生物降解高分子材料在医药领域中的应用.pdf
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1、2 0 0 5 年第 3 卷第 1 期 化学推进剂与高分子材料 Ch e mi c a l P r o p e l l a n t s&P o l y me r i c Ma t e r i a l s 生物降解高分子材料在医药领域中的应用 陈志祥 1,2 张政委 1,2 田华1,2 高林 (1 中斟科学院新疆理化技术研究所,新疆 鸟鲁木齐8 3 0 0 1 1;2,中 科学院研究牛 院,北京1 0 0 0 3 9)摘要:简要介绍了生物降解高分子材料 的定义、分类和降解机,较为伞而地阐述 r 前牛物降解高 分子材料 的应用领域,特别是在缓 控释材料、手术缝合线及组织 I 程 中的应用。关键 词
2、:牛物 降解高分子材料;降解机理;药物控 制释放;组织 程 中图分类号:T Q 2 0 3 9 文献标识码:A文章编号:1 6 7 2-2 1 9 1(2 0 0 5)0 1 0 0 3 l-O 4 近年来,高分子材料在医学及药物领域得到了 广泛应用。而高分子药物缓释材料在对药物医疗剂 量进行有效控制、降低药物毒副作用、提高药物稳 定性和有效利用率、实现药物靶 向输送及减轻患者 痛苦等方面的功能倍受关注。药物缓释材料延长 了药物的治疗效果,同时又可使药物浓度维持在最 低药效浓度和引起中毒浓度之内。这类材料不仅具 备可生物降解性和生物相容性,还可通过 自身具有 的可生物降解重复单元与药物和 目标
3、受体产生相互 影响,用作引导神经再生的修复架、脉管移植材料 和药物缓释载体等【2】。1 生物降解高分子材料的定义、分类 可生物降解高分子材料(b i o d e g r a d a b l e p o l y me r i c ma t e r i a ls)是指在一定时问和一定条件下,能被微生 物(细菌、真菌、霉菌、藻类等)或其分泌物在酶 或化学分解作用下发生降解的高分子材料【6 吨】。真正 的生物降解高分子是在有水存在的环境下,能被酶 或微生物促进水解降解、高分子主链断裂、相对分 子质量逐渐变小,以至最终成为单体或代谢成 C O,和 H,O【9】。此类高分子包括淀粉、纤维素、蛋 白 质、聚
4、糖、甲壳素等天然高分子,以及含有易被 水解 的酯键、醚键、氨酯键、酰胺键等合成高分 子。生物降解高分子材料具有 以下特点:易吸附 水、含有敏感的化学基团、结晶度低、低相对分 子质量、分子链线性化程度高和较大的 比表面积 等【l 引。按照原料组成和制造:l 艺不同可将生物降解 高分子材料分为以下 3 种:天然高分子及其改性产 物、化学合成高分子及其改性产物和微生物合成高 分子。天然高分子的物理或化学改性主要是通过对 天然高分子的共聚或共混获得有价值的可生物降解 材料,如国外开发了乳化性、成膜性及致密性 良好 的淀粉衍生物作为卡氮介微胶囊的壁材】。天然高 分子材料主要有胶原、海藻酸钠、透明质酸等,
5、其 次是淀粉及纤维素衍生物如糊稻、低聚糖、甲壳质 等。基于甲壳素 一 壳聚糖基的可生物降解材料的新 型材料也是最近研究的热点之一;化学合成生物降 解高分子材料大多是在分子结构中引入酯基结构的 脂肪族聚酯而成,较成熟的有聚乳酸(P L A)、聚己 内酯(P CL)等,这类材料具有 良好的机械性能,_月 容易通过化学或物理修饰进行控制;微生物合成高 分子是由微生物发酵法制成的一类材料,此法合成 的生物降解高分子比较纯净,无需引入添加剂,主 要有可完全生物降解的聚羟基丁酸戊酯(P H B V)、聚 羟基-J-i(P H B)和聚羟基戊酸i(P H V)等。2 高 分子材料生 物降解机 理 1 9 7
6、 6 年,L a n g e r 和 F o l k ma n 成功地实现了聚合 物作为载体的大分子药物控释。此后 2 0 余年人们一 直想方设法调节聚合物,以改进相应的药物控释系 统的释药动力学、生物相容性和生物降解性【I。药 物控释材料的降解,起始于聚合物分子链的水解,从物理角度考虑,宏观上则表现为表面降解和本体 降解 2 种基本情况【l引。表面降解是降解先从表面发 生,由表及里,高分子材料在体内降解涉及的反应 有水解、酶解、氧化等。对大多数生物降解材料,尤其是合成高分子材料,降解过程主要是水解反 应,其形式为直线 高分子主链 内不稳定键断裂;主链为线型而带侧链 的高分子侧链基团的水解;交
7、 联网状高分子内不稳定交联链 的断裂。通过以上 3 种形式使聚合物分子变小,达到降解的 目的。本体 降解模式的特征为内外同时,随机进行,降解速率 与体积有关,相对分子质量变化大,失重、水渗 透快;影响因素为相对分子质量、环境(p H和温度 收稿 日期:2 0 0 4 8 4 作者简介:陈忐祥(1 9 8 0 一),男,湖北京山县人,巾图科学院新疆理化技术研究所在读硕_上研究生,研究方向为高分子材料。维普资讯 http:/ 3 2 化学推进剂与高分子材料 C h e mi c a l P r o p e l l a n t s&P o l y m e r i c Ma t e r i a l s
8、 2 0 0 5 年第 3 卷第 1 期 等)。当水的渗透速率快于高分子链的水解时,发 生本体降解,反之则为表面降解。而高分子链的水 解速率又受其化学组成、相对分子质量、聚集态、结晶度等因素制约,人们正是针对这种影响因素,对聚合物进行改性或开发新的高分子材料,以实现 理想的释药行为。而从化学角度考虑,聚合物的降 解存在下列 3种机制 引:疏水性聚合物通过主链 上不稳定键的水解变成低相对分子质量、水溶性分 子。不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离 子化或质子化,变成水溶性聚合物。不溶于水的 聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线犁 高分子。3 生物降解高分子材料的应用 可生物降解高分子材料
9、 的应用范同极为广泛,涵盖农业、林业、渔业、包装业、纺织业以及近 年来的研究热点生物医学领域。为了满足医疗要求,生物医用高分子材料必须 具备以下条件:良好的生物相容性。具有对 细胞 良好的黏附能力。能保持细胞的正常生长、分化、增值能力和分泌基质。具有要求的生物降 解速率。材料及其降解产物对机体无毒副作用。具有 良好 的物理、化学和机械性能。具有可 消毒性。生物降解高分子材料在生物医学领域具有十分 重要的应用,它 的主要应用表现在 以下几方面:3 1 药物控制释放载体 这是当今医用高分子研究 中最热门的领域之 一。缓释系统是指药物能在指定时间内按预定的速 度释放到指定的部位。它可控制药物在体内的
10、释放 速率,使药物在体 内能够保持有效浓度,减小或消 除副作用,特别是在植入或附于病区时,则更能显 示其优越性 1。生物降解高分子材料与不可降解的 聚合物 一 药物缓释体系相 比,它们主要具有 3 大优 点:缓释速率主要南载体的降解速率控制,对 药物性质的依赖较小,药物包裹量和几何形状等参 数的选择范围更广。释放速率更为稳定。在理想 的情况下,释放速率可维持恒定,达到零级释放动 力学模式。更适于不稳定药物的释放要求 。用 作药物载体的材料可以是非生物降解性材料,也可 以是生物可降解性材料,不同性质的药物载体具有 不同的药物释放行为 。由于一般高分子作为药物 载体时随着载体中药含量的减少,药物的
11、释放速率 亦减小,因此无法保持药物的恒量释放。而生物可 降解性高分子材料用作药物控制释放载体时,虽然 药物释放速率同样会随着药物在载体中的浓度下降 而下降,但南于随着药物载体逐渐降解,药物载体 结构逐渐变得疏松,导致药物在载体中扩散、溶解 及释放的阻力减小,结果可加快药物的释放速率。当正好与南含药量减少所引起的释药速率的减少相 一致时,就可实现药物的长期恒量释放。此外,当 用生物降解高分子材料作为载体的长效药物植入体 内,在药物释放完 了后也不需要再经手术将其取 出,这可减少用药者的痛苦和麻烦。目前作为药物 载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚磷酸酯、聚酯、聚酸酐、聚磷腈、聚碳酸酯类高分子聚合
12、 物【I引。聚磷酸酯是一种生物相容性好、结构较易进 行修饰和功能化的生物降解高分子,早在2 O 世纪 8 O 年代,P e n c z e k 等就提出了聚磷酸酯作为药物缓释 载体的研究u 9 。李晓玺2 o l等利用醋酸酯淀粉作为药 物释放的载体。此外还有海藻 酸盐、甲壳素、纤 维素衍生物等天然高聚物。3 2 外科手术缝合线 生物降解性手术缝合线既可缝合伤 口,又可在 伤 口愈合后 自动降解,不需再拆除,所以发展越来 越快。如用生物可吸收的聚乳酸、胶原蛋白制成的 手术缝合线 9】,可免除手术后再拆线的痛苦和麻 烦。用 聚乳酸制成 的骨钉、骨 定板,可在骨折 痊愈后不需再行手术取出,从而可大大
13、减轻病人的 痛苦。最初采用的生物吸收性缝合线是肠线”,存 在机械强度损失快,处理不方便,必须用湿的缝合 线缝合伤口,易引起组织发炎,分解速率过快等缺 点。后来改用聚乙交酯(P G A)、聚 三 一 乳酸类(P L L A)及其共聚物制成的复丝,目前已商业化。再后来又 研制了更柔软的、低模量的聚葡糖酸酪。另外,三 一 乳酸和己内酯的共聚物(E L L A)是生物吸收性的弹性 材料,在临床上的应用也已开始研究2 引。同时研究 发现用甲壳素制成的缝合线无毒,机械性能良好,易打结,在胆汁、胰液中拉力强度的延续性 比聚乙 交酯纤维好,在使用初始的 I I 5天强度很好,而 此后强度迅速下降,有利于生物体
14、的迅速吸收 Z 3 l。G o o s e l-i2 4 1 的研究表明,甲壳素缝合线对消化酶、感 染组织及尿液等耐受性比肠线和 P G A线要好。侯春 林【2 等进行的动物体内试验也充分表明了甲壳素缝 合线的性能明显优于肠线。聚乳酸及其共聚物作为 外科手术缝合线时,因其具有在伤 口愈合能自动降 解并吸收,术后无需拆除缝合线,日 其具有较强的 维普资讯 http:/ 陈志祥等 牛物降解高分子材料在医药领域中的应用 抗张强度,能有效地控制聚合物的降解速率,随着 伤 口的愈合,缝线 自动缓慢降解等优点。所以,一 经问世,立即受到医生们 的青睐,目前已广泛用于 各种手术。此外,聚酰胺酸酐具有良好的力
15、学性能 和热性 能,也可用于外科缝合线。3 3 组织工程材料 组织 I 程学是近 l 0年来新兴的-M交叉科学,它是应用 r 程学的原理和方法来了解正常和病理的 哺乳类组织结构 功能关系,以及研制生物代用品 以恢复、维持或改善其功能的一门科学。组织 程等技术的创立标志着生物医学材料科学的发展进 入了一个崭新的阶段。组织 r 程的核心是建立由细 胞和生物材料所构成的i维复合体,其中南生物材 料所构成 的细胞支架 的作用是为细胞增殖提供空 间,使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖,最终成为所要求的组织或器官。因此,细胞支架不 但应使细胞能进行气体交换、排除代谢废物,同时 还能为细胞增殖提供营养物
16、质。组织引导再生(g u i d e d t i s s u e r e g e n e r a t i o n,G T R)是近几年发展起来 的一项促进组织再生性愈合的新理论及新技术,医 用组织引导再生材料的研究是国内外生物材料研究 的热点之一。我们所期待的降解材料是先选择性 地引导组织再生,当这一过程完成时,材料完全 降解或被组织 吸收。据 F l e i s h e r、Ma g n u s s o n、B 1 u me n t h a l 等的研究报道 引,乳酸与乙_交酯共聚物 膜、聚乳酸膜和胶原膜等是一类较理想的 GT R材 料。孙毅 等报道聚吡咯在神经组织、皮肤、肝 脏、-肾上腺、
17、骨和血管中都有广泛的应用。此外,聚乙交酯(P G A)、聚乳酸(P L A)及乳酸与乙交酯的共 聚物(P L G A)用于组织:程进行肝的再生,具有很好 的生物适应性 l。3 4 其 他 生物降解高分子材料还可用于医用抗黏剂、血 管移植和人造皮肤等。明胶和谷氨酸共聚物水凝胶 作为软组织的抗黏剂也已见报道。大量商业用的人 造皮肤是用胶原蛋 白、甲壳质、聚 -亮氨酸等酶 催化生物降解材料。生物降解高分子材料不仅在生 物医学方面具有极重要的应用,而 F I 对农业、林 业、建筑业、食品 业、包装业等也都具有重要 的价值。全部用生物降解高分子材料,或用生物降 解高分子共混改性非生物降解高分子材料制备农
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- 生物降解 高分子材料 医药 领域 中的 应用
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