多糖水凝胶，来自天然高分子的生物质基凝胶！

引言

自然界中存在着各种各样的天然单体和高分子，比如氨基酸、多肽、单糖和多糖等，这些糖和肽类物质在生物体内多作为功能分子而存在，生物相容性好，可生物降解并且降解产物对人体无毒无害，易被人体代谢，甚至可作为营养物质被人体吸收。另外，这些天然分子链上有大量活性基团，易于改性或进一步反应。直接利用这些单糖或氨基酸来合成凝胶，或者对现有的多糖或多肽进行改性后交联，就可得到具有良好生物相容性和生物降解性的水凝胶。

多糖基水凝胶可通过适当的释放机制，如扩散、膨胀、化学因素或基于某些环境刺激的控制，使生物活性物质的局部浓度保持较长时间，达到药物或营养物质靶向控释的效果。因此，多糖基水凝胶作为包封药物或营养物质的载体具有天然优势。

基于不同多糖的水凝胶载体

壳聚糖

壳聚糖是一种线性多糖，由随机分布的β-（1-4）连接的N-乙酰基-D-氨基葡萄糖残基和D-氨基葡萄糖残基组成。壳聚糖中氨基基团的酸度系数（pKa）约为6.5，这导致其在酸性水介质中质子化并使聚合物溶剂化。当pH 低于pKa 时，壳聚糖能形成一层厚厚的膨胀层，在水凝胶释放内容物时起到缓释的作用。壳聚糖是唯一的天然阳离子多糖，还具有无毒副作用、生物相容性好、生物降解性强、免疫原性低等优点。由于其良好的理化性质和优良的安全性，壳聚糖被广泛应用于药物及营养物质的水凝胶载体中。

壳聚糖基水凝胶具有良好的生物相容性并且无毒可降解，具有很好的包载药物的能力。通过向壳聚糖水凝胶载体中引入一些环境敏感性基团或单元，可以使其具有环境敏感性，能够对温度、pH 等刺激因子产生响应，从而有望提高药物释放的靶向性和可控性。

海藻酸盐

海藻酸盐是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸单元组成的阴离子多糖。尽管海藻酸盐水凝胶生物降解缓慢，细胞粘附性弱、且力学性能较差，但海藻酸盐具有沿主链分布的多官能团，例如多羟基和羧基，可进行化学修饰优化其性质。研究人员发现海藻酸盐纳米凝胶可作为一种新型的抗原开发系统用于疫苗开发、海藻酸钠基水凝胶可灵活运用于多种组织结构的缺损修复等。

纤维素及其衍生物

纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，是大多数植物初级细胞壁的主要结构成分。纤维素是由β-1,4-糖苷连接的D-葡萄糖单元（脱水葡萄糖单元）组成的线性多糖，但由于其本身结构紧密，分子间存在氢键，不溶于大多数溶剂，导致无法很好地被利用。因此，以纤维素为原料，制备改性纤维素水凝胶，是扩大纤维素应用范围的有效途径。

果胶

果胶是一种由α-1，4 糖苷键连接D-半乳糖醛酸残基及多种中性糖组成天然复合杂多糖，属于无毒、生物可降解的聚合物。在一定的条件下，果胶可形成水不溶性网状结构凝胶，并作为固定生物活性物质的载体。

低甲氧基果胶可通过离子凝胶法和乳化技术与二价钙离子结合形成刚性凝胶珠并应用于包埋和微胶囊技术的研究中。由于果胶的高度水溶性，当果胶被用作载体时极易发生溶胀、快速水合，导致包埋成分的提前释放，有时为了改善果胶的包埋性能，也常常在应用时会先对果胶进行化学、酶法和物理改性。通过离子凝胶法制备的果胶凝胶珠作为缓释药物输送系统、用乙酰化剂修饰的果胶制备水凝胶可以维持布洛芬释放10-12 h，这些研究表明果胶凝胶应用潜力巨大。

淀粉

淀粉是一种高分子碳水化合物，是由单一类型糖单元按一定排列规则组成的一种多糖高分子聚合物，其基本构成单元为 α-D-吡喃葡萄糖，淀粉因其来源广、成本低、生物相容性好等优势，被广泛应用于食品和生物医药领域，运载食品活性因子或药物分子至靶向部位，提高食品活性因子稳定性或药物输送效率。天然淀粉由于缺乏可电离基团，在水中溶解度小，吸附率较低，限制其作为优质载体的制备材料。研究人员用三偏磷酸钠交联改性淀粉制备了改性淀粉基水凝胶，具有良好的热稳定性和pH 敏感性，在药物输送有巨大的应用潜力。

葡聚糖

葡聚糖是一种可降解细菌多糖，来源丰富，作为一种生物材料应用具有良好的生物相容性，被广泛应用于药物辅料和生物分离，其长链上的羟基极易进行修饰得到具有反应活性的葡聚糖衍生物，可通过不同方式进行交联形成水凝胶网络，在人体内具有良好的肿瘤靶向吸收效果、可控的药物释放和抗肿瘤能力，可应用于药物缓释。

其他多糖

瓜尔胶由β-（1-4）连接的D-甘露糖残基的线性主链和D-半乳糖侧链通过α-（1→4）-糖苷键连接至其他甘露糖单元组成的大分子多糖。瓜尔胶在水合作用时可形成高粘性凝胶，能降低药物释放速率。包封物从瓜尔胶基质释放主要是通过穿过凝胶层的扩散或基质的侵蚀来控制的。大量研究报道使用瓜尔胶作为双氯芬酸钠透皮给药载体，制备瓜尔胶化学修饰的多壁碳纳米管杂化水凝胶和瓜尔胶纳米硅水凝胶缓释双氯芬酸钠，两种水凝胶均表明，由于瓜尔胶的高粘性，药物表现出缓慢和稳定的释放。

食用树胶是由α-1-3-连接的D-吡喃葡萄糖基和β-1-3-连接的D-吡喃葡萄糖基组成的一种水溶性细菌多糖，以食用树胶为基础的包载胰岛素的水凝胶可应用于人体内胰岛素释放，与口服的胰岛素相比，口服给药载有胰岛素的水凝胶效果好，且在药理学上的可利用性提高了10 倍以上。

多糖水凝胶的交联方式及分析方法

水凝胶网络交联形成方式可分为物理交联和化学交联，其中物理交联由氢键等结合而成; 而化学交联是指在光、热、高能辐射和交联剂等作用下，大分子链间通过化学键联接起来，形成网状高分子的过程。多糖混合凝胶常见有全互穿网络水凝胶和半互穿网络水凝胶两种，全互穿网络水凝胶是一种独特的高分子共混物，它是由交联聚合物Ⅰ和交联聚合物Ⅱ各自交联后所得的网络连续地相互穿插而成的；半互穿网络水凝胶在构成互穿网络结构的两种聚合物中，仅有一种聚合物是交联的，另一种聚合物是线型非交联的。

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运用先进表征技术从不同的角度对水凝胶的结构和性能进行表征，研究水凝胶结构、性能对水凝胶在生物医用领域等应用具有重要意义。

理论上，分析聚合物结构的所有方法均可以用来表征水凝胶的结构。目前，用于研究水凝胶结构及性能的技术包括光谱技术、显微技术、光散射技术和动态流变技术等。

光谱技术包括红外光谱、拉曼光谱、核磁共振氢/碳谱、紫外光谱等，可用来测定水凝胶的大分子结构，也可以用来判断水凝胶网络中是否形成新的化学键、官能团等。显微技术常用于研究水凝胶形貌和微观结构，主要包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等。光散射技术包括X 射线中子散射和激光光散射，其中激光光散射技术可以用来测定水凝胶的尺寸，并讨论凝胶的尺寸分布。动态流变技术是研究聚合物体系中凝胶化过程的重要表征手段，通过测定振荡剪切模量来检测聚合物体系中溶液-凝胶转变过程的黏弹性质变化，从而精确地给出体系的凝胶点。通过测定多糖水凝胶的储能模量、损耗模量和对振荡频率的依赖性判别弹性凝胶和弱凝胶行为。此外，动态流变技术还可以用来测定水凝胶的力学性能和凝胶化转变机理，为其应用于生物医学、食品工业等领域提供理论依据。

多糖水凝胶的应用

医疗卫生领域

药物控制释放体系是目前水凝胶研究应用最为广泛的领域之一，利用物理包埋以及固定化技术，将酶、药物、抗原等负载到水凝胶微球或微囊中，药物在自身扩散和水凝胶溶胀或降解的多重作用下，以所需速率长期缓慢地释放，从而大大提高药物的利用率。基于水凝胶的药物缓释系统已发展成为治疗肿瘤的重要方法。水凝胶基骨组织工程材料被认为是用于药物传输和再生性药物等方面的“首选材料“。

多糖水凝胶网络中含有大量的水分，同时具有很好的生物相容性和可降解性，是理想的生物组织工程修复材料，如结冷胶可通过添加标准细胞培养介质，而不添加离子形成独立支撑的凝胶结构。水凝胶由于其超强的吸水性在医疗卫生方面可用于一次性纸尿布、女性卫生巾等卫生产品。

食品和化妆品领域

在实际生活中，多糖水凝胶作为包装材料可用于食品的保鲜、保持并提高食品的风味和作为食品运输的保冷剂等，在化妆品中的水凝胶可提高化妆品的增黏功能、长时间有效地给予肌肤水分和油分，可以补充皮肤水分，使角质柔软，保持皮肤不干燥，应用于面膜、面霜等护肤品。

农业和环保领域

在农业和园艺领域，多糖水凝胶可以作为土壤改良剂，超吸水性水凝胶经常用来保护土壤中的水分和营养物质、减少灌溉用水以及改善土壤的物理性质等，从而达到降低植物因干旱引起的死亡率以及增加作物产量的效果；在环保方面，水凝胶也可以作为重金属离子的吸附剂，用于污水治理。

其他领域

近年来，多糖水凝胶发展迅速，目前研究领域主要集中于生物医学领域，也可应用于生物传感器、生物反应器、人工智能材料、抗菌和染料吸附等领域。

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