NH?CH?）与碳原子相连的氢原子被·OH夺取而形成。不同胶原蛋白的多肽链上自由基聚合生成共价键，胶原分子间相互连接成水凝胶（图3）［7］。后续结合真空冷冻干燥工艺，可获得保存时间长、方便运输的干态交联支架。支架接触水后，短时间即可恢复冷冻干燥前的交联网络状结构。

图3 辐照交联胶原水凝胶支架机理Fig.3 Mechanism for the formation of radiation cross-linked collagen hydrogel scaffolds

翟茂林等［8］通过EB辐射诱导交联制备羧甲基壳聚糖-聚乙烯醇基水凝胶，结果表明：除聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）发生交联反应外，PVA 和羧甲基壳聚糖分子发生了接枝反应，生成的水凝胶有理想的力学性和溶胀性，同时抗大肠杆菌性能良好。Fan 等［9］以γ 射线（60Co）交联壳聚糖、明胶、PVA，获得良好pH 敏感性、溶胀性和水分蒸发速率的水凝胶，具有创面敷料应用的潜能。相似研究通过EB 和γ 射线（60Co）辐照直链、支链淀粉与PVA 等原料，分别制备水凝胶，通过傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法等证实EB及γ射线（60Co）均可诱导接枝和交联反应发生，凝胶强度和断裂伸长率测试表明水凝胶有良好的弹性和柔韧性，适合用作创面敷料［10］。

1.2 合成材料

辐射交联水凝胶的合成材料有PVA、丙烯酸及其衍生物类（甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸乙烯酯、N-异丙基丙烯酰胺等）化合物。同天然材料一样，·OH结合的氢原子并不具有特异性，有研究指出在辐射作用下，·OH结合聚合物（如PVA、聚丙烯酸（Polyacrylic acid， PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone， PVP））分子链上的H 原子形成的初级自由基位点存在不同［11-12］，预测结构及比例如图4所示。

文章来源：《青岛医药卫生》网址: http://www.yywsgw.cn/qikandaodu/2021/0306/1175.html