海洋多糖水凝胶作为玻璃体填充物的研究

海洋多糖水凝胶作为玻璃体填充物的研究第一章文献综述1玻璃体填充物简介1.1玻璃体概况玻璃体是眼球后部空腔内的一种透明胶状体，占据了超过2/3的眼球体积。玻璃体为视网膜提供适当的支撑，保护周围的眼组织不受机械创伤，使光线能够到达眼球后方的感受器，调节眼内氧含量和眼球形状，同时允许代谢物和其他溶质的扩散运输。据研究[i]，人玻璃体80%的成分为胶体，20%的成分为液体，而后者随年龄增长比例上升。而其他大多数哺乳动物玻璃体不含液体成分。目前普遍接受的观点是：玻璃体是通过线形的胶原纤维随机排列提供刚性骨架，骨架间充满混杂着高分子的卷曲的透明质酸，透明质酸以其钠盐形式存在。这两种生物大分子以这种方式互相作用使得玻璃体在正常状态下是一种稳定的水凝胶，但在病理状态下，这种水凝胶会发生脱水收缩或机械崩塌。研究人员认为[ii]，很难将天然玻璃体划分为多组分聚合物材料的一种，既不能定义为高分子共混物或接枝共聚物，也不能称为嵌段共聚物或多项聚合物体系。这是因为目前都还不能确定玻璃体的两种主要成分之间或某一种成分内的相互作用是交联、物理混合还是共价结合。1.2玻璃体填充物的需求玻璃体对于眼睛的重要性不只是因为其光学性能和机械性能，还因为它在周围组织甚至是整个眼球的疾病和治疗过程中起到的重要作用。有两种情况下需要人工玻璃体来补充或者取代天然玻璃体，来防止失明。首先，玻璃体自身可能因为浑浊、物理崩塌或液化而失去功能。导致玻璃体失去功能的病理原因包括[iii]-[v]：发育异常、炎症（感染、创伤或视网膜疾病导致）、出血、全身疾病（如癌症、糖尿病等）和组织退变（如年龄增长、近视、遗传性视网膜疾病等）。玻璃体的损伤可能由机械损伤、化学损伤、热损伤或玻璃体异物引起。玻璃体一旦发生崩塌或液化后很容易与视网膜分离，继而由于牵拉作用导致玻璃体出血、视网膜表面损伤甚至脱离。以上所述情况均可能导致患者发生视力严重减退甚至失明。这种情况下，需要一种生物相容性良好且透明的材料来代替病变的玻璃体。然而，对玻璃体病变的治疗还不是玻璃体填充物如此重要的最主要原因。事实上，世界上因为玻璃体病变而失明的人数远少于白内障、角膜功能异常和视网膜疾病。更多情况下，在多种CRD的手术治疗中，最需要一种暂时的或永久的能够注射入玻璃体腔的填充物。视网膜是眼睛的光接收器，是包围玻璃体的三层组织中的一层。这一重要的结构可能因为很多原因受损（通常是发生视网膜脱离），如果不及时治疗或治疗失败很可能导致失明。视网膜脱离是指视网膜结构中的感觉层与后方的视网膜色素上皮层发生分离。玻璃体脱离可能产生对视网膜的牵拉，这一牵拉作用可能使视网膜被撕裂，继而由于液体流入视网膜两层之间使两层分离，发生视网膜脱离。视网膜脱离后，在其后方的液体作用下发生漂浮，视网膜和其上的血管皱褶、浑浊，其光接收器功能丧失，导致视力严重下降。在许多玻璃体视网膜手术中需要玻璃体填充物的参与。向玻璃体腔注射填充物是为了作为辅助手段保持眼球体积和眼内压，或者代替损伤的玻璃体。这种注入的物质应当能够产生眼内压以顶压视网膜使其与脉络膜结合。需要玻璃体填充或补充的情况有如下几类[vi][vii]：视网膜复位手术中将视网膜下方的液体排出后，严重脉络膜脱离中液体排出后，玻璃体切除后为了保持眼球的体积和压力，视网膜浅脱离而情况又不适合做巩膜扣带术时，存在玻璃体牵拉时的玻璃体视网膜手术，发生玻璃体崩塌行巩膜扣带术时，眼后部穿透性损伤修复手术，眼球修复后眼压过低时。1.3理想的玻璃体填充物一个世纪以来，人们进行了众多的尝试，企图找到一种有功能的能够代替天然玻璃体的物质，却发现这并不是简单的工作[viii]。根据天然玻璃体的特性和目前各种经验，研究人员认为一种理想的玻璃体填充物需要满足以下几个条件：（1）无色透明，密度和屈光度等物理性质应当与天然玻璃体相似；（2）可储存和灭菌，具有化学和生物学惰性，无毒，这样就不会引起不良生物反应（如炎症，细胞侵入，瘢痕，原骨胶原形成）；（3）与玻璃体液和周围组织相容性良好且不影响其生理功能；（4）不吸收，不发生生物降解，在玻璃体腔内存留时间尽可能长；（5）流变学性能合适且能够维持较长时间，本身不会通过视网膜裂孔，能使视网膜复位且能防止视网膜再脱离；（6）具备一定刚性，能使视网膜和脉络膜的紧密结合，且能够抵消视网膜和玻璃体之间的牵拉作用；（7）能够允许周围组织代谢物和蛋白等物质在玻璃体内的运输，不影响新陈代谢过程；（8）在手术过程中使用高温、低温或激光封闭视网膜裂孔时，依然能够保持透明；（9）能通过小的注射器针头进行注射且以上性质都不发生改变，或者能通过小的切口移植；（10）最好是亲水性物质，含水量高但不能溶解于水。目前来看，尽管已进行了多年的探索实验，还未能找到满足这一系列复杂要求的材料，成功填充玻璃体。1.4玻璃体填充物的发展1.4.1目前使用的玻璃体填充物目前使用的玻璃体填充物一般分为以下三类：气体（空气，扩张性气体），液体（平衡盐溶液，全氟化碳液体，半氟烷烃，硅油等）和人工玻璃体胶囊。这些在使用的物质作为玻璃体填充物只是主要满足了机械性能方面的要求，对于理想的长期填充物来说，还有许多方面需要改进。（1）气体1911年Ohm[ix]第一次在视网膜脱离的治疗中采用了注入空气的方法。空气价格低廉且不用移除，在眼内能够被吸收，被液体取代。但是空气在玻璃体腔内的存留时间只有几天[x]，此外，其屈光指数（1.008）也与天然玻璃体液相差较大。扩张性气体自1970s开始用于玻璃体填充，使用最多的是六氟化硫和全氟丙烷。它们都是无色、无味、无毒的气体，在1993年被美国食品药品监督管理局批准用于充气性视网膜固定术[xi]。气体主要用于充气性视网膜固定术的手术过程中以及术后的内填充。气体在所有玻璃体填充物中具有最大的表面张力，能够产生良好的填充作用，且能够被人体吸收，被眼内液取代，而不需要二次手术取出。其主要缺点是扩张性气体可能造成眼内压急剧上升，导致视网膜中心动脉闭塞[xii]；由于密度低于水，不能对下方视网膜产生有效的顶压作用[xiii]；术后需保持一定的体位以维持其顶压作用[xiv]；另外还可能导致白内障，以及对角膜内皮造成损伤等[xv]。（2）全氟化碳液体最早用于玻璃体填充的液体是水和平衡盐溶液[xvi]。平衡盐溶液粘度较低，存留时间较短，不能产生有效的填充作用。现代使用的液体玻璃体填充物全氟化碳（PFCLs）是1990s开始使用的[xvii]。PFCLs是透明无色无味的液体，且具有能够运输O2和CO2的优点[xviii]。PFCLs可用于CRD的手术中临时展平视网膜，但其毒性限制了它作为玻璃体填充物的应用推广[xix]。（3）氟化烷烃氟化烷烃（FAs）最早于2000s开始在视网膜玻璃体手术中使用[xx]。其密度为1.35g/mL，屈光指数为1.3[xxi]。氟化烷烃主要是在使用硅油效果不理想时做临时内填充物使用。其主要缺点是可能发生乳化，引起白内障，以及导致视网膜前膜产生[xxii]-[xxiv]。（4）硅油硅油（SO）从1960s开始被用作玻璃体填充物，但直到1994年才通过美国食品药品管理局的认证[xxv]。它与硅胶类似，但分子链更短，也没有化学交联，故呈液态。硅油是一种疏水物质，其比重约为0.97g/mL，屈光指数为1.4。硅油可以用于CRD后的短期或长期填充，它也是目前唯一一种可用于长期玻璃体填充的眼内填充物[ix]。有几种不同粘度的硅油，其相关性质也有差异，目前临床上用的主要是1000和5000厘池的硅油[xxvi]。硅油表面张力较高，毒性较低，且透光性较好，便于移除。但也存在诸多缺点：首先硅油表面张力还是小于气体和平衡盐溶液，手术中容易通过视网膜裂孔进入视网膜下[ix]，其次硅油是一种疏水性液体，注入玻璃体腔后与视网膜接触效果不良，再次，虽然透明性较好，但屈光度与天然玻璃体相差还是较大[xxvii]，第四，可能导致角膜病变和白内障等并发症[xxviii]，另外还存在乳化问题，需二次手术取出。（5）人工玻璃体胶囊人工玻璃体胶囊主要由球囊、引流管和引流阀三部分组成，球囊由硅橡胶薄膜制成，引流管主要起到连接球囊与引流阀的作用。球囊部分可通过微创切口植入眼内，其内部可以加注流动介质，使球囊形成玻璃体形状填充眼球，注入的物质可选择生理盐溶液、硅油等。人工玻璃体胶囊可减少硅油诱导的硅油乳化、青光眼、角膜变性等并发症，避免水凝胶在眼内降解吸收过快等弊端。但其缺点是，人工玻璃体胶囊填充流动介质后形成的球囊并不具有天然玻璃体的屈光性能和粘弹性能，手术造成的创伤较大，容易引起较严重的术后炎症反应，且亲水性、通透性较差，会影响眼内物质的交换和运输，长期填充可能造成眼内营养代谢紊乱[xxix]。1.4.2聚合玻璃体填充物研究现在使用的玻璃体填充物的缺点和局限性促使人们寻找各种材料作为理想的人工玻璃体。使用合成的聚合物来补充或代替玻璃体的研究始于二十世纪50年代。目前，半合成的（如修饰的天然高分子）和完全合成的多种聚合物都已被尝试用来作为玻璃体填充物。1.4.2.1半合成聚合物一些天然高分子的水溶性衍生物可以以水溶液形式注射入玻璃体腔，但是会很快被排出。尽管他们并不能作为长期的玻璃体填充物，但其中一些已经发展成为临时使用的粘弹性物质，在眼前节或后节手术中均起到良好的辅助作用。（1）多糖考虑到透明质酸钠本身是天然玻璃体的重要组分，人们尝试用其代替玻璃体。透明质酸钠相容性良好，但只能在眼内存留较短时间，且对视网膜的顶压效果不理想，不是合适的玻璃体填充物。后来人们试图使用甲醛或乙烯砜共价交联透明质酸以降低其水溶性，使其在眼内的存留时间能够延长[xxx]。结果该交联透明质酸存留时间有所增加，但仍然因为粘着性较差容易通过视网膜裂孔进入视网膜下方。Kishimoto[xxxi]尝试了使用葡聚糖、海藻酸、硫酸软骨素、树胶、甲基纤维素和羧甲基纤维素代替玻璃体，结果表明尽管炎症反应在两周内消失，但一个月后过半数的术眼玻璃体变得不透明。Mori[xxxii]将硫酸软骨素或海藻酸钠注入大白兔玻璃体腔，开始过半玻璃体变得不透明，但在一个月内恢复，视网膜有轻微损伤，随后Mori将海藻酸钠用于临床，它没有引起术后炎症反应，但不能使视网膜复位。Wilhelmus等[xxxiii]将羧甲基纤维素钠溶液注入四只大白兔眼内，其表现出良好的相容性，但未见存留时间的报道。Fernandez-Vigo[xxxiv]向兔眼注射羟丙基甲基纤维素溶液（HPMC）（粘度6000cSt，Mw=86kDa）。HPMC植入10w后完全消失，因此，HPMC溶液不适合做长期玻璃体填充和封闭视网膜裂孔。然而，考虑到HPMC良好的相容性，这个团队尝试改变了HPMC的分子量进行进一步实验，使用粘度6000cSt，Mw=120kDa的HPMC，结果表明其半衰期为38天，仍不适合做长期填充。（2）明胶阿玛斯特丹大学的一个研究团队制备了一种改性的明胶，称作“聚明胶肽”，他们尝试用其作为玻璃体填充物。这种物质是通过将明胶热降解制得，之前被用作血浆代用品，未见引起过敏或有抗原性的报道，其水溶液在室温下稳定，屈光指数与天然玻璃体非常接近。在注入120只兔子玻璃体腔后，未见明显不良反应，但10天内77.5%的聚明胶肽已经被降解掉，表明其不适合作为永久性填充物。然而在人视网膜脱离手术中使用聚明胶肽，发现术后没有不良反应，且大部分视网膜成功复位。研究者称其可以作短期应用，但随后未见相关报道。1.4.2.2合成聚合物（1）聚1-乙烯基-2-吡咯烷酮聚1-乙烯-2-吡咯烷酮（PVP）是最早被用于代替玻璃体的人工合成的聚合物。1954年Scuderi向兔眼中注射不同剂量的PVP，没有不良组织学反应，但是术后玻璃体变得不透明。最近Chirila使用丁二烯二醇（DVG）交联1-乙烯-2-吡咯烷酮（VP）单体得到了一种透明（RI=1.3390）水凝胶，密度、粘弹性等也与人玻璃体接近，这种交联PVP水凝胶植入动物眼内后没有观察到对视网膜的损伤，但是发生了玻璃体混浊。另外，这种多聚物由于噬菌作用发生生物了降解。他还将PVP与2-