组织工程及其材料研究进展

专业论文

　第19卷第4期　2003年7月

高分子材料科学与工程

POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING

Vol.19,No.4

Jul.2003

组织工程及其材料研究进展

孙宝全,衣光舜,赵淑英,陈德朴

(清华大学化学系,北京100084)

X

摘要:介绍了组织工程的最新研究现状,主要就组织工程对材料的性能要求,如生物降解性、与细胞及组织的适应性进行了综述。对所使用的组织工程材料,重点讨论了聚羟基烷基酯,聚酸酐,聚酰胺的研究进展与性能。同时介绍组织工程材料的最新进展。

关键词:组织工程材料;组织工程;可生物降解聚合物;聚羟基烷基酯;聚酸酐;聚酰胺中图分类号:TB39　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2003)04-0001-05

1　引言

目前,全世界有数以千万计的病人面临晚期器官损坏或组织坏死的危险。当前主要采用的治疗方法是器官移植,但器官捐献者数量不足,且该方法存在异体排斥导致移植失败的危险。组织工程是通过在可生物降解的聚合物基体上将哺乳动物的组织和细胞进行培养,生长出所需形状的组织或器官,以修复、替代已损坏的器官,当新的器官生成之后,聚合物基体自动降解,生成无害的物质被生物体吸收或排出体外。各种组织或器官的再生、恢复、替换已在体外及动物身上进行了大量的实验并获得成功[4]。目前,组织工程面临许多挑战。组织工程材料就是关键问题之一。为使细胞能在聚合物基体上保持其生物活性,使细胞能形成所需的器官,必须找到适宜的聚合物材料。同时,还需要在生长因子(GrowthFactor)的作用下才能迅速生长。本文就新型组织工程材料进行综述。2　组织工程材料

组织工程材料是一类可植入体内的可生物降解的聚合物材料。在组织、器官的培养过程中起暂时性支架作用,同时,它的几何形状能够引导细胞生长成所需的器官的形状,因此,这些基

[2,3]

[1]

质材料须具有以下性能:(1)能提供细胞生长和粘附的空间;(2)可生物降解性,一旦新的组织或器官生成后,基质材料应能降解成小分子化合物被生物体吸收或排出体外;(3)有较好的与

生物体的适应性[3],以致细胞能够很好地粘附于这些材料上快速生长;(4)无毒性,无论材料本身还是降解的产物都不应该对人体有毒害、引起组织发生炎症或排异反应。现应用于组织工程的材料很多,大体可分为天然生物材料和合成材料。本文主要评论组织工程用的新型合成材料。

2.1　组织工程材料的生物降解性能

聚合物的生物降解性能是指将该聚合物置于体液,组织,血液,酶等生物体内(或体外)的环境中,聚合物链发生断裂、分解、分子量减小、材料的强度下降的性能。目前,聚合物生物降解的确切原因尚不完全清楚。一般认为聚合物生物降解的主要原因是水解作用,其次是酶解,有时是两者的协同作用。

水解通常是由于在各种聚合物链中有如Fig.1所示某些亲核或亲电中心的存在,这些极性中心本来就是构成聚合物链的薄弱环节,再加上体内水、酸、碱等物质进攻或溶剂化,则更增加了这些部位的极化,以致最后断裂。因

X收稿日期:2001-09-04;修订日期:2003-01-17　基金项目:国家自然科学基金资助项目(29776030)(.:

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此,聚合物链中极性中心的存在是聚合物具有生物降解性能的必要条件。影响聚合物生物降解速度的因素很多,其中,聚合物的结构是内因。此外,链上取代基的极性、大小、数量也是重

要的结构参数[5],聚合物的亲水-疏水平衡对其生物降解性能也有较大影响。带有亲水和疏水

链段的聚合物比那些仅有亲水或仅有疏水结构

的聚合物具有更高的生物降解速度。

Fig.1　Nucleophilicorelectrophiliccentersinsomebiodegradablepolymers

2.2　组织工程材料与生物体的适应性及毒性

组织工程中,细胞的功能和存活能力极大地依赖于基体材料,基体材料在组织培养过程中起着支持细胞和组织生长的骨架的作用,一方面它们为细胞和组织生长提供了环境,另一方面基体材料也为细胞和组织最终生长为器官规定了形状。可生物降解的聚合物完成预想的功能之后,部分降解成小分子排出体外,或被组织吸收。这些降解产物最好是能与生物体相适应,无毒,不对生物体产生排异反应,不引起组织的发炎反应,并且不干扰组织的正常生长及愈合。

2.3　合成组织工程材料

合成材料在某些方面明显优于天然材料,它可以通过合成方法控制材料的结构、性能,以获得满足细胞与组织培养对材料的强度、生物降解性及与生物体的适应性的要求。同时,可以在短时间内得到大量所需材料,实现组织工程的规模化。近几年来,合成的生物材料有聚酸酐类、聚酰胺类及A-羟基烷基酯类等。

2.3.1　聚酸酐类:聚酸酐是单体通过酸酐键相连的聚合物,酸酐键具有水不稳定性,最容易水解成羧酸,聚酸酐具有优异的表面溶蚀性和生物相容性,在生物医学领域得到了应用。

Langer等利用聚酸酐的不稳定性,开发出一系列的可生物降解材料,并应用于组织工程[2]

制备包裹庆大霉素的植入体,用于骨髓炎的治

疗。在聚酸酐中引入酰胺键,获得的聚合物具有很好的成纤维及拉伸性,已用于外科手术线及其他方面[7]。将富马酸与癸二酸的共聚物P(FA-SA)制成微球,用于包裹及缓慢释放大分子(如环糊精或蛋白质),其释放时间可保持几周,在其配方中加入辛基-B-D-吡喃葡萄糖苷可以减少成型过程中的蛋白质的凝固。

聚酸酐今后的主要研究方向是开发具有优良力学、化学及药学性能的新型聚酸酐,解决大分子药物(如蛋白质)加工失活问题。控制、降低聚酸酐的降解速度,开发如作为骨材料的暂时替代材料、血管修复材料。

2.3.2　聚酰胺:合成聚酰胺具有很多吸引人的特点,适合作为组织工程材料。肽键极性较强,因此聚酰胺的亲水性好,具有较高的溶蚀性。此外,聚酰胺的化学结构与哺乳动物组织蛋白质化学结构相似,均由肽键连接起来,植入体内时材料与细胞的相容性较好。

在生物医学领域中聚酰胺已被用于药物的缓释系统、手术缝合线、固定骨螺钉、人造皮肤替代物和透析膜。Miyamae等[9]用酯化的聚谷氨酸作为手术缝合线,与目前常用的聚乙交酯、聚丙交酯具有同样的性能。Sprial等治疗烧伤病人的皮肤。

酪氨酸与碳酸酯、芳基化合物共聚后得到[10][8]

成功地

用尼龙-聚肽薄片作为人工皮肤的移植物用以

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料[16]。不同于传统的氨基酸,它易溶于有机溶剂,且是完全无定型的。传统的聚氨基酸是高度有序的结构,而假聚酯酰胺中的非酰胺键的连接减少了分子间、分子内的作用力,使其溶解度上升具有无定型的特性。因此,假聚酯酰胺膜、微球可用传统的溶剂挥发的方法制成。假聚酯酰胺具有相对高的强度和拉伸度,在体内或模拟体内生理条件下经6个月后它的分子量只有最初的50%～70%,降解速率与传统的聚丙交酯类似。因此,这种聚合物适合作为要求一定强度和降解时间的组织工程材料,例如骨的固定与修复。假聚酯酰胺是一种很有发展前途的生

物材料,特别是用于骨的固定与再生领域。

只有天然存在的A-L-氨基酸的聚合物才有优良的与生物体的适应性,但天然存在的氨基酸价格较贵,并且合成聚合物的过程复杂。同时,其生物降解速度较慢,目前,聚酰胺在组织工程中并未得到广泛的应用。

2.3.3　聚羟基烷基酯类:聚羟基烷基酯是少数几种天然存在的聚合物。早在1926年,聚B-羟基丁酯就从一种微生物体中分离得到。20世纪70年代,合成了各种结构的聚羟基烷基酯。20世纪80年代中后期,许多国家用发酵等生物工

程方法进行了工业制备和生物医药应用研究。

Fig.2　Differentproductswereobtainedfrompolymerizationof(S)-BLindifferentconditions

　　聚羟基烷基酯通常是在催化剂存在下由不同结构的环内酯开环聚合制备的。不同的催化剂及反应条件可得到不同构型的聚合物(Fig.

2)。例如:Zhang等[11]用纯手性体(S)-丁内酯[(S)-BL]作原料,以ZnEt2/H2O(1∶0.6)为催化剂时,(S)-丁内酯发生羰基碳与氧之间键的断裂(称酰氧断裂,如Fig.2中的路线a),得到高纯度构型保持的全同立构的聚合物P[(S)-HB]。但是,同样条件下,若使用在反应器中就地制备的AlEt3/H2O(1∶1)作催化剂时,则发生烷基碳与氧原子之间的键开裂(称为烷氧开裂,Fig.2中的路线b)的阴离子聚合,得到大于93%构型翻转的全同立构的(R)-型聚合物P[(R)-HB]。有趣的是,作者发现,催化剂

AlEt3/H2O的制备程序不同,反应路线也不同。当将水加入AlEt3甲苯溶液中,事先制好AlEt3/H2O(1∶1),则得到构型保持的全同立S)[9]

可BL为原料,得到间同立构占69%的聚合物。

见,催化剂不同,反应条件不同,得到聚合物的构型也不同。而构型是影响聚合物的降解性能及其与生物体适应性的重要因素之一。

聚羟基烷基酯类聚合物主要有聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯(聚乳酸,PLA)、聚-3-羟基丁酯(PHB)、聚-3-羟基戊酯(PHV)等及它们的共聚物。这些聚羟基烷基酯中PGA、PLA及它们的共聚物(PLGA)是目前组织工程中最常用的材料。

据报道[13],PGA、PLA及PLGA用于组织工程进行肝的再生,具有很好的与生物体的适应性。Cutright等将PGA微球植入225只鼠的腿关节进行PGA的降解试验,发现PGA微球被纤维、骨及骨髓组织所代替。将PGA棒植入羊的腿关节,降解发生在植入后4～5月,降解后PGA棒被新生的骨代替[15]。第七天后[14]

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[14]

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发现纤维状新骨生成,螺钉与骨的介面研究未发现PGA与生物体的不适应性。Vainion-[17]bb发现PGA棒与兔的骨组织有很好的生paa

物适应性,未引起任何发炎或排异反应。Miller等[18]研究鼠体中14C标记的聚合物,发现PGA完全代谢后在活器官中无任何残留。但是也有关于使用PGA植入物发生排异反应,甚至更严重问题的报道。在15个末端径向骨折的治疗病例中,PGA在3～6月之后发生排异反应,可以通过细胞,通常为巨噬细胞所调节。

PGA、PLA具有很好的加工性能。高分子量的PGA是一种硬质、坚韧的固体,可拉成纤维。当其平均分子量在20000～145000之间时,晶状聚合物的熔点约224℃～228℃,玻璃化转变温度(Tg)为36℃。聚丙交酯具有较好的强度、柔韧性、通透性、易加工特点,生物降解后变成小分子的乳酸,对人体无毒,是今后组织工程着重发展的材料。由于拉制成纤维形状后分子高度定向排列,因而PGA、PLA的强度大大增强。但植入体内的大型部件,例如棒、板或固定螺钉等需要超高强度。这些超高强度的部件的制造需要自增强技术。这种技术使聚合物材料中产生定向的增强单元,为小原纤维或纤

bblab等[19]发明了热压维丝以及结合母体。Torma烧结自增强技术。这种技术将强度很高的纤维聚合物单元胶结起来形成强度很高的植入体内大型材料。

2.4　组织工程材料研究的最新进展

虽然PLA、PGA及PLGA等在组织工程得到较为广泛的应用,但这类材料固有的亲油性难以稳定地包容细胞。有报道使用PGA植入物发生排异反应,甚至与生物体的适应性不好的问题也有许多报道。针对这一问题,较为根本的解决方法是以无规或嵌段的方式向聚羟基烷基酯结构中引入带有亲水基团的结构单元,如羟基、羧基、氨基等亲水性基团,以改善载体的亲水性。

将氨基酸或肽链引入聚酯中,使材料具有与生物体相似的结构,基体降解后形成的小分子氨基酸可被生物体所吸收。Imai

[20]

[22]

[7]

只要有很少的活性肽存在,就可以产生巨大的生物效应,仅仅1fmol/cm2表面密度的肽就可以促进细胞粘合。

向聚酯中引入肽链的方法有:聚酯表面处理法和共价反应法。表面处理法是应用表面技术如表面共价偶联法、吸附法、包覆法将肽固定到聚合物暴露的表面上。但这种方法受到聚合物与肽表面性质差异的限制,较难实现。因此共价反应法是目前主要研究的方向。共价反应法又可分为侧链偶联法、端基连接法和骨架嵌入法。即分别将肽链连接到聚合物的侧链、端基及插入到聚合物链中[22]。早在1972年Goodman等

[23～25]

在催化剂三乙胺存在下,用羧基氨基酸

酐与亚硫酸酯酐按下列反应进行聚合,制得具有交替链段的酰胺聚酯。近年来,Ryp cek等[24]用三光气法由L-谷氨酸C-卞酯、L-天冬氨酸B-卞酯及苯丙氨酸合成了N-羧基氨基酸,并用辛基亚锡作催化剂由N-羧基氨基酸与内酯共聚合成了酰胺聚酯。我们最近合成了二肽N-羧基氨基酸酐,并与丙交酯共聚,得到在聚合物中同时含有两种氨基酸的链段酰胺聚酯。BarreraD.D.等已将赖氨酸引入到聚丙交酯中,用于肝细胞的移植。

其它亲水链段也被引入羟烷基酯结构中,以改善材料与细胞及组织的适应性。如本课题组

[25]

[21]

将纤维素羟乙酯和羟丙酯与丙交酯共聚,

得到降解性能及与生物体适应性均好的组织工程材料。我们还研究了不同催化剂对PLA的催化作用。3　展望

随着人体组织工程的快速发展,继续研究新型性能优良的组织工程材料,以及对目前应用的材料进行功能化以满足不同组织工程的要求,具有可控的生物降解性能,并可调其亲水-疏水性能,改善其与生物体的适应性以及和细胞的相容性。同时从生理学角度,阐明细胞与材料之间的作用机理,发展类似生物体的材料。综上所述,尽管移植和修复器官是目前所有治疗中最为昂贵的,但随着组织工程的发展,它可以提供比天然组织器官更经济的生物替代物从而可有效地降低费用。随着生命科学和材,对一系列

的聚合物进行细胞培养,结果发现当聚合物链含有氨基、亚氨基时,细胞对材料的粘附力大大[

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1974,37(1):142.

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来革命性的变化。

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PROGRESSINTISSUEENGINEERINGANDMATERIALS

SUNBao-quan,YIGuang-shun,ZHAOShu-ying,CHENDe-pu

(DepartmentofChemistry,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

ABSTRACT:Progressintissueengineeringwasreviewed,especiallyinthepropertiesofmaterialsusedintissueengineering,suchasbiodegradability,andcompatibilitywithcellsortissues.Thepropertiesofimportanttissueengineeringmaterialswhenplantedintothebody,suchaspolyhy-droxyalkylester,polyanhydride,polyamide,werereviewedindetail.Recentdevelopmentintis-sueengineeringmaterialswasalsoreviewed.

Keywords:tissueengineeringmaterials;tissueengineering;biodegradablepolymers;polyhydrox-yalkylester;polyanhydride;polyamide