关于水凝胶的基础知识.pptx

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1、皮肤组织创伤水凝胶敷料及其作为药物缓释载体研究侯吉亮 2014.10.22皮肤的结构与功能皮肤皮肤皮肤总述:成人的面积约为 1.52.0平方米厚度约为0.54毫米（不包括皮 下组织）占人体总体重量的815%不同部位的皮肤厚薄不一，眼睑最 薄，手掌脚掌最厚。从面积和重量 来说，皮肤是人体最大的器官.皮肤皮肤皮肤中有丰富的血管、淋巴管及神经。神经可接受和传导各种物理性、机械性和其他的一些刺激，使皮肤 成为一个灵敏的感觉器官。皮肤还是机体的一个重要的防御器官，参与机体的免疫作用，反映机体免疫 功能的变化。皮肤与人的精神生活、健康状况、营养条件密切相关。构成构成 表皮 皮层 真皮皮肤 皮下组织 皮肤的

2、附属器官：皮脂腺、汗腺、毛发、指 （趾）甲皮肤的皮层皮肤的皮层表皮层表皮层真皮层真皮层皮下组织皮下组织皮肤表层的结构皮肤表层的结构角质层透明层颗粒层棘细胞层基底层表皮表皮层表皮层角质层(死亡期)透明层颗粒层(衰老期)有棘层(成熟期)基底层(婴儿期)棘细胞层棘细胞层表皮层表皮层1)基底层 基底层由基底细胞和黑色素细胞构成，是表皮的最下层，与真皮层波浪形连接。是所有上层细胞的生化之源.具有分裂、增生、繁殖的作用，又称生发层。表皮层表皮层基底细胞：基底细胞有产生新细胞的能力，直接从真皮层的乳头层中的毛细血管中吸收营养，分裂、增生出新的细胞，是表皮各层细胞的生化之源。其分裂周期为19天。一般夜间分裂旺

3、盛，白天分裂受到抑制。当人的皮肤受到外伤，受损于表皮层时，基底细胞会加快分裂繁殖，修补破损，伤口愈合不留痕迹。黑色素细胞：黑色素母细胞稀疏地分布在基底细胞之间，有分泌黑色素颗粒的作用，能够吸收紫外线，防止其射入体内，伤害内部组织。表皮层表皮层2)棘细胞层：棘层位于基底层之上，由基底细胞变化而来，具有较强的生命力，由4-8层带棘的多角形细胞构成，是表皮中最厚的一层，细胞之间棘突相连，细胞中含有大量的组织液，为细胞提供各种营养并将废物带回到静脉。棘层中有许多感觉神经末梢，可以感知外界各种刺激。最下层的棘细胞有分裂功能，参与创伤愈合。棘细胞层棘细胞层表皮层表皮层3)颗粒层位于棘层之上，由2-4层的菱

4、形细胞组成，细胞中有较多大小不等、形状不规则的透明角质颗粒，称为晶样角素，有折射光线的作用，可减少紫外线射入体内。表皮层表皮层4)透明层 仅见于手掌和足跖（zh）的表皮，是角质层的前期。由于处于角质层和颗粒层的23层扁平、境界不清、紧密相连的细胞构成。细胞内含角质母蛋白，与张力细丝融合在一起，有防止水及电解质通过的屏障作用。表皮层表皮层5)角质层角质层是表皮的最外层，由4-8层扁平无核角化细胞构成，其细胞核消失，细胞质干燥而形成纤细的纤维，细胞膜增厚且褶皱不平，与邻近的角化细胞的边缘相互折叠，细胞中充满了角质蛋白，它比较坚韧，对物理因素（紫外线、湿度、温度）和化学因素（酸、碱）等均有新的角化细

5、胞来补充。角质层的形成和脱落经常处于平衡状态。皮肤表层各部分的作用皮肤表层各部分的作用基底层：生化之源棘层细胞：运输传感颗粒层：折射光线，减少辐射透明层：防水、电解质屏障角质层：贮水、代谢、保护皮肤表皮新陈代谢的过程表皮新陈代谢的过程表皮的各层处于角化过程中不同阶段的细胞形成，基底细胞是所有上层细胞的生化之源，它不断的产生新细胞，并逐渐向上层推移代谢，最后蜕变成无核的角化死细胞，以皮屑的方式脱落。从一个基底细胞的生成到变成皮屑脱落大约需要28天的时间。备注：表皮层的每一种结构细胞本质上来说是基底细胞的不同时期的形态，因此当对皮肤进行愈合时，从基底细胞的生成到角质的生成，基本需要28天以上。真皮

6、层真皮层真皮是腺体、血管和神经的大本营，是皮肤的支撑系统。位于表皮之下，与表皮呈波浪形连接。可分为两层：即在上部的较薄的乳头层及下部的较厚的网状层。真皮层真皮层真皮层包括：（1）乳头层：含有丰富的毛细血管、淋巴管盲端和感觉神经末梢。最主要的作用：是在真皮与表皮之间输送营养及氧份。（2）网状层：含有大量的胶原纤维、弹力纤维和网状纤维，支撑着皮肤的弹性、韧性和张力。胶原纤维能抗拉，但缺乏弹性。网状纤维是较幼稚的胶原纤维，常见于毛囊、皮脂腺、小汗腺、神经、血管及皮下脂肪细胞周围。弹力纤维有较好的伸缩弹性，在网状层下部较多，较粗，与胶原纤维组织在一起，使胶原纤维网经牵拉后恢复原状。皮下组织皮下组织 皮

7、下组织位于皮肤最深层，其厚度约为真皮的5倍，主要由脂肪细胞和疏松的结缔组织构成。含有丰富的血管、淋巴结、神经、汗腺和深部毛囊等。皮下组织皮下组织皮下组织主要功能：（1）对外来冲击起衬垫作用，以缓冲冲击对身体的伤害；（2）热的不良导体和绝缘带，以防寒保暖；（3）高能物质合成，贮存和供应的场所，需要时可提供能量；（4）能表现人体曲线美和青春丰满美。皮肤附属器官皮肤附属器官（1）汗腺：作用：调节体温，协助肾脏代谢，保持皮肤表面湿润。（2）皮质腺：作用：分泌皮脂，防水保湿，滋润皮肤，抑制细菌。皮肤附属器官皮肤附属器官（3）血管 表皮层中无血管，血管主要分布在真皮及皮下组织中，极为丰富，可以储纳人体血液

8、总量的1/5,除了供给皮肤、毛发及腺体的营养外，亦参与调节体温。当机体收到外界各种因素损害时，血管便扩张充血，起防御作用，在伤口愈合过程中起重要作用。皮肤附属器官皮肤附属器官（4）淋巴管 在真皮的浅层有丰富的淋巴管，与真皮的深层淋巴管相沟通，再通过皮下组织的淋巴管而到达附近的淋巴结。淋巴液是无色透明的液体，表皮细胞主要依靠细胞的淋巴液供给营养，并带走细胞代谢物。淋巴液经组织间隙进入淋巴管，流经淋巴结以后，最后回到静脉中。良好的淋巴循环系统是人体对抗疾病的天然抵御屏障。六、皮肤的生理功能（一）保护作用：1、机械性损伤2、物理性损伤3、化学性损伤4、微生物的防御作用：5、防止体液过度丢失正常皮肤（

9、干燥、弱酸性），常驻菌（葡萄a、棒状b、肠道 b、念珠菌、糠秕）不致病。皮脂腺内寄生的痤疮b.糠秕孢 所含酯酶将皮脂中的甘油三脂 分解为游离脂肪酸可抑制葡萄 a、链a、念、糠秕。青春期皮脂腺分泌不饱和脂肪 酸可抑制小孢子菌使白癣自愈。皮肤的生理功能皮肤的生理功能（二）吸收作用：通过角质细胞及其间隙、毛囊、皮脂腺或汗管来吸收外界物质。角质层越薄处吸收作用越强。角质细胞含水多，吸收量就大。外界物的性质可影响吸收，如有些与脂肪酸结合成脂溶性的物质易吸收。（三）感觉作用：有触、压、痛、温；干、湿、光滑、粗糙、软、硬等感觉。皮肤的生理功能皮肤的生理功能（四）分泌和排泄作用：汗腺、顶泌汗腺、皮脂腺的分泌排

10、浅。（五）调节体温的作用：汗液蒸发、血管舒张、皮表辐射蒸发、皮下脂肪隔热等。（六）代谢作用：糖、蛋白质、脂类（7-脱氢胆固醇+紫外线VD）、水与电解、黑素代谢（被强酸性水解酶降解）皮肤的生理功能皮肤的生理功能（七）免疫作用：皮肤是全身免疫系统的一部分。细胞成分：角质形成细胞，淋巴细胞，朗格汉 皮肤免 斯细胞，血管内皮细胞，肥大细胞，疫系统 巨噬细胞，成纤维细胞 免疫分子：细胞因子、免疫球蛋白、补体、神经肽等 皮肤的结构及生理功能皮肤的结构及生理功能一、皮肤皮层表皮真皮皮下组织角质层透明层颗粒层棘细胞层基底层乳状层网状层皮肤的附属器官：皮脂腺、汗腺、毛发、指（趾）甲二、皮肤的生理功能：保护、感觉

11、分泌排泄、吸收、免疫、调节体温、新陈代谢伤口愈合创伤愈合创伤愈合定义：创伤愈合(woundhealing)是指机体遭受外力作用，皮肤等组织出现离断或缺损后的愈复过程，为包括各种组织的再生和肉芽组织增生、瘢痕形成的复杂组合，表现出各种过程的协同作用。注：瘢痕组织，瘢痕组织（scar tissue)是指肉芽组织经改建成熟形成的老化阶段的纤维结缔组织。（不做细致分析）创伤愈合的基本过程创伤愈合的基本过程最轻度的创伤仅限于皮肤表皮层，稍重者有皮肤和皮下组织断裂，并出现伤口；严重的创伤可有肌肉、肌腱、神经的断裂及骨折。下述有伤口的创伤愈合的基本过程。1 伤口的早期变化：伤口局部有不同程度的组织坏死和血

12、管断裂出血，数小时内便出现炎症反应，表现为充血、浆液渗出及白细胞游击，故局部红肿。白细胞以中性粒细胞为主，3天后转为以巨噬细胞为主。伤口中的血液和渗出液中的纤维蛋白原很快凝固形成的作用。凝块，有的凝块表面干燥形成痂皮，凝块及痂皮起着保护伤口创伤愈合的基本过程创伤愈合的基本过程 2 伤口收缩 23天后伤口边缘的整层皮肤及皮下组织向中心移动，于是伤口迅速缩小，直到14天左右停止。伤口收缩的意义在于缩小创面。实验证明，伤口甚至可缩小80，不过在各种具体情况下伤口缩小的程度因动物种类、伤口部位、伤口大小及形状而不同。伤口收缩是伤口边缘新生的肌纤维母细胞的牵拉作用引起的，而与胶原无关。因为伤口收缩的时间

13、正好是肌纤维母细胞增生的时间。5HT、血管紧张素及去甲肾上腺素能促进伤口收缩，糖皮质激素及平滑肌拮抗药则能抑制伤口收缩。抑制胶原形成则对伤口收缩没有影响，植皮可使伤口收缩停止。创伤愈合的基本过程创伤愈合的基本过程 3 肉芽组织增生和瘢痕形成：大约从第3天开始从伤口底部及边缘长出肉芽组织，填平伤口。毛细血管大约以每日延长0.10.6mm的速度增长，其方向大都垂直于创面，并呈袢状弯曲。肉芽组织中没有神经，故无感觉。第56天起纤维母细胞产生胶原纤维，其后一周胶原纤维形成甚为活跃，以后逐渐缓慢下来。随着胶原纤维越来越多，出现瘢痕形成过程，大约在伤后一个月瘢痕完全形成。可能由于局部张力的作用，瘢痕中的胶

14、原纤维最终与皮肤表面平行。创伤愈合的基本过程创伤愈合的基本过程 瘢痕可使创缘比较牢固地结合。伤口局部抗拉力的强度于伤后不久就开始增加，在第35周抗拉力强度增加迅速，然后缓慢下来，至3个月左右抗拉力强度达到顶点不再增加。但这时仍然只达到正常皮肤强度的7080。伤口抗拉力的强度可能主要由胶原纤维的量及其排列状态决定，此外，还与一些其它组织成分有关。腹壁切口愈合后，如果瘢痕形成薄弱，抗拉强度较低，加之瘢痕组织本身缺乏弹性，故腹腔内压的作用有时可使愈合口逐渐向外膨出，形成腹壁疝。类似情况还见于心肌及动脉壁较大的瘢痕处，可形成室壁瘤及动脉瘤。创伤愈合的基本过程创伤愈合的基本过程 4 表皮及其它组织再生：

15、创伤发生24小时以内，伤口边缘的表皮基底增生，并在凝块下面向伤口中心移动，形成单层上皮，覆盖于肉芽组织的表面，当这些细胞彼此相遇时，则停止前进，并增生、分化成为鳞状上皮。健康的肉芽组织对表皮再生十分重要，因为它可提供上皮再生所需的营养及生长因子所需的营养及生长因子，如果肉芽组织长时间不能将伤口填平，并形成瘢痕，则上皮再生将延缓；在另一种情况下，由于异物及感染等刺激而过度生长的肉芽组织(exuberant granulation)，高出于皮肤表面，也会阻止表皮再生，因此临床常需将其切除。若伤口过大（一般认为直径超过20cm时），则再生表皮很难将伤口完全覆盖，往往需要植皮。创伤愈合的基本过程创伤愈

16、合的基本过程 4 表皮及其它组织再生：皮肤附属器（毛囊、汗腺及皮脂腺）如遭完全破坏，则不能完全再生，而出现瘢痕修复。肌腱断裂后，初期也是瘢痕修复，但随着功能锻炼而不断改建，胶原纤维可按原来肌腱纤维方向排列，达到完全再生。创伤愈合的类型创伤愈合的类型 根据损伤程度及有无感染，创伤愈合可分为以下三种类型。1 一般愈合（healing by first intention）：见于组织缺损少、创缘整齐、无感染、经粘合或缝合后创面对合严密的伤口，例如手术切口。这种伤口中只有少量血凝块，炎症反应轻微，表皮再生在2448小时内便可将伤口覆盖。肉芽组织在第三天就可从伤口边缘长出并很快将伤口填满，56天胶原纤维

17、形成（此时可以拆线），约23周完全愈合，留下一条线状瘢痕。一期愈合的时间短，形成瘢痕少（下图组）。创缘整齐，组织破坏少创缘整齐，组织破坏少经缝合，创缘对合，炎症反应轻经缝合，创缘对合，炎症反应轻表皮再生，少量肉芽组织从伤口缘长入表皮再生，少量肉芽组织从伤口缘长入愈合后少量疤痕形成愈合后少量疤痕形成伤口的愈合类型伤口的愈合类型 2 二期愈合（healing by second intention）：见于组织缺损较大、创缘不整、哆开、无法整齐对合，或伴有感染的伤口。这种伤口的愈合与一期愈合有以下不同：由于坏死组织多，或由于感染，继续引起局部组织变性、坏死，炎症反应明显。只有等到感染被控制，坏死组织

18、被清除以后，再生才能开始。伤口大，伤口收缩明显，从伤口底部及边缘长出多量的肉芽组织将伤口填平。愈合的时间较长，形成的瘢痕较大（下图组）。创口大，创缘不整，组织破坏多创口大，创缘不整，组织破坏多伤口收缩，炎症反应重伤口收缩，炎症反应重.肉芽组织从伤口底部及边缘将伤口填平，然后表肉芽组织从伤口底部及边缘将伤口填平，然后表皮再生皮再生.愈合后形成疤痕大愈合后形成疤痕大伤口的愈合类型伤口的愈合类型 3 痂下愈合(healing under scab)：伤口表面的血液、渗出液及坏死物质干燥后形成黑褐色硬痂，在痂下进行上述愈合过程。待上皮再生完成后，痂皮即脱落。痂下愈合所需时间通常较无痂者长，因此时的表皮

19、再生必须首先将痂皮溶解，然后才能向前生长。痂皮由于干燥不利于细菌生长，故对伤口有一定的保护作用。但如果痂下渗出物较多，尤其是已有细菌感染时，痂皮反而成了渗出物引流排出的障碍，使感染加重，不利于愈合。影响再生修复的因素影响再生修复的因素从上述可以看出，损伤的程度及组织的再生能力决定修复的方式、愈合的时间及瘢痕的大不。因此，治疗原则应是缩小创面（如对合伤口）、防止再损伤防止再损伤和促进组织再生促进组织再生。虽然组织的再生能力是在进化过程中获得的，但仍受全身及局部条件的影响。因此，应当避免一些不利因素，创造有利条件促进组织再生修复。此外，由于瘢痕组织在一定条件下可以造成危害，因而有时需要抑制瘢痕的形

20、成或者促进瘢痕的吸收。影响再生修复的因素包括全身因素及局部因素两方面。1全身因素全身因素1年龄 青少年的组织再生能力强，愈合快。老年人则相反，组织再生能力差，愈合慢，与老年人血管硬化、血液供应减少有很大的关系。2营养 严重的蛋白质缺乏，尤其是含硫氨基酸（如甲硫氨酸、胱氨酸）缺乏时，肉芽组织及胶原形成不良，伤口愈合延缓。维生素中以维生素C对愈合最重要。这是由于多肽链中的两个主要氨基酸脯氨酸及赖氨酸，必须经羟化酶羟化，才能形成前胶原分子，而维生素C具有催化羟化酶的作用，因此维生素C缺乏时前胶原分子难以形成，从而影响了胶原纤维的形成。在微量元素中锌对创伤愈合有重要作用，手术后伤口愈合迟缓的病人，皮肤

21、中锌的含量大多比愈合良好的病人低。此外已证明，手术刺激、外伤及烧伤患者尿中锌的排出量增加，补给锌能促进愈合。锌的作用机制不很清楚，可能与锌是细胞内一些氧化酶的成分有关。2局部因素局部因素 1感染与异物感染对再生修复的妨碍甚大。许多化脓菌产生一些毒素和酶，能引起组织坏死，基质或胶原纤维溶解。2局部血液循坏 局部血液循环一方面保证组织再生所需的氧和营养，另一方面对坏死物质的吸收及控制局部感染也起重要作用。3神经支配 完整的神经支配对组织再生有一定的作用。4电离辐射 能破坏细胞，损伤小血管，抑制组织再生。水凝胶的基本介绍水凝胶水凝胶概念：水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联

22、结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。被广泛用于多种领域，如：干旱地区的抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴等领域。水凝胶理论水凝胶理论水凝胶是一种适度交联的亲水性高分子，可以在水中溶胀，但不溶解。自20世纪40年代以来，水凝胶的物理化学性质得到了广泛地关注。最早在水凝胶领域做出巨大贡献的standford大学的P.J.Flory教授，从热力学角度出发，提出了凝胶弹性理论，为水凝胶的发展和分子设计奠定了基础。水凝胶的结构水凝胶的结构水凝胶

23、由三维网络结构和其中含有的溶剂水组成，其网络由大分子主链和亲水性（极性基团）组成。当具有三维网络结构的交联高分子与水接触时会发生溶胀，而交联结构则使其溶胀结构受到限制。因此交联度通常决定了水凝胶的溶胀程度，交联密度大则溶胀程度小。当水在高分子链上产生的溶胀力与交联分子链的收缩力相平衡时，体系达到溶胀平衡状态。此时凝胶网络网格达到最大，水分子扩散也达到极致。水凝胶的构成水凝胶的构成近程结构：亲水基团（极性）如羧基，羟基，酰胺基等。疏水基团如各种烷基。远程结构：三维网状交联结构水的存在方式结合水：水分子中的氧原子与网状分子中的亲水基团形成氢键。束缚水：结合水粒子周围被束缚的水分子。自由水：由于凝胶

24、分子的溶胀作用所吸收的水分子，所占比重高于90%。水凝胶的性质水凝胶的性质水凝胶在宏观上具有固体不能流动的性质，而在分子水平上又类似于溶液的行为。水溶性的分子在凝胶中扩散时由于具有不同的分散系数，从而可以反映出扩散剂的的不同尺寸和形状，这一性质可被用作分子筛。此外，水凝胶中的水尽管束缚于凝胶网络中，但仍有一定的活性，这种结构类似于生物体的结构，因而拥有良好的生物相容性，对外界刺激，如pH,温度，电场等，具有良好的响应性。被用于生物分离，医药缓释等生物领域。利用凝胶结构中的离子型基团，对带有相反电荷的离子具有选择性吸附，可将凝胶用于水处理。另外由于水凝胶具有优异的吸水性和保水性，被广泛地运用于卫

25、生和农林园艺。水凝胶的特点水凝胶的特点吸水性：水凝胶具有交联网状结构，并且网状的大分子链含有大量的亲水基团，使水凝胶具有超强的吸水性。生物相容性：水凝胶中的水尽管束缚于凝胶网络中，但仍有一定的活性，这种结构类似于生物体的结构，因而拥有良好的生物相容性。可渗透性：水凝胶中的物质可以通过电性，渗透压等作用相互渗透，达到运输物质的作用。水凝胶的分类方法水凝胶的分类方法水凝胶有各种分类方法：根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下

26、呈稳定的凝胶态，如k2型角叉菜胶、琼脂等；在合成聚合物中，聚乙烯醇（PVA）是一典型的例子，经过冰冻融化处理，可得到在60以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。水凝胶的分类方法水凝胶的分类方法根据水凝胶大小形状的不同，有宏观凝胶与微观凝胶（微球）之分，根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等，制备的微球有微米级及纳米级之分。水凝胶的分类方法水凝胶的分类方法根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感（也叫智能水凝胶）的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是

27、指自身能感知外界环境（如温度、pH、光、电、压力等）微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等。水凝胶的分类方法水凝胶的分类方法根据合成材料的不同，水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格，因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差，易降解。水凝胶的形成水凝胶的形成凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。原料分

28、类：天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯、醇、丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。水凝胶的用途水凝胶的用途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：干旱地区的抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等等。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。水凝胶的前沿研究水

29、凝胶的前沿研究可修复膝盖软骨的新型水凝胶生物材料美国约翰霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。人体关节骨的两端都有一层很薄的软骨，就像覆盖在骨头上的薄膜，外伤、磨损、疾病或基因缺陷都可能伤害软骨，软骨一旦受损是不会自行生长的。微骨折术也叫关节镜软骨手术，是在缺少软骨覆盖的骨头上钻几个小洞，刺激骨髓细胞产生干细胞生成软骨。但手术未必都能成功，可能无法刺激新的软骨生长，或者新长出的软骨不如原来的坚硬。可修复膝盖软骨的新型水凝胶材料可修复膝盖

30、软骨的新型水凝胶材料理论上，干细胞需要附着在一种营养支架上才能更好生长。约翰霍普金斯大学医学院转化组织工程中心（TTEC）主任珍妮弗埃里希夫说，“水凝胶”支架在愈合过程中能为细胞提供“营养”，促进健康组织生长，加速伤口愈合。她们在实验室里和山羊身上进行了多年实验，以寻找最理想的植入材料，最终选定了一种水凝胶生物材料和一种黏合剂，黏合剂用来使水凝胶牢牢地黏在骨骼上。研究小组随后对15位病人进行了首次临床试验，通过微骨折术在受伤软骨附近的骨骼上打出一些微小的洞，将水凝胶和黏合剂注入其中。为了对照实验，她们对另外3位病人仅实施了微骨折术。6个月后，植入物并未产生大的问题。核磁共振显示，植入凝胶的病人

31、长出了新软骨，对膝盖骨骼的平均覆盖率达到86%，未植入凝胶的病人平均覆盖率为64%，而且在术后的6个月中，植入凝胶的病人膝盖疼痛也大幅度减轻。可修复膝盖软骨的新型水凝胶材料可修复膝盖软骨的新型水凝胶材料“初步研究显示，植入的生物材料在患者体内和在实验室里一样表现良好，所以我们希望该方法能成为护理与促进愈合的一种常规措施。”埃里希夫说，这一成果还属于概念论证性实验，要证明水凝胶的安全有效性和临床价值，还需要更多时间和更大规模的实验。他们已经招募到更多病人参与进一步实验。埃里希夫还说，研究小组正在开发下一代移植材料，水凝胶和黏合剂就是其中之一，二者将被整合为一种材料。此外，她们还在研究关节润滑和减

32、少发炎的技术。水凝胶的前沿研究水凝胶的前沿研究壳聚糖基自愈性水凝胶自愈壳聚糖基水凝胶（上：中间打出的孔洞在2小时后自愈）与无自愈的明胶（下）对比实验。壳聚糖基自愈性水凝胶壳聚糖基自愈性水凝胶在2012年的生命科学的论坛上，来自清华大学化学系教授危岩课题组的副教授陶磊的汇报提出了一种关于水凝胶的最新研究成果：以壳聚糖（主要来源为虾壳、蟹壳等）为主要原料，通过简单材料合成，制备出具有自愈能力的水凝胶。这一自愈性水凝胶原料价廉易得、制备方法简单、生物相容性好的特点，恰有望在靶向给药、可控释放等方面发挥作用。当前，在进行传统静脉药物注射时，药物进入人体血液循环系统后，需要经过心脏、肺、动脉等途径达到病

33、灶，这一过程造成大量药物流失，给药效率较低。同时，高浓度注射药物时，药物的副作用不可忽视。此外，频繁给药也给病人增加了身体和经济上的负担。如果将自愈性水凝胶作为药物载体，注射到病灶部位，注射过程中破碎的水凝胶迅速实现自修复，将药物“固定”在预期部位，再缓慢释放，达到治疗目的，那么就能够解决传统静脉给药方法上的不足。壳聚糖基自愈性水凝胶壳聚糖基自愈性水凝胶实际应用中存在的问题：选择多肽、蛋白、DNA片段等作为成胶元素，成本比较昂贵。有些胶不能在生理条件下实现自愈。生物安全性和生物相容性不太理想等。自愈性水凝胶在生物刺激条件下的响应课题组将水、维生素B6、木瓜蛋白酶、溶菌酶等分别与其结合，试图找到

34、壳聚糖水凝胶在不同生物刺激下的响应规律，所以把水溶性染料作为药物模型加入水凝胶中，记录染料在不同生物刺激下的释放速率。实验结果表明在加入维生素B6和木瓜蛋白酶的条件下，水凝胶内的药物释放速度明显快于加入水或溶菌酶的对照组。课题组讨论认为，这一实验提供了两个信息：一是药物可以实现在生物刺激条件下的可控释放；二是溶菌酶在这个体系中对壳聚糖几乎没有降解作用。壳聚糖基自愈性水凝胶壳聚糖基自愈性水凝胶溶菌酶是一种蛋白，所以我们想到可以将壳聚糖基水凝胶作为一种蛋白药物的释放载体。在记录蛋白释放数据时，研究人员惊喜地发现溶菌酶不仅能够可控释放，而且释放前后酶的活性几乎不变，这证明了这种水凝胶不仅仅能作为小分

35、子药物的释放载体，也能作为蛋白等生物大分子药物的释放载体。临床可行性：课题组进而将目光转向细胞治疗。依旧是用壳聚糖的一个衍生物，加上功能化的聚乙二醇，这次他们把细胞也带上了。细胞的生存条件更加苛刻，实验检验它能够否在这种神奇的水凝胶中存活。在室温、pH值7.0的温和条件下把细胞、成胶元素相混合，不到1分钟，包含着细胞的水凝胶就迅速形成了。在激光共聚焦显微镜下观察3D水凝胶中的细胞存活情况，发现只有极少量的死亡细胞。实验开始后24小时和72小时的观察结果显示，细胞在水凝胶内存活良好，死亡细胞数量没有明显增加。实验结果表明这种水凝胶的生物相容性良好，有可能成为细胞治疗的新载体。壳聚糖基自愈性水凝胶

36、壳聚糖基自愈性水凝胶临床可行性：课题组进而将目光转向细胞治疗。依旧是用壳聚糖的一个衍生物，加上功能化的聚乙二醇，这次他们把细胞也带上了。细胞的生存条件更加苛刻，实验检验它能够否在这种神奇的水凝胶中存活。在室温、pH值7.0的温和条件下把细胞、成胶元素相混合，不到1分钟，包含着细胞的水凝胶就迅速形成了。在激光共聚焦显微镜下观察3D水凝胶中的细胞存活情况，发现只有极少量的死亡细胞。实验开始后24小时和72小时的观察结果显示，细胞在水凝胶内存活良好，死亡细胞数量没有明显增加。实验结果表明这种水凝胶的生物相容性良好，有可能成为细胞治疗的新载体。壳聚糖基自愈性水凝胶壳聚糖基自愈性水凝胶会动的水凝胶：课题

37、组又在实验中为水凝胶加入了磁性，赋予了这种壳聚糖基自愈性水凝胶行为的可控性。在壳聚糖溶液中加入生物相容性良好的四氧化三铁纳米颗粒，再加上功能化的聚乙二醇。这种磁性水凝胶就宛如一只“软体章鱼”！在外部磁场的驱动下，它能够通过改变自身形状，移动通过狭窄的空隙。据了解，制备出同时具有磁性和自愈性的水凝胶尚属首例。这 项为在智能药物载体研究方向上打开一条新的道路。医用水凝胶的应用进展医用水凝胶的应用进展药物控制释放载体作为组织填充材料人工玻璃体人工软骨医用辅料药物崩解剂角膜接触镜材料医用美容材料分析和医学诊断药物缓释载体药物缓释载体水凝胶兼具承载药物、控制药物释放速度、驱动释放三种功能,它既能调节制剂

38、的强度和硬度,又能起到促进分解、赋形的作用,还能遮蔽医药品的苦味和气味。因此,水凝胶在口服、鼻腔、口腔、直肠、阴道、眼部、注射等给药途径具有较大的应用潜力。作为组织填充材料作为组织填充材料 作为充填材料医用作为充填材料医用聚丙烯酰胺水凝胶聚丙烯酰胺水凝胶已广泛用于人体各部已广泛用于人体各部位。位。材料特点：它是一类具有亲水基团能被水溶胀但不溶材料特点：它是一类具有亲水基团能被水溶胀但不溶于水的聚合物，水凝胶中的水可使溶于其中的低分子量物于水的聚合物，水凝胶中的水可使溶于其中的低分子量物质从其间渗透扩散，具有质从其间渗透扩散，具有膜的特性膜的特性，类似于含大量水分的，类似于含大量水分的人体组织，

39、具有人体组织，具有较好的生物相溶性较好的生物相溶性。此外，聚丙烯酰胺水。此外，聚丙烯酰胺水凝胶为大分子物质，不吸收、不脱落、不碎裂，在弥散的凝胶为大分子物质，不吸收、不脱落、不碎裂，在弥散的环境下能很好保持水分，有较好的粘度，弹性和柔软度，环境下能很好保持水分，有较好的粘度，弹性和柔软度，适合人体组织结构。适合人体组织结构。作为组织填充材料作为组织填充材料 目前，一些成年女性为了提升个人女性 魅力而选择手术丰胸。手术丰胸，是对 胸部填充硅胶等制品达到丰胸目的。天然高强度水凝胶丰胸充填物人工玻璃体人工玻璃体人眼正常的玻璃体为凝胶状，主要成分是水，凝胶的基质为胶原和透明质酸。玻璃体浑浊和视网膜脱落

40、都可以引起视力下降甚至失明。人工玻璃体 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水凝胶是第一个用作病变的玻璃体替代物的合成高聚物。作为一种优异的病变玻璃体替代物，PVP水凝胶具有良好的生物相溶性和生物物理光学特性，其网状支架对眼球内的新陈代谢成分具有良好的通透性。另外，PVP水凝胶具有粘弹性，表现出良好的内填充作用，可以封闭裂孔，展平视网膜。人工软骨人工软骨人工软骨材料-聚乙烯醇水凝胶的研制，用反复冷冻及真空脱水处理方法获得的PVA水凝胶材料，其弹性模量和人关节软骨相近，有希望成为理想的人工软骨材料。PVA水凝胶的高含水性及其特殊的表面结构与天然软骨组织非常相似，具有良好的的生物相容性和摩擦学特性，同时该水凝

41、胶具有类似于天然软骨的多微孔组织，内含大量的水，是一种可渗透材料。关节内注射透明质酸钠凝胶治疗中早期骨性关节炎 医用辅料医用辅料敷料的主要类型有两种：干型如纱布；湿型如水凝胶。PVP水凝胶是一种类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影响生命体的代谢过程，并且代谢产物可通过水凝胶排出，还可根据需要将不同药物包埋在水凝胶内，药物可缓慢持续释放到病变区，从而达到治愈伤口或皮肤病的目的。医用水凝胶敷料可用于皮肤创伤、皮肤溃疡（褥疮、结核、霉菌、真菌感染等）、烧伤、烫伤及其它皮肤病。医用辅料医用辅料理想的烧伤涂敷材料，应有一定的柔软性和机械强度，具有较强的液体吸收能力，能够透过空气，但屏蔽细

42、菌，水凝胶容易吸收药物，并能释放药物，不刺激伤口。辐射交联或者化学交联的PVP能够满足上述要求。国内已有学者成功研制了PVP烧伤涂敷材料。药物崩解剂药物崩解剂 为避免免医药片剂或者胶囊在生产和运输过程中为避免免医药片剂或者胶囊在生产和运输过程中碎裂碎裂，因此要求有一定的强度。服用后，又要求能够迅速因此要求有一定的强度。服用后，又要求能够迅速崩解崩解，被人体吸收。而在医药片剂或者胶囊中加入适量干的被人体吸收。而在医药片剂或者胶囊中加入适量干的PVPPVP凝胶，则在服用后，凝胶吸收体液中的水分而膨胀，在药凝胶，则在服用后，凝胶吸收体液中的水分而膨胀，在药剂内造成很大的压力，从而使药剂迅速崩解，并且

43、有生产剂内造成很大的压力，从而使药剂迅速崩解，并且有生产和运输过程中不会碎裂。和运输过程中不会碎裂。角膜接触镜材料角膜接触镜材料 角膜接触镜俗称隐形眼镜，是一 种兼具视力矫正、美容、眼睛防 护和医疗作用的产品。最初的角膜接触镜是采用-甲基丙烯酸甲酯聚合物材料（PMMA）制造，这是一种硬性角膜接触镜，不含水分、不透气，不能长时间配戴，并且舒适度差。PVP水凝胶角膜接触镜是以PVP共聚物水凝胶作为材料制造的一种软质角膜接触镜。优点是舒适度高，含水量高，氧气通过性能好，可以长时间配戴。医用美容材料医用美容材料 全效保湿水凝胶全效保湿水凝胶 水凝胶面膜 伤口愈合发展与水凝胶湿性敷伤口愈合发展与水凝胶湿

44、性敷料的优异性料的优异性伤口愈合发展的历史伤口愈合发展的历史传统护理：18世纪以前，伤口护理主要依靠经验，多使用自然物品19世纪,微生物学家巴斯德 Pasteur 使用干性敷料覆盖伤口，以保持伤口干燥，避免细菌感染，成为主要的伤口护理原则，开创了干性愈合的先河干燥环境可延迟伤口的愈合干燥环境可延迟伤口的愈合传统伤口处理方法：保持伤口干燥，促进伤口结痂结痂粘连伤口每天更换疼痛损伤新生成的肉芽组织伤口愈合的发展史伤口愈合的发展史湿性愈合理论：1962年伦敦大学的Winter博士首先用动物试验（猪）证 实，湿性环境的伤口愈合速度比干性愈合快一倍 1963年Hinman进行人体研究，证实湿性愈合的科学

45、性。七十年代“湿性伤口愈合”观念逐渐被广泛接受伤口愈合的发展史伤口愈合的发展史湿性愈合实践：八十年代，诞生了第一代保湿性水胶体敷料。九十年代，材料技术的发展，产生了适应伤口愈合不同阶段特点，有不同作用的多种敷料。在欧美得到了广泛的应用，用量超过了传统干性敷料。水胶颗粒膨胀吸收伤口渗出物理想的环境:湿度温度 PH管理渗液半渗透性PU背衬水和细菌不能进入 水胶颗粒水 凝 胶为 愈 合 创 造 了 最 佳 的 环 境湿性环境中的愈合湿性环境中的愈合敷料种类敷料种类传统的敷料从最初的由棉花、软麻布和亚麻布加工而成的纱布开始，逐渐发展，先后出现了合成纤维纱布（无纺布）、塑料膜性不粘纱布 等干性敷料再到到

46、湿润性不粘纱布、半通透性膜(薄膜类敷料)、泡沫类敷料、PU泡沫敷料等改进保湿性敷料，再到现在的水凝胶湿性敷料，皮肤创伤敷料的功能逐渐完善。敷料种类敷料种类 棉麻纱布 传统敷料 合成纤维纱布 塑料膜性不粘纱 湿润性不粘纱 改进性敷料 半通透性膜 皮肤辅料 泡沫类敷料 PU泡沫敷料 水凝胶敷料：海藻酸类、丙烯酸类、壳聚 糖类、透明质酸类。其他类 特点对比特点对比对比干性敷料 隔离环境 皮肤无粘连 愈合缓慢，结疤明显 粘连皮肤湿性敷料 暴露空气中 （二次机械伤害）快速愈合，疤痕较小 环境境更更换愈合效果愈合效果水胶体敷料的作用机理水胶体敷料的作用机理创面温度与湿度对促进伤口愈合影响的发现创面温度与湿

47、度对促进伤口愈合影响的发现传统的观点认为保持地使创面干燥。创面干燥可以预防创面感染，因此临床实践中常常尽可能然而，1962年Winter博士在动物（猪）实验中证实了创面在湿性环境下愈合速度要比干性环境快一倍。随后Hinman（1963）博士在人体创面上也得到了同样的结果。从而产生一种全新的愈合理论以及由此而产生的新的创面护理用敷料-湿性愈合理论和闭合性敷料。同样，Lock(1979)证实保持创面局部温度接近或者恒定在正常的37时，细胞的有丝分裂速度增加108%。传统创面护理是频繁更换敷料和用冷溶液冲洗创面，这样常常是局部温度比正常体温低2-5，从而阻碍创面的愈合过程（Johnson,1988）

48、湿性愈合理论湿性愈合理论一个真正的湿性环境是通过在伤口处覆盖封闭、半封闭的敷料或覆盖在创面处形成凝胶的覆盖而形成。创面的湿度对创面的愈合过程有非常明显的影响。这一点不仅在动物实验中得到验证，而且在几十年的临床护理实践中也得到了肯定亲水性水胶聚合物 水水水水形 成 凝 胶 吸收膨胀凝胶水水 胶胶 体体 的的 组组 成成湿性愈合理论的优点湿性愈合理论的优点有利于细胞增殖分化和移行 细胞增殖分化以及酶活性的发挥都需要水作为介质，因此，湿润的环境下能保持细胞和酶的活性，这些将有助于创面的愈合；同时，细胞在湿润环境下更能快速移行。湿性愈合理论的优点湿性愈合理论的优点不会形成干痂,避免敷料更换时再次机械

49、性损伤创面 由于保持了湿润，从而避免了创面渗出物的过度蒸发而形成干痂，因此在更换敷料时不会产生再次性机械性损伤，有利于创面的愈合。同时，由于湿润的环境，使创面的神经末梢不会直接暴露在空气中而感觉疼痛，因此会使患者的心情轻松，从而间接地促进创面愈合。湿性愈合理论的优点湿性愈合理论的优点保留渗出液内的活性物质并促进活性物质的释放 创面渗出液里含有多种生长因子如PDGF、-TGF等，这些生长因子对创面愈合过程起着重要的调节作用。其不仅能刺激成纤维细胞增生，而且也是巨噬细胞、中性粒细胞和平滑肌细胞的化学趋化剂。湿性愈合理论的优点湿性愈合理论的优点有利于坏死组织的溶解 清除坏死组织是创面愈合的第一步。湿

50、性环境下，坏死组织能被渗出液水合而释放出组织细胞自身的纤维蛋白溶酶以及其他蛋白溶解酶，这些蛋白溶解酶能水解坏死组织，有利于吸收而达到清创效果，而且更为重要的是，在下肢静脉溃疡时，小血管周围常形成纤维鞘，阻碍血液与组织间的营养成分交换，而纤维蛋白溶酶则可以溶解该纤维鞘，使血液与组织间的营养交换恢复正常。另外，蛋白降解产物FDP也是免疫细胞的趋化因子，能吸引免疫细胞向创面移动，加速清创过程。湿性愈合理论的优点湿性愈合理论的优点维持创面局部微环境的低氧状态 由于湿性环境常常是在闭合性敷料下面形成，而在这种闭合性敷料下面，创面局部的微环境常形成低氧张力。研究证明，相对低氧环境下，成纤维细胞生长速度最快