組織工程用聚乳酸系生物可降解高分子材料修飾研究進展

1、.：.；組織工程用聚乳酸系生物可降解高分子資料修飾研討進展姚芳蓮 孟繼紅 毛君淑# 姚康德#(天津大學化工學院 #天津大學高分子資料研討所 天津 300072) 聚乳酸(PLA)和聚羥基乙酸(PGA)及它們的共聚物(PLG)為研討得最多的生物分解性脂肪族聚酯。它們已為美國FDA同意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)和細胞構(gòu)建構(gòu)造物。此類生物降解聚合物隨組織重建在體內(nèi)分步降解吸收。這些資料的本體性能和力學性質(zhì)與降解速率有關(guān)。而資料的外表特性那么因其與體內(nèi)細胞接觸而對資料與細胞間的相互作用情況起關(guān)鍵作用，因此對這類植入體內(nèi)資料的外表修飾就顯得特別主

2、要。乳酸類聚合物的外表疏水性強，影響了其與細胞的親和性，要擴展乳酸系聚合物在組織工程中的運用，對其與細胞親和力的改良是一關(guān)鍵問題。由于聚乳酸分子鏈上缺乏反響位點，使得對其進展修飾變得非常困難。普通常用于聚合物外表修飾的方法，如調(diào)理資料外表親水/疏水性及電荷、將細胞粘連因子和細胞增殖因子等生物活性因子固定于資料外表等，對乳酸類聚酯的外表修飾難于奏效?；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，所以結(jié)合力弱，被結(jié)合分子易零落，影響資料的長期運用性能，不能滿足運用需求。因此，尋求聚乳酸系聚合物適宜的修飾技術(shù)，包括用嵌段或接枝聚合方法對其化學構(gòu)造進展本體修飾、外表修飾或復合改性，從而

3、改善聚乳酸基生物降解資料對目的細胞的親和性，使其在組織工程相關(guān)運用中發(fā)揚作器具有重要意義。1 嵌段共聚物 纖連蛋白細胞粘連微區(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反響得L-蘋果酸芐酯(2)，它與溴代乙酰氯在三乙胺存在下，于醚中反響得L-溴乙酰芐基蘋果酸酯(3)，它在二甲基甲酰胺中與NaHCO3反響那么得其環(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PMLA1。其中含蘋果酸10%，

4、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6.3g RGD/1mg PMLA。以1.0105的NIH3T3細胞種植后，在D-MEM基中，37C下 5% CO2氣氛中培育1h, 細胞培育后的薄膜用戊二醛固定化，對照薄膜上粘連細胞僅為種植細胞的1%，而固定化7.29g后外表粘連細胞數(shù)增大30倍?？梢娎镁?蘋果酸-共-乳酸)側(cè)鏈上的羧基使聚乳酸外表修飾，利于細胞粘連因子、細胞分化誘導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)

5、鏈上的氨基可作為生物活性因子如RGD的配體接枝，以誘導細胞粘連。 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)在紫外光輻照下進展共聚合，在皮氏(Petri)培育皿上構(gòu)成GL3-PEG網(wǎng)絡薄膜。動態(tài)接觸角與吸水率測定結(jié)果闡明，水溶性PEG的引入使薄膜外表親水性和吸水率顯著提高。將人成纖細胞種植于薄膜，確認其具有良好的細胞粘連特性。由PEG引入的端羥基可成生物活性肽介入的位點

6、，此類生物降解網(wǎng)絡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，需將其適當處置，以免影響資料的生物兼容性。Gross等5采用脂肪酶催化開環(huán)聚合反響，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)域選擇性維護?；错?，最后再利用糖核上殘留的自在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

7、糖核構(gòu)建的空間規(guī)那么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，脫維護基后，用丙烯酰氯作用制備相應含丙烯酸酯側(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185%，可作為細胞培育與包囊基材，分子鏈中引入酰胺基可加強其與細胞的相互作用。 為將糖醚類似構(gòu)造引入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7.9104。 Chu等8采用葡聚糖衍生物和外消旋聚乳酸

8、衍生物制備生物降解水凝膠，改動葡聚糖取代度、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、力學強度及生物降解速率。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、牛血潔白蛋白的釋放。它的多孔水凝膠上的葡聚糖反響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資料如藥物釋放載體、組織工程支架及外科縫合線等。但其臨床運用因高疏水性及結(jié)晶性而在有些場所遭到限制，改善這一缺陷的一個有效方法是經(jīng)過嵌段共聚將柔性連段段引入此類聚合物中

9、。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，其力學性能良好。Pluronic的數(shù)均分子量為8400,已被美國FDA同意為可注射聚合物，并可作為生物資料的平安軟段。普通PLA-co-PEG中的高聚醚含量會影響資料強度，因此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那么用擴鏈法合成類似聚合物，這涉及乳酸齊聚物和雙氯甲酸PEG酯間的反響。Kimuu

10、ra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4.81056.8105,拉伸強度和模量最高可達40MPa和906MPa,伸長率240%。2 聚乳酸接枝聚合物 殼聚糖其構(gòu)造類似于糖胺聚糖，為無毒的生物可降解堿性粘多糖，它的生物兼容性良好，能對細胞調(diào)控起重要作用，并有骨傳導性。Albertsson等13-15利用自催化反響將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構(gòu)成的疏水性側(cè)鏈得以控制。他們進一步用乙醇酸(GA)及乳酸構(gòu)建呼應性水凝膠。 疏水性側(cè)鏈可聚集導致物理交聯(lián)，殼聚糖結(jié)晶度會降低，這類資料可望用做生物資料。 聚

11、乳酸外表以Ar2, O2或N2等離子體處置，再暴露在空氣中產(chǎn)生過氧化氫，它能引發(fā)接枝反響。3 外表修飾 細胞外基質(zhì)組成物可對細胞行為實施控制，而合成高分子資料基質(zhì)那么缺乏此類生物化學和生物物理調(diào)控作用，因此可使膠原及細胞分泌的纖連蛋白在合成高分子資料如聚(丙交酯-乙交酯)上吸附。修飾外表變性膠原和纖維狀纖連蛋白能與細胞(角質(zhì)構(gòu)成細胞)膜上相應的細胞粘連受體產(chǎn)生特異性相互作用(參見圖1)，激活細胞在PLGA外表上的遷移16。圖 1 外表吸附膠原-纖連蛋白對細胞遷移的協(xié)同效應圖2 明膠固定化PLLA薄膜的細胞粘連數(shù)目與明膠固定化量的關(guān)系 圖3 PLA基復合資料的應力-應變曲線 木村良晴等17將聚乳

12、酸以堿溶液60C處置，此時其外表適度水解，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薄膜外表固定。它的固定化量與羧基引入量親密相關(guān)。RGD在PLA上固定化能促進細胞粘連，但DCC能夠殘留。因此仍需尋求聚乳酸的低毒有效的外表修飾法。他們以明膠堿溶液直接處置PLA薄膜，利用修飾外表上的羧基使明膠固定化，此具有高次構(gòu)造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胞(3T3)的粘連數(shù)相關(guān)(圖2)。可見明膠鏈在聚乳酸薄膜外表接枝利于細胞粘連?？赏云錇楦祝_發(fā)能促進細胞增殖、遷移、分化、脫分化及組織重建的外表修飾技術(shù)。4 復合資料 細胞外基質(zhì)組成物如膠原和聚乳

13、酸等均已作為組織工程支架資料，但前者力學強度較差(圖3)，而后者生物信息缺乏。Dunn等18將膠原纖維與聚乳酸構(gòu)建復合資料的拉伸強度與模量可兩倍于其組成物。將其用于兔前十字形韌帶(ACL)重建研討已確認其適用性。5 展望 隨著人們對生命科學的青睞，組織工程學的開展也呈現(xiàn)出日新月異的趨勢。選取適宜的資料作為支架，移植上各種器官、組織的生長細胞，使其構(gòu)成自然組織，有關(guān)這方面的研討日趨廣泛。而將乳酸系生物降解性聚合物作為支撐資料，在組織工程上的運用已有大量報道。但由于聚乳酸本身疏水性強，側(cè)鏈上又缺乏反響位點，因此影響其與細胞的相互作用，使其在這方面的運用遭到一定的限制。而通常所用的調(diào)理資料外表親水/

14、疏水性、電荷分布及物理修飾等方面對其進展改性，又難以到達目的。因此有關(guān)聚乳酸系聚合物的有效外表修飾研討有很大的開展?jié)摿Α? 參考文獻1 山岡哲二，木村良晴. 高分子加工, 1998, 47:338-345.2 Barrera D A, Zylstra E, Lansbury P T et al. Macrolmol., 1995, 28:425-432.3 Han D K, Hubbell J A. Macromol., 1996, 29:5233-5235.4 Han D K, Hubblell J A. Macromol., 1997, 30:6077-6083.5 Deng F, Bis

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