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分步降解吸收。这些材料的本体性能和力学性质与降解速率有关。而材料的表面特性则因其与体内细胞接触而对材料与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，影响了其与细胞的亲和性，要扩大乳酸系聚合物在组织工程中的应用，对其与细胞亲和力的改进是一关键问题。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。一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与基材间的作用，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。天冬氨酸与苄醇的80%H2SO4水溶液于70C脱水缩合得其L-天冬氨酸苄酯，将其在硫酸水溶液中与NaNO2反应得L-苹果酸苄酯(2)，它与溴代乙酰氯在三乙胺存在下，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与NaHCO3反应则得其环状二聚体(BMD)(4)。将它与L-丙交酯(L-LAC)在己酸亚锡催化下于160C开环聚合而后水解得PMLA[1]。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6.3μgRGD/1mgPMLA。以1.0×105的NIH3T3细胞种植后，在D-MEM基中，37C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1%，而固定化7.29g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与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130C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。动态接触角与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)。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的聚合物，它与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%，可作为细胞培养与包囊基材，分子链中引入酰胺基可增强其与细胞的相互作用。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，120C、6h开环聚合，合成无规聚合物，其中PLA的数均分子量7.9×104。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-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4.8×105～6.8×105,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，并有骨传导性。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与细胞(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2明胶固定化PLLA薄膜的细胞粘连数目与明胶固定化量的关系图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60C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。它的固定化量与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两性蛋白质(等电点IP=4.96)、明胶固定化量和鼠成细胞(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，因而影响其与细胞的相互作用，使其在这方面的应用受到一定的限制。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[1]山冈哲二，木村良晴.高分子加工,1998,47:338-345.[2]BarreraDA,ZylstraE,LansburyPTetal.Macrolmol.,1995,28:425-432.[3]HanDK,HubbellJA.Macromol.,1996,29:5233-5235.[4]HanDK,HubblellJA.Macromol.,1997,30:6077-6083.[5]DengF,BishtKS,GrossRAeaal.Macromol.,1999,32:5159-5161.[6]JohnG,MoritaM.Macromol.,1999,32:1853-1858.[7]ChenX,GrossRA.Macromol.,1999,32:308.[8]BrennanMB.Chem.Eng.News,1999,77(36):33-36.[9]KimuraY,MatasuzakiY,YamaneHetal.Polymer,1989,30(7):1342-1349.[10]YasugiK,NagasakiY,KatoMetal.J.ControlledRelease,1999,62(1-2):89-100.[11]PencoM,RanucciE,FerrutiP.PolymerInternational,1998,46(3):203-216.[12]YamaokaT,TakahashiY,OhtaTetal.J.Polym.Sci.,PartA:Polym.Chem.,1999,37:1513-1521.[13]QuX,AlbertssonAWA.J.Appl.Polym.Sci.,1999,74:3186-3192.[14]QuX,AlbertssonAWA.J.Appl.Polym.Sci.,1999,74:3193-3202.[15]QuX,AlbertssonAWA.Polym.Preps.,1999,40(2):253-254.[16]TjiaJS,AneskievichBJ,MoghePV.Biomaterials,1999,20:2223-2233.[17]山冈哲二，竹部羲之，木村良晴.高分子论文集,1998,55:328-333.[18]DunnMG,BellincampiLD,TriaAJetal.J.Appl.Polym.Sci.,1997,63:1423-1429.