1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、 水凝胶定义：

一直以来，科学家们对水凝胶的定义多种多样。其中最常见的说法---水凝胶是一种水溶胀性的多聚物交联弹性体系，通过一种多种单体的简单反应产生^[1]；另外一种定义是：水凝胶是一种可以溶胀，在其结构中能够留有水分但是又不溶于水的聚合物材料；近年来，水凝胶被定义为一种包括三维网络结构的多分子链，水分填充在大分子之间的二组分或多组分体系。

二、 水凝胶特点：

由于聚合物骨架上的亲水性基团吸收水分，故水凝胶中含水量丰富，呈网状的各分子链之间的交联网络又使水凝胶不溶于水。作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：农业、化妆品、医药、建筑、石油、矿业、食品等等。值得注意的是，不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以满足不同的需求。

理想的水凝胶优点不计其数：

1. 在盐水中具有最大吸水能力（达到最大平衡溶胀）；

2. 所需的吸收速率（优选的颗粒尺寸和孔隙率）取决于应用要求；

3. 负载AUL下有最高吸收率；

4. 有最低可溶物含量和残留单体；

5. 价格最低；

6. 在膨胀环境和储存期间，耐久性和稳定性最高；

7. 在降解后没有形成有毒物质，生物降解性达到最高；

8. 在水中溶胀后的pH呈中性；

9. 无色，无臭，绝对无毒；

10. 具有光稳定性；

11. 再湿能力（如果需要）：水凝胶必须能够回收和维持已吸收的溶液; 取决于应用要求（例如，在农业或卫生应用中）。

三、 水凝胶制备/交联方法：

但是，显然想要制备上述理想的、具有以上所有特征的水凝胶是不可能的。近年来，科学家们相结合自然水凝胶和合成水凝胶二者的优势，一直在不断探索通过化学改性的方法来制备水凝胶。因此，选择合适的材料和交联方法就显得至关重要了

水凝胶的制备方式有两种：自然水凝胶（胶原，纤维蛋白，葡聚糖（DEX），壳聚糖，海藻酸盐（ALG），透明质酸（HA），明胶和其他蛋白质^[2]以及合成水凝胶（如：聚酯，聚磷腈和聚乙二醇PEG 2）。与自然水凝胶相比，合成水凝胶不仅出生物病原体传播风险小，而且使用周期更长，有较高的吸水性和强度，并且耐久性强；同时，合成水凝胶结构完好，具有可降解性和功能性、物理性质，如拉伸强度，弹性模量较自然水凝胶好^[3]；但其生物相容性低，会产生毒副产品，正是由于合成水凝胶较高的力学强度，导致其降解速率缓慢^[1]。相反，天然水凝具有良好生物相容性、可降解性，毒性低，还能够调节细胞行为；但缺点是其机械性能弱，降解可控性低。

水凝胶通常同过自由基聚合共聚/交联反应，通过亲水的单体与多官能交联剂反应来制备。天然和合成的水溶性线性聚合物形成水凝胶以下面几种方式进行交联^[1]：自组装、光交联、氢键作用、π-π堆积作用、金属或离子键作用、二硫化反应、疏水作用、硫醇/丙烯酸酯迈克尔反应、希夫碱反应、酶促反应、和主客体作用等，从而形成具有三维网络结构的水凝胶。这些不同的交联方法产生的水凝胶优缺点如下：

序号	交联方法	缺点
1	自组装	形成的凝胶机械性能弱
2	光	对光源和引发剂要求严格
3	硫醇/丙烯酸酯迈克尔反应	有时需要使用有机碱（三乙醇胺）
4	二硫化反应	通常需要氧化剂
5	希夫碱反应	缺乏特异性
6	酶促反应	有些酶不稳定，一些活性酶后续也会成胶
7	通过离子键作用交联	带电的器械可能会干扰交联过程
8	主客体作用	有时凝胶的机械强度很弱，同时凝胶快速降解

但是，相比于其他方法，Schiff反应具有较大优势，例如：该方法合成的水凝胶具有较大的生物相容性、无生物毒性，而且在温和条件下容易控制反应速率。2014年4月，基于Schifff反应^[4] Shifeng Yan, Taotao Wang等人研究了PLGA-ALG（聚谷氨酸-海藻酸钠）水凝胶，实验过程中无需用到其他交联剂，并且证明了该水凝胶可以作为可注射性水凝胶，在用软骨再生和组织工程有很大的前景。

故此，本实验以Schiff反应为交联方法进行聚合物之间的交联反应。

四、 国内外研究现状：

4.1 研究现状

19世纪60年代，Wichterle和Lim首次合成了poly(2-hydroxyethylmethacrylate) (PHEMA) 水凝胶，水凝胶技术立即在卫生产品，农业，药物输送系统，密封，煤脱水，人造雪，食品添加剂，药学，生物医疗领域，组织工程和再生医学，诊断学，伤口缝合，生物分子或细胞的分离以及调节生物粘附的阻隔材料，以及生物传感器等各个领域都有了进一步的应用。

2016年4月， Hyun-Ji Park, Yoonhee Jin^[5]等人研究了HA-CA（明质酸-儿茶酚）水凝胶，发现其能够使细胞进行有效移植，改善生物相容性和强组织粘附性；同时，又进一步研究了HA-CA水凝胶在干细胞治疗中用于治疗组织缺陷的效用。

海藻酸钠形凝胶已经在食品和医药行业备受青睐，这是由于不仅其形成条件温和，而且还可以避免细胞、蛋白质、酶、敏感性药物等活性物质失活的问题。但是，无论是物理交联还是化学交联都表现出一定的局限性：物理交联得到的凝胶强度较差；化学交联比物理交联的制备条件复杂，且需要将未反应的交联彻底去除，导致后处理过程繁琐。

聚乙二醇(PEG)作为一种聚醚类生物材料，由于具有诸多优异性能，如无毒性、可生物降解性、生物相容性、两亲性等，使其在骨组织工程领域有着独特的应用优势。这类材料已经广泛应用于美国食品和药品监督管理局(FDA)认证的产品中.在各种各样的合成材料中，多嵌段的聚醚酯共聚物材料，如PLGA-PEG-PLGA、PEG-PLGA-PEG、PEG-PLGA、PLA-PEG-PLA、PEG-PCL-PEG^[6]、但是，PLGA-PEG水凝胶的机械强度较低，这会阻碍它们在骨移植中的应用。

4.2 材料选择：

4.2.1 PLGA优势：

PLGA是一种糖胺聚糖，存在于身体许多部位的细胞外组织中，在生物材料科学中占有重要地位^[7]。同其均聚物PGA, PLA相比，PLGA显示出较为明显的优势：PLGA可以通过改变其单体之间的比例而控制凝胶的降解速率，也就是说，受链的组成、疏水/亲水平衡以及结晶度的控制，PLGA具有一系列范围的降解速率^[3]。近年来，PLGA因为其具有的各种优势受到科学家们的广泛关注，如：生物兼容性、生物降解速率易控制（受分子量和共聚物之比影响），其临床应用已通过美国FDA认证，同时其表征性能良好，能够与生物材料更好地反映。PLGA广泛应用于膜、水凝胶、微球^[3]、微创技术、心血管疾病、免疫学、癌症、疫苗接种和其他疾病中^[8]。

4.2.2 HA优势：

透明质酸（hyaluronic acid, HA），又名玻璃酸、玻尿酸，是一种广泛分布于人体和动物体内的线性大分子酸性黏多糖。它具有良好的生物相容性、机械强度和可塑性^[9]。同时，透明质酸吸水能力非常强，水溶液的渗透压和黏弹性较好，亲和吸附的水分约为本身质量的1000倍，所以它是公认的天然保湿因子^[10]；此外，HA是最具生物相容性的陶瓷之一，因为其矿物成分类似于人类骨骼和牙齿^[11]；另外，HA含有官能团（羧酸和醇），沿其主链可用于引入其他官能团或通过交联形成水凝胶^[7]。

1934年，美国哥伦比亚大学的Meyer教授从牛眼玻璃体中分离出透明质酸，之后Kendell等在1937年从发酵液中提取得到透明质酸。经过多年研究，人们对透明质酸的结构、性质、功能已经有了明确认识，其在美容、眼科或关节手术、手术后防粘连、药品（抗肿瘤、免疫调节、促进血管生成等作用^[12]）等领域都有较多应用。徐新等^[13]利用ADH作为交联剂，化学修饰透明质酸分子，制备了HA-ADH凝胶薄膜。交联后的薄膜在缓冲液中明显溶胀，溶解性比交联前降低，稳定性提高。

4.2.3 PLGA-HA水凝胶优势：

基于上述资料的查找，本次试验决定基于Schiff反应采用PLGA（聚谷氨酸）和HA（透明质酸）来合成水凝胶。PLGA-HA无毒、具有生物活性和骨传导性^[3]，并且其中的矿物质与天然骨头的矿物质相似。它在软骨修复中作为MSC的支架，具有可降解性和生物可塑性，已经被广泛应用于临床医学、软骨再生和其他组织工程中。其中HA大大提高了骨传导性，并且提高了PLGA支架的机械性能^[3]。

2016年，Shifeng Yan和Xin Zhang利用PLGA-ADH和HA-CHO基于Schiff反应机理合成了PLGA-HA水凝胶，并通过小鼠试验，将其成功用作软骨组织中的可注射型水凝胶和细胞载体，充分展示了其在用微型技术进行软骨重生的巨大前景^[14]。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究目的：

本文主要基于schiff反应将聚谷氨酸（plga）和透明质酸（ha）交联，从而得到plga-ha水凝胶。plga-ha已收到科学家们的广泛关注，由于其降解性和生物可塑性，已被广泛应用于临床医学、软骨再生和其他组织工程中。本次试验主要通过两种聚合物交联制得水凝胶，并研究其性质， -nh2/-cho的摩尔比以及plga的氧化程度对成胶时间、平衡肿胀、力学性能、微观形态、和水凝胶的体外降解影响等等。