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ibjd.docx

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1、组织工程程用聚乳乳酸系生生物可降降解高分分子材料料修饰研研究进展展姚芳莲孟孟继红毛毛君淑#姚康德德#(天津大大学化工工学院#天津大大学高分分子材料料研究所所天津 33000072) 聚乳酸酸(PLLA)和和聚羟基基乙酸(PGAA)及它它们的共共聚物(PLGG)为研研究得最最多的生生物分解解性脂肪肪族聚酯酯。它们们已为美美国FDDA批准准可用作作外科缝缝合线及及药物释释放载体体。近年年来在组组织工程程中被广广泛用于于支架(scaaffoold)和细胞胞构建结结构物。此此类生物物降解聚聚合物随随组织重重建在体体内分步步降解吸吸收。这这些材料料的本体体性能和和力学性性质与降降解速率率有关。而而材料的

2、的表面特特性则因因其与体体内细胞胞接触而而对材料料与细胞胞间的相相互作用用情况起起关键作作用，因因而对这这类植入入体内材材料的表表面修饰饰就显得得特别主主要。乳乳酸类聚聚合物的的表面疏疏水性强强，影响响了其与与细胞的的亲和性性，要扩扩大乳酸酸系聚合合物在组组织工程程中的应应用，对对其与细细胞亲和和力的改改进是一一关键问问题。由由于聚乳乳酸分子子链上缺缺乏反应应位点，使使得对其其进行修修饰变得得非常困困难。一一般常用用于聚合合物表面面修饰的的方法，如如调节材材料表面面亲水/疏水性性及电荷荷、将细细胞粘连连因子和和细胞增增殖因子子等生物物活性因因子固定定于材料料表面等等，对乳乳酸类聚聚酯的表表面修

3、饰饰难于奏奏效。基基于物理理吸附的的修饰方方法是由由范德华华力维持持吸附分分子与基基材间的的作用，所所以结合合力弱，被被结合分分子易脱脱落，影影响材料料的长期期使用性性能，不不能满足足应用需需要。因因而，寻寻求聚乳乳酸系聚聚合物合合适的修修饰技术术，包括括用嵌段段或接枝枝聚合方方法对其其化学结结构进行行本体修修饰、表表面修饰饰或复合合改性，从从而改善善聚乳酸酸基生物物降解材材料对目目标细胞胞的亲和和性，使使其在组组织工程程相关应应用中发发挥作用用具有重重要意义义。1 嵌段段共聚物物 纤连连蛋白细细胞粘连连微区为为精氨酸酸-甘氨酸酸-天冬氨氨酸(RRGD)二肽，它它可由含含侧链羧羧基的乳乳酸和苹

4、苹果酸的的共聚物物而固定定化。天天冬氨酸酸与苄醇醇的800%H22SO4水溶液液于700C脱水缩缩合得其其L-b天冬冬氨酸苄苄酯，将将其在硫硫酸水溶溶液中与与NaNNO2反应得得L-b苹果果酸苄酯酯(2)，它与与溴代乙乙酰氯在在三乙胺胺存在下下，于醚醚中反应应得L-b溴乙酰酰苄基苹苹果酸酯酯(3)，它在在二甲基基甲酰胺胺中与NNaHCCO3反应则则得其环环状二聚聚体(BBMD)(4)。将它它与L-丙交酯酯(L-LACC)在己己酸亚锡锡催化下下于1660C开环聚聚合而后后水解得得PMLLA11。其其中含苹苹果酸110%，数数均分子子量为331,7700。以以二环己己基碳二二亚胺(DCCC)法或或

5、氯甲酸酸酯(EECF)法可将将RGDD在其薄薄膜上固固定化。以以后法为为例，固固定化量量达6.3gg RGGD/11mg PMLLA。以以1.001005的NIHH3T33细胞种种植后，在在D-MMEM基基中，337C下 5% COO2气氛中中培养11h, 细胞培培养后的的薄膜用用戊二醛醛固定化化，对照照薄膜上上粘连细细胞仅为为种植细细胞的11%，而而固定化化7.229mg后表面面粘连细细胞数增增大300倍。可可见利用用聚(苹果酸酸-共-乳酸)侧链上上的羧基基使聚乳乳酸表面面修饰，利利于细胞胞粘连因因子、细细胞分化化诱导因因子和增增殖因子子固定化化。 LLangger等等2以乳酸酸和赖氨氨酸的

6、混混杂二聚聚体与乳乳酸的二二聚体丙丙交酯共共聚制备备聚(乳酸-共-赖氨酸酸)，其赖赖氨酸残残基侧链链上的氨氨基可作作为生物物活性因因子如RRGD的的配体接接枝，以以诱导细细胞粘连连。 HHubbbelll等3-4以以丙交酯酯和甘油油在辛酸酸亚锡存存在下于于1300C制得甘甘油封端端的聚乳乳酸(GGL3)，再用用丙烯酰酰氯将其其转变成成三臂的的丙烯酸酸化乳酸酸齐聚物物(GLL3-AAC)。以以2，2-二甲甲氧基-2-苯苯基苯乙乙酮(苄基二二甲缩酮酮BDMMK)为为光敏剂剂，它和和端羟基基聚乙二二醇丙烯烯酸单酯酯(PEEG-AAC)在在紫外光光辐照下下进行共共聚合，在在皮氏(Pettri)培养皿皿

7、上形成成GL33-PEEG网络络薄膜。动动态接触触角与吸吸水率测测定结果果表明，水水溶性PPEG的的引入使使薄膜表表面亲水水性和吸吸水率显显着提高高。将人人成纤细细胞种植植于薄膜膜，确认认其具有有良好的的细胞粘粘连特性性。由PPEG引引入的端端羟基可可成生物物活性肽肽介入的的位点，此此类生物物降解网网络适用用于组织织工程支支架44。 聚乳乳酸及其其嵌段共共聚物大大都以辛辛酸亚锡锡催化相相应交酯酯等开环环聚合而而制备，在在所合成成聚合物物中会残残留少量量催化剂剂锡，需需将其适适当处理理，以免免影响材材料的生生物兼容容性。GGrosss等5采用脂脂肪酶催催化开环环聚合反反应，制制备多臂臂聚(丙交酯

8、酯-共-己内酯酯)。为此此，以多多官能基基的1-乙基吡吡喃葡萄萄糖苷作作引发剂剂由脂肪肪酶催化化e-己内酯酯(e-CLL)开环环聚合制制备1-乙基-66-寡(e-CLL)吡喃喃葡萄糖糖苷大单单体(EEGP)，再以以脂肪酶酶PS-30催催化其w-羟基的的区域选选择性保保护酰化化反应，最最后再利利用糖核核上残留留的自由由羟基在在辛酸亚亚锡存在在下引发发丙交酯酯的聚合合制备三三臂聚(丙交酯酯-共-己内酯酯(PPLA)3(PCCL),EPGG，所所得产物物是围绕绕糖核构构建的空空间规则则的多臂臂混杂嵌嵌段共聚聚物，其其PLA数均均分子量量为3110788g/mmol, 而PCLL数均分分子量为为127

9、70g/moll。 森田田等66以缩缩肽和LL,L-丙交酯酯开环共共聚合，脱脱保护基基后，用用丙烯酰酰氯作用用制备相相应含丙丙烯酸酯酯侧链的的聚合物物，它与与聚甲基基丙烯酸酸羟乙酯酯(HEEMA)等紫外外辐照共共聚可构构建水凝凝胶，水水中溶胀胀度达1185%，可作作为细胞胞培养与与包囊基基材，分分子链中中引入酰酰胺基可可增强其其与细胞胞的相互互作用。 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

10、葡聚糖取代度、葡聚糖与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与肽和寡糖苷酸的控制释放。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a-羟基酸是一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，改善这一缺点的一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

11、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-丙交酯与遥爪聚醚，如聚(氧化丙烯-共-氧化乙烯)(Pluronic)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，并可作为生物材料的安全软段。一般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-丙交酯与氧化乙烯共聚制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由乳酸的热缩合物与P

12、N-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4.81056.8105,拉伸强度和模量最高可达40MPa和906MPa,伸长率240%。2 聚乳乳酸接枝枝聚合物物 壳聚聚糖其结结构类似似于糖胺胺聚糖，为为无毒的的生物可可降解碱碱性粘多多糖，它它的生物物兼容性性良好，能能对细胞胞调控起起重要作作用，并并有骨传传导性。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。他们进一步用乙醇酸(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

13、物材料。 聚乳酸表面以Ar2, O2或N2等离子体处理，再暴露在空气中产生过氧化氢，它能引发接枝反应。3 表面面修饰 细胞外外基质组组成物可可对细胞胞行为实实施控制制，而合合成高分分子材料料基质则则缺乏此此类生物物化学和和生物物物理调控控作用，因因而可使使胶原及及细胞分分泌的纤纤连蛋白白在合成成高分子子材料如如聚(丙交酯酯-乙交酯酯)上吸附附。修饰饰表面变变性胶原原和纤维维状纤连连蛋白能能与细胞胞(角质形形成细胞胞)膜上相相应的细细胞粘连连受体产产生特异异性相互互作用(参见图图1)，激激活细胞胞在PLLGA表表面上的的迁移16。图 1 表面吸吸附胶原原-纤连蛋蛋白对细细胞迁移移的协同同效应图2

14、 明明胶固定定化PLLLA薄薄膜的细细胞粘连连数目与与明胶固固定化量量的关系系 图3 PPLA基基复合材材料的应应力-应变曲曲线 木村良良晴等17将聚乳乳酸以碱碱溶液660C处理，此此时其表表面适度度水解，引引入羧基基，利用用二环己己基碳二二亚胺作作为缩合合剂，可可使RGGD在PLAA薄膜表表面固定定。它的的固定化化量与羧羧基引入入量密切切相关。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两性蛋白质(等电点IP=4.96)、明胶固定化量和鼠成细胞

15、(3T3)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 复合合材料 细胞外外基质组组成物如如胶原和和聚乳酸酸等均已已作为组组织工程程支架材材料，但但前者力力学强度度较差(图3)，而而后者生生物信息息不足。Dunn等18将胶原纤维与聚乳酸构建复合材料的拉伸强度与模量可两倍于其组成物。将其用于兔前十字形韧带(ACL)重建研究已确认其适用性。5 展望望 随着着人们对对生命科科学的青青睐，组组织工程程学的发发展也呈呈现出日日新月异异的趋势势。选取取合适的的材料作作为支架架，移植植上各种种器官、组组织

16、的生生长细胞胞，使其其形成自自然组织织，有关关这方面面的研究究日趋广广泛。而而将乳酸酸系生物物降解性性聚合物物作为支支撑材料料，在组组织工程程上的应应用已有有大量报报道。但但由于聚聚乳酸本本身疏水水性强，侧侧链上又又缺乏反反应位点点，因而而影响其其与细胞胞的相互互作用，使使其在这这方面的的应用受受到一定定的限制制。而通通常所用用的调节节材料表表面亲水水/疏水性性、电荷荷分布及及物理修修饰等方方面对其其进行改改性，又又难以达达到目的的。因而而有关聚聚乳酸系系聚合物物的有效效表面修修饰研究究有很大大的发展展潜力。6 参考考文献1 山冈哲哲二，木木村良晴晴. 高分分子加工工, 119988, 447

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