利用导电复合水凝胶控制药物释放

时间：2024-08-31

郭梦扬

（天津渤海职业技术学院能源化工系，天津300402）

水凝胶是一类由聚N-异丙基丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸（盐）等轻度交联且含有强吸水性基团组成的超吸水性高聚物，具有三维网络结构。水凝胶可以吸收比自身重量重数百倍到数千倍的液体，且吸收的液体在加压下条件下不释放或释放的量很少，有优良的凝胶稳定性，可以作为功能软材料的良好载体。而将水凝胶适当处理，掺杂导电介质制成导电水凝胶可用来负载药物。

通过电刺激来实现药物的可控释放因其操作简单，无毒无副作用而得到业界极大的关注，一些研究表明电刺激是用来增大扩散的一种可行有效途径。当然，这一类设计的方法是十分基于理想化的，在实际药物扩散实验中还受如环境pH的变化，血液葡萄糖浓度、激素的浓度以及电信号等生理条件的影响。

1 导电聚合物复合水凝胶

1.1 水凝胶的结构与性能

具有活性基团和独特的空间网络结构是水凝胶的显著特征，通过接枝、共聚、复合、改性等各类物理化学方法对其进行处理，而后共混适当的溶剂以及导电介质，就可以制得新型导电复合凝胶材料且性能优良。新型导电复合材料在很多领域如太阳能电池、电化学电容器、燃料电池等都有广泛的应用前景。

所谓智能水凝胶就是随着周围环境变化而发生刺激响应性的水凝胶，即聚合物水凝胶的自身性质（体积、形状、相、光学、力学、电场、表面积、反应速率以及识别性能等）在如pH值、温度、光、声、电、磁、力和化学物质等因素的刺激下，发生变化，同时对外做功。近年来，作为智能水凝胶家族的一员的导电水凝胶逐渐进入人们的视野，对于导电水凝胶一开始人们的研究热点集中于聚电解质导电水凝胶，但由于单一的聚导电水凝胶稳定性和机械强度均比较差，不能达到要求，而后研究的重点逐步转向为导电性能更加良好，稳定性更强、机械强度更佳的导电高分子基导电水凝胶和无机物添加导电水凝胶。目前，据文献[1]报道已有研究生利用导电高分子基导电水凝胶制备了可以用来记录敏感的听觉神经反馈信号的神经电极，这类神经电极不仅增强了信号强度而且有良好的生物相容性。

1.2 导电水凝胶的制备

聚电解质导电水凝胶：这种水凝胶是通过化学或物理交联有离子基团的高分子制备得到。Pissis[2]实验室制备了聚丙烯酸羟基乙酯水凝胶（PHEA），研究了在不同条件下（频率 5Hz～2GHz，温度 173～363K），不同水含量中该水凝胶的电导率。结果显示，测试的温度和凝胶中的水含量会对PHEA水凝胶的电导率产生很大影响，并且PHEA水凝胶具有很强的温度依赖性，电导率和电导率松弛时间是不稳定的。

酸掺杂倒导电水凝胶：对酸掺杂制备导电水凝胶的研究始于20世纪90年代。Wieczorek等[3]用H3PO4和H2SO4掺杂制备了聚丙烯酰胺（PAAM）导电水凝胶，在室温下，这些水凝胶的电导率都可超过10-2S·cm-1，当温度是100℃时，电导率可达10-1S·cm-1。电导率的数值与凝胶中水含量有密切关系，当水含量高于45%，酸与AAM的物质的量比为2∶1时，室温下的电导率最大可达 3× 10-2S·cm-1；而水含量在 25%～45%时，导电水凝胶的室温电导率稳定，约为1×10-2S·cm-1。

无机物添加导电水凝胶：以石墨，碳纤维，碳纳米管，金属粒子等无机物填料制备导电水凝胶，胶体稳定性号，制备工艺简单，电导率高，可应用于超级电容器，染料增感型太阳能电池，燃料电池，锂充电电池等方面。在无机物添加导电水凝胶的研究方面，将石墨分散在溶解有丙烯酸（AA）单体中的水溶液，通过水溶液聚合的方法，以过硫酸钾为引发剂，NNMBA为交联剂，制备了聚丙烯酸（PAA）/石墨复合导电水凝胶。因有石墨的加入且PAA本身吸收了水使得所制备的导电水凝胶的电导率可达 7.3 × 10-3S·cm-1。

导电高分子基导电水凝胶：导电高分子基导电水凝胶是由高分子的混合物或者说是由导电高分子与水凝胶两组分构成，故导电高分子基导电水凝胶具有双组份的独特性能。对于导电高分子组分，意味着高聚物材料有良好的电性能，光学性能以及电化学的氧化还原性能；而水凝胶组分，带给复合材料以高的含水率，溶胀性能，体内体外的生物相容性以及小分子的扩散性。导电高分子与水凝胶两组分都属于智能材料，通过共聚，交联或者接枝功能基团使得该导电高分子基导电水凝胶能够满足生物学或分子工程学上的要求，可作为传感器和驱动器使用。但是导电高分子基导电水凝胶有一定的弊端，不同的制备方法和控制条件的会影响分子尺寸、构象、纳米结构、宏观形貌甚至杂质成分，造成产物的性能的变化，因此要制得符合需求的水凝胶，两组份的制备是很难控制的。聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）以及它们的衍生物这一类聚合物是为本征态导电高分子（ICP）。在已经发现的ICP中，PANI因其具有原料易获得且价格便宜、易于合成，掺杂机理独特，电性能、电化学性能和光学性能优良，环境稳定性好等独特的性能和特点，成为最具实用前景的导电聚合物之一。

2 药物的可控释放

微胶囊、脂质体、水凝胶等是较常用的药物释放基体，对于利用这些基体进行药物释放的最佳方案可以通过改变光、电场、温度、pH、超音频等不同的环境的方法来获得，但是要做到药量可控，给药时间可控且临床操作简便易行的药物释放方法的学术界仍在不断研究。

近20年来，一些学者开始将眼光投到纳米级上，在纳米级上对药物释放进行研究。作为常见的药物载体，聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、导电聚合物等均具有安全性和良好生物相容性[2]这其中以导电聚合物包覆药物，通过电化学刺激实现药物的可控释放具有很多优异特性，因而逐渐引起关注。此方法通过聚合物在不同的刺激条件（温度、pH、电信号等）下结构发生变化从而实现药物的释放，药物释放可控，且制备简单，具有良好经济效益。

Son等[4]利用多层纳米管材料，对其材料内外部进行功能化，内层功能化后通过管内和药物分子间的作用力来进行药物负载，在环境作用下控制“开关”释放药物。但是有效负载药物的程度低，且整个体系的安全性也有待考证。Luoa等[5]认为普通的PPy膜属于驱动扩散体系，药物负载到普通PPy膜后会限制的药物扩散，药物很难释放。膜的表面形貌、加载的电压不同也会影响药物的释放。在扩散体系中施加不同的电压，随着电压增大，药物释放量增多。但一旦电压小于-2V后，会发生水的电解产生气体，削弱药物释放。2006年这一课题组进一步研究了PPy导电聚合物的电极控制药物的释放[6]。通过电化学合成将药物地塞米松包覆到PPy膜中，PBS作为缓冲液，用CV法可以进行有效的控制释放。但仍存在药物包覆膜可能来不及响应皮层治疗或者在生物化学环境中膜会发生动态变化的问题。文献研究还证明PPy可以作为离子膜，药物释放的控制在氧化态、还原态时完成。以PPy为药物释放的膜，采用电化学刺激可以控制释放中等大小的含苯结构的分子。Wang等[7]经过对对苯二酚在PPy基体中的释放行为的研究。认为导电聚合物具有灵敏性、实时、非入侵性、低成本等优点，可以作为多孔离子交换膜控制离子的进入和释放。Kyo等[8]采用水杨酸及萘普生等阴离子药物与导电聚合物PPy的离子膜掺杂。发现在氯离子变化的时候，高稳定性的膜掺杂合适的药物性能依然良好。Xiao等[9]以TsONa为掺杂剂，用电化学聚合法将PPy聚合到金电极上，可以用做药物释放或生物传感器。实验方法是使ATP经离子交换，在最优条件下填充到膜内，在PPy膜内ATP表现出了良好的稳定性。在电极上加载负电荷刺激导电聚合物释放ATP。Rachael等[10,11]在PPy电极上聚合神经营养因子（NT3），电极中可以储存2ng NT3药物，在电刺激下，1天释放0.1ng，实现了对整个药物释放过程的有效控制。

通过电刺激来实现药物的可控释放因其操作简单，无毒无副作用而得到业界极大的关注，学者研究表明电刺激可以用来增大扩散，是增大扩散的一种易行的有效途径。当然，此类方法是基于理想化设计的，应用在实际中还受如pH环境的变化，血液葡萄糖浓度、激素的浓度以及电信号等生理条件的影响。所以利用导电基水凝胶所以要生产出符合临床实际的药物可控释放的方法还需要广泛而深远的研究。