組織工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修飾研究進(jìn)展模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。組織工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修飾研究進(jìn)展姚芳蓮孟繼紅毛君淑#姚康德#

(天津大學(xué)化工學(xué)院#天津大學(xué)高分子材料研究所天津300072)聚乳酸(PLA)和聚羥基乙酸(PGA)及它們的共聚物(PLG)為研究得最多的生物分解性脂肪族聚酯。它們已為美國FDA批準(zhǔn)可用作外科縫合線及藥物釋放載體。近年來在組織工程中被廣泛用于支架(scaffold)和細(xì)胞構(gòu)建結(jié)構(gòu)物。此類生物降解聚合物隨組織重建在體內(nèi)分步降解吸收。這些材料的本體性能和力學(xué)性質(zhì)與降解速率有關(guān)。而材料的表面特性則因其與體內(nèi)細(xì)胞接觸而對材料與細(xì)胞間的相互作用情況起關(guān)鍵作用,因而對這類植入體內(nèi)材料的表面修飾就顯得特別主要。乳酸類聚合物的表面疏水性強(qiáng),影響了其與細(xì)胞的親和性,要擴(kuò)大乳酸系聚合物在組織工程中的應(yīng)用,對其與細(xì)胞親和力的改進(jìn)是一關(guān)鍵問題。由于聚乳酸分子鏈上缺乏反應(yīng)位點,使得對其進(jìn)行修飾變得非常困難。一般常見于聚合物表面修飾的方法,如調(diào)節(jié)材料表面親水/疏水性及電荷、將細(xì)胞粘連因子和細(xì)胞增殖因子等生物活性因子固定于材料表面等,對乳酸類聚酯的表面修飾難于奏效?；谖锢砦降男揎椃椒ㄊ怯煞兜氯A力維持吸附分子與基材間的作用,因此結(jié)合力弱,被結(jié)合分子易脫落,影響材料的長期使用性能,不能滿足應(yīng)用需要。因而,尋求聚乳酸系聚合物合適的修飾技術(shù),包括用嵌段或接枝聚合方法對其化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行本體修飾、表面修飾或復(fù)合改性,從而改進(jìn)聚乳酸基生物降解材料對目標(biāo)細(xì)胞的親和性,使其在組織工程相關(guān)應(yīng)用中發(fā)揮作用具有重要意義。1嵌段共聚物

纖連蛋白細(xì)胞粘連微區(qū)為精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)二肽,它可由含側(cè)鏈羧基的乳酸和蘋果酸的共聚物而固定化。天冬氨酸與芐醇的80%H2SO4水溶液于70C脫水縮合得其L-天冬氨酸芐酯,將其在硫酸水溶液中與NaNO2反應(yīng)得L-蘋果酸芐酯(2),它與溴代乙酰氯在三乙胺存在下,于醚中反應(yīng)得L-溴乙酰芐基蘋果酸酯(3),它在二甲基甲酰胺中與NaHCO3反應(yīng)則得其環(huán)狀二聚體(BMD)(4)。將它與L-丙交酯(L-LAC)在己酸亞錫催化下于160C開環(huán)聚合而后水解得PMLA[1]。其中含蘋果酸10%,數(shù)均分子量為31,700。以二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)法或氯甲酸酯(ECF)法可將RGD在其薄膜上固定化。以后法為例,固定化量達(dá)6.3μgRGD/1mgPMLA。以1.0×105的NIH3T3細(xì)胞種植后,在D-MEM基中,37C下5%CO2氣氛中培養(yǎng)1h,細(xì)胞培養(yǎng)后的薄膜用戊二醛固定化,對照薄膜上粘連細(xì)胞僅為種植細(xì)胞的1%,而固定化7.29g后表面粘連細(xì)胞數(shù)增大30倍。可見利用聚(蘋果酸-共-乳酸)側(cè)鏈上的羧基使聚乳酸表面修飾,利于細(xì)胞粘連因子、細(xì)胞分化誘導(dǎo)因子和增殖因子固定化。

Langer等[2]以乳酸和賴氨酸的混雜二聚體與乳酸的二聚體丙交酯共聚制備聚(乳酸-共-賴氨酸),其賴氨酸殘基側(cè)鏈上的氨基可作為生物活性因子如RGD的配體接枝,以誘導(dǎo)細(xì)胞粘連。

Hubbell等[3-4]以丙交酯和甘油在辛酸亞錫存在下于130C制得甘油封端的聚乳酸(GL3),再用丙烯酰氯將其轉(zhuǎn)變成三臂的丙烯酸化乳酸齊聚物(GL3-AC)。以2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(芐基二甲縮酮BDMK)為光敏劑,它和端羥基聚乙二醇丙烯酸單酯(PEG-AC)在紫外光輻照下進(jìn)行共聚合,在皮氏(Petri)培養(yǎng)皿上形成GL3-PEG網(wǎng)絡(luò)薄膜。動態(tài)接觸角與吸水率測定結(jié)果表明,水溶性PEG的引入使薄膜表面親水性和吸水率顯著提高。將人成纖細(xì)胞種植于薄膜,確認(rèn)其具有良好的細(xì)胞粘連特性。由PEG引入的端羥基可成生物活性肽介入的位點,此類生物降解網(wǎng)絡(luò)適用于組織工程支架[4]。

聚乳酸及其嵌段共聚物大都以辛酸亞錫催化相應(yīng)交酯等開環(huán)聚合而制備,在所合成聚合物中會殘留少量催化劑錫,需將其適當(dāng)處理,以免影響材料的生物兼容性。Gross等[5]采用脂肪酶催化開環(huán)聚合反應(yīng),制備多臂聚(丙交酯-共-己內(nèi)酯)。為此,以多官能基的1-乙基吡喃葡萄糖苷作引發(fā)劑由脂肪酶催化-己內(nèi)酯(-CL)開環(huán)聚合制備1-乙基-6-寡(-CL)吡喃葡萄糖苷大單體(EGP),再以脂肪酶PS-30催化其-羥基的區(qū)域選擇性保護(hù)?；磻?yīng),最后再利用糖核上殘留的自由羥基在辛酸亞錫存在下引發(fā)丙交酯的聚合制備三臂聚(丙交酯-共-己內(nèi)酯[(PLA)3(PCL),EPG],所得產(chǎn)物是圍繞糖核構(gòu)建的空間規(guī)則的多臂混雜嵌段共聚物,其PLA數(shù)均分子量為31078g/mol,而PCL數(shù)均分子量為1270g/mol。

森田等[6]以縮肽和L,L-丙交酯開環(huán)共聚合,脫保護(hù)基后,用丙烯酰氯作用制備相應(yīng)含丙烯酸酯側(cè)鏈的聚合物,它與聚甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)等紫外輻照共聚可構(gòu)建水凝膠,水中溶脹度達(dá)185%,可作為細(xì)胞培養(yǎng)與包囊基材,分子鏈中引入酰胺基可增強(qiáng)其與細(xì)胞的相互作用。

為將糖醚類似結(jié)構(gòu)引入PLA,Gross等[7]用D-木質(zhì)呋喃糖衍生物和L,L-丙交酯在辛酸亞錫催化下,120C、6h開環(huán)聚合,合成無規(guī)聚合物,其中PLA的數(shù)均分子量7.9×104。

Chu等[8]采用葡聚糖衍生物和外消旋聚乳酸衍生物制備生物降解水凝膠,改變葡聚糖取代度、葡聚糖與PLA分子量及其比例,能調(diào)控疏水和親水性能、溶脹行為、力學(xué)強(qiáng)度及生物降解速率。該水凝膠可用于許多低分子量藥物以及蛋白質(zhì)與肽和寡糖苷酸的控制釋放?，F(xiàn)已用于消炎藥物消炎痛、抗腫瘤藥物阿霉素、人胰島素、牛血清白蛋白的釋放。它的多孔水凝膠上的葡聚糖反應(yīng)位點能將生物活性配體修飾,這對組織工程甚為有效。

聚-羥基酸是一類可生物降解的脂肪族聚酯,特別是聚L-乳酸及其共聚物,它們已廣泛用做生物材料如藥物釋放載體、組織工程支架及外科縫合線等。但其臨床應(yīng)用因高疏水性及結(jié)晶性而在有些場合受到限制,改進(jìn)這一缺點的一個有效辦法是經(jīng)過嵌段共聚將柔性連段段引入此類聚合物中。PEG或PPG因其分子鏈的柔順性及其特有的親水性而成為經(jīng)常選用的物質(zhì)。Kimura等[9]以L-丙交酯與遙爪聚醚,如聚(氧化丙烯-共-氧化乙烯)(Pluronic)共聚,所得該共聚物能熔融紡絲成柔性單絲,其力學(xué)性能良好。Pluronic的數(shù)均分子量為8400,已被美國FDA批準(zhǔn)為可注射聚合物,并可作為生物材料的安全軟段。一般PLA-co-PEG中的高聚醚含量會影響材料強(qiáng)度,因而采用多嵌段共聚技術(shù),其難點為分子量和組成的控制。Yasugi等[10]以L-丙交酯與氧化乙烯共聚制PLLA-PEG多嵌段共聚物。Penco等[11]則用擴(kuò)鏈法合成類似聚合物,這涉及乳酸齊聚物和雙氯甲酸PEG酯間的反應(yīng)。Kimuura等[12]由乳酸的熱縮合物與PN-68溶液縮聚制備高分子量的多嵌段共聚物,其數(shù)均分子量為約為4.8×105～6.8×105,拉伸強(qiáng)度和模量最高可達(dá)40MPa和906MPa,伸長率240%。2聚乳酸接枝聚合物

殼聚糖其結(jié)構(gòu)類似于糖胺聚糖,為無毒的生物可降解堿性粘多糖,它的生物兼容性良好,能對細(xì)胞調(diào)控起重要作用,并有骨傳導(dǎo)性。Albertsson等[13-15]利用自催化反應(yīng)將D,L-乳酸接枝于殼聚糖上,制得pH敏感水凝膠。它的溶脹過程因引入適量乳酸形成的疏水性側(cè)鏈得以控制。她們進(jìn)一步用乙醇酸(GA)及乳酸構(gòu)建響應(yīng)性水凝膠。

疏水性側(cè)鏈可聚集導(dǎo)致物理交聯(lián),殼聚糖結(jié)晶度會降低,這類材料可望用做生物材料。

聚乳酸表面以Ar2,O2或N2等離子體處理,再暴露在空氣中產(chǎn)生過氧化氫,它能引發(fā)接枝反應(yīng)。3表面修飾

細(xì)胞外基質(zhì)組成物可對細(xì)胞行為實施控制,而合成高分子材料基質(zhì)則缺乏此類生物化學(xué)和生物物理調(diào)控作用,因而可使膠原及細(xì)胞分泌的纖連蛋白在合成高分子材料如聚(丙交酯-乙交酯)上吸附。修飾表面變性膠原和纖維狀纖連蛋白能與細(xì)胞(角質(zhì)形成細(xì)胞)膜上相應(yīng)的細(xì)胞粘連受體產(chǎn)生特異性相互作用(參見圖1),激活細(xì)胞在PLGA表面上的遷移[16]。

圖1表面吸附膠原-纖連蛋白對細(xì)胞遷移的協(xié)同效應(yīng)圖2明膠固定化PLLA薄膜的細(xì)胞粘連數(shù)目與明膠固定化量的關(guān)系圖3PLA基復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線木村良晴等[17]將聚乳酸以堿溶液60C處理,此時其表面適度水解,引入羧基,利用二環(huán)己基碳二亞胺作為縮合劑,可使RGD在PLA薄膜表面固定。它的固定化量與羧基引入量密切相關(guān)。RGD在PLA上固定化能促進(jìn)細(xì)胞粘連,但DCC可能殘留。因而仍需尋求聚乳酸的低毒有效的表面修飾法。她們以明膠堿溶液直接處理PLA薄膜,利用修飾表面上的羧基使明膠固定化,此具有高次結(jié)構(gòu)的膠原變性的兩性蛋白質(zhì)(等電點IP=4.96)、明膠固定化量和鼠成細(xì)胞(3T3)的粘連數(shù)相關(guān)(圖2)。可見明膠鏈在聚乳酸薄膜表面接枝利于細(xì)胞粘連。可望以其為基礎(chǔ),開發(fā)能促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移、分化、脫分化及組織重建的表面修飾技術(shù)。4復(fù)合材料

細(xì)胞外基質(zhì)組成物如膠原和聚乳酸等均已作為組織工程支架材料,但前者力學(xué)強(qiáng)度較差(圖3),而后者生物信息不足。Dunn等[18]將膠原纖維與聚乳酸構(gòu)建復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與模量可兩倍于其組成物。將其用于兔前十字形韌帶(ACL)重建研究已確認(rèn)其適用性。5展望

隨著人們對生命科學(xué)的青睞,組織工程學(xué)的發(fā)展也呈現(xiàn)出日新月異的趨勢。選取合適的材料作為支架,移植上各種器官、組織的生長細(xì)胞,使其形成自然組織,有關(guān)這方面的研究日趨廣泛。而將乳酸系生物降解性聚合物作為支撐材料,在組織工程上的應(yīng)用已有大量報道。但由于聚乳酸本身疏水性強(qiáng),側(cè)鏈上又缺乏反應(yīng)位點,因而影響其與細(xì)胞的相互作用,使其在這方面的應(yīng)用受到一定的限制。而一般所用的調(diào)節(jié)材料表面親水/疏水性、電荷分布及物理修飾等方面對其進(jìn)行改性,又難以達(dá)到目的。因而有關(guān)聚乳酸系聚合物的有效表面修飾研究有很大的發(fā)展?jié)摿Α?參考文獻(xiàn)

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