多功能SMPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

李娜，李進(jìn)，王娟，張正濤，何榮祥，陳勇，張瑋瑩*，曹一平

（1.江漢大學(xué)交叉學(xué)科研究院；2.江漢大學(xué)光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430056）

多功能SMPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

李娜1，2，李進(jìn)1，王娟1，張正濤1，何榮祥1，陳勇1，張瑋瑩*1，曹一平1，2

（1.江漢大學(xué)交叉學(xué)科研究院；2.江漢大學(xué)光電化學(xué)材料與器件省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430056）

形狀記憶聚合物（SMPs）是一種可以感知—響應(yīng)外界刺激，并調(diào)整自身力學(xué)參數(shù)，從而回復(fù)預(yù)先設(shè)定形狀的智能材料，在自動(dòng)化、包裝材料、微-納米電子機(jī)械等領(lǐng)域具有良好的使用價(jià)值。為了進(jìn)一步拓展形狀記憶材料的實(shí)際應(yīng)用范圍，滿足一些特殊領(lǐng)域（如航空航天、生物醫(yī)學(xué)）的功能化要求，彌補(bǔ)材料單一形狀記憶功能所造成的不足，多功能SMPs越來(lái)越受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注。概述了多功能SMPs的研究進(jìn)展，綜述了多功能SMPs在生物醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用，并展望其發(fā)展前景。

形狀記憶聚合物（SMPs）；生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用；智能材料

0 引言

智能材料是指可通過(guò)自身的感知而獲得有關(guān)外界環(huán)境條件及其改變的信息，之后再進(jìn)行判斷、處理并發(fā)出命令，繼而使自身結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化以與外界相適應(yīng)的一類材料。其中，形狀記憶材料是指可感知外界環(huán)境變化（如：溫度、溶劑、壓力等）并對(duì)其刺激進(jìn)行響應(yīng)，從而調(diào)整自身力學(xué)參數(shù)以使其恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定狀態(tài)的一類智能材料。形狀記憶聚合物（SMPs）由于具有結(jié)構(gòu)特殊、制作簡(jiǎn)單、原料充足及對(duì)刺激具有積極的響應(yīng)性等特點(diǎn),已在航空航天、異徑管結(jié)合材料、生物醫(yī)學(xué)、微-納米電子機(jī)械等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用［1］。日常生活中與SMPs相關(guān)的產(chǎn)品深受消費(fèi)者喜愛(ài)，目前人們不再滿足于單一功能的SMPs，迫切需要在分子水平上將形狀記憶功能和其他功能結(jié)合在一起，從而滿足實(shí)際應(yīng)用。因此，多功能SMPs材料改性及復(fù)合技術(shù)的研究和開發(fā)方興未艾，成為國(guó)內(nèi)外材料研究和開發(fā)的熱點(diǎn)［2］。

1 多功能SMPs的合成進(jìn)展

在SMPs的模塊構(gòu)筑上，人們通過(guò)多種不同的硬段與軟段結(jié)合得到了不同種類的SMPs；在SMPs的形態(tài)學(xué)上，結(jié)晶的、無(wú)定形的、或者液晶的各種巧妙組合使得SMPs具有可調(diào)節(jié)的形狀記憶改變溫度；在SMPs的三維空間圖像上，支狀的、體型的、星型的等各種分子形狀的SMPs也均有報(bào)道。在形狀記憶效應(yīng)的各種指標(biāo)上，通過(guò)分子整合技術(shù)及材料復(fù)合技術(shù)，人們已經(jīng)開發(fā)了各種具有優(yōu)良綜合形狀記憶效應(yīng)的聚合物。這些SMPs有的具有可控的形變溫度，有的具有三形變甚至多形變記憶效應(yīng)，有的具有很高的回復(fù)應(yīng)力、回復(fù)速率及回復(fù)精度。而自雙程記憶效應(yīng)的SMPs被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，更是引發(fā)了研究者的極大熱情。在形狀記憶效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式上，已經(jīng)從傳統(tǒng)的熱驅(qū)動(dòng)，發(fā)展到現(xiàn)在的光（包括可見(jiàn)光、紅外、紫外、微波）、電、磁、溶液、濕氣、分子刺激、壓力、聲等驅(qū)動(dòng)。為了進(jìn)一步拓展SMPs在實(shí)際應(yīng)用中的多重需求，在尋求SMPs自身形狀記憶功能的完善之外，人們開始在SMPs基礎(chǔ)上增加其他功能，已經(jīng)問(wèn)世的多功能SMPs包括優(yōu)良力學(xué)性能的SMPs（高強(qiáng)度、高剛度、高彈性），光學(xué)功能SMPs（透明性、顏色改變性能、光傳導(dǎo)功能），電磁活性SMPs（高電導(dǎo)性、磁導(dǎo)性），生物多功能SMPs（生物可降解性、生物相容性、低毒性、低免疫性），以及自修復(fù)多功能SMPs。

2 多功能SMPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

2.1 醫(yī)療器件

生物多功能SMPs在生物醫(yī)學(xué)上最大的應(yīng)用莫過(guò)于各種醫(yī)療設(shè)備智能控制系統(tǒng)［3］，如矯形材料（牙科、骨科）、血管內(nèi)異物套管器械（心臟瓣膜、血管支架、血栓清除器）、內(nèi)鏡檢查穩(wěn)定器、活體組織切片檢查鉗、人工腎臟系統(tǒng)器件、節(jié)育器及其配套裝置等。

SMPs在頭與頸部的應(yīng)用主要是神經(jīng)治療，SHARP等［4］報(bào)道了利用SMPs做成的神經(jīng)電極元件。他們將附帶封閉導(dǎo)體的SMPs微驅(qū)動(dòng)器插入腦組織中，軟化的SMPs可以與腦組織微觀機(jī)制匹配，達(dá)到神經(jīng)傳遞的作用。

SMPs在眼科的應(yīng)用主要是為了改善眼內(nèi)壓力，SHADDUCK等［5］發(fā)明了具有降低眼內(nèi)壓的形狀記憶植入管，主要是利用SMPs的一些特殊形狀減少眼內(nèi)壓，同時(shí)植入物可通過(guò)兩種方法改善眼內(nèi)壓力流散渠道，一是通過(guò)類似支架的外部渠道，二是通過(guò)改善軟骨組織的特性。

在外科其他方面，BETTUCHI等［6］發(fā)明了SMPs自緊打結(jié)線醫(yī)療器件。利用SMPs線程的能力，可以輕松地形成自緊結(jié)。GORALTCHOUK等［7］報(bào)道了SMPs自動(dòng)定位線，利用SMPs線伸出呈穗狀，在沒(méi)有需要打結(jié)的情況下?？吭诮M織周圍，從而維持傷口穩(wěn)定。LENDLEIN等［8］報(bào)道了SMPs手術(shù)扣件。生物可降解或者生物穩(wěn)定性的SMPs探針，刺入非SMPs設(shè)備并植入組織后，在溫度誘導(dǎo)下，SMPs探針回復(fù)成彎曲或螺旋的永久形狀，從而保證了設(shè)備對(duì)組織的安全性。

生物多功能SMPs在泌尿科也有一些應(yīng)用。TEAGUE［9］報(bào)道了SMPs檢索設(shè)備醫(yī)療器件。利用不同永久形狀的光活化SMPs設(shè)備（筐、開瓶器）可以捕捉到腎臟、胰臟或膽囊腔的結(jié)核，達(dá)到檢索功能。JORDAN等［10］報(bào)道了形狀記憶腔內(nèi)假體支架器件。用作腔內(nèi)假體的中空徑向膨脹SMPs設(shè)備，該設(shè)備具有不同結(jié)構(gòu)與材料的多重排尿路徑，包括根據(jù)應(yīng)用而定的具有生物可降解和生物穩(wěn)定性的SMPs。

ORTEGA等［11］報(bào)道了利用SMPs制備的透析針器件。其原理為：用于血管內(nèi)沉積并且?guī)в蠸MPs管道的透析針；在透析中，SMPs的展開形狀（較大的遠(yuǎn)端直徑）減少了動(dòng)靜脈血管血液壓力以及可能導(dǎo)致的移植失敗。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，其原理為：利用SMPs的漏斗狀結(jié)構(gòu)設(shè)備，可以提高細(xì)胞的收集數(shù)量，并且通過(guò)打開血管壁的接觸來(lái)降低閉塞的風(fēng)險(xiǎn)。

在其他內(nèi)科應(yīng)用方面，YAKACKI等［12］報(bào)道了韌帶或肌腱修復(fù)醫(yī)療器件。將SMPs制成薄片狀或小塊狀植入受損部位后，加熱到形變溫度，通過(guò)形變使其達(dá)到所需形狀大小，此時(shí)植入物相當(dāng)于一個(gè)支架，使膠原纖維組織長(zhǎng)入，逐漸形成再生的結(jié)締組織。

SMPs在畸形矯正學(xué)上也有應(yīng)用，尤其是畸齒矯正方面。JUNG等［13］報(bào)道了畸形牙矯正器件。其原理為：帶有多支架吊帶的SMPs不對(duì)齊牙齒矯正線在形狀回復(fù)時(shí)創(chuàng)造的應(yīng)力，足以推動(dòng)牙齒矯正到所需的位置。

此外，SMPs在減肥方面也有一些應(yīng)用。LENDLEIN等［14］研制了肥胖癥胃填充物醫(yī)療器件。其原理為：SMPs設(shè)備在以折疊形狀放置到胃中，然后脹大為不折疊形狀，以此填充胃的空白體積。這樣就可以減少超重患者的食量，從而達(dá)到減肥效果。

2.2 組織工程

脂肪族聚酯類多功能SMPs不僅生物相容性好、降解速率慢而且具有優(yōu)異的可控?zé)釞C(jī)械性能，能夠滿足組織工程手術(shù)過(guò)程中對(duì)實(shí)際材料的多功能性要求。目前，SMPs在組織工程上的應(yīng)用主要為骨、軟骨、韌帶、平滑肌等。NEUSS等［15］報(bào)道了生物多功能的形狀記憶聚己內(nèi)酯二甲基丙烯酸酯網(wǎng)絡(luò)（PCLD?MA）骨組織支架。實(shí)驗(yàn)證明，PCLDMA生物功能優(yōu)良，對(duì)各種生物體細(xì)胞都有很好的生物相容性。并且，PCLDMA形變回復(fù)率極大（高達(dá)93%），形變轉(zhuǎn)變溫度（54℃）比體溫高，這樣就可以保證手術(shù)順利進(jìn)行，避免手術(shù)中體溫溫度驅(qū)動(dòng)回復(fù)，植入變形所造成的不必要麻煩。

隨著SMPs在組織工程應(yīng)用上的深入開展，高分子材料學(xué)家將原有方法結(jié)合現(xiàn)代納米技術(shù)、靜電絲紡等工藝制備出眾多的生物多功能SMPs支架材料［16］。這些支架材料因具備眾多優(yōu)點(diǎn)如促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和血管化、降解速率可調(diào)、可控制釋放生長(zhǎng)因子速率等，因此可以應(yīng)用于組織工程化骨、韌帶、平滑肌及心血管等的構(gòu)建，特別是促進(jìn)合成正常基質(zhì)從而構(gòu)建軟骨，因而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

RABANI等［17］制備了生物可降解且降解速率可控的PCL/聚碳酸酯支架。實(shí)驗(yàn)證明，這種多功能支架可以促進(jìn)軟骨基質(zhì)的形成。此后，GANTA等［18］報(bào)道了以蔗糖為軟段、甲苯二異氰酸酯（TDI）為硬段的SMPs。這種SMPs支架孔徑在100～300 μm之間，通過(guò)改變熱機(jī)械性能，調(diào)節(jié)孔隙率，以及孔間距（可以在10～2 000μm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整），可獲得適用于軟骨等多種組織構(gòu)建的支架。此外還證實(shí)，多功能支架的降解產(chǎn)物是安全無(wú)毒的。

2.3 藥物控制釋放體系

高分子材料科學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)的相互滲透，使得多功能SMPs作為藥物控制釋放載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成為最熱門的研究方向之一。

NAGAHAMA等［19］報(bào)道了以己二異氰酸酯與交聯(lián)星形支化的聚己內(nèi)酯為原料制備的生物多功能SMPs網(wǎng)絡(luò)。該聚合物材料具有良好的藥物釋放功能，在磷酸緩沖液（pH值為7.4）中可以持續(xù)釋放茶堿，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月左右。此外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在低溫下該網(wǎng)絡(luò)就可以快速響應(yīng)，而且在一個(gè)狹小范圍內(nèi)（37～39℃），形狀回復(fù)率達(dá)到90%。42℃下，10 s內(nèi)形變回復(fù)率達(dá)到100%。這說(shuō)明該網(wǎng)絡(luò)自身的形狀記憶性能及生物功能性良好。

XIAO等［20］用溶液鑄膜法合成了一種生物多功能形狀記憶交聯(lián)聚己內(nèi)酯藥物載體。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載聚癸二酸酐后的PCL的形狀記憶性能基本不變，而且材料本身具有生物可降解性且降解速率是可調(diào)的。

WISCHKE等［21］比較了SMPs不同功能對(duì)藥物負(fù)載及釋放效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一系列來(lái)自聚己內(nèi)酯乙交酯二甲基丙烯酸酯（PCLGCDMA）的前驅(qū)體，通過(guò)一定的技術(shù)負(fù)載藥物后基本對(duì)材料的降解行為、形狀記憶效應(yīng)無(wú)不良影響。其明顯不同在于：藥物釋放性能取決于藥物負(fù)載的技術(shù)。由于SMPs結(jié)構(gòu)以及組成的不同，沒(méi)有必要得到一個(gè)關(guān)于藥物負(fù)載技術(shù)的普遍適用結(jié)論。藥物釋放具有兩大傾向：①溶脹可以導(dǎo)致低藥物負(fù)荷量。而大的突釋或隨后高的釋放速率，則取決于藥物的理化性能。這種初始突釋可以給藥物提供廣泛的治療途徑，例如當(dāng)藥物植入人體后可以達(dá)到高初始劑量的理想釋放。②在材料交聯(lián)過(guò)程之前，允許藥物有效載荷的一個(gè)簡(jiǎn)單變動(dòng)，但是這樣可能導(dǎo)致低的突釋以及隨后高的藥物負(fù)載速率。當(dāng)治療所需要的模板藥物改變時(shí)，在交聯(lián)過(guò)程中是不允許藥物改變的，這是由每一個(gè)化合物在藥物負(fù)載時(shí)的狀態(tài)所決定的。

然而，生物多功能SMPs在藥物釋放中也面臨著諸多問(wèn)題［22］，如：①藥物負(fù)載中，如何實(shí)現(xiàn)最大的藥物負(fù)載量；②如何實(shí)現(xiàn)生物降解—形狀回復(fù)—藥物釋放這3種過(guò)程中的功能及時(shí)間協(xié)調(diào)，即在形狀回復(fù)的過(guò)程中，材料降解的速率對(duì)藥物釋放的速率、數(shù)量的影響；③控釋、緩釋的過(guò)程中，如何在保證生物可降解SMPs恒定釋放的同時(shí)，確保材料的有效釋藥面積，以免SMPs降解過(guò)快而產(chǎn)生爆釋效應(yīng)。④體內(nèi)釋放過(guò)程中，人體生理環(huán)境對(duì)藥物釋放速率的影響。

生物多功能SMPs作為藥物控釋載體除了可以用于病痛治療外，還可以用在避孕方面。將避孕藥物與生物可降解高分子材料結(jié)合起來(lái)，制成相應(yīng)的劑型，使藥物能夠充分地被人體吸收，減少藥物對(duì)腸胃的毒副作用［23］。

2.4 其他專業(yè)方面

通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成的生物多功能SMPs可用于其他諸多生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如手術(shù)縫合線、神經(jīng)元探測(cè)器、基因治療、內(nèi)窺鏡手術(shù)、生物微米-納米電子機(jī)械、光治療等。

2.4.1 光治療基于腔內(nèi)和間質(zhì)的光治療對(duì)患者具有重要意義。多功能SMPs可以制成發(fā)光器件，能夠通過(guò)針、導(dǎo)管或內(nèi)窺鏡傳遞光，用在諸如熱激光療法和光動(dòng)力治療等方面。SMALL等［24］報(bào)道了以這種技術(shù)構(gòu)建的高擴(kuò)散性能的SMPs設(shè)備，設(shè)備的電源指示燈通過(guò)圓柱型的擴(kuò)壓器連接到光纖，可以用于光治療。該設(shè)備的光熱驅(qū)動(dòng)還用到SMPs栓塞泡沫和支架設(shè)備，調(diào)整設(shè)備的某個(gè)特定應(yīng)用程序，SMPs剛度能力就能快速改變，屬于一種新型功能。

2.4.2 冷休眠彈性記憶技術(shù)該技術(shù)采用兩種結(jié)構(gòu)作為載體：一是聚合物泡沫結(jié)構(gòu)；二是以SMPs泡沫芯與高分子復(fù)合殼做成的三明治結(jié)構(gòu)［25］。新開發(fā)的SMPs泡沫，運(yùn)用冷蟄伏彈性記憶（CHEM）技術(shù)，可以進(jìn)一步擴(kuò)大其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。CHEM泡沫與形狀記憶功能相結(jié)合，可以研制出包括寬范圍孔隙度、重量輕、高體積比和高精確形狀恢復(fù)的SMPs，這些優(yōu)點(diǎn)都有望使SMPs用作臨床的功能設(shè)備及展開元素材料。CHEM泡沫的潛在血管用途還包括清除血凝塊（血栓）的動(dòng)脈網(wǎng)。METCALFE等［27］對(duì)其可行性進(jìn)行研究，并初步在體外進(jìn)行證實(shí)，結(jié)果表明其研究前景是樂(lè)觀的。血管內(nèi)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的異常脊可導(dǎo)致中風(fēng)，但是目前治療的方法有重要的缺點(diǎn)，如治療不徹底，在動(dòng)脈瘤頸部留有復(fù)發(fā)的隱患。因此，必須尋找新的更有效的方法清除動(dòng)脈瘤囊生長(zhǎng)。CHEM發(fā)泡材料可以作為栓塞劑和填充材料，以閉塞動(dòng)脈瘤，達(dá)到治療目的。

3 結(jié)論與展望

正是多功能SMPs的諸多優(yōu)異性能：如可收回、重量輕、成本低、易加工性和非常高的恢復(fù)應(yīng)力，使得多功能SMPs成為許多潛在應(yīng)用的候選材料。近年來(lái)SMPs基礎(chǔ)研究進(jìn)展迅速，未來(lái)更多的關(guān)注將集中在生物多功能SMPs的臨床應(yīng)用上，特別是支架技術(shù)，有可能成為SMPs最深入研究的領(lǐng)域之一。就美國(guó)2009年在這個(gè)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)意義來(lái)說(shuō)，支架的投入大概在4億～5億美元［27］，SMPs在未來(lái)醫(yī)療的重要領(lǐng)域中占據(jù)顯要位置，潛在的研究方向應(yīng)當(dāng)包括SMPs血管支架［28］。這些支架可能用在以下領(lǐng)域：藥物控制釋放體系、智能外科縫合、合成蛋白與聚合物結(jié)合支架、激光刺激用于祛除血凝塊的SMPs柔性執(zhí)行器、血管微創(chuàng)手術(shù)植入物，智能醫(yī)療設(shè)備的具有優(yōu)良生物相容性或生物調(diào)降性并具有可調(diào)降解速率的生物多功能SMPs。未來(lái)，將生物學(xué)功能與形狀記憶功能結(jié)合得到的多功能生物材料的應(yīng)用，將會(huì)打開醫(yī)療設(shè)備、組織工程、藥物釋放領(lǐng)域以外更多的生物醫(yī)學(xué)市場(chǎng)。

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（責(zé)任編輯：葉冰）

Research and Application of Multifunctional SMPs in Biomedical Field

LI Na1，2，LI Jin1，WANG Juan1，ZHANG Zhengtao1，HE Rongxiang1，CHEN Yong1，ZHANG Weiying*1，CAO Yiping1，2
（1.Institute for Interdisciplinary Research，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

The shape memory polymers（SMPs）belong to a class of smart polymers，they have the ability to respond to the external stimuli，and adjust their own mechanics parameter，then recover to the predefined shape.The SMPs have the applying value in the field of automation，packing material and microelectromechanical.To further extend the application of shape-memory materials and satis?fy the demand of special domains（such as aerospace and biomedicine），make up the defect of sin?gle shape memory function，multifunction SMPs attract more and more attention of scientists.Re?views the research progress of multifunction SMPs and their application in biomedical engineering，prospects their future development。

shape memory polymers（SMPs）；application in biomedicine；intelligent materials

O631；TQ323.8

：A

：1673-0143（2014）05-0019-06

2014-08-13

武漢市科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（201250499145-10，2013011001010483）

李娜（1992—），女，碩士生，研究方向：納米生物醫(yī)學(xué)工程。

*通訊作者：張瑋瑩（1982—），女，助理研究員，博士，研究方向：腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)。E-mail：ZWY2428@163.com