聚合物水凝膠由于具有良好的生物相容性、塑形能力以及類似細胞外基質的性能特點，作為藥物緩釋材料、傷口敷料、組織工程支架等在生物醫學領域得到了廣泛的應用。但目前水凝膠的進一步發展仍然受限于其較差的力學性能和自愈性能。在水凝膠網絡中引入不同類型的納米粒子，如碳基、聚合物基、無機基和金屬基納米顆粒，是獲得具有優異性能和定制功能的納米復合水凝膠的常用方法。在水凝膠網絡中引入聚合物納米膠束獲得的聚合物膠束-水凝膠復合體，不僅能增強水凝膠的機械性能、自愈性能和化學性能，還可以改善膠束的體內穩定性，作為生物材料具有良好的應用前景。本文對聚合物膠束-水凝膠復合體系的結構、性質進行了簡要介紹，并重點綜述了該體系的制備方法以及作為藥物載體、傷口敷料、組織工程的應用研究進展，為該復合體系進一步的開發應用提供參考。
引用本文： 曾妮, 蔣林芮, 苗青山, 支云飛, 陜紹云, 蘇紅瑩. 聚合物膠束-水凝膠復合體的制備及作為生物醫用材料的應用研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(3): 609-620. doi: 10.7507/1001-5515.202011024 復制
引言
水凝膠具有軟稠度、多孔性和高含水量等特點，非常接近天然活性材料，是制備隱形眼鏡、傷口敷料、組織工程和藥物輸送系統的一種理想材料[1-3]。但大多數水凝膠的功能性單一，如用于載藥的水凝膠一般機械強度較弱，而單純提高水凝膠的機械性能又會限制其在其他方面的應用[4]。為了優化水凝膠的機械和化學性能以達到生物醫學應用目的，將納米材料引入水凝膠中形成納米復合水凝膠越來越受到人們的關注[5-7]。與傳統水凝膠相比，納米復合水凝膠具有優越的物理、化學、機械和電性能。
目前常用于制備水凝膠納米復合材料的納米顆粒主要包括：碳基、聚合物基、無機基和金屬基納米顆粒[8]。碳基水凝膠納米復合材料主要用于導電組織和增強機械強度；無機基水凝膠納米復合材料機械強度高，在骨組織支架方面得到廣泛應用；金屬基水凝膠納米復合材料對電/磁場刺激反應靈敏，具有抗菌性能，廣泛應用于成像劑、導電支架和傳感器[9-10]。相對于其他三種納米材料，聚合物基納米復合材料因具有良好的生物相容以及裝載疏水/親水藥物、蛋白質和其他生物活性劑的能力，在藥物輸送系統方面有著極大的應用價值[11-12]。
聚合物基納米材料主要包括超支化聚合物、脂質體、聚合物膠束和納米凝膠[13]。其中，膠束是作為生物材料應用較為廣泛的聚合物基納米材料。聚合物膠束是由兩親性嵌段共聚物在水溶液中自組裝形成的具有殼/核結構的納米團聚體[14]。其疏水內核可包封多種疏水性抗癌藥物且不改變其化學結構，提高藥物的穩定性和溶解度；親水性外殼和納米級粒徑則有助于藥物在體內的釋放與富集[15-17]。但是膠束載體容易受到體內環境的影響，發生結構破壞而提前釋放藥物、產生耐藥性等問題。
將膠束引入水凝膠網絡結構中制備聚合物膠束-水凝膠復合體，可利用膠束的疏水內核實現水凝膠對疏水性抗癌藥物的遞送，而水凝膠的三維網狀結構也能提高膠束在血液中的穩定性和藥物緩釋能力[18-20]。與普通水凝膠相比，聚合物膠束-水凝膠復合體有較好的自愈合能力、機械強度和載藥能力，在生物醫學領域有著廣闊的應用前景。本文簡要介紹了聚合物膠束-水凝膠復合體的性質，詳細歸納了聚合物膠束-水凝膠復合體的制備方法，并對其在藥物緩釋、傷口敷料、組織工程材料等生物醫學領域方面的應用進行了系統概括。同時，基于目前對聚合物膠束-水凝膠復合體制備存在的一些問題和應用前景進行了總結和展望，為該復合體進一步的開發應用提供參考。
1 聚合物膠束-水凝膠復合體的制備方法
為了獲得聚合物膠束-水凝膠復合體，聚合物膠束可以作為水凝膠網絡結構的一部分進行化學或物理交聯，也可以作為填料直接通過物理混合的方式引入到水凝膠網絡中。
1.1 化學交聯法
化學交聯聚合物膠束-水凝膠復合體是通過膠束中的親水或疏水聚合物鏈共價交聯而獲得。利用化學鍵將膠束引入水凝膠網絡中，可以賦予這類復合水凝膠材料刺激響應性能，比如可以對力、pH、溫度、光等刺激產生響應。
1.1.1 自由基共聚交聯
在膠束交聯劑存在的條件下，低分子量單體自由基聚合可得到化學交聯聚合物膠束-水凝膠復合體。Xiao 等[21]以丙烯酰胺（AAm）為小分子單體，由聚丙烯酸正丁酯和部分丙烯酸酯改性的聚丙烯酸組成的兩親性嵌段共聚物膠束（BCMs）為交聯劑，通過自由基聚合法制備了一種具有機械響應性的聚合物膠束-水凝膠復合體（見圖 1a）。透射電鏡表征結果顯示（見圖 1b），當水凝膠拉伸到 200% 應變時，與聚丙烯酰胺（PAAm）網絡共價連接的球形膠束變為橢球形；外力移除后，水凝膠中的膠束恢復到原來的球型形狀。這是由于外力沿 PAAm 與膠束親水外殼之間的共價鍵傳遞到膠束后，疏水內核進一步向拉伸方向延伸耗散能量。除了小分子單體自由基聚合外，還可以通過預先聚合的高分子接枝共聚得到聚合物膠束-水凝膠復合體。Xu 等[22]利用 N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）與一種新型兩親性大分子單體（P（NIPAAm-co-10-UA）-NHCOCH=CH2）自由基共聚，制備了聚 N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）水凝膠。兩親性鏈在水凝膠網絡中自組裝形成膠束，這種側鏈含有膠束結構的膠束-水凝膠復合體具有較大的多孔網絡，可以將納米顆粒以物理包埋的方式引入其中改善其機械性能。
圖1
化學交聯膠束-水凝膠的合成及 TEM 表征
a. 以 BCMs 為交聯劑自由基聚合生成水凝膠；b.不同拉伸條件下（松弛、拉伸至 200%、拉伸至 200% 后松弛）復合水凝膠的 TEM 圖[21]
Figure1. Synthesis and TEM characterization of chemically crosslinked micelles-hydrogelsa. hydrogel formation by radical polymerization of AAm in the presence of crosslinkable BCMs; b. cross-sectional TEM images show the microstructure of BCM16-PAAm gels imaged under various conditions(relaxed, stretched to 200%, relaxed after stretching to 200%). Reprinted with permission from ref. [21] (Xiao et al. 2012). Copyright 2012 Royal Society of Chemistry
1.1.2 共價鍵交聯
通過活性基團修飾的聚合物鏈與表面具有活性化學基團的納米膠束發生化學反應形成共價連接，也是獲得化學交聯膠束-水凝膠復合材料的一種常用方法。Wei 等[23]利用裝載克林霉素的超支化納米膠束表面的醛基與季銨化殼聚糖提供的氨基發生席夫堿反應，制備了一種具有 pH 響應性能的納米復合水凝膠。席夫堿結構具有的 pH 響應性使得克林霉素在酸性環境表現出持續且可控的藥物釋放行為。Wen 等[24]制備了一種新型的基于多糖的膠束-水凝膠協同治療系統。首先，通過單電子轉移活性自由基聚合（SET-LRP）合成兩性離子二醛淀粉基膠束（SB-DAS-VPBA）；然后，利用殼聚糖（CS）的氨基與 SB-DAS-VPBA 膠束表面的醛基形成席夫堿鍵，合成了 CS / SB-DAS-VPBA 膠束-水凝膠復合體。將胰島素與納豆激酶分別裝載在 SB-DAS-VPBA 膠束和水凝膠基質中獲得膠束-水凝膠協同治療系統，在糖尿病和血管性糖尿病并發癥治療中具有廣闊的應用前景。類似的，Uchida 等[25]利用膠束表面的醛基與聚乙烯亞胺（PEI）反應形成席夫堿結構，制備了具有組織粘附性的聚合物膠束-水凝膠復合材料（見圖 2）。由聚乙二醇（PEG）親水外層、聚乳酸疏水層和被 PEG 包圍的親水內部空間組成的三層聚合物膠束，不僅可以作為制備水凝膠的交聯劑，也是親水化合物的容器。由于醛基可以與蛋白質中的胺基形成亞胺鍵，因此該水凝膠與 Wen 等[24]制備的水凝膠類似，具有特殊的生物組織親和力，這種良好的機械性能和親和力使這類水凝膠有望成為組織工程和傷口敷料的候選材料。
圖2
三層聚合物膠束作為交聯劑和親水性化合物的新型組 織粘附水凝膠的制備[25]
Figure2.
Preparation of the novel tissue-adhesive hydrogel covalently containing the trilayered polymeric micelle as a crosslinker and a reservoir of hydrophilic compounds
reprinted with permission from ref. [25] (Uchida et al. 2013). Copyright 2013 John Wiley &Sons, Inc
1.1.3 酶交聯
據文獻報道[26]，將谷氨酰胺轉胺酶（transglutaminase，TGase）添加到肽修飾的大分子單體水溶液中，會催化賴氨酸和谷氨酰胺殘基發生共價交聯反應形成水凝膠。與其他交聯劑相比，TGase 是一種國際認定的安全成分，制備的水凝膠具有更高的生物安全性。Huppertz 等[27]發現用 TGase 交聯酪蛋白膠束可以得到穩定的納米凝膠顆粒，在不影響結構完整性的情況下膠束中的磷酸鈣（MCP）可以被去除。隨著 MCP 含量的降低，酪蛋白膠束對熱/酸誘導凝聚的穩定性提高。類似的，Nascimento 等[26]以 TGase 為交聯劑，制備了一種酪蛋白膠束-水凝膠復合體，并將其作為載體用于包封嘉寶果提取物（Jaboticaba extract，JE）。TGase 促進了蛋白質基質中共價鍵的形成，使酪蛋白水凝膠樣品中形成更密集和更均勻的網絡。在酸性 pH 條件下，JE 與蛋白質的相互作用更強，表現出較慢的 JE 釋放速率，其中 pH = 7.0 釋放速率最大，pH = 2.0 釋放速率最小，這種行為使水凝膠樣品能夠保留或釋放 JE。
1.2 物理交聯法
物理交聯水凝膠通常是指通過氫鍵、疏水作用和離子鍵等物理作用形成的水凝膠[28]。利用疏水作用制備物理交聯聚合物膠束-水凝膠復合體是目前最常用的一種方法。相對于化學交聯法，物理交聯聚合物膠束-水凝膠復合體避免了有毒化學交聯試劑的使用，且其固有的可逆性和物理相互作用的動力學特性，可以防止膠束的永久解離并促進自愈。
獲得疏水締合水凝膠的簡單方法是自由基膠束聚合，在該方法中，溶解在膠束中的疏水性單體與水溶液中的親水性單體通過自由基聚合在聚合物鏈中引入疏水鏈段[28-29]。疏水單體在膠束中的局部濃度較高，沿親水聚合物骨架呈隨機塊狀分布。Bilici 等[30]以丙烯酸（AAc）作為親水單體，丙烯酸十八酯（C18）在十二烷基硫酸鈉（SDS）-NaCl 水溶液中的疏水締合結構為物理交聯點，利用自由基膠束聚合技術得到了具有形狀記憶效應的復合水凝膠。Jeon 等[28]以 AAm、氨基甲酸酯鏈接的疏水烷基和 2-脲基-4-嘧啶酮（UPy）組成了新型交聯劑（UPyHCBA），SDS 膠束為其提供疏水環境，進一步與 AAm 膠束聚合制備了具有自愈性能的復合水凝膠（見圖 3）。由于其快速的自我修復能力、卓越的機械性能、極強的延展性和良好的抗疲勞性，這種水凝膠作為人工軟組織、傷口護理材料以及細胞培養支架在生物醫學應用中具有潛在的應用前景。
圖3
自愈合膠束-水凝膠的制備及自愈機制
a. UPyHCBA 和 AAm 膠束共聚示意圖；b. 自愈機制示意圖[28]
Figure3. Preparation and self-healing mechanism of self-healing micelles/hydrogelsa. schematic of the micellar copolymerization of the UPyHCBA and acrylamide; b. schematic representation of the self-healing mechanism. Reprinted with permission from ref. [28] (Jeon et al. 2016). Copyright 2016 John Wiley &Sons, Inc
上述報道中制備的疏水締合水凝膠作為生物材料應用時，可能會由于 SDS 乳化劑的存在產生一定的毒副作用。為避免這些問題，使用生物大分子明膠是一個很好的選擇，它具有良好的生物相容性且能穩定水中的油相，可用作乳化劑。Xu 等[31]以明膠為乳化劑、NIPAM 為親水單體、C18 為疏水單體，在水介質中自由基膠束聚合，制備了一種具有良好生物相容性的疏水締合水凝膠。其中 C18 在水介質中通過疏水相互作用形成的疏水結構是構建水凝膠的物理交聯點。類似的，Cui 等[32]以明膠為乳化劑、過硫酸銨為引發劑，手性親水單體 N-丙烯酰丙氨酸（NAA）與疏水單體 C18 在 60℃ 的水介質中發生自由基膠束聚合，制備了一種堅韌的手性水凝膠（見圖 4）。明膠的乳化作用使 C18 衍生的疏水聚合物結構在水溶液中存在，成為形成水凝膠網絡的物理交聯點，當其受到外力作用時，疏水締合交聯節點會發生滑動，從而耗散水凝膠網絡中的機械能使其具有較高的韌性。
通過物理疏水相互作用形成的水凝膠具有可以模塑成任意形狀的優點，且由于其快速的自我修復能力、卓越的機械性能、極強的延展性和良好的抗疲勞性，這類水凝膠作為人工軟組織、傷口護理材料以及細胞培養的支架等在生物醫學領域具有潛在的應用前景。
1.3 雙重交聯
雙重交聯膠束-水凝膠是指存在物理/化學交聯或雙物理交聯的水凝膠。這些聚合物膠束-水凝膠復合體表現出不同于單獨物理/化學交聯水凝膠的獨特力學和自修復性能。
1.3.1 物理/化學雙交聯膠束-水凝膠復合體
物理/化學雙交聯膠束-水凝膠復合體是指在其水凝膠網絡中同時存在永久化學交聯和可逆物理交聯兩種交聯點的復合水凝膠。在這些體系中，相對較弱的物理交聯網絡作為能量耗散機制，而化學交聯則用于提供結構和機械強度，保持凝膠的完整性[33]。Wang 等[34]以醛基封端的 F127 三嵌段共聚物膠束和酰肼封端的三臂 PEG 為原料，通過在一個水凝膠中整合酰腙鍵和膠束交聯兩種動態交聯，制備出具有優異拉伸性和良好自我修復能力的膠束-水凝膠復合體。其中物理交聯來自 F127 膠束內部的疏水締合，化學交聯點來自膠束表面的醛基與酰肼縮合形成的酰腙鍵。在變形過程中，大量的酰腙鍵作為靜態共價鍵起到維持樣品形狀的功能，而少數酰腙鍵隨機斷裂耗散能量，因此該水凝膠拉伸后在室溫下儲存 3d 即能恢復其拉伸行為。Lin 等[35]設計了一種包含兩親性聚氨酯大分子單體自組裝形成的 PU-HEMA 納米顆粒，包埋 C18 的 SDS 膠束和 AAm 的反應系統，用于構建化學和物理雙交聯網絡（CPDN）水凝膠（見圖 5a）。在紫外線照射下，AAm 分別與兩親性大分子單體 PU-HEMA 和 C18 的聚合物鏈共聚產生了化學交聯網絡和物理交聯網絡。前者賦予凝膠優異的力學性能，而后者賦予凝膠自愈性能。實驗發現其斷裂應變伸長率為 1 400%，在壓縮后可以快速且完全地恢復原始形狀（見圖 5b）。該策略為制備具有理想機械性能的功能性 CPDN 水凝膠開辟了一條新途徑。
圖5
物理/化學雙交聯水凝膠的制備及自愈過程
a. 物理/化學雙交聯水凝膠合成工藝示意圖；b. 宏觀自愈行為照片和自愈過程的光學顯微鏡圖像[35]
Figure5. Preparation and self-healing process of physical/chemical double crosslinked hydrogelsa. schematic diagram of the synthesis procedure for the chemically and physically double-crosslinked network hydrogels; b. photographs showing the macroscopic self-healing behavior and optical microscopy images of the self-healing process. Reprinted with permission from ref. [35] (Lin Yinlei et al. 2016). Copyright 2016 Royal Society of Chemistry
1.3.2 雙物理交聯膠束-水凝膠復合體
單純引入共價交聯點或非共價交聯點往往難以構建力學性能良好的水凝膠，雙交聯策略是獲得性能優良水凝膠的有效途徑。但物理/化學雙交聯水凝膠存在一旦共價作用被破壞，其力學性能就會顯著降低的局限性，而兩種或兩種以上的物理交聯作用結合形成的水凝膠則表現出良好的自恢復性和抗疲勞性[36-38]。Qin 等[39]在羥胺基封端的多嵌段 PEG 共聚物中引入辛基鏈保護的 UPy，自互補的 UPy 單元通過四重氫鍵和疏水作用的協同效應自組裝形成了穩定且分散良好的膠束。膠束表面的羥胺與乙醛封端的 PEG 鏈通過肟鍵簡單連接，制備了不溶脹超分子水凝膠。將水凝膠浸泡在 N，N 二甲基甲酰胺（DMF）中，可以同時破壞疏水作用和氫鍵的相互作用。浸泡 36 h 后，水凝膠完全溶解在 DMF 中，可以證明該膠束水凝膠是純物理交聯的。由于存在動態物理交聯作用，這種雙物理交聯超分子水凝膠比永久共價交聯的水凝膠更適合作為支架材料用于細胞培養。
多價金屬離子與高分子鏈上配體的配位鍵可以發生可逆斷裂并很容易重建，因此也常被用作水凝膠中的犧牲鍵實現能量耗散。Xu 等[40]以 F127DA 膠束為大分子交聯劑，過硫酸鉀為引發劑，通過 AAm 和 AAc 的原位共聚合成了 F127DA 膠束-水凝膠復合體，然后將 Fe3+滲透到網絡中，與水凝膠網絡中的羧基形成多價配位鍵（見圖 6a）。實驗發現，隨著 AAc 含量的增加，膠束/Fe3+雙交聯水凝膠的斷裂應力（σf）、楊氏模量（Ec）和韌性增大，斷裂應變（εf）減小，且這些值遠高于相應的單交聯膠束-水凝膠復合體（見圖 6b），表明 Fe3+與羧酸基團的配位作用對水凝膠的增韌起著關鍵作用。這種水凝膠中的親/疏水作用及配位鍵兩種物理相互作用之間的協同效應，為制備既具有韌性又具有自恢復性能的水凝膠提供了一種新的策略，對其生物醫學應用至關重要。
圖6
雙物理交聯水凝膠制備過程及壓縮特性
a. 膠束交聯水凝膠（M）和膠束/Fe3+雙交聯水凝膠（MC）的制備；b. M 和 MC 水凝膠的壓縮特性[40]
Figure6. Preparation process and compression properties of double physical cross-linked hydrogelsa. the preparation of micelle-crosslinked hydrogels and micelle/Fe3+ dually crosslinked hydrogels; b. compression properties of the M and MC hydrogels. Reprinted with permission from ref. [40] (Xu et al. 2018). Copyright 2018 John Wiley &Sons, Inc
1.4 物理摻雜法
物理摻雜法（Blending method）是指在預先制備好的聚合物前體溶液中摻入納米膠束，聚合物前體發生交聯時將納米膠束包裹在水凝膠的三維網狀結構中形成膠束-水凝膠復合體的方法，從而使水凝膠具有特殊的用途或特定的性能。該方法雖然難以控制水凝膠結構中納米膠束的分布及分散情況，但具有操作簡單且制備過程中不涉及有機溶劑使用等優勢。Sheu 等[41]以 Pluronic L121、F127 和多西他賽（DOC）為原料，采用簡單的薄膜法制備了載 DOC 的復合膠束，然后將透明質酸和氯化鎂復合形成的溫敏性水凝膠以及阿霉素（DOX）添加到膠束溶液，在冰浴中混合均勻，最后制備了一種含有 DOX 和 DOC 雙重藥物的可注射溫敏性水凝膠。Cong 等[42]利用物理摻雜法將含有大黃素（EMO）的膠束負載到海藻酸鈉水凝膠基質中，構建了具有 pH 敏感性的膠束-水凝膠復合材料。對這些樣品的酸堿度敏感特性分析發現：膠束-水凝膠（1∶1）在模擬胃液中前兩小時的累積釋藥量接近 28%，后期階段累積釋放量接近 85%，可以滿足緩釋制劑初期釋藥的要求。然而，膠束-水凝膠（1∶3）載體藥物釋放速率在模擬胃液和模擬小腸液中較低，在模擬結腸液中較高，是控制藥物在結腸中釋放的良好候選物。這些結果都表明，這種 pH 敏感型聚合物膠束-水凝膠復合材料是一種有前途的可用于不穩定或疏水性藥物的緩釋或定點給藥系統。
2 聚合物膠束-水凝膠復合體的應用
2.1 功能化藥物載體
2.1.1 單藥物遞送系統
口服、注射等傳統給藥方式總是伴隨著許多缺點，例如口服給藥利用率低且一些藥物對胃部傷害極大；而靜脈注射給藥容易產生耐藥性細胞且不適合疏水性藥物等[43-44]。為增加藥物溶解性、降低細胞耐藥性以及提高藥物利用率，利用聚合物膠束-水凝膠復合體材料搭載抗癌藥物是一種有效的方法。如甲氨蝶呤（MTX）是治療類風濕性關節炎的一類藥物，但由于溶解度差、血漿半衰期短以及生物利用度低，其口服療效不理想[45]。為了提高 MTX 的利用率，Qindeel 等[46]將 MTX 包埋在由聚己內酯-聚乙二醇-聚己內酯三嵌段共聚物自組裝形成的膠束中，然后將優化的納米膠束物理包埋在以桉樹油為滲透促進劑的水凝膠中。與游離 MTX 相比，MTX 納米膠束半衰期延長了 4.34 倍，藥時曲線下面積（AUC0?t）提高了 3.68 倍，平均停留時間提高了 3.15 倍。體外溶血實驗進一步驗證了該載體系統的生物相容性，為后續的體內研究奠定了基礎。實驗結果表明這類載體系統可成功將 MTX 納米膠束-水凝膠從實驗室轉化為臨床應用，并進一步用于癌癥和類風濕性關節炎等其他疾病的治療。
Fu 等[47]將紫杉醇（PTX）負載于單甲氧基聚（乙二醇）-b-聚（ε-己內酯）（MPEG-PCL）膠束中與 α-環糊精（α-CD）水溶液混合，利用 α-CD 與膠束中 MPEG 鏈段之間的主-客體相互作用，在溫和條件下形成可注射膠束超分子水凝膠。粘度測試發現該水凝膠為觸變性體系，剪切時 MPEG-PCL 與 α-CD 之間的包合結構發生解離，超分子水凝膠的交聯密度降低。這種利用主客體相互作用形成的超分子水凝膠很容易被剪切力破壞，在外部刺激下表現出凝膠-溶膠轉變，這種觸變行為使得這類超分子水凝膠在眼部藥物輸送方面具有很高的應用價值。基于此，Zhang 等[48]將疏水性藥物雙氯芬酸（DIC）引入 MPEG-PCL 中形成載藥膠束，然后與 α-CD 通過主-客體包合形成膠束超分子水凝膠。當該超分子水凝膠注入角膜表面時，被包裹的膠束通過眨眼引起的頻繁物理剪切從水凝膠中逸出，提供持續的藥物釋放。與普通制劑相比，膠束超分子水凝膠能顯著延長藥物在兔角膜表面的滯留時間；與水凝膠制劑相比，膠束超分子水凝膠能顯著提高藥物在體內的生物利用度。
2.1.2 雙藥物遞送系統
近年來，多種具有不同療效的藥物聯合治療已成為治療重大疾病的一種有效途徑[49-51]。聯合治療的主要挑戰之一是如何控制每種藥物的獨立釋放行為，簡單給藥系統因不具備這種釋放行為而無法滿足多種藥物聯合治療的應用需要[52-53]。因此，開發具有可控且獨立藥物釋放行為的雙/多藥物給藥系統是迫切需要的。Gong 等[54]開發了一種基于聚（ε-己內酯）-聚（乙二醇）-聚（ε-己內酯）的膠束/水凝膠載體，可同時遞送紫杉醇和氟尿嘧啶，用于治療大腸腹膜癌病。Wei 等[55]將含有阿司匹林（Asp）的聚乙烯醇（PVA）水溶液與預先裝載 DOX 的聚（L-谷氨酸）-b-聚氧丙烷-b-聚（L-谷氨酸）（GPG）膠束溶液混合，通過凍融循環法制備了 GPG/PVA 膠束-水凝膠雙藥物傳遞系統。實驗發現兩種藥物的釋放行為有所不同，Asp 具有短期釋放行為，而 DOX 則具有長期的釋放行為且表現出 pH 和溫度敏感性。Guan 等[56]利用物理摻雜法制備了一種用于納米藥物原位共遞送的溫敏膠束-水凝膠，DOX 和鋅（II）原卟啉 IX（ZnPP）被分別包裹在膠束中以便控制藥物比例（見圖 7）。將熱敏水凝膠注入小鼠體內發現，水凝膠可促進/延長化療藥物和 ZnPP 的局部積聚/滯留，從而在體內產生協同治療效果。
DOC 與 DOX 被認為是治療前列腺癌的最佳組合配方，但 DOC 的水溶性較差而 DOX 具有嚴重的心臟毒性，給患者帶來極大的痛苦并會影響患者化療藥物耐受性[41, 57]。如上文所述，Sheu 等[41]采用物理摻雜法制備了一種含有 DOX 和 DOC 雙重藥物的可注射溫敏性水凝膠，在提高藥物利用率的同時降低了毒副作用。實驗發現，水凝膠溶液注入腫瘤部位后能快速形成水凝膠從而防止藥物被吸收到系統循環中，在降低藥物全身毒性的同時可提供藥物的持續釋放。當水凝膠進入體內被破壞時，DOX 的快速釋放可殺死大多數癌細胞，膠束中的 DOC 長時間釋放抑制剩余的癌細胞。與單獨給藥相比，雙重藥物的聯合治療具有更好的抗癌效果。
聚合物膠束-水凝膠復合材料作為載體被用于許多疏水性藥物遞送或聯合給藥，不僅提高了藥物的溶解性，還形成了雙重緩釋系統，大大地增加了局部緩釋效果。更引人注意的是，聯合給藥在提高癌癥化療療效的同時，還減少了藥物副作用，降低了化療的耐藥性。隨著時代的發展，藥物載體研究越來越深入，聚合物膠束-水凝膠復合體作為卓越的藥物載體材料將發揮越來越重要的作用。
2.2 創傷敷料
在醫療過程中經常使用敷料幫助吸收和排除傷口滲出液、保護受傷部位與外部環境隔離以及提供濕潤平臺[58]。聚合物水凝膠具有良好的生物相容性和透氣性，可用于吸收傷口滲出液、創造濕潤環境并加快創面愈合，是治療燒傷和其他皮膚損傷的一種新型傷口敷料[59-60]。但傳統聚合物水凝膠易碎、機械性能差且沒有足夠的組織粘附力，在使用中難以與周圍組織結合。理想的水凝膠類傷口敷料應具有良好的可注射性、自愈性以及可調的機械強度和彈性，同時還能阻止外界物質入侵并允許氣體交換[61]。Li 等[62]制備了一種基于酰腙鍵和 F127 膠束交聯的雙交聯水凝膠材料，苯甲醛修飾的 F127（BAF127）三嵌段共聚物在室溫下自組裝形成膠束，己二酰肼修飾的透明質酸（HAAD）與苯甲醛之間形成動態酰腙鍵（見圖 8a）。動態化學交聯有助于提高材料的機械強度和自愈性能，膠束化則有助于剪切稀釋、熱敏性和能量耗散。該水凝膠具有適中的組織粘附性、滲出性、吸收率和細胞相容性。深Ⅱ度燒傷治療結果提示，該水凝膠可促進皮膚燒傷創面愈合（見圖 8b）。
圖8
雙交聯膠束-水凝膠作為燒傷敷料的應用
a. 由動態酰腙鍵合和膠束化交聯形成的具有多種生物和物理功能的水凝膠結構及其作為燒傷敷料應用示意圖；b. 空白對照與使用膠束復合水凝膠、Mepitel 治療第 7、14、21 天的創面閉合率[62]
Figure8. Double crosslinked micelle-hydrogel application as burn dressinga. hydrogel architecture formed by dynamic acylhydrazone bonding and micellization cross-linking, and burn site treatments involving multiple biological and physical functions; b. wound closure rate (%) at days 7, 14, and 21 of treatment. Reprinted with permission from ref. [62] (Li et al. 2018) Copyright 2018 American Chemical Society
隨著人們對醫用敷料要求的不斷提高，單純利用聚合物膠束-水凝膠復合體制備傷口敷料將不能滿足臨床應用需求。在敷料中加入有抗菌、止血或者促進愈合功效的藥物，形成具有治療功能的復合水凝膠敷料已成為該領域的一個重要發展方向[63]。Hu 等[64]通過物理摻雜法將載有抗炎藥萘普生的透明質酸-膽固醇膠束與抗菌藥阿米卡星（AM）同時引入海藻酸鈉-苯硼酸水凝膠中，得到了一種智能雙重響應性可注射水凝膠。當水凝膠暴露在炎癥傷口表面時，一方面炎癥傷口表面 pH 值低于正常組織，硼酸酯解離，水凝膠結構被破壞，迅速釋放出 AM 殺滅細菌；另一方面炎癥環境中活性氧增加，膠束解體，釋放萘普生抑制巨噬細胞的炎癥反應，促進體外感染傷口的愈合。這種新型雙響應性復合水凝膠不僅可以作為一種具有應用前景的傷口敷料，也促進了刺激響應水凝膠的進一步發展。Patel 等[65]制備的膠束-水凝膠復合物由兩種不同的二嵌段多肽膠束系統組成，其中載姜黃素的聚（L-賴氨酸）-b-聚（苯丙氨酸）（PLL-PPA）膠束表面的氨基與 Genipin 反應形成膠束-水凝膠網絡結構，載兩性霉素 B 的 PLL-PPA 膠束被物理包埋在相互連接的網絡中。實驗表明空白膠束-水凝膠對傷口愈合過程未見有害影響，而搭載藥物后對傷口修復和愈合的各個階段均產生積極影響，導致傷口收縮、肉芽形成和上皮再形成增加，并且炎癥反應最小。
2.3 組織工程支架
水凝膠作為組織工程支架應用要求其具有一定的機械強度及性能，傳統水凝膠的機械性能較差，而將聚合物膠束與水凝膠進行復合可以得到具有良好機械性能的水凝膠，滿足作為組織工程支架的應用[66-67]。如前文所述的 Xiao 等[21]開發的具有內置機械感應機制的聚合物膠束-水凝膠復合材料，可通過機械強度和外力調節藥物釋放行為。為研究應力誘導膠束變形是否可以引起化學信號的變化，該論文將芘作為機械變形的信號分子包埋入膠束中。實驗結果表明當膠束水凝膠被機械拉伸時，芘的釋放速率被顯著調高。如果芘被具有生物活性的分子代替，機械力可以很容易地轉化為生化信號，引導細胞經歷不同的發育階段，促進機械組織的修復和再生。
在骨缺損區注射適當劑量促進骨再生的藥物，可以更好地實現骨組織修復，因此能夠長期釋放骨再生藥物的支架在修復骨組織缺損方面尤為重要[68]。Yan 等[68]將辛伐他汀（SIM）負載于氧化麥芽糊精-棕櫚酸膠束中，載 SIM 的醛改性膠束通過席夫堿鍵連接在羧甲基殼聚糖水凝膠網絡上。膠束負載 SIM 可提高藥物在水凝膠中的溶解度和分散性，而可注射水凝膠作為載藥膠束的載體和細胞支架可用于骨組織修復和再生。實驗表明，膠束氧化程度越高，膠束與水凝膠網絡結合越緊密，藥物釋放速率越慢，而藥物的持續釋放有利于促進小鼠胚胎成骨細胞前體細胞（MC3T3-E1）的成骨分化。這種載藥膠束-水凝膠復合物在骨組織工程中表現出巨大的應用潛力。
3 總結與展望
通過引入聚合物膠束改變水凝膠的力學、自愈和載藥性能，不僅拓寬了水凝膠的研究思路，也拓展了膠束的應用前景。特別是雙重交聯獲得的聚合物膠束-水凝膠復合體，既具有優異的機械性能又擁有極好的自愈性能，在生物醫學領域，尤其是在組織工程和傷口敷料方面具有巨大的潛力。同時，聚合物膠束-水凝膠復合體在搭載疏水性藥物或聯合給藥方面也表現出顯著的應用價值。
然而，制備獲得既具有機械性能又具有快速自修復性能的聚合物膠束-水凝膠復合體并將其實際應用于生物醫學領域，目前仍停留在理論研究階段。首先，雖然目前所制備的雙重交聯聚合物膠束-水凝膠復合體具有較好的自愈合能力和機械性能，但是與具有復雜成分和復雜結構的生物組織相比能量耗散體系仍過于簡單，因此，在該體系中引入多重組分以及多種仿生能量耗散機制可能是該領域的研究方向之一。其次，智能聚合物膠束-水凝膠復合體的相關研究報道比較有限，為了提高聚合物膠束-水凝膠復合體的功能性，開發和研究具有刺激響應性能的智能聚合物膠束-水凝膠復合體是該領域的一個重要發展方向。最后，聚合物膠束-水凝膠復合材料作為藥物載體、傷口敷料和組織工程支架的體內應用還有待進一步研究，需對其體內降解行為、安全性及副作用風險等進行評價，為該聚合物復合材料的實際應用提供參考依據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
水凝膠具有軟稠度、多孔性和高含水量等特點，非常接近天然活性材料，是制備隱形眼鏡、傷口敷料、組織工程和藥物輸送系統的一種理想材料[1-3]。但大多數水凝膠的功能性單一，如用于載藥的水凝膠一般機械強度較弱，而單純提高水凝膠的機械性能又會限制其在其他方面的應用[4]。為了優化水凝膠的機械和化學性能以達到生物醫學應用目的，將納米材料引入水凝膠中形成納米復合水凝膠越來越受到人們的關注[5-7]。與傳統水凝膠相比，納米復合水凝膠具有優越的物理、化學、機械和電性能。
目前常用于制備水凝膠納米復合材料的納米顆粒主要包括：碳基、聚合物基、無機基和金屬基納米顆粒[8]。碳基水凝膠納米復合材料主要用于導電組織和增強機械強度；無機基水凝膠納米復合材料機械強度高，在骨組織支架方面得到廣泛應用；金屬基水凝膠納米復合材料對電/磁場刺激反應靈敏，具有抗菌性能，廣泛應用于成像劑、導電支架和傳感器[9-10]。相對于其他三種納米材料，聚合物基納米復合材料因具有良好的生物相容以及裝載疏水/親水藥物、蛋白質和其他生物活性劑的能力，在藥物輸送系統方面有著極大的應用價值[11-12]。
聚合物基納米材料主要包括超支化聚合物、脂質體、聚合物膠束和納米凝膠[13]。其中，膠束是作為生物材料應用較為廣泛的聚合物基納米材料。聚合物膠束是由兩親性嵌段共聚物在水溶液中自組裝形成的具有殼/核結構的納米團聚體[14]。其疏水內核可包封多種疏水性抗癌藥物且不改變其化學結構，提高藥物的穩定性和溶解度；親水性外殼和納米級粒徑則有助于藥物在體內的釋放與富集[15-17]。但是膠束載體容易受到體內環境的影響，發生結構破壞而提前釋放藥物、產生耐藥性等問題。
將膠束引入水凝膠網絡結構中制備聚合物膠束-水凝膠復合體，可利用膠束的疏水內核實現水凝膠對疏水性抗癌藥物的遞送，而水凝膠的三維網狀結構也能提高膠束在血液中的穩定性和藥物緩釋能力[18-20]。與普通水凝膠相比，聚合物膠束-水凝膠復合體有較好的自愈合能力、機械強度和載藥能力，在生物醫學領域有著廣闊的應用前景。本文簡要介紹了聚合物膠束-水凝膠復合體的性質，詳細歸納了聚合物膠束-水凝膠復合體的制備方法，并對其在藥物緩釋、傷口敷料、組織工程材料等生物醫學領域方面的應用進行了系統概括。同時，基于目前對聚合物膠束-水凝膠復合體制備存在的一些問題和應用前景進行了總結和展望，為該復合體進一步的開發應用提供參考。
1 聚合物膠束-水凝膠復合體的制備方法
為了獲得聚合物膠束-水凝膠復合體，聚合物膠束可以作為水凝膠網絡結構的一部分進行化學或物理交聯，也可以作為填料直接通過物理混合的方式引入到水凝膠網絡中。
1.1 化學交聯法
化學交聯聚合物膠束-水凝膠復合體是通過膠束中的親水或疏水聚合物鏈共價交聯而獲得。利用化學鍵將膠束引入水凝膠網絡中，可以賦予這類復合水凝膠材料刺激響應性能，比如可以對力、pH、溫度、光等刺激產生響應。
1.1.1 自由基共聚交聯
在膠束交聯劑存在的條件下，低分子量單體自由基聚合可得到化學交聯聚合物膠束-水凝膠復合體。Xiao 等[21]以丙烯酰胺（AAm）為小分子單體，由聚丙烯酸正丁酯和部分丙烯酸酯改性的聚丙烯酸組成的兩親性嵌段共聚物膠束（BCMs）為交聯劑，通過自由基聚合法制備了一種具有機械響應性的聚合物膠束-水凝膠復合體（見圖 1a）。透射電鏡表征結果顯示（見圖 1b），當水凝膠拉伸到 200% 應變時，與聚丙烯酰胺（PAAm）網絡共價連接的球形膠束變為橢球形；外力移除后，水凝膠中的膠束恢復到原來的球型形狀。這是由于外力沿 PAAm 與膠束親水外殼之間的共價鍵傳遞到膠束后，疏水內核進一步向拉伸方向延伸耗散能量。除了小分子單體自由基聚合外，還可以通過預先聚合的高分子接枝共聚得到聚合物膠束-水凝膠復合體。Xu 等[22]利用 N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）與一種新型兩親性大分子單體（P（NIPAAm-co-10-UA）-NHCOCH=CH2）自由基共聚，制備了聚 N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）水凝膠。兩親性鏈在水凝膠網絡中自組裝形成膠束，這種側鏈含有膠束結構的膠束-水凝膠復合體具有較大的多孔網絡，可以將納米顆粒以物理包埋的方式引入其中改善其機械性能。
圖1
化學交聯膠束-水凝膠的合成及 TEM 表征
a. 以 BCMs 為交聯劑自由基聚合生成水凝膠；b.不同拉伸條件下（松弛、拉伸至 200%、拉伸至 200% 后松弛）復合水凝膠的 TEM 圖[21]
Figure1. Synthesis and TEM characterization of chemically crosslinked micelles-hydrogelsa. hydrogel formation by radical polymerization of AAm in the presence of crosslinkable BCMs; b. cross-sectional TEM images show the microstructure of BCM16-PAAm gels imaged under various conditions(relaxed, stretched to 200%, relaxed after stretching to 200%). Reprinted with permission from ref. [21] (Xiao et al. 2012). Copyright 2012 Royal Society of Chemistry
1.1.2 共價鍵交聯
通過活性基團修飾的聚合物鏈與表面具有活性化學基團的納米膠束發生化學反應形成共價連接，也是獲得化學交聯膠束-水凝膠復合材料的一種常用方法。Wei 等[23]利用裝載克林霉素的超支化納米膠束表面的醛基與季銨化殼聚糖提供的氨基發生席夫堿反應，制備了一種具有 pH 響應性能的納米復合水凝膠。席夫堿結構具有的 pH 響應性使得克林霉素在酸性環境表現出持續且可控的藥物釋放行為。Wen 等[24]制備了一種新型的基于多糖的膠束-水凝膠協同治療系統。首先，通過單電子轉移活性自由基聚合（SET-LRP）合成兩性離子二醛淀粉基膠束（SB-DAS-VPBA）；然后，利用殼聚糖（CS）的氨基與 SB-DAS-VPBA 膠束表面的醛基形成席夫堿鍵，合成了 CS / SB-DAS-VPBA 膠束-水凝膠復合體。將胰島素與納豆激酶分別裝載在 SB-DAS-VPBA 膠束和水凝膠基質中獲得膠束-水凝膠協同治療系統，在糖尿病和血管性糖尿病并發癥治療中具有廣闊的應用前景。類似的，Uchida 等[25]利用膠束表面的醛基與聚乙烯亞胺（PEI）反應形成席夫堿結構，制備了具有組織粘附性的聚合物膠束-水凝膠復合材料（見圖 2）。由聚乙二醇（PEG）親水外層、聚乳酸疏水層和被 PEG 包圍的親水內部空間組成的三層聚合物膠束，不僅可以作為制備水凝膠的交聯劑，也是親水化合物的容器。由于醛基可以與蛋白質中的胺基形成亞胺鍵，因此該水凝膠與 Wen 等[24]制備的水凝膠類似，具有特殊的生物組織親和力，這種良好的機械性能和親和力使這類水凝膠有望成為組織工程和傷口敷料的候選材料。
圖2
三層聚合物膠束作為交聯劑和親水性化合物的新型組 織粘附水凝膠的制備[25]
Figure2.
Preparation of the novel tissue-adhesive hydrogel covalently containing the trilayered polymeric micelle as a crosslinker and a reservoir of hydrophilic compounds
reprinted with permission from ref. [25] (Uchida et al. 2013). Copyright 2013 John Wiley &Sons, Inc
1.1.3 酶交聯
據文獻報道[26]，將谷氨酰胺轉胺酶（transglutaminase，TGase）添加到肽修飾的大分子單體水溶液中，會催化賴氨酸和谷氨酰胺殘基發生共價交聯反應形成水凝膠。與其他交聯劑相比，TGase 是一種國際認定的安全成分，制備的水凝膠具有更高的生物安全性。Huppertz 等[27]發現用 TGase 交聯酪蛋白膠束可以得到穩定的納米凝膠顆粒，在不影響結構完整性的情況下膠束中的磷酸鈣（MCP）可以被去除。隨著 MCP 含量的降低，酪蛋白膠束對熱/酸誘導凝聚的穩定性提高。類似的，Nascimento 等[26]以 TGase 為交聯劑，制備了一種酪蛋白膠束-水凝膠復合體，并將其作為載體用于包封嘉寶果提取物（Jaboticaba extract，JE）。TGase 促進了蛋白質基質中共價鍵的形成，使酪蛋白水凝膠樣品中形成更密集和更均勻的網絡。在酸性 pH 條件下，JE 與蛋白質的相互作用更強，表現出較慢的 JE 釋放速率，其中 pH = 7.0 釋放速率最大，pH = 2.0 釋放速率最小，這種行為使水凝膠樣品能夠保留或釋放 JE。
1.2 物理交聯法
物理交聯水凝膠通常是指通過氫鍵、疏水作用和離子鍵等物理作用形成的水凝膠[28]。利用疏水作用制備物理交聯聚合物膠束-水凝膠復合體是目前最常用的一種方法。相對于化學交聯法，物理交聯聚合物膠束-水凝膠復合體避免了有毒化學交聯試劑的使用，且其固有的可逆性和物理相互作用的動力學特性，可以防止膠束的永久解離并促進自愈。
獲得疏水締合水凝膠的簡單方法是自由基膠束聚合，在該方法中，溶解在膠束中的疏水性單體與水溶液中的親水性單體通過自由基聚合在聚合物鏈中引入疏水鏈段[28-29]。疏水單體在膠束中的局部濃度較高，沿親水聚合物骨架呈隨機塊狀分布。Bilici 等[30]以丙烯酸（AAc）作為親水單體，丙烯酸十八酯（C18）在十二烷基硫酸鈉（SDS）-NaCl 水溶液中的疏水締合結構為物理交聯點，利用自由基膠束聚合技術得到了具有形狀記憶效應的復合水凝膠。Jeon 等[28]以 AAm、氨基甲酸酯鏈接的疏水烷基和 2-脲基-4-嘧啶酮（UPy）組成了新型交聯劑（UPyHCBA），SDS 膠束為其提供疏水環境，進一步與 AAm 膠束聚合制備了具有自愈性能的復合水凝膠（見圖 3）。由于其快速的自我修復能力、卓越的機械性能、極強的延展性和良好的抗疲勞性，這種水凝膠作為人工軟組織、傷口護理材料以及細胞培養支架在生物醫學應用中具有潛在的應用前景。
圖3
自愈合膠束-水凝膠的制備及自愈機制
a. UPyHCBA 和 AAm 膠束共聚示意圖；b. 自愈機制示意圖[28]
Figure3. Preparation and self-healing mechanism of self-healing micelles/hydrogelsa. schematic of the micellar copolymerization of the UPyHCBA and acrylamide; b. schematic representation of the self-healing mechanism. Reprinted with permission from ref. [28] (Jeon et al. 2016). Copyright 2016 John Wiley &Sons, Inc
上述報道中制備的疏水締合水凝膠作為生物材料應用時，可能會由于 SDS 乳化劑的存在產生一定的毒副作用。為避免這些問題，使用生物大分子明膠是一個很好的選擇，它具有良好的生物相容性且能穩定水中的油相，可用作乳化劑。Xu 等[31]以明膠為乳化劑、NIPAM 為親水單體、C18 為疏水單體，在水介質中自由基膠束聚合，制備了一種具有良好生物相容性的疏水締合水凝膠。其中 C18 在水介質中通過疏水相互作用形成的疏水結構是構建水凝膠的物理交聯點。類似的，Cui 等[32]以明膠為乳化劑、過硫酸銨為引發劑，手性親水單體 N-丙烯酰丙氨酸（NAA）與疏水單體 C18 在 60℃ 的水介質中發生自由基膠束聚合，制備了一種堅韌的手性水凝膠（見圖 4）。明膠的乳化作用使 C18 衍生的疏水聚合物結構在水溶液中存在，成為形成水凝膠網絡的物理交聯點，當其受到外力作用時，疏水締合交聯節點會發生滑動，從而耗散水凝膠網絡中的機械能使其具有較高的韌性。
通過物理疏水相互作用形成的水凝膠具有可以模塑成任意形狀的優點，且由于其快速的自我修復能力、卓越的機械性能、極強的延展性和良好的抗疲勞性，這類水凝膠作為人工軟組織、傷口護理材料以及細胞培養的支架等在生物醫學領域具有潛在的應用前景。
1.3 雙重交聯
雙重交聯膠束-水凝膠是指存在物理/化學交聯或雙物理交聯的水凝膠。這些聚合物膠束-水凝膠復合體表現出不同于單獨物理/化學交聯水凝膠的獨特力學和自修復性能。
1.3.1 物理/化學雙交聯膠束-水凝膠復合體
物理/化學雙交聯膠束-水凝膠復合體是指在其水凝膠網絡中同時存在永久化學交聯和可逆物理交聯兩種交聯點的復合水凝膠。在這些體系中，相對較弱的物理交聯網絡作為能量耗散機制，而化學交聯則用于提供結構和機械強度，保持凝膠的完整性[33]。Wang 等[34]以醛基封端的 F127 三嵌段共聚物膠束和酰肼封端的三臂 PEG 為原料，通過在一個水凝膠中整合酰腙鍵和膠束交聯兩種動態交聯，制備出具有優異拉伸性和良好自我修復能力的膠束-水凝膠復合體。其中物理交聯來自 F127 膠束內部的疏水締合，化學交聯點來自膠束表面的醛基與酰肼縮合形成的酰腙鍵。在變形過程中，大量的酰腙鍵作為靜態共價鍵起到維持樣品形狀的功能，而少數酰腙鍵隨機斷裂耗散能量，因此該水凝膠拉伸后在室溫下儲存 3d 即能恢復其拉伸行為。Lin 等[35]設計了一種包含兩親性聚氨酯大分子單體自組裝形成的 PU-HEMA 納米顆粒，包埋 C18 的 SDS 膠束和 AAm 的反應系統，用于構建化學和物理雙交聯網絡（CPDN）水凝膠（見圖 5a）。在紫外線照射下，AAm 分別與兩親性大分子單體 PU-HEMA 和 C18 的聚合物鏈共聚產生了化學交聯網絡和物理交聯網絡。前者賦予凝膠優異的力學性能，而后者賦予凝膠自愈性能。實驗發現其斷裂應變伸長率為 1 400%，在壓縮后可以快速且完全地恢復原始形狀（見圖 5b）。該策略為制備具有理想機械性能的功能性 CPDN 水凝膠開辟了一條新途徑。
圖5
物理/化學雙交聯水凝膠的制備及自愈過程
a. 物理/化學雙交聯水凝膠合成工藝示意圖；b. 宏觀自愈行為照片和自愈過程的光學顯微鏡圖像[35]
Figure5. Preparation and self-healing process of physical/chemical double crosslinked hydrogelsa. schematic diagram of the synthesis procedure for the chemically and physically double-crosslinked network hydrogels; b. photographs showing the macroscopic self-healing behavior and optical microscopy images of the self-healing process. Reprinted with permission from ref. [35] (Lin Yinlei et al. 2016). Copyright 2016 Royal Society of Chemistry
1.3.2 雙物理交聯膠束-水凝膠復合體
單純引入共價交聯點或非共價交聯點往往難以構建力學性能良好的水凝膠，雙交聯策略是獲得性能優良水凝膠的有效途徑。但物理/化學雙交聯水凝膠存在一旦共價作用被破壞，其力學性能就會顯著降低的局限性，而兩種或兩種以上的物理交聯作用結合形成的水凝膠則表現出良好的自恢復性和抗疲勞性[36-38]。Qin 等[39]在羥胺基封端的多嵌段 PEG 共聚物中引入辛基鏈保護的 UPy，自互補的 UPy 單元通過四重氫鍵和疏水作用的協同效應自組裝形成了穩定且分散良好的膠束。膠束表面的羥胺與乙醛封端的 PEG 鏈通過肟鍵簡單連接，制備了不溶脹超分子水凝膠。將水凝膠浸泡在 N，N 二甲基甲酰胺（DMF）中，可以同時破壞疏水作用和氫鍵的相互作用。浸泡 36 h 后，水凝膠完全溶解在 DMF 中，可以證明該膠束水凝膠是純物理交聯的。由于存在動態物理交聯作用，這種雙物理交聯超分子水凝膠比永久共價交聯的水凝膠更適合作為支架材料用于細胞培養。
多價金屬離子與高分子鏈上配體的配位鍵可以發生可逆斷裂并很容易重建，因此也常被用作水凝膠中的犧牲鍵實現能量耗散。Xu 等[40]以 F127DA 膠束為大分子交聯劑，過硫酸鉀為引發劑，通過 AAm 和 AAc 的原位共聚合成了 F127DA 膠束-水凝膠復合體，然后將 Fe3+滲透到網絡中，與水凝膠網絡中的羧基形成多價配位鍵（見圖 6a）。實驗發現，隨著 AAc 含量的增加，膠束/Fe3+雙交聯水凝膠的斷裂應力（σf）、楊氏模量（Ec）和韌性增大，斷裂應變（εf）減小，且這些值遠高于相應的單交聯膠束-水凝膠復合體（見圖 6b），表明 Fe3+與羧酸基團的配位作用對水凝膠的增韌起著關鍵作用。這種水凝膠中的親/疏水作用及配位鍵兩種物理相互作用之間的協同效應，為制備既具有韌性又具有自恢復性能的水凝膠提供了一種新的策略，對其生物醫學應用至關重要。
圖6
雙物理交聯水凝膠制備過程及壓縮特性
a. 膠束交聯水凝膠（M）和膠束/Fe3+雙交聯水凝膠（MC）的制備；b. M 和 MC 水凝膠的壓縮特性[40]
Figure6. Preparation process and compression properties of double physical cross-linked hydrogelsa. the preparation of micelle-crosslinked hydrogels and micelle/Fe3+ dually crosslinked hydrogels; b. compression properties of the M and MC hydrogels. Reprinted with permission from ref. [40] (Xu et al. 2018). Copyright 2018 John Wiley &Sons, Inc
1.4 物理摻雜法
物理摻雜法（Blending method）是指在預先制備好的聚合物前體溶液中摻入納米膠束，聚合物前體發生交聯時將納米膠束包裹在水凝膠的三維網狀結構中形成膠束-水凝膠復合體的方法，從而使水凝膠具有特殊的用途或特定的性能。該方法雖然難以控制水凝膠結構中納米膠束的分布及分散情況，但具有操作簡單且制備過程中不涉及有機溶劑使用等優勢。Sheu 等[41]以 Pluronic L121、F127 和多西他賽（DOC）為原料，采用簡單的薄膜法制備了載 DOC 的復合膠束，然后將透明質酸和氯化鎂復合形成的溫敏性水凝膠以及阿霉素（DOX）添加到膠束溶液，在冰浴中混合均勻，最后制備了一種含有 DOX 和 DOC 雙重藥物的可注射溫敏性水凝膠。Cong 等[42]利用物理摻雜法將含有大黃素（EMO）的膠束負載到海藻酸鈉水凝膠基質中，構建了具有 pH 敏感性的膠束-水凝膠復合材料。對這些樣品的酸堿度敏感特性分析發現：膠束-水凝膠（1∶1）在模擬胃液中前兩小時的累積釋藥量接近 28%，后期階段累積釋放量接近 85%，可以滿足緩釋制劑初期釋藥的要求。然而，膠束-水凝膠（1∶3）載體藥物釋放速率在模擬胃液和模擬小腸液中較低，在模擬結腸液中較高，是控制藥物在結腸中釋放的良好候選物。這些結果都表明，這種 pH 敏感型聚合物膠束-水凝膠復合材料是一種有前途的可用于不穩定或疏水性藥物的緩釋或定點給藥系統。
2 聚合物膠束-水凝膠復合體的應用
2.1 功能化藥物載體
2.1.1 單藥物遞送系統
口服、注射等傳統給藥方式總是伴隨著許多缺點，例如口服給藥利用率低且一些藥物對胃部傷害極大；而靜脈注射給藥容易產生耐藥性細胞且不適合疏水性藥物等[43-44]。為增加藥物溶解性、降低細胞耐藥性以及提高藥物利用率，利用聚合物膠束-水凝膠復合體材料搭載抗癌藥物是一種有效的方法。如甲氨蝶呤（MTX）是治療類風濕性關節炎的一類藥物，但由于溶解度差、血漿半衰期短以及生物利用度低，其口服療效不理想[45]。為了提高 MTX 的利用率，Qindeel 等[46]將 MTX 包埋在由聚己內酯-聚乙二醇-聚己內酯三嵌段共聚物自組裝形成的膠束中，然后將優化的納米膠束物理包埋在以桉樹油為滲透促進劑的水凝膠中。與游離 MTX 相比，MTX 納米膠束半衰期延長了 4.34 倍，藥時曲線下面積（AUC0?t）提高了 3.68 倍，平均停留時間提高了 3.15 倍。體外溶血實驗進一步驗證了該載體系統的生物相容性，為后續的體內研究奠定了基礎。實驗結果表明這類載體系統可成功將 MTX 納米膠束-水凝膠從實驗室轉化為臨床應用，并進一步用于癌癥和類風濕性關節炎等其他疾病的治療。
Fu 等[47]將紫杉醇（PTX）負載于單甲氧基聚（乙二醇）-b-聚（ε-己內酯）（MPEG-PCL）膠束中與 α-環糊精（α-CD）水溶液混合，利用 α-CD 與膠束中 MPEG 鏈段之間的主-客體相互作用，在溫和條件下形成可注射膠束超分子水凝膠。粘度測試發現該水凝膠為觸變性體系，剪切時 MPEG-PCL 與 α-CD 之間的包合結構發生解離，超分子水凝膠的交聯密度降低。這種利用主客體相互作用形成的超分子水凝膠很容易被剪切力破壞，在外部刺激下表現出凝膠-溶膠轉變，這種觸變行為使得這類超分子水凝膠在眼部藥物輸送方面具有很高的應用價值。基于此，Zhang 等[48]將疏水性藥物雙氯芬酸（DIC）引入 MPEG-PCL 中形成載藥膠束，然后與 α-CD 通過主-客體包合形成膠束超分子水凝膠。當該超分子水凝膠注入角膜表面時，被包裹的膠束通過眨眼引起的頻繁物理剪切從水凝膠中逸出，提供持續的藥物釋放。與普通制劑相比，膠束超分子水凝膠能顯著延長藥物在兔角膜表面的滯留時間；與水凝膠制劑相比，膠束超分子水凝膠能顯著提高藥物在體內的生物利用度。
2.1.2 雙藥物遞送系統
近年來，多種具有不同療效的藥物聯合治療已成為治療重大疾病的一種有效途徑[49-51]。聯合治療的主要挑戰之一是如何控制每種藥物的獨立釋放行為，簡單給藥系統因不具備這種釋放行為而無法滿足多種藥物聯合治療的應用需要[52-53]。因此，開發具有可控且獨立藥物釋放行為的雙/多藥物給藥系統是迫切需要的。Gong 等[54]開發了一種基于聚（ε-己內酯）-聚（乙二醇）-聚（ε-己內酯）的膠束/水凝膠載體，可同時遞送紫杉醇和氟尿嘧啶，用于治療大腸腹膜癌病。Wei 等[55]將含有阿司匹林（Asp）的聚乙烯醇（PVA）水溶液與預先裝載 DOX 的聚（L-谷氨酸）-b-聚氧丙烷-b-聚（L-谷氨酸）（GPG）膠束溶液混合，通過凍融循環法制備了 GPG/PVA 膠束-水凝膠雙藥物傳遞系統。實驗發現兩種藥物的釋放行為有所不同，Asp 具有短期釋放行為，而 DOX 則具有長期的釋放行為且表現出 pH 和溫度敏感性。Guan 等[56]利用物理摻雜法制備了一種用于納米藥物原位共遞送的溫敏膠束-水凝膠，DOX 和鋅（II）原卟啉 IX（ZnPP）被分別包裹在膠束中以便控制藥物比例（見圖 7）。將熱敏水凝膠注入小鼠體內發現，水凝膠可促進/延長化療藥物和 ZnPP 的局部積聚/滯留，從而在體內產生協同治療效果。
DOC 與 DOX 被認為是治療前列腺癌的最佳組合配方，但 DOC 的水溶性較差而 DOX 具有嚴重的心臟毒性，給患者帶來極大的痛苦并會影響患者化療藥物耐受性[41, 57]。如上文所述，Sheu 等[41]采用物理摻雜法制備了一種含有 DOX 和 DOC 雙重藥物的可注射溫敏性水凝膠，在提高藥物利用率的同時降低了毒副作用。實驗發現，水凝膠溶液注入腫瘤部位后能快速形成水凝膠從而防止藥物被吸收到系統循環中，在降低藥物全身毒性的同時可提供藥物的持續釋放。當水凝膠進入體內被破壞時，DOX 的快速釋放可殺死大多數癌細胞，膠束中的 DOC 長時間釋放抑制剩余的癌細胞。與單獨給藥相比，雙重藥物的聯合治療具有更好的抗癌效果。
聚合物膠束-水凝膠復合材料作為載體被用于許多疏水性藥物遞送或聯合給藥，不僅提高了藥物的溶解性，還形成了雙重緩釋系統，大大地增加了局部緩釋效果。更引人注意的是，聯合給藥在提高癌癥化療療效的同時，還減少了藥物副作用，降低了化療的耐藥性。隨著時代的發展，藥物載體研究越來越深入，聚合物膠束-水凝膠復合體作為卓越的藥物載體材料將發揮越來越重要的作用。
2.2 創傷敷料
在醫療過程中經常使用敷料幫助吸收和排除傷口滲出液、保護受傷部位與外部環境隔離以及提供濕潤平臺[58]。聚合物水凝膠具有良好的生物相容性和透氣性，可用于吸收傷口滲出液、創造濕潤環境并加快創面愈合，是治療燒傷和其他皮膚損傷的一種新型傷口敷料[59-60]。但傳統聚合物水凝膠易碎、機械性能差且沒有足夠的組織粘附力，在使用中難以與周圍組織結合。理想的水凝膠類傷口敷料應具有良好的可注射性、自愈性以及可調的機械強度和彈性，同時還能阻止外界物質入侵并允許氣體交換[61]。Li 等[62]制備了一種基于酰腙鍵和 F127 膠束交聯的雙交聯水凝膠材料，苯甲醛修飾的 F127（BAF127）三嵌段共聚物在室溫下自組裝形成膠束，己二酰肼修飾的透明質酸（HAAD）與苯甲醛之間形成動態酰腙鍵（見圖 8a）。動態化學交聯有助于提高材料的機械強度和自愈性能，膠束化則有助于剪切稀釋、熱敏性和能量耗散。該水凝膠具有適中的組織粘附性、滲出性、吸收率和細胞相容性。深Ⅱ度燒傷治療結果提示，該水凝膠可促進皮膚燒傷創面愈合（見圖 8b）。
圖8
雙交聯膠束-水凝膠作為燒傷敷料的應用
a. 由動態酰腙鍵合和膠束化交聯形成的具有多種生物和物理功能的水凝膠結構及其作為燒傷敷料應用示意圖；b. 空白對照與使用膠束復合水凝膠、Mepitel 治療第 7、14、21 天的創面閉合率[62]
Figure8. Double crosslinked micelle-hydrogel application as burn dressinga. hydrogel architecture formed by dynamic acylhydrazone bonding and micellization cross-linking, and burn site treatments involving multiple biological and physical functions; b. wound closure rate (%) at days 7, 14, and 21 of treatment. Reprinted with permission from ref. [62] (Li et al. 2018) Copyright 2018 American Chemical Society
隨著人們對醫用敷料要求的不斷提高，單純利用聚合物膠束-水凝膠復合體制備傷口敷料將不能滿足臨床應用需求。在敷料中加入有抗菌、止血或者促進愈合功效的藥物，形成具有治療功能的復合水凝膠敷料已成為該領域的一個重要發展方向[63]。Hu 等[64]通過物理摻雜法將載有抗炎藥萘普生的透明質酸-膽固醇膠束與抗菌藥阿米卡星（AM）同時引入海藻酸鈉-苯硼酸水凝膠中，得到了一種智能雙重響應性可注射水凝膠。當水凝膠暴露在炎癥傷口表面時，一方面炎癥傷口表面 pH 值低于正常組織，硼酸酯解離，水凝膠結構被破壞，迅速釋放出 AM 殺滅細菌；另一方面炎癥環境中活性氧增加，膠束解體，釋放萘普生抑制巨噬細胞的炎癥反應，促進體外感染傷口的愈合。這種新型雙響應性復合水凝膠不僅可以作為一種具有應用前景的傷口敷料，也促進了刺激響應水凝膠的進一步發展。Patel 等[65]制備的膠束-水凝膠復合物由兩種不同的二嵌段多肽膠束系統組成，其中載姜黃素的聚（L-賴氨酸）-b-聚（苯丙氨酸）（PLL-PPA）膠束表面的氨基與 Genipin 反應形成膠束-水凝膠網絡結構，載兩性霉素 B 的 PLL-PPA 膠束被物理包埋在相互連接的網絡中。實驗表明空白膠束-水凝膠對傷口愈合過程未見有害影響，而搭載藥物后對傷口修復和愈合的各個階段均產生積極影響，導致傷口收縮、肉芽形成和上皮再形成增加，并且炎癥反應最小。
2.3 組織工程支架
水凝膠作為組織工程支架應用要求其具有一定的機械強度及性能，傳統水凝膠的機械性能較差，而將聚合物膠束與水凝膠進行復合可以得到具有良好機械性能的水凝膠，滿足作為組織工程支架的應用[66-67]。如前文所述的 Xiao 等[21]開發的具有內置機械感應機制的聚合物膠束-水凝膠復合材料，可通過機械強度和外力調節藥物釋放行為。為研究應力誘導膠束變形是否可以引起化學信號的變化，該論文將芘作為機械變形的信號分子包埋入膠束中。實驗結果表明當膠束水凝膠被機械拉伸時，芘的釋放速率被顯著調高。如果芘被具有生物活性的分子代替，機械力可以很容易地轉化為生化信號，引導細胞經歷不同的發育階段，促進機械組織的修復和再生。
在骨缺損區注射適當劑量促進骨再生的藥物，可以更好地實現骨組織修復，因此能夠長期釋放骨再生藥物的支架在修復骨組織缺損方面尤為重要[68]。Yan 等[68]將辛伐他汀（SIM）負載于氧化麥芽糊精-棕櫚酸膠束中，載 SIM 的醛改性膠束通過席夫堿鍵連接在羧甲基殼聚糖水凝膠網絡上。膠束負載 SIM 可提高藥物在水凝膠中的溶解度和分散性，而可注射水凝膠作為載藥膠束的載體和細胞支架可用于骨組織修復和再生。實驗表明，膠束氧化程度越高，膠束與水凝膠網絡結合越緊密，藥物釋放速率越慢，而藥物的持續釋放有利于促進小鼠胚胎成骨細胞前體細胞（MC3T3-E1）的成骨分化。這種載藥膠束-水凝膠復合物在骨組織工程中表現出巨大的應用潛力。
3 總結與展望
通過引入聚合物膠束改變水凝膠的力學、自愈和載藥性能，不僅拓寬了水凝膠的研究思路，也拓展了膠束的應用前景。特別是雙重交聯獲得的聚合物膠束-水凝膠復合體，既具有優異的機械性能又擁有極好的自愈性能，在生物醫學領域，尤其是在組織工程和傷口敷料方面具有巨大的潛力。同時，聚合物膠束-水凝膠復合體在搭載疏水性藥物或聯合給藥方面也表現出顯著的應用價值。
然而，制備獲得既具有機械性能又具有快速自修復性能的聚合物膠束-水凝膠復合體并將其實際應用于生物醫學領域，目前仍停留在理論研究階段。首先，雖然目前所制備的雙重交聯聚合物膠束-水凝膠復合體具有較好的自愈合能力和機械性能，但是與具有復雜成分和復雜結構的生物組織相比能量耗散體系仍過于簡單，因此，在該體系中引入多重組分以及多種仿生能量耗散機制可能是該領域的研究方向之一。其次，智能聚合物膠束-水凝膠復合體的相關研究報道比較有限，為了提高聚合物膠束-水凝膠復合體的功能性，開發和研究具有刺激響應性能的智能聚合物膠束-水凝膠復合體是該領域的一個重要發展方向。最后，聚合物膠束-水凝膠復合材料作為藥物載體、傷口敷料和組織工程支架的體內應用還有待進一步研究，需對其體內降解行為、安全性及副作用風險等進行評價，為該聚合物復合材料的實際應用提供參考依據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
