生物科技行业组织工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修饰研究进展

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1、生物科技行业组织工程用聚乳酸 系生物可降解高分子材料修饰研 究进展 生物科技行业组织工程用聚乳酸 系生物可降解高分子材料修饰研 究进展 组织工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修饰研究进展组织工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修饰研究进展 姚芳莲孟继红毛君淑#姚康德# (天津大学化工学院#天津大学高分子材料研究所天津 300072) 聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)及它们的共聚物(PLG)为研究得最多的生物分解 性脂肪族聚酯。它们已为美国 FDA 批准可用作外科缝合线及药物释放载体。近年 来在组织工程中被广泛用于支架(scaffold)和细胞构建结构物。此类生物降解聚 合物随组织重建在体内

2、分步降解吸收。这些材料的本体性能和力学性质和降解速 率有关。而材料的表面特性则因其和体内细胞接触而对材料和细胞间的相互作用 情况起关键作用，因而对这类植入体内材料的表面修饰就显得特别主要。乳酸类 聚合物的表面疏水性强，影响了其和细胞的亲和性，要扩大乳酸系聚合物在组织 工程中的应用，对其和细胞亲和力的改进是壹关键问题。由于聚乳酸分子链上缺 乏反应位点，使得对其进行修饰变得非常困难。壹般常用于聚合物表面修饰的方 法，如调节材料表面亲水/疏水性及电荷、将细胞粘连因子和细胞增殖因子等生 物活性因子固定于材料表面等，对乳酸类聚酯的表面修饰难于奏效。基于物理吸 附的修饰方法是由范德华力维持吸附分子和基材间

3、的作用，所以结合力弱，被结 合分子易脱落，影响材料的长期使用性能，不能满足应用需要。因而，寻求聚乳 酸系聚合物合适的修饰技术，包括用嵌段或接枝聚合方法对其化学结构进行本体 修饰、表面修饰或复合改性，从而改善聚乳酸基生物降解材料对目标细胞的亲和 性，使其在组织工程相关应用中发挥作用具有重要意义。 1 嵌段共聚物1 嵌段共聚物 纤连蛋白细胞粘连微区为精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)二肽，它可由含侧链羧 基的乳酸和苹果酸的共聚物而固定化。天冬氨酸和苄醇的 80%H2SO4水溶液于 70C 脱水缩合得其 L-天冬氨酸苄酯，将其在硫酸水溶液中和 NaNO2反应得 L- 苹果酸苄酯(2)，它和溴代乙酰氯

4、在三乙胺存在下，于醚中反应得 L-溴乙酰苄基 苹果酸酯(3)，它在二甲基甲酰胺中和 NaHCO3反应则得其环状二聚体(BMD)(4)。 将它和 L-丙交酯(L-LAC)在己酸亚锡催化下于 160C 开环聚合而后水解得 PMLA1。其中含苹果酸 10%，数均分子量为 31,700。以二环己基碳二亚胺(DCC) 法或氯甲酸酯(ECF)法可将 RGD 在其薄膜上固定化。以后法为例，固定化量达 6.3gRGD/1mgPMLA。以 1.0105的 NIH3T3 细胞种植后，在 D-MEM 基中，37C 下 5%CO2气氛中培养 1h,细胞培养后的薄膜用戊二醛固定化， 对照薄膜上粘连细胞仅 为种植细胞的

5、1%， 而固定化 7.29g 后表面粘连细胞数增大 30 倍。 可见利用聚(苹 果酸-共-乳酸)侧链上的羧基使聚乳酸表面修饰，利于细胞粘连因子、细胞分化 诱导因子和增殖因子固定化。 Langer 等2以乳酸和赖氨酸的混杂二聚体和乳酸的二聚体丙交酯共聚制备聚(乳 酸-共-赖氨酸)，其赖氨酸残基侧链上的氨基可作为生物活性因子如 RGD 的配体 接枝，以诱导细胞粘连。 Hubbell 等3-4以丙交酯和甘油在辛酸亚锡存在下于 130C 制得甘油封端的聚乳 酸(GL3)，再用丙烯酰氯将其转变成三臂的丙烯酸化乳酸齐聚物(GL3-AC)。以 2， 2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(苄基二甲缩酮 BDMK)为光

6、敏剂，它和端羟基聚乙二醇 丙烯酸单酯(PEG-AC)在紫外光辐照下进行共聚合，在皮氏(Petri)培养皿上形成 GL3-PEG 网络薄膜。动态接触角和吸水率测定结果表明，水溶性 PEG 的引入使薄 膜表面亲水性和吸水率显着提高。将人成纤细胞种植于薄膜，确认其具有良好的 细胞粘连特性。由 PEG 引入的端羟基可成生物活性肽介入的位点，此类生物降解 网络适用于组织工程支架4。 聚乳酸及其嵌段共聚物大都以辛酸亚锡催化相应交酯等开环聚合而制备，在所合 成聚合物中会残留少量催化剂锡， 需将其适当处理， 以免影响材料的生物兼容性。 Gross 等5采用脂肪酶催化开环聚合反应，制备多臂聚(丙交酯-共-己内酯

7、)。为 此， 以多官能基的 1-乙基吡喃葡萄糖苷作引发剂由脂肪酶催化-己内酯(-CL)开 环聚合制备 1-乙基-6-寡(-CL)吡喃葡萄糖苷大单体(EGP)， 再以脂肪酶 PS-30 催 化其-羟基的区域选择性保护酰化反应，最后再利用糖核上残留的自由羟基在辛 酸亚锡存在下引发丙交酯的聚合制备三臂聚(丙交酯-共-己内酯 (PLA)3(PCL),EPG， 所得产物是围绕糖核构建的空间规则的多臂混杂嵌段共聚物， 其 PLA 数均分子量为 31078g/mol,而 PCL 数均分子量为 1270g/mol。 森田等6以缩肽和 L,L-丙交酯开环共聚合，脱保护基后，用丙烯酰氯作用制备相 应含丙烯酸酯侧链

8、的聚合物，它和聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)等紫外辐照共聚可 构建水凝胶，水中溶胀度达 185%，可作为细胞培养和包囊基材，分子链中引入酰 胺基可增强其和细胞的相互作用。 为将糖醚类似结构引入 PLA，Gross 等7用 D-木质呋喃糖衍生物和 L,L-丙交酯在 辛酸亚锡催化下，120C、6h 开环聚合，合成无规聚合物，其中 PLA 的数均分子 量 7.9104。 Chu 等8采用葡聚糖衍生物和外消旋聚乳酸衍生物制备生物降解水凝胶，改变葡 聚糖取代度、葡聚糖和 PLA 分子量及其比例，能调控疏水和亲水性能、溶胀行为、 力学强度及生物降解速率。该水凝胶可用于许多低分子量药物以及蛋白质和肽和 寡糖

9、苷酸的控制释放。现已用于消炎药物消炎痛、抗肿瘤药物阿霉素、人胰岛素、 牛血清白蛋白的释放。它的多孔水凝胶上的葡聚糖反应位点能将生物活性配体修 饰，这对组织工程甚为有效。 聚-羟基酸是壹类可生物降解的脂肪族聚酯，特别是聚 L-乳酸及其共聚物，它们 已广泛用做生物材料如药物释放载体、组织工程支架及外科缝合线等。但其临床 应用因高疏水性及结晶性而在有些场合受到限制，改善这壹缺点的壹个有效办法 是通过嵌段共聚将柔性连段段引入此类聚合物中。PEG 或 PPG 因其分子链的柔顺 性及其特有的亲水性而成为经常选用的物质。Kimura 等9以 L-丙交酯和遥爪聚 醚，如聚(氧化丙烯-共-氧化乙烯)(Pluro

10、nic)共聚，所得该共聚物能熔融纺丝成 柔性单丝，其力学性能良好。Pluronic 的数均分子量为 8400,已被美国 FDA 批准 为可注射聚合物，且可作为生物材料的安全软段。壹般 PLA-co-PEG 中的高聚醚 含量会影响材料强度， 因而采用多嵌段共聚技术， 其难点为分子量和组成的控制。 Yasugi 等10以 L-丙交酯和氧化乙烯共聚制 PLLA-PEG 多嵌段共聚物。 Penco 等11 则用扩链法合成类似聚合物，这涉及乳酸齐聚物和双氯甲酸 PEG 酯间的反应。 Kimuura 等12由乳酸的热缩合物和 PN-68 溶液缩聚制备高分子量的多嵌段共聚 物，其数均分子量为约为 4.810

11、56.8105,拉伸强度和模量最高可达 40MPa 和 906MPa,伸长率 240%。 2 聚乳酸接枝聚合物2 聚乳酸接枝聚合物 壳聚糖其结构类似于糖胺聚糖，为无毒的生物可降解碱性粘多糖，它的生物兼容 性良好，能对细胞调控起重要作用，且有骨传导性。Albertsson 等13-15利用自 催化反应将 D,L-乳酸接枝于壳聚糖上，制得 pH 敏感水凝胶。它的溶胀过程因引 入适量乳酸形成的疏水性侧链得以控制。他们进壹步用乙醇酸(GA)及乳酸构建响 应性水凝胶。 疏水性侧链可聚集导致物理交联，壳聚糖结晶度会降低，这类材料可望用做生物 材料。 聚乳酸表面以 Ar2,O2或 N2等离子体处理，再暴露在

12、空气中产生过氧化氢，它能引 发接枝反应。 3 表面修饰3 表面修饰 细胞外基质组成物可对细胞行为实施控制，而合成高分子材料基质则缺乏此类生 物化学和生物物理调控作用，因而可使胶原及细胞分泌的纤连蛋白在合成高分子 材料如聚(丙交酯-乙交酯)上吸附。修饰表面变性胶原和纤维状纤连蛋白能和细 胞(角质形成细胞)膜上相应的细胞粘连受体产生特异性相互作用(参见图 1)，激 活细胞在 PLGA 表面上的迁移16。 图 1 表面吸附胶原-纤连蛋白对细胞迁移的协同效应图 1 表面吸附胶原-纤连蛋白对细胞迁移的协同效应 图 2 明胶固定化 PLLA 薄膜的细胞粘连数目 和明胶固定化量的关系 图 2 明胶固定化 P

13、LLA 薄膜的细胞粘连数目 和明胶固定化量的关系 图 3PLA 基复合材料的应力-应变曲线图 3PLA 基复合材料的应力-应变曲线 木村良晴等17将聚乳酸以碱溶液 60C 处理，此时其表面适度水解，引入羧基， 利用二环己基碳二亚胺作为缩合剂，可使 RGD 在 PLA 薄膜表面固定。它的固定化 量和羧基引入量密切相关。RGD 在 PLA 上固定化能促进细胞粘连，但 DCC 可能残 留。因而仍需寻求聚乳酸的低毒有效的表面修饰法。他们以明胶碱溶液直接处理 PLA 薄膜，利用修饰表面上的羧基使明胶固定化，此具有高次结构的胶原变性的 俩性蛋白质(等电点 IP=4.96)、明胶固定化量和鼠成细胞(3T3)

14、的粘连数相关(图 2)。可见明胶链在聚乳酸薄膜表面接枝利于细胞粘连。可望以其为基础，开发能 促进细胞增殖、迁移、分化、脱分化及组织重建的表面修饰技术。 4 复合材料4 复合材料 细胞外基质组成物如胶原和聚乳酸等均已作为组织工程支架材料，但前者力学强 度较差(图 3)，而后者生物信息不足。Dunn 等18将胶原纤维和聚乳酸构建复合材 料的拉伸强度和模量可俩倍于其组成物。将其用于兔前十字形韧带(ACL)重建研 究已确认其适用性。 5 展望5 展望 随着人们对生命科学的青睐，组织工程学的发展也呈现出日新月异的趋势。选取 合适的材料作为支架，移植上各种器官、组织的生长细胞，使其形成自然组织， 有关这方

15、面的研究日趋广泛。而将乳酸系生物降解性聚合物作为支撑材料，在组 织工程上的应用已有大量报道。但由于聚乳酸本身疏水性强，侧链上又缺乏反应 位点，因而影响其和细胞的相互作用，使其在这方面的应用受到壹定的限制。而 通常所用的调节材料表面亲水/疏水性、电荷分布及物理修饰等方面对其进行改 性，又难以达到目的。因而有关聚乳酸系聚合物的有效表面修饰研究有很大的发 展潜力。 6 参考文献6 参考文献 1山冈哲二，木村良晴.高分子加工,1998,47:338-345. 2BarreraDA,ZylstraE,LansburyPTetal.Macrolmol.,1995,28:425-432. 3HanDK,Hu

16、bbellJA.Macromol.,1996,29:5233-5235. 4HanDK,HubblellJA.Macromol.,1997,30:6077-6083. 5DengF,BishtKS,GrossRAeaal.Macromol.,1999,32:5159-5161. 6JohnG,MoritaM.Macromol.,1999,32:1853-1858. 7ChenX,GrossRA.Macromol.,1999,32:308. 8BrennanMB.Chem.Eng.News,1999,77(36):33-36. 9KimuraY,MatasuzakiY,YamaneHetal.Polymer,1989,30(7):1342-1349. 10YasugiK,NagasakiY,KatoMetal.J.ControlledRelease,1999,62(1-2):89-100. 11PencoM,RanucciE,FerrutiP.PolymerInternational,1998,46(3):203-216. 12YamaokaT,TakahashiY,Oht