明胶基缓释复合材料的制备及应用.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期115明胶基缓释复合材料的制备及应用*王忆娟,成纯伟,王 婷（武汉文理学院 医学院，湖北武汉 430345）摘要：明胶基复合材料既有良好的生物相容性和可降解性，又兼具机械强度高和多功能性，已成为缓释制剂的理想材料，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。该文综述了明胶与其他材料复合制备缓释材料的方法，对近年来明胶基缓释复合材料在医药领域的应用现况进行了简述。最后，归纳了明胶基缓释复合材料面临的挑战和存在的技术问题，并对其未来进行了展望。关键词：明胶；复合材料；缓释材料中图分类号：TB 34；TQ 469Preparation and Application of Gelatin-based Composites for Sustained Drug ReleaseWANG Yi-juan,CHENG Chun-wei,WANG Ting(Department of Medicine,Wuhan College of Arts&Science,Wuhan 430345,Hubei,China)Abstract:Gelatin-based composites possesses the advantages of excellent biocompatibility,biodegradation，high mechanical strength,and multi-functionality,which has become the ideal materials for the sustained-release formulation and represents a promising application in the biomedical fi eld.In this paper,the preparation methods of gelatin-based composites for sustained drug release were discussed,and their applications in medicine fi eld in recent years were reviewed.Finally,the challenges and technical problems of gelatin-based composites were summarized,and their future development was prospected.Key words:gelatin;composite;sustained-release material*基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划（T2022061）；湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目（B2016462）。作者简介：王忆娟，副教授，博士，研究方向：化学工程与工艺。缓释材料是影响药物从制剂中溶出和扩散的辅料，它能通过控制延缓药物的释放和吸收，减少给药次数，从而提高病人医治顺应性。许多高分子化合物具有缓释作用，如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、有机硅橡胶等。但这些材料在生物体内无法降解，药物释放完毕后需从体内取出，给患者带来二次痛苦。明胶由动物胶原蛋白断裂生成，具有优异的组织相容性、生物可降解性，且无毒性和非抗原性，成为了目前生物医学研究最热门的缓释材料之一，拥有非常广阔的应用前景。明胶没有固定结构，是由 18 种氨基酸与肽交联而成的直链聚合物，其中甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸等占明胶氨基酸总量的 67%。明胶分子中的羧基、氨基亲水性强，易在凝胶和溶胶之间发生可逆性转变，可塑性非常强1。利用高温溶解、低温成胶的特点，明胶制成的水凝胶三维结构可为细胞生长提供空间；通过物理或化学交联，明胶可制成各种胶囊、支架，为药物和生长因子提供新的传递和释放系统。关于明胶缓释材料在十年前已有诸多综述，对明胶材料的制备和应用均有所研究。但纯明胶所制备的材料机械性能、热稳定、粘合性能不佳，应用有限。随着其他材料（或功能材料）与明胶复合制备材料的兴起，不仅能提高明胶材料的机械性能，还能给明胶基材料带来其它特性，使明胶基缓释复合材料有了更丰富的制备方法和更广泛的应用领域，而关于此方面的综述较少。鉴于此，本文侧重介绍近年来具有缓释功能的明胶复合材料的各种剂型的开发应用，旨在为利用明胶制备缓释复合材料提供一定的参考，促进明胶材料在医药健康领域的开发应用。1 缓释复合材料的制备方法1.1 水凝胶的制备水凝胶含水量高，生物粘性和生物相容性较好，被广泛应用于水溶性药物的缓释。明胶水凝胶内部密集而丰富的网络结构对细胞增殖及舒展有明显抑制作用，也适合用作载细胞支架材料2。明胶作为单一原料制备水凝胶，在热稳定性和力学性能方面有所不足，若制备成明胶复合材料则可弥补这些缺陷。明胶基复合水凝胶往往采用一锅法，通过溶胶-凝胶法从均相溶液中制备。将明胶与其他材料按照一定比例溶解，长时保温搅拌，通过一定的物理或者化学交联反应后降温，再通过浸泡等后处理即可。其中，物理交联可利用离子键、氢键、超分子作用、疏水键、链缠结等；而化学交联则可通过酰腙键、二硫键、Diels-Alder 反应等。与明胶互混的材料可以是单宁酸、壳聚糖等有机材料，也可以是银纳米离子等无机纳米离子。同时，明胶侧链上的氨基、羧基、羟基等多种活性基团还可智116王忆娟 等 明胶基缓释复合材料的制备及应用能化改性，改性后的明胶能响应环境中的光、热、pH 值、超声等刺激实现原位凝胶化和药物释放。1.2 微球的制备微球能将药物分子包裹在微米级粒径的球状实体内，实现药物分子长时间平稳释放。将药物分子制成微球剂，能实现控释的同时提高药物的稳定性，减少药物副作用。制备明胶基复合微球的常规方法主要有水油乳化法、电喷雾法、喷雾干燥法和微流控乳化法等。水油乳化法是最常用的制备明胶基微球方法，也被称为乳化交联法或者反相悬浮法3。其方法是先将其他材料与明胶水溶液混合，将混合水溶液在均速搅拌中加入油相中，再在冰浴中冷却交联，同时可以通过物理或化学反应对明胶进行交联改性。采用物理交联的微球热稳定性较差、易崩解；化学物质交联得到的微球热稳定性和力学性能较好，但残留的化学交联剂对细胞和组织有一定的生物毒性。制备过程中，溶胶粒子形成凝胶的反应条件变化较大，需通过调整溶液黏度、表面活性剂、油的种类和浓度、搅拌速度等制备条件控制微球的形貌和尺寸。电喷雾法与静电纺丝相似，将其他材料与明胶水溶液混合，混合流体在正极电压的推动下形成静电雾化。在射流的过程中，通过修改电压、注射速度、针的尺寸和接地导电表面等参数使射流破碎成液滴，形成大小形状不同的微球。该法制备的微球负载效率高且不需要表面活性剂处理，适合含有生物活性的蛋白质和多肽类药物。喷雾干燥法则是在高温下通过雾化喷雾将含明胶的复合溶胶转化为干粉颗粒。但是由于明胶对温度较敏感，因此此法易受出入口温度、明胶浓度、流速、表面活性剂、交联剂、气速等参数的影响。相比较前面微球的制备，该方法可以制备纳米级药物，可将目标物包封在纳米颗粒中，并能实现大量生产。微流体法也可以制备微球，该法可以和 3D 打印技术相结合，组合制备明胶基复合微球，生产出的微球尺寸范围广且大小均匀。通过 3D 打印，可以实现实时操纵，与其他材料高效复合，制造出具有不同成分和性能的各种功能结构。1.3 其他复合材料的制备明胶常与其他材料一起用来制备成微胶囊和纳米胶囊等封装材料，可以提高活性物质稳定性同时具有缓释效果。主要制备方法与微球的制备方法类似，一般采用的技术有喷雾干燥、冷冻干燥、乳化、凝聚和纳米沉淀等方法。明胶还可制备复合薄膜材料。制备工艺是将低浓度的明胶和其他材料的混合水溶液在高温下搅拌均匀，再加入一定的表面活性剂和交联剂搅拌，倒入特制的模具中干燥成膜。其中脱泡工艺比较重要，能极大影响到复合膜的品质。缓释微针能无创无感染地穿透表皮层、进入内部组织，不仅能减少给药次数，还能通过定位将所需的剂量降至最低4。一般将明胶与其他材料复合制备成针尖内层，再将形成的微针转移到其他高分子材料制成的大模板中。通过这种大小双模板法，不仅有利于微针成功扎入皮肤，还有利于实现药物缓释。通过明胶基缓释微针的强生物相容性，能有效减轻特应性皮炎症状。医用明胶基海绵的制备与薄膜的制备工艺类似，所制产品需预冻较长时间，再冷冻干燥得到复合海绵5。海绵的宏观形貌由成型模具控制，微观形貌则由其中药物载入量、辅料材料、pH 值、温度、浓度等条件控制。2 明胶基缓释复合材料的应用2.1 药物缓释载体材料明胶因其价格合理，目前已被广泛用于针对各种疾病治疗的药物缓释载体材料。同时，随着聚合物复合材料的开发，近几年围绕着明胶基复合材料在提高载药量、生物利用度、溶解度和为难溶药物建立缓释机制等方面的研究越来越多。卡维地洛（CAR）是目前用于治疗高血压、充血性心力衰竭和冠状动脉疾病的药物。但 CAR 的水溶性和有限的生物利用度限制了其临床使用。将 CAR 封装在 pH敏感的明胶基复合微球中，在酸性条件下（pH=1.2）显示出具有 pH 响应药物释放的特性，且无细胞毒性，适合于口服给药载体6。医学手术引起的疼痛治疗是临床上急切需要解决的一项挑战。阿片类药物作为主流药物有较强的副作用和成瘾后遗症，因此将其封装在-环糊精与部分酪胺官能化的明胶缓释给药系统中。把兼顾机械性能和细胞相容性的复合水凝胶载体植入脊柱手术的绵羊体内，能实现持续 72h 释放，不仅降低细胞毒性，也提高了机体的自愈行为7。将各种抗肿瘤药物包覆在明胶基微球或者纳米粒子中，用作药物抗肿瘤靶向微粒给药已成为国内外药剂学研究的重点之一。通过物理靶向、pH 敏感材料、免疫靶向等手段达到抗肿瘤靶向方面已有较多的研究成果，并在动物水平得到了较好的验证8。除此之外，瘤内注射能将大量药物直达肿瘤部位，减少全身吸收。但瘤内注射对缓释材料的要求较高，需要缓释载体拥有输送高浓度药物的能力。明胶基植入体可以实现将药物有效困在肿瘤细胞中并长期保持药物的高浓度，由此制备得到的瘤内注射用快速释药明胶针被认为是一种新型药物递送制剂9。2.2 组织工程支架组织工程是医学、化学和材料学等多个领域技术结合的产物。以明胶为基础的组织再生药物输送系统最早可以追溯到 2000 年。这些结构往往是结构较简单的复合水凝胶，可控制 BMP-2 或 TGF-1 等生长因子的释放促进组织再生。由于明胶材料能够释放多种生物活性物质，因此基于明胶的生物复合材料被广泛应用于心肌、神经或伤口愈合等各种组织工程10。水凝胶材料支架是三维培养细胞的理想材料之一，但纯明胶的水凝胶内部密集的网络结构对细胞增殖及舒展有明显抑制作用11，通过改性明胶或者使用含明胶的复合水凝胶支架能有效改善此问题，还可以提高支架的合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期117适用性、提供较强的力学性能等。有学者加入纳米复合材料，包括使用导电性的碳基材料或金属材料，也有的学者使用羟基磷灰石等矿物质12。Xu 等13用具有高导电性的黑磷纳米粒子和明胶复合，用于再生骨骼肌、神经等电活性组织，结合生长因子缓释作用，这种导电水凝胶能有效增强间充质干细胞分化为神经细胞的能力。随着科学技术的进步，生物 3D 打印技术为组织器官修复提供了新思路，生物 3D 打印技术可打印复杂组织结构、细胞载体，能实现不同细胞数量和细胞密度的可控沉积，已在骨骼肌、骨骼和神经再生等领域有所应用。为了适用于组织工程，将其他 3D 打印材料与明胶制备成复合材料，使其具有可调节的机械性能同时符合组织工程支架的要求14。如用甲基丙烯酰化的明胶复合透明质酸、丝素蛋白等生物相容性较好的材料，通过 3D打印技术打印支架，接种神经细胞或载神经细胞后用于神经损伤的修复、神经药物的筛选等15。2.3 功能性包装材料通过聚合物和其他材料改性天然明胶可以显著提高明胶薄膜的防潮性、热稳定性、弹性、柔韧性和刚性，使得明胶能作为功能性包装材料使用。例如，具有抗菌性的明胶基薄膜能有效抑制病原体的产生，十二烷基硫酸钠乳化的明胶-姜黄素复合膜对大肠杆菌、单核增生李斯特氏菌等革兰氏阴性菌和阳性菌也有明显的抑菌活性16。Li 等17开发了一种含银纳米颗粒的明胶膜，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等致病菌具有潜在的抗菌活性。薄膜上的银纳米颗粒随着明胶膜的降解缓慢释放过氧化氢，使细菌蛋白质失活，降低细胞渗透性从而破坏细菌。明胶蛋白的某些氨基酸基团对自由基有一定的猝灭能力，因此由明胶制备的薄膜具有一定的抗氧化活性。天然明胶薄膜的自由基清除能力较弱，将明胶薄膜与各种植物提取的酚类化合物或纳米颗粒结合可以显著提高其抗氧化活性。Ho 等学者18将活性冻干粉复合在明胶薄膜中，当添加量仅达到 0.5%时，抗氧化活性就显著提高。2.4 其他领域的应用口腔种植领域常用钛及其合金材料，虽然它们有较好的机械性能，但存在骨整合性差和细菌感染问题使植入手术失败。通过电泳沉积技术在钛表面制备明胶基复合涂层，负载重组蛋白后涂层表面形貌好，30d 的释药率达 80%，具有骨髓间充质干细胞促分化能力以及一定的抑制破骨细胞的作用19。鼻对脑给药是一种较为特殊的给药方式，其优势在于可以绕过血脑屏障。将酒石酸卡巴拉汀负载在明胶基复合材料中，并制成特殊的鼻插入物，不仅有一定缓释性能还能有较好的机械性能和黏膜黏附行为20。离心纺丝是一种以高产量生产微米及纳米级超细纤维的技术。明胶基复合材料也能用于离心纺丝，例如负载环丙沙星的聚乳酸/明胶（PLA/GE）纳米纤维已成功用于伤口敷料。药物分子能成功负载在 PLA/GE 纳米无定型纤维中。抗菌及体外药物释放实验表明，纳米纤维具有明显的抗菌性能和优良的药物缓释性21。3 结语明胶优异的生物降解性、生物相容性、亲水性和非免疫原性等生物特性，使其在医药领域得以广泛应用。因明胶结构的特殊性，可以使用诸多物理、化学的方法将明胶与其他材料复合。制备出的复合材料，不仅提高了材料的机械性能，更增加了其功能性，极大地丰富了明胶在其他领域的应用。但是，尽管明胶基复合材料在缓控释制剂方面具有显著的优势，但目前也有诸多挑战，例如提高负载量、减少生物毒性、提高缓控释放的精确性、提高材料功能性等等。结合现在明胶基缓释材料的研究背景，对其未来的研究和开发利用作出以下展望：（1）现今所使用的明胶材料大多来源于动物，但随着疯牛病、布氏杆菌等疾病出现，动物源性明胶可能面临着被污染的可能，而其他来源的明胶来源及使用有限。尤其是关于各种类型明胶过敏毒性及健康危害的研究不多，如何保证明胶基材料的安全有待进一步的探讨。（2）明胶表面的活性基团较多，在制备复合材料时易受其他试剂或制备方法的影响，对各种药物或活性成分的装载量有限、精准释放功能较弱，明胶材料表面基团和其他材料或者装载材料之间的相互作用有待进一步的研究。（3）目前大多数明胶基复合缓释材料的制备过程影响因素较多，大多局限在实验研究阶段，工业生产上适用性不高，如何控制生产工艺、加快产业化生产已成为一项具有挑战性的任务。?1 关林波,但卫华,曾睿,等.明胶及其在生物材料中的应用 J.材料导报,2006,20(z2):380-383.2 刘嘉琪.改性明胶水凝胶的制备及在葡萄糖体外诊断芯片的应用 D.北京:北京石油化工学院,2021.3 王忆娟,刘守信,房喻,等.作为细胞微载体的明胶基缓释微球的制备 J.高等学校化学学报,2007,28(9):1776-1780.4 施可庆,宋丽婉,肖健,等.一种用于特应性皮炎的双层微针贴片的制备方法:中国,114712695P.2022-07-08.5 牛耀祥.一种用于治疗糖尿病足的明胶海绵剂制剂工艺研究 D.吉林:长春中医药大学,2016.6 JABERIFARD F,ARSALANI N,GHORBANI M,et al.Incorporating halloysite nanotube/carvedilol nanohybrids into gelatin microsphere as a novel oral pH-sensitive drug delivery 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