生物医用材料专题2组织工程材料与人工器官 - - 软组织修复与重(2)

2019-04-16 16:00

聚羟基烷基酸酯是生物降解和生物相容的热塑性材料。其代表结构如下:

它是由微生物制成的,随生长条件不同,分子量可由一万到十几万。 ici公司采用菌种糖液发酵成功地制备了聚羟基丁酸,并巳进行生产。羟基丁酸均聚物具有高度结晶性,特别脆,并且是憎水的。它的降解速度以年计算。为改进聚羟基丁酸性质,使之与30%的羟基戊酸共聚,降低产品结晶度,因此结构变得柔顺、易于加工。聚羟基丁酸是低毒材料,在体内降解成D-3羟基丁酸,是人血液的一种成分。这类材料目前已用于药物控释、缝合线和人工皮。

5)发展中的可降解材料

合成生物分子近年来在医药中受到重视。利用多肽化合物和工程菌,合成一些有类似弹性蛋白结构的聚合物。其共聚物己用于肌骨骼修复。这类具有重复多肽结构的蛋白质聚合物是一类新兴的材料。

3、合成生物降解材料

天然降解材料虽然具有某些优良性能,但存在一些不足,如力学强度较差,性能随批次不同有差异。合成降解材料则具有强度高、来源充足、易于加工等优点,被广泛应用于组织工程领域。关于合成降解材料的结构和性能自查资料或另行介绍,本节只从应用角度介绍。

1) 聚羟基乙酸及其共聚物

聚羟基乙酸(也称聚乙交酯)、聚羟基丙酸(也称聚乳酸丙交酯,聚丙交酯)及其共聚物是合成降解聚合物在医药部门应用最广的材料之一。聚羟基乙酸结晶度高、熔点高、溶解度低,是第—个全合成、可降解的缝合线。由于它的亲水性,植入的纤维在2---4周即失去力学强度。为使聚合物具有更好的性质,人们制得了羟基乙酸与乳酸(也称丙交酯)的共聚物。由于共聚体结晶性下降,产物更易降解。一般应用L型聚合物,因为水解产物是自然界中存在的L型乳酸。L型聚合物为部分结晶高分子,有较强的力学性能,常用于制造纤维和矫形装置。关于矫形装置的应用存在一些争论,因植入体后期会引起无菌性炎症反应,这可能与酸性降解产物有关。为了解决这—问题,需寻找比上述聚合物降解更慢而又不释放酸性产物的材料。用不同比例的羟基乙酸与乳酸进行共聚,可调节聚合物的降解速度(从几个星期到数年)。近年来将细胞植入该共聚物的多孔支架,已应用于骨组织的修复。

2)聚ε-己内酯

聚ε-己内酯是一种脂肪酸酯,与聚羟基乙酸或聚乳

酸相比,它的水解或降解速度要低,因此适合做长期植入装置。它的特点是熔点低,只有57℃。聚ε-己内酯无毒,是生物相容性材料,它具有良好的药物通透性,常用于药物释放载体。

3)聚原酸酯和聚酐

聚原酸酯是一族合成降解物,可以水解,用它制成的装置可通过“表面溶蚀”进行降解。它能从表面开始降解,慢慢变成越来越薄的片状物,而不是像一般材料降解成碎块,因此常用于药物控制释放。

4)聚磷腈

聚磷腈是以磷、氮为骨架的无机聚合物。磷-氮骨架水解时形成磷酸和氨盐,同时释放出具有侧链的基团化合物。具有医药用途的聚磷腈带有氨基和活化醇基。聚合物对组织反应很弱。利用微囊化技术可使聚磷腈包埋杂交瘤制备单克隆抗体。它的衍生物具有良好的血液相容性和药物释放作用。(杂交瘤抗体技术的基本原理是通过融合两种细胞而同时保持两者的主要特征。)

5)聚氨基酸

蛋白质是由氯基酸组成的,聚氨基酸作为生物材料有很多优点; ①品种多;②支链能够与小肽、药物或交联剂等连接,制成各种不同性能的产物;③由于聚合物降解成氨基酸,毒性很低,因此可做缝合线、人工皮肤和药物释放载体。但制备聚氨基酸的原料较昂贵,生产时不易操作,使实际应用受到限制。聚氨基酸为肽键连接,与蛋白质类似,具有一定免疫原性,只有少数聚谷氨酸衍生物才能作为植入材料。为解决这一问题,曾制备了—系列“假” 聚氨基酸。所谓“假” 聚氨基酸,是避免氦基酸之间的肽键连接,而改用酯键或脲键将氨基酸连接,这样形成的聚合物性能有较大改进。

4、组织引导材料

组织引导材料主要是引导组织的再生,例如皮肤创伤的修复和神经的再生。

皮肤的修复有时伴随生成大量的疤痕细胞,有时还会产生组织收缩。人体皮肤的愈合是靠纤维蛋白支架。人工制作和研究这种支架是组织工程的任务。利用这种支架可以引导组织的生长,从而控制新生组织或皮肤的质量。 Yannas用以胶原为主的生物高分子制作人工支架,成功地应用于皮肤和神经的修复。他主要研究了胶原和蛋白多糖的接枝共聚物,采用物理和化学的方法控制材料的多孔性及用戊二醛来调控支架的稳定性和吸收性能,并成功地在材料内部制造了线形孔道。这对神经切除的修复十分重要,使被切除10 mm以上的神经可以再生。

5、组织诱导材料

很多细胞和组织的应答反应在体外很难重现,但是生物活性的生物医用材料可以对这些反应起诱导作用,方法是在材料表面连接活性配体,让材料释放生物活性信息分子;或者将细胞贴附在材料表面,并释放生物信息来达到目的。让蛋白质吸附在材料表面,或者把三肽分子固定到材料表面上时,就可以诱导细胞粘附于材料表面。细胞悬浮状态易于死亡,但利用材料的诱导作用将细胞吸附于材料表面,就可以使细胞存活并表现出解毒和合成功能。在对肝细胞进行培养时,由于它的迅速脱分化作用,因而失去肝细胞的某些功能。利用生物材料的诱导作用,可以恢复或延缓肝细胞功能。利用材料的诱导作用也可使内皮细胞在几何形状固定的装置中形成毛细管状物。

利用生物材料释放活性因子或与细胞结合,可以诱导细胞的聚集和应答反应。例如成纤维细胞生长因子的缓慢控释可诱导支架构料内部的血管化以促进细胞移植。

同理,从羟基乙酸和羟基丙酸共聚物中释放骨形态蛋白可诱导骨的生长和

促进骨的修复,将上述原理进一步延伸,例如将细胞植入半透管中中诱导神经修复比不用该细胞效果要好得多。

6、组织隔离材料

组织隔离材料是组织工程材料的另一重要方而。组织的正常应答反应是免疫排斥,很多疾病(如糖尿病)的治疗都与植入细胞免疫隔离有关。当同种或异种细胞植入宿主时,首先遇到的是异体排斥,利用生物材料将细胞与宿主隔离,就可以顺利地解决这一难题。

例如将植入的细胞(如肝细胞)用一个很薄的聚合物半透膜包封起来制成微囊。一方面,半透膜将囊内细胞与外界隔离开,避免了免疫排斥作用;另一方面由于膜的通透性允许小分子营养物或产物自由穿透半透膜。所产生的氨、酚、硫醇等毒物,可通过半透膜进入囊内与正常肝细胞接触达到解毒的效果。生成的产物(细胞代谢物)由囊中排出。具有上述性能的微囊膜材料由海藻酸钙与聚赖氨酸组成。利用这一微囊技术,sun等人将胰岛细胞进行包埋,植入糖尿病动


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