第八章：醫(yī)用高分子-821403596

第八章：醫(yī)用高分子聚賴胺酸接枝聚合物能夠阻止生物表面間的粘附：通過硼酸根附作作用使聚合物包裹在細(xì)胞和生命組織的表面，而通過PEG枝鏈?zhǔn)蛊渌M織不能粘附到修飾的表面。用肝磷脂和白蛋白修飾人造血管的表面從而能抗凝血肝磷脂，白蛋白各種聚合物球用于藥物可控釋放一個藥物緩釋膠囊的照片人工心臟的閥片是由鈦合金制成的，其表面修飾了碳以增加生物相容性一個代用心臟的結(jié)構(gòu)到大動脈

藥物可控制釋放

藥物可控制釋放指的是藥物可以定點(diǎn)釋放或長效釋放技術(shù)。一般藥物都具有一定的生理毒性。因此，在很多情況下，特別是在癌癥治療的過程中，希望藥物能在病灶區(qū)定點(diǎn)釋放而不傷害到正常的生命組織。

癌癥是一個復(fù)雜的疾病，它是以細(xì)胞過度生長為特征的所有疾病的統(tǒng)稱。癌癥的發(fā)展一般是一個漸進(jìn)的過程，在初期階段生長非常緩慢，然后快速生長成初級腫瘤，然后生長成成干擾相鄰器官的腫瘤，最后向遠(yuǎn)距離器官擴(kuò)散。如果癌癥在早期發(fā)現(xiàn)，則可以通過手術(shù)將癌細(xì)胞徹底去除。如果病灶只是部分被去除，則需要放射治療和藥物治療。

現(xiàn)在常規(guī)的小分子癌癥治療藥物不僅能殺死癌細(xì)胞，而且也能傷害正常細(xì)胞，常常導(dǎo)致骨髓抑制（不能生長正常數(shù)量的紅血球，白血球和血小板），破壞腸胃黏膜和頭發(fā)細(xì)胞死亡。腫瘤細(xì)胞不同于正常細(xì)胞的一個方面是腫瘤細(xì)胞含有彎彎曲曲、模糊不清的脈管系統(tǒng)，從而能使尺度達(dá)到數(shù)百納米的材料進(jìn)入其中。另一方面，腫瘤缺少功能淋巴，從而不能排除進(jìn)入其中的物體，因此，在長效藥物循環(huán)的過程中，藥物不斷在其中積累。這一工過程被稱為增強(qiáng)滲透或保持效應(yīng)?；谶@種保持效應(yīng)，人們開發(fā)了被動靶向藥物，這主要依賴于靶向組織的生理病理性質(zhì)。而主動靶向藥物主要依賴于利用靶向配合劑，如抗體與多肽，從而能夠特定地與靶細(xì)胞上的識別接受體結(jié)合，從而在靶組織中增加聚集。被動和主動靶向藥物的原理如圖3所示：AdvancedDrugDeliveryReviews62(2010)203–230

高分子靶向藥物的概念是Ringsdorf在上個世紀(jì)70年代提出的。最典型的例子是如圖4所示的聚(N-2-羥丙基甲基丙烯酰胺)的共聚物[Poly(HPMA)]。在這一聚合物中藥物或放射劑以及具有識別功能的抗體可以通過共價(jià)健結(jié)合在聚合物支鏈上。為了藥理研究也可以在聚合支鏈上共價(jià)接上熒光顯示物質(zhì)從而能跟蹤藥物在生物體內(nèi)的分布方式。連接藥物的支鏈一般是具有甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸-甘氨酸鏈段的四肽結(jié)構(gòu)，這一四肽序列在低的pH介質(zhì)中可以被溶菌組織蛋白酶的分解而釋放出藥物。這類結(jié)合物一般含有80-95wt%聚合物，5-10wt%藥物，和1-2的其它組分如成像試劑等。高分子靶向藥物聚合物靶向藥物的功效依賴于其注射方式。如果血液直接注射。那么藥物一開始由于藥物循環(huán)的原因主要集中在心臟(1)和膀胱(3)。到4小時(shí)和24小時(shí)后則在心臟或肺（1），脾（3）和肝以及腫瘤(5)觀測到了藥物。而如果腫瘤部位定點(diǎn)注射，則藥物幾乎完全富集在腫瘤中，而沒有擴(kuò)散到其它部位。有時(shí)為了提高藥物的效果，需要兩種藥物同時(shí)被釋放出來側(cè)鏈上同時(shí)帶有阿霉素（doxorubicin）和吉西他濱(gemcitabine)兩種藥物的聚合物。Designingmaterialsforbiologyandmedicine

RobertLanger&DavidA.TirrellNATURE，428，687，2004Biomaterials生物材料被定義為在治療和診斷體系中除了食物和藥物以外的物質(zhì)，或者不論它們的用處，被定義為含有生物組分（如氨基酸）的材料。早期的生物材料：2000年前Au就被用于制造牙齒，其它的如木頭牙齒和玻璃眼睛。1930s:

PMMA被用于牙醫(yī)1940s:

醋酸纖維素被用于制作透析管的確良(Dacron)被用于動脈接枝；聚氨酯以前曾被用做女士的腰帶，后來被用來制作人工心臟。PMMA和不銹鋼被用于整個臀部的更換。生物材料在醫(yī)藥方面有很大的影響。藥物可控制釋放高分子每年涉及的人有數(shù)千萬。聚合物包裹的動脈擴(kuò)張器已經(jīng)得到美國和歐洲的使用許可，從而每年可以挽救數(shù)十萬人的生命。另外，各種蛋白質(zhì)的可控制釋放（如人類生長激素），聚乙二醇修飾的分子如干擾素，得到了權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，表明生物材料在藥品安全，和重要藥物的長期可控釋放方面有著重要的作用。生物材料的影響的另一個領(lǐng)域是組織工程。聚合物與哺乳動物細(xì)胞相結(jié)合用來制造皮膚，從而可以為皮膚燒傷和皮膚潰爛患者修復(fù)皮膚。另外還有一些細(xì)胞與聚合物復(fù)合的材料正在進(jìn)行醫(yī)學(xué)測試，如：角膜，軟骨，骨頭，肝臟。生物材料還對牙齒移植，縫合和各種醫(yī)療儀器有重要影響。

合成生物器官的代用品含有天然物質(zhì)（或生物提取物）的材料包括細(xì)胞外介質(zhì)被直接用于組織代換和組織工程。細(xì)胞外介質(zhì)是蛋白質(zhì)，糖蛋白，蛋白多糖的復(fù)雜混合物，它是設(shè)計(jì)生物材料的典型模型。從細(xì)胞外介質(zhì)中提取的大分子如膠原質(zhì)早就被用作生物材料了。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基因表達(dá)可以人工制備細(xì)胞外介質(zhì)中的各種蛋白。這種方法可以避免從天然源中提取蛋白質(zhì)的缺陷：例如由于原料來源的不同產(chǎn)品的質(zhì)量會發(fā)生改變；材料的性質(zhì)無法調(diào)節(jié)，從哺乳動物源帶來各種遺傳疾病。彈性蛋白就是用基因工程制備的一個很好的例子。這種具有簡單重復(fù)多肽結(jié)構(gòu)的蛋白具有與天然原始蛋白類似的力學(xué)性能?？梢酝ㄟ^輻照和化學(xué)方法使蛋白質(zhì)交聯(lián)。利用電紡絲技術(shù)可以制備該材料的纖維。結(jié)合細(xì)胞粘結(jié)蛋白可以用于動脈接枝。用基因工程合成的彈性蛋白。a,b)掃描電鏡照片；c,d)透射電鏡照片

帶有細(xì)胞粘結(jié)劑的硅酸鹽水凝膠可用作包裹和移植生物細(xì)胞的支架。實(shí)驗(yàn)表明：在這種支架上可以通過移植少量的細(xì)胞生長出骨組織來。從少量的細(xì)胞種子長出有用的生物組織具有重要的意義。

多肽的自組裝會得到很多獨(dú)特的生物材料。許多自組裝多肽被用于組織工程和生物納米技術(shù)。

合成生物模擬聚合物是制備生物材料的另一個途徑。這些材料含有天然材料的組成信息和天然材料的綜合功能。同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)分子量和鏈結(jié)構(gòu)改善其生物功能和可降解性。這一方面的一個成功的例子就是合成含有乳酸和賴氨酸的聚合物。這一聚合物具有聚乳酸一樣的可降解性，同時(shí)賴氨酸的存在使材料具有生物相容性。在聚合物鏈上接上相應(yīng)的氨基酸序列（如RGD三肽序列，Arg(精胺酸），Gly（甘氨酸）和Asp（天冬胺酸）三種氨基酸的小肽）可以調(diào)節(jié)其細(xì)胞粘附性能。

另一個修飾合成和天然聚合物的策略是在聚合物鏈上接上聚乙二醇鏈段以降低蛋白質(zhì)的非選擇性吸附和膠體締合。這一現(xiàn)象的分子機(jī)理還不清楚。一個PEG效應(yīng)的例子是合成聚（乳酸-羥乙酸）（PLGA)與PEG二嵌段聚合物。在生物體內(nèi)能形成球狀結(jié)構(gòu)，類似于細(xì)胞，從而能循環(huán)很長時(shí)間。例如，在老鼠體內(nèi)PLGA-PEG共聚物在5小時(shí)內(nèi)只有30%的納米粒子沉淀，而沒有用PEG修飾的PLGA在5分鐘內(nèi)就有66%的聚合物沉淀。

一個制備仿生可逆體系的例子是抗原響應(yīng)性水凝膠。用相應(yīng)的抗體對形成可逆的非共價(jià)交聯(lián)。有多余的抗體時(shí)凝膠會溶脹，如果不存在多余的抗體，則凝膠會塌縮成原來的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在其它不配對的抗體存在時(shí)不會發(fā)生溶脹，說明具有抗體專一性。從這種凝膠中釋放蛋白如血紅蛋白被證明是成功的。具有特殊醫(yī)學(xué)應(yīng)用的人工材料不斷被制備出來。其中一個引人注目的領(lǐng)域就是形狀記憶材料。這種材料在不同的溫度下改變形狀。形狀記憶材料可以從一種現(xiàn)有的形態(tài)改變到永久的狀態(tài)。因此，要移植人體中的材料可以壓縮到很小通過細(xì)小的手術(shù)通道到達(dá)指定位置后在體溫的作用下恢復(fù)到永久固定的狀態(tài)。一些材料在室溫下是液體，而改變溫度和外部刺激變成固體。這類體系可以將藥物和材料一起注射進(jìn)去，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)組織移植。各種智能材料具有這樣的功能，它們對溫度，PH甚至葡萄糖具有響應(yīng)。這種葡萄糖響應(yīng)的凝膠可用于胰島素的可控制釋放。

微制作技術(shù)可用制作藥物可釋放材料。例如，用生物可降解材料制備的微型容器中裝有藥物，然后在電場作用打開容器釋放藥物。Newapplications:diagnosticsandarraytechnologies利用點(diǎn)陣技術(shù)可以使大量的核酸和蛋白陳列出來，從而可以快速，平行地讀出它們的信息。包括基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能。類似的技術(shù)正在推廣到分析多肽，碳水化合物或其它的小分子，細(xì)胞和組織。Fodor等人利用光刻技術(shù)經(jīng)10個連續(xù)操作實(shí)現(xiàn)了1024個多肽陣列。Brown等人利用高速機(jī)器人在修飾過的玻璃表面上實(shí)現(xiàn)了配對DNA的定點(diǎn)吸附。兩種技術(shù)都可以得到含有高密度生物信息的芯片。

雖然這些技術(shù)現(xiàn)在被高度開發(fā)并廣泛使用，但遠(yuǎn)未完善。雜化DNA陣列一般需要許多小時(shí)。因此，不可能用于快速診斷。芯片技術(shù)可以通過外加電場（增加DNA的移動,超聲混合等技術(shù)縮短讀出微陣列芯片信息的時(shí)間。

具有溫度梯度的DNA芯片可以控制微區(qū)雜化溫度，從而可以區(qū)分完整配對和一個堿基不匹配的情況。在流動體系中的多孔陣列可以加速DNA的雜化。

制備蛋白質(zhì)陣列富有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樗鼈儾幌蠛怂?，它們的物理化學(xué)性質(zhì)不依賴于其氨基酸序列。各種蛋白質(zhì)在電荷和親疏水特征等方面具有較大差異。因此，雖然在通用基底上打印DNA非常成功，但用類似的技術(shù)處理一個復(fù)雜的蛋白質(zhì)庫就不太可能保持蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。而直接測量蛋白質(zhì)濃度，區(qū)分蛋白-蛋白相互作用，研究蛋白質(zhì)-藥物的結(jié)合行為促使人們?nèi)ラ_發(fā)可信的蛋白質(zhì)芯片技術(shù)。一個成功的制備蛋白質(zhì)新片的技術(shù)必須能使蛋白庫中的每一個蛋白都能牢固地吸附在表面，而吸附在表面的蛋白要保持其原來的性質(zhì)（沒有被解折疊）。同時(shí)，至少我們感興趣的位置沒有被基底表面或連接基團(tuán)覆蓋而失去功能。同時(shí)，表面必須對蛋白是選擇性吸附的，非選擇性吸附會提高背景噪音和丟失有效信息。Brown等在聚（L-賴氨酸）覆蓋的玻璃片上打印了蛋白質(zhì)（抗原或抗體）。他們研究了115個抗原/抗體對，發(fā)現(xiàn)50%的打印抗原點(diǎn)能測出相應(yīng)的抗體濃度。利用打印抗體陣列可以在低得多的濃度下測出抗原。

另一種制作蛋白芯片的方法是用帶有醛基的表面抓取帶有賴氨酸的蛋白。用聚丙烯酰胺點(diǎn)陣去俘獲蛋白或固定抗體。到目前為止，最為成功的是在Ni2+功能化的玻璃表面用聚組氨酸陣列固定了50