LCST 型智能聚合物及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉 璨，吳小玲，柯 雪，曾小平，王大威，吳江渝

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

刺激響應(yīng)聚合物，又稱“智能”聚合物，當(dāng)受到外界刺激，如溫度、pH、離子強(qiáng)度變化，或氧化還原反應(yīng)、光、剪切應(yīng)力、酶等作用時(shí)，聚合物會(huì)發(fā)生一定變化，以對(duì)外界刺激進(jìn)行響應(yīng)［1］。這些變化包括疏水/親水平衡、溶解度、構(gòu)象、形狀或膠束化等［2］。根據(jù)響應(yīng)方式，刺激響應(yīng)聚合物可以分為溫敏聚合物、pH 敏聚合物、光敏聚合物等。其中溫敏聚合物自身結(jié)構(gòu)或溶解度會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變。聚合結(jié)構(gòu)或溶解度發(fā)生變化的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。由于溶解度在這一點(diǎn)發(fā)生變化，因此也稱為臨界溶解溫度。溫敏聚合物分為兩類：一類是具有低臨界溶解溫度（lower critical solution temperature，LCST）的聚合物，即LCST 型聚合物，當(dāng)溫度低于其LCST 時(shí)，聚合物在溶液中溶解而呈均相，而在高于LCST 時(shí)，聚合物發(fā)生相分離；另外一類是具有高臨界溶解溫度（upper critical solution temperature，UCST）的聚合物，即UCST 型聚合物。當(dāng)溫度高于其UCST 時(shí)，聚合物完全溶解而呈均相。LCST 和UCST 分別是聚合物溶解的臨界溫度點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 溫敏聚合物溶解相圖：（a）LCST 型聚合物，（b）UCST 型聚合物［3］Fig.1 Solution phase diagrams of temperature-sensitive polymer：（a）LCST-type polymer，（b）UCST-type polymer［3］

溫敏聚合物可以設(shè)計(jì)成各種形式，如水凝膠、功能化表面、膜、膠束和各種類型的粒子等［4］。由于其溫度變化易于控制，溫敏聚合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，在細(xì)胞培養(yǎng)工程和生物分離中促進(jìn)對(duì)蛋白質(zhì)和細(xì)胞的黏附/分離，在組織工程應(yīng)用中形成支架以及作為藥物和核酸的運(yùn)輸載體等［5-8］。其中，關(guān)于LCST 型聚合物的應(yīng)用研究受到了更多關(guān)注。本文介紹了LCST 型聚合物的溫敏機(jī)理及其分類，討論了LCST 型聚合物在藥物輸送、基因治療和組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并對(duì)LCST 型聚合物的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 LCST 型聚合物的溫敏機(jī)理

聚合物的溫敏現(xiàn)象可以通過熱力學(xué)方程進(jìn)行分析，溶解過程中的吉布斯自由能的變化可寫為：ΔG=ΔH-TΔS，式中，ΔG、ΔH 和ΔS 分別為高分子與溶劑分子混合的吉布斯混合自由能、混合焓和混合熵；T 為體系溫度。ΔH 與體系中分子間相互作用力有關(guān)，ΔS 取決于體系的有序度。

從聚合物溶解熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，LCST 型聚合物在低溫時(shí)體系的ΔG<0，溫度高于LCST 時(shí)，ΔG>0。LCST 型聚合物一般由親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)組成。在水溶液中，聚合物中親水基團(tuán)可與水分子形成大量氫鍵，形成氫鍵為放熱過程，所以ΔH<0；分子間氫鍵使水分子禁錮在聚合物鏈周圍形成水合層，水分子的自由度降低，故體系的-TΔS>0。當(dāng)溫度較低時(shí)，-TΔS 值較小，體系ΔG<0，聚合物-水體系為均相溶液。當(dāng)溫度升高，分子動(dòng)能增加，聚合物上的親水基團(tuán)與水分子間的氫鍵穩(wěn)定性下降，氫鍵相互作用減弱，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)降低，ΔH數(shù)值減小；當(dāng)溫度升高時(shí)，-TΔS 值變大，體系ΔG>0，宏觀表現(xiàn)為高分子從溶液中析出，體系變得渾濁，故LCST 也稱為“濁點(diǎn)”。相分離主要是由于溫度增加，體系的熵變化導(dǎo)致的，故把LCST 的出現(xiàn)歸因?yàn)椤办仳?qū)動(dòng)”［9-10］。

以 聚 N- 異 丙 基 丙 烯 酰 胺［poly（Nisopropylacrylamide），PNIPAM］為例說明LCST 型聚合物的相轉(zhuǎn)變機(jī)理［11-12］。如圖2 所示，PNIPAM分子中含有親水性的酰胺基（-CONH-）和疏水性的異丙基［-CH（CH3）2-］。當(dāng)溫度低于其LCST 時(shí)，PNIPAM 中的每個(gè)酰胺鍵與3 個(gè)水分子之間形成氫鍵相互作用，另外水分子之間也可形成氫鍵，PNIPAM 鏈在水溶液充分伸展，呈無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，宏觀表現(xiàn)為完全溶解。當(dāng)溫度升高時(shí)，PNIPAM 與水分子之間的氫鍵相互作用減弱，親水基團(tuán)和水的結(jié)合被部分破壞，水合的水分子重新變得自由。為降低界面能，疏水基團(tuán)與水分子減少接觸而相互聚集，即產(chǎn)生“疏水相互作用”［13-14］，水分子進(jìn)一步被排除在外，被釋放到本體水分子中，高分子的構(gòu)象由擴(kuò)張的無規(guī)線團(tuán)狀轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s的球狀結(jié)構(gòu)［13］，宏觀表現(xiàn)為溶液出現(xiàn)濁點(diǎn)。若把溫度降低到LCST以下，PNIPAM又會(huì)溶解于水中。

圖2 PNIPAM 的可逆溫敏轉(zhuǎn)變的示意圖Fig.2 Schematic diagram of reversible temperaturesensitive transition of PNIPAM

2 LCST 型聚合物的分類

根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，LCST 型聚合物主要可分為聚丙烯酰胺類、聚乙烯基酰胺類、聚醚類、聚甲基丙烯酸酯類和聚噁唑啉類等。

1）聚丙烯酰胺類

聚丙烯酰胺類聚合物是研究最多的溫敏聚合物，其溫敏性與側(cè)鏈的取代氨基的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與O＝C─N─R1（R2）上的取代基R1、R2有關(guān)。當(dāng)取代基R1為氫原子或甲基且R2為甲基時(shí)，聚合物有良好的溶解性，未表現(xiàn)出LCST 型溶液相行為；當(dāng)取代基R1為氫原子、甲基或乙基且R2為乙基、丙基、異丙基和環(huán)丙基時(shí)，聚合物在水中（0～100 ℃）表現(xiàn)出LCST 型溶液相行為；當(dāng)取代基R1是甲基或乙基且R2是丙基、異丙基或環(huán)丙基時(shí)，聚合物在水中不溶解［15］。表1 列出了常見聚丙烯酰胺類聚合物及其對(duì)應(yīng)的LCST。

目前研究最廣泛的聚丙烯酰胺類聚合物是PNIPAM。Heskins 等［16］首次報(bào)道了PNIPAM 的相轉(zhuǎn)變行為。PNIPAM 的廣泛研究是由于在32 ℃的水溶液中發(fā)生了明顯的相轉(zhuǎn)變行為，其LCST 與分子量和濃度無關(guān)［17］，并且具有良好的生物相容性。然而，人體生理溫度約為37 ℃，因此，若要應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域需改變其LCST 至37 ℃附近。通常與親水單體共聚時(shí)，得到的共聚物的LCST 會(huì)提高；與疏水單體共聚時(shí)，所得共聚物的LCST會(huì)降低。表2列舉了一些基于PNIPAM 的共聚物及其LCST。

表1 常見聚丙烯酰胺類聚合物Tab.1 Common polyacrylamide polymers

2）聚乙烯基酰胺類

聚乙烯基酰胺類聚合物有聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺［poly（N-vinyl caprolactam），PVCL］和聚N，N-乙 烯 基 丙 基 乙 酰 胺［Poly （N-vinyl propylacetamide），PVPA］在水中表現(xiàn)出LCST 型相變行為［23］。其中，PVCL 是聚乙烯基酰胺類聚合物中研究較多的聚合物，其LCST 在30～50 ℃范圍內(nèi)可調(diào)［24］。PVCL 的溫敏性與分子量和溶液濃度有很大的關(guān)系，可通過這些因素來改變其LCST［25］。PVCL 具有良好的生物相容性，且水解后無毒，這種特性使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。?？∥岬龋?6］利用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合的方法合成了PVCL，并研究了無機(jī)鹽對(duì)其LCST 的影響，結(jié)果表明，加入碘化鉀后，PVCL的LCST 隨著碘化鉀濃度的增大而逐漸升高；加入氯化鈉后則LCST 會(huì)明顯降低，氯化鈉濃度過高甚至?xí)筆VCL 在室溫下產(chǎn)生沉淀。

3）聚醚類

聚醚類聚合物在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，其中脂肪族聚醚由于其低毒性、生物相容性和溫敏性可以用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。聚氧乙烯聚氧丙烯共聚物（poloxamers）是脂肪族聚醚中的一類，由聚氧乙 烯（polyethylene oxide，PEO）和 聚 氧 丙 烯（polypropylene glycol，PPO）均聚鏈組成。聚氧乙烯聚氧丙烯共聚物具有LCST 行為，且其LCST 可以通過共聚物的組成調(diào)節(jié)在10～100 ℃的范圍內(nèi)［27］。PEO 在85 ℃下溶于水，而PPO 是疏水的，因此，制備具有不同摩爾比的PEO 和PPO 的嵌段共聚物，可以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)變溫度和溶解性［28］。

Pluronic F127（簡(jiǎn)稱F127）是已商業(yè)化的聚醚類LCST 型聚合物，結(jié)構(gòu)為PEO99-PPO65-PEO99，其LCST 約為30 ℃［29］。F127 由于其在水溶液中的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變行為，引起了人們的廣泛關(guān)注。Li 等［30］利 用 多 種 物 理 作 用 將α-環(huán) 糊 精（αcyclodextrin hydrate，α-CD）引入F127 中，制備出穩(wěn)定的F127-α-CD 復(fù)合水凝膠，F(xiàn)127-α-CD 水凝膠的臨界凝膠溫度可通過F127 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來調(diào)節(jié)，使其接近生理溫度。

表2 基于PNIPAM 的不同共聚物Tab.2 Different copolymers based on PNIPAM

4）聚甲基丙烯酸酯類

近年來，研究最多的一類PNIPAM 替代品是含寡聚乙二醇的聚甲基丙烯酸酯［poly（oligo ethylene glycol（meth）acrylate），POEGMA］［31］。Han 等［32］首次報(bào)道了通過活性陰離子聚合制備的POEGMA具有溫敏性行為，與PNIPAM相似。由于聚乙二醇側(cè)鏈不帶電荷、低毒性，POEGMA 具有良好的生物相容性，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［33］。

POEGMA 的LCST 可以通過改變側(cè)基OEG單體的數(shù)量以及改變寡聚乙二醇鏈末端的官能團(tuán)來調(diào)節(jié)［34］。Sun 等［35］采用2-（2-甲氧基乙氧基）乙基甲基丙烯酸酯（MEO2MA）和OEGMA（Mn=475 g/mol）2 種單體通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）合成了 無 規(guī) 共 聚 物P（MEO2MA-co-OEGMA475），其LCST 為32.5 ℃。Ieong 等［36］混合2 種不同分子量的POEGMA 鏈，對(duì)POEGMA 共混物的進(jìn)行比濁分析，觀察到POEGMA 共混物有2 個(gè)獨(dú)立的相轉(zhuǎn)變，說明POEGMA的LCST對(duì)分子量的依賴性小。

5）聚噁唑啉類

噁唑啉是一類五元雜環(huán)化合物，其中2-噁唑啉可以通過陽離子開環(huán)聚合法制備聚2-噁唑啉［poly（2-oxazoline），POx］［37］。帶有甲基側(cè)鏈的聚2-噁唑啉具有很強(qiáng)的親水性，不表現(xiàn)出溫敏性。但當(dāng)側(cè)鏈為乙基、丙基或異丙基時(shí)，聚2-噁唑啉在水中具有LCST 性質(zhì)。如聚2-乙基-2-噁唑啉［poly（2-ethyl-2-oxazoline），PEtOx］、聚2-異丙基-2-噁唑啉［poly（2-isopropyl-2-oxazoline），PiPropOx］和聚2-正丙基-2-噁唑啉［poly（2-propyl- 2-oxazoline），PnPropOx］的轉(zhuǎn)變溫度依次下降，分別為65、36 和24 ℃［38］，化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 聚噁唑啉類聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.3 Chemical structures of polyoxazoline polymers

由于POx 的主鏈與聚氨基酸類似，聚噁唑啉具有良好的生物相容性［39］。聚2-噁唑啉的LCST取決于分子量以及共聚物中影響親水/疏水平衡的共聚單體［40-41］。Monnery 等［42］以聚2-噁唑啉為基礎(chǔ)合成了具有高分子量的三嵌段共聚物，該三嵌段共聚物由外嵌段為疏水性較強(qiáng)的PnPropOx 和內(nèi)嵌段為親水性的PEtOx 組成，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的三嵌段共聚物溶液在室溫下為液體，在水浴中加熱至31～32 ℃可形成柔軟且透明性好的水凝膠，可用于藥物釋放和細(xì)胞培養(yǎng)。

3 LCST 型聚合物在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

LCST 型聚合物具有獨(dú)特的溫敏性以及良好的生物相容性，在藥物輸送、基因治療和組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

3.1 藥物輸送

藥物輸送成功的關(guān)鍵是要將藥物輸送到預(yù)期的位置，并且在適宜的時(shí)間提供適合的濃度［43］。藥物輸送體系需要解決的問題包括藥物的低溶解性、環(huán)境或酶的促降解、體內(nèi)清除速率過快、非特異毒性和體內(nèi)傳輸障礙等［43-45］。為了解決上述問題，研究者們嘗試以聚合物作為藥物載體。大量研究結(jié)果顯示，LCST 型聚合物在實(shí)現(xiàn)智能釋藥、減少給藥頻率及癌癥治療等方面體現(xiàn)出了自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

以LCST 型聚合物為藥物載體來輸送藥物，當(dāng)溫度高于LCST 時(shí)，藥物載體會(huì)發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，載體結(jié)構(gòu)坍塌，載體提供的載藥空間減小，從而使藥物從載體釋放出來。Indulekha 等［46］通過將PVCL 與殼聚糖接枝制備了殼聚糖-g-PVCL 凝膠（CP 凝膠），該CP 凝膠具有生物可降解性和溫敏性，其LCST 為35 ℃。對(duì)大鼠腹部皮膚（背側(cè)）行皮膚刺激試驗(yàn)，CP 凝膠熱敷后的24 h，觀察到大鼠皮膚正常，無紅斑形成或任何可見的刺激跡象，如圖4（a）所示，表明此CP 凝膠材料具有良好的生物相容性。CP 凝膠作為乙酰氨基酚（一種模型親水性藥物）和依托考昔（一種模型疏水性藥物）的載體進(jìn)行熱觸發(fā)的透皮給藥實(shí)驗(yàn)，經(jīng)CP 凝膠處理的大鼠和經(jīng)熱處理的CP 凝膠處理的大鼠的皮膚進(jìn)行了組織病理學(xué)檢查，在14 d 內(nèi)觀察到大鼠皮膚正常，與對(duì)照皮膚樣本相似，如圖4（b）所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)皮膚溫度較高（39 ℃）時(shí)，藥物釋放增強(qiáng)，因此，患者無論何時(shí)經(jīng)歷疼痛，都可以通過加熱墊自己給藥，從而實(shí)現(xiàn)了藥物的智能控釋。

圖4 皮膚刺激試驗(yàn)圖：（a）大鼠腹部照片，（b）大鼠皮膚組織病理學(xué)變化［46］Fig.4 In vivo skin irritation test：（a）image of rat abdomen，（b）histopathological staining of skin tissue excised from rats［46］

對(duì)于藥物輸送系統(tǒng)來說，最大的挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物釋放速率的控制。由于LCST 型聚合物對(duì)溫度的敏感特性，可以通過溫度的刺激實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放，使藥物濃度在較長時(shí)間內(nèi)保持在有效的范圍內(nèi)。Su 等［47］首先使用苯乙烯、NIPAM、β-環(huán)狀糊精（β-cyclodextrin，β-CD）合成了一系列兩嵌段共聚物，然后將這些嵌段共聚物通過自組裝和呼吸圖法制備了β-CD-功能化多孔兩親性嵌段共聚物膜（β-CD-PBCPFs），該共聚物膜具有可控的孔徑參數(shù)、高均勻度、溫敏性，可以控制釋放的強(qiáng)力霉素（抗癌藥物）和甲硝唑。圖5 是基于β-CD-PBCPFs 的主客體相互作用增強(qiáng)可調(diào)釋放示意圖。由于β-CD 和藥物分子之間的主客體作用，β-CD-PBCPFs 在37 ℃和25 ℃都顯示了持續(xù)釋放行為。在37 ℃下強(qiáng)力霉素的釋放速率明顯快于在25 ℃下的釋放速率，這是因?yàn)樵?7 ℃以下PNIPAM 嵌段高度溶脹，使β-CD-PBCPF 的孔徑變小，并導(dǎo)致強(qiáng)力霉素緩慢釋放。Zhang 等［48］選取PLA 和NIPAM 單體為原料，通過紫外光聚合與靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合的方法合成具有溫敏性的核-殼結(jié)構(gòu)纖維PLA-PNIPAM。在25 ℃時(shí)PNIPAM 鏈和水分子之間形成了氫鍵，阻止核內(nèi)的促食素A4釋放，使50%～60%的藥物仍包埋于PLA 核中。若溫度達(dá)到LCST（約40 ℃）以上，PNIPAM 嵌段從親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。PNIPAM 鏈發(fā)生收縮，其與水分子之間的氫鍵也被破壞，導(dǎo)致殼結(jié)構(gòu)變形，使得約70%的藥物分子從PLA 核中釋放出來。

圖5 基于β-CD-PBCPF 的主客體相互作用增強(qiáng)可控釋放的示意圖［47］Fig.5 Schematic illustration of host-guest interactionenhanced adjustable release based on β-CD-PBCPFs［47］

3.2 基因治療

基因治療是指通過替代、修補(bǔ)或調(diào)節(jié)缺陷基團(tuán)來治療遺傳疾病，關(guān)鍵是將治療基因傳輸?shù)酱委熁虻募?xì)胞中。然而，脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）及 核 糖 核 酸（ribonucleic acid，RNA）是帶負(fù)電荷的親水分子，無法穿過同樣帶負(fù)電荷的疏水細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)胞的細(xì)胞核中。此外，DNA 分子極其容易在各種生物酶的作用下降解或滅活。為了解決這一問題，研究人員提出使用基因載體來運(yùn)輸DNA 分子和其所攜帶的遺傳信息［49］。病毒載體與非病毒載體是最常使用的兩大類基因轉(zhuǎn)運(yùn)載體。病毒載體雖然轉(zhuǎn)染效率高，然而也存在免疫原性、致癌性、難以大量制備等缺點(diǎn)，因此促進(jìn)了非病毒載體的發(fā)展。和病毒相比，非病毒載體具有安全性高、免疫原性低和制備簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，使其有望成為實(shí)現(xiàn)基因治療的重要工具，例如天然多糖聚合物、陽離子聚合物和脂質(zhì)體等［50］。但是，非病毒載體轉(zhuǎn)染效率較低，限制了其在基因治療方面的應(yīng)用。采用LCST 型聚合物作為基因傳遞載體時(shí)，可以通過控制溫度變化調(diào)節(jié)基因的釋放，使負(fù)載的基因能夠在一定的時(shí)間和部位釋放，有效提高其轉(zhuǎn)染效率。

LCST 型聚合物載體可以與帶負(fù)電荷的DNA、RNA 等通過靜電作用形成納米復(fù)合物，保護(hù)這些核酸避免被酶降解，并提高基因轉(zhuǎn)染效率。Wang 等［51］先采用有機(jī)相法制備了單分散磁性納米 粒 子（monodisperse magnetic nanoparticles，MNPs），再用表面引發(fā)的ATRP 法合成的聚［2-（2-甲氧基乙氧基）甲基丙烯酸乙酯］-b-聚［2-（二甲基氨基）甲基丙烯酸乙酯］（PMEO2MA-PDMAEMA）共聚物刷對(duì)MNPs進(jìn)行改性，得到MNPs@PMEO2MAPDMAEMA，其臨界轉(zhuǎn)變溫度較低，為31～32 ℃。MNPs@PMEO2MA-PDMAEMA 與 質(zhì) 粒DNA 形 成納米復(fù)合物，質(zhì)粒DNA 的內(nèi)化率可以達(dá)到96%。圖6 是在磁場(chǎng)/溫度刺激下MNPs@PMEO2MAPDMAEMA 增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)染的機(jī)理示意圖，在磁場(chǎng)作用下，當(dāng)溫度由37 ℃迅速冷卻到20 ℃，可以觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)基因的釋放，使細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率比恒溫培養(yǎng)細(xì)胞的對(duì)照組提高了50～100 倍。

圖6 磁場(chǎng)/溫度刺激誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)染增強(qiáng)的機(jī)理［51］Fig.6 Mechanism of magnetic field/temperature stimuliinduced enhancement in gene transfection［51］

Chalanqui 等［52］采用海藻酸鹽（alginate，Alg）接枝PNIPAM 制備了共聚物水凝膠Alg-g-PNIPAM，該水凝膠在20 ℃時(shí)可注射并在生理?xiàng)l件下固化，因此具有適合于構(gòu)建微創(chuàng)局部質(zhì)粒DNA 傳遞系統(tǒng)的特性。此外，由于高分子量海藻酸鹽增加了共聚物在37 ℃時(shí)的強(qiáng)度，水凝膠可以在長達(dá)30 d 的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，進(jìn)而能夠可控持續(xù)地釋放質(zhì)粒DNA。Feng 等［53］使用非病毒陽離子嵌段共聚物聚乙二醇-聚N（N′-（2-氨乙基）-氨基乙基））天冬酰胺（PEG-b-PAsp（DET））、聚（N-異丙基丙烯酰胺）-聚N（N′-（2-氨乙基）-氨基乙基）天冬酰胺（PNIPAM-b-PSP（DET））傳輸治療性質(zhì)粒DNA，圖7 是 由PEG-b-PAsp（DET）、PNIPAM-b-PAsp（DET）和攜帶HO-1 的質(zhì)粒DNA 組成的復(fù)合膠束，用于椎間盤衰退的基因治療。將復(fù)合膠束注射到椎間盤組織間隙，經(jīng)過4 周觀察，證實(shí)了椎間盤退變的進(jìn)程明顯減慢。在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，與單獨(dú)嵌段共聚物PEG-b-PASP 制備的規(guī)則復(fù)合膠束相比，復(fù)合膠束在細(xì)胞中的基因轉(zhuǎn)染效率明顯高于前者，并且在提高膠束穩(wěn)定性的同時(shí)還降低了對(duì)細(xì)胞的毒性。

3.3 組織工程

組織工程學(xué)是將工程學(xué)與自然科學(xué)結(jié)合為一體的綜合性學(xué)科，致力于發(fā)展用于修復(fù)、替代、提高人體器官及其功能的生物材料。在組織工程中，用于組織細(xì)胞培養(yǎng)的支架通常是蛋白質(zhì)或合成聚合物材料。與天然高分子材料相比，人工合成的聚合物具有不被酶降解，更易于調(diào)節(jié)機(jī)械與化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)［54］。溫敏高分子在組織工程中主要是作為促進(jìn)細(xì)胞生長和增殖的支架，其好處在于細(xì)胞層的胞外基質(zhì)保持在細(xì)胞周圍的原始位置，從而提高了細(xì)胞的活性和細(xì)胞的再黏附［55］。

圖7 混合復(fù)合膠束攜帶HO-1 用于椎間盤衰退的基因治療［53］Fig.7 Mixed polyplex micelles carry HO-1 for gene therapy of disc degeneration［53］

LCST 型聚合物作為組織工程的支架材料，為細(xì)胞的生長提供充足的養(yǎng)料和適宜的增殖環(huán)境。Lin 等［56］使用PNIPAM 接枝聚二甲基硅氧烷［poly（dimethylsiloxane），PDMS］合 成 了 溫 敏 性 基 材PNIPAM-PDMS，可用于細(xì)胞黏附生長和增殖。在PNIPAM-PDMS 基材表面PNIPAM 的疏水性支持著細(xì)胞在37 ℃下生長，冷卻到20 ℃后，PNIPAM 由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，PNIPAM-PDMS 表面形成水化層，觸發(fā)了活躍的細(xì)胞脫離反應(yīng)，使細(xì)胞層在10 min 內(nèi)從基材上完全脫離。Oroojalian 等［57］合成了一種具有生物相容性和可生物降解的溫敏性嵌段聚合物PNIPAM-PCL-PEG-PCL-PNIPAM，其LCST 為37 ℃。隨著溫度升高，聚合物溶液由溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種水凝膠可以為成纖維細(xì)胞提供適當(dāng)?shù)母街蜕L表面，并顯著提高了I 型膠原蛋白（I 型膠原的主要成分）和III 型膠原RNA 的表達(dá)，也證實(shí)了水凝膠未來在皮膚傷口愈合中的應(yīng)用潛力，因?yàn)槔w維狀膠原蛋白（I 型和III 型）是成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分。對(duì)聚合物進(jìn)行了降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在1 個(gè)月后聚合物呈現(xiàn)逐漸降解的趨勢(shì)。因此，這種嵌段聚合物有望作為一種可生物降解支架，用于組織工程中皮膚傷口愈合應(yīng)用，也可用作持續(xù)藥物傳輸系統(tǒng)的可注射載體。

Fragal 等［58］通 過 將PNIPAM 與 聚 苯 乙 烯（polystyrene，PS）共混，采用動(dòng)態(tài)呼吸圖法制備了粒徑為100～400 nm 的溫敏性亞微孔薄膜PS/PNIPAM，并將其用做細(xì)胞生長的支架。采用不同PNIPAM 含量的亞微孔膜作為支架進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，結(jié)果表明，PNIPAM 亞微孔膜使細(xì)胞存活率比通常用于細(xì)胞培養(yǎng)的對(duì)照標(biāo)本提高9～13 倍。圖8 展示了基于PNIPAM 的溫敏性亞微孔薄膜作為細(xì)胞培養(yǎng)的支架。細(xì)胞黏附在PS/PNIPAM 薄膜表面，并在37 ℃（LCST 以上）條件下快速融合生長。然后，將薄膜轉(zhuǎn)移到20 ℃（LCST 以下）的槽中，PNIPAM 聚合物鏈與水分子相互作用并開始溶脹，從而在膜上形成水化層，促進(jìn)細(xì)胞脫離。

圖8 基于PNIPAM 的溫敏性亞微孔薄膜作為細(xì)胞培養(yǎng)的支架［58］Fig.8 Temperature sensitive microporous membrane based on PNIPAM as scaffold for cell culture［58］

Gioffredi 等［59］使用了一種可以加熱的打印墨盒，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的F127 溶液填充。利用聚合物的溶液-凝膠相變過程，在溶液溫度為4 ℃時(shí)，加入細(xì)胞，然后將墨盒加熱至37 ℃可實(shí)現(xiàn)凝膠化，并可打印出具有大孔的穩(wěn)定支架結(jié)構(gòu)，打印后只需將溫度降到其LCST 以下即可沖洗掉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫或其他惡劣的條件，細(xì)胞沿F127水凝膠支架均勻分布，且具有較高的細(xì)胞活性。

4 展 望

作為溫敏聚合物的一種，LCST 型聚合物由于具有良好的生物相容性、獨(dú)特的溫敏性且相變溫度可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。從最初發(fā)現(xiàn)的PNIPAM 到現(xiàn)在，LCST 型聚合物已經(jīng)發(fā)展出很多種類，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究與探索。然而，盡管LCST 型聚合物的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但目前LCST 型聚合物也存在一些問題，主要包括以下兩點(diǎn)：1）LCST 型聚合物的只對(duì)溫度響應(yīng)，其功能較為單一，但是環(huán)境中的刺激方式多種多樣，而且多種刺激方式并存；2）大多數(shù)LCST 型聚合物都是難以生物降解的，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

未來LCST 型聚合物的發(fā)展趨勢(shì)之一是開發(fā)多重響應(yīng)聚合物，這種聚合物將LCST 相變與其他響應(yīng)相結(jié)合，如氧化還原反應(yīng)、pH 變化等，進(jìn)一步擴(kuò)大其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。此外，開發(fā)具有生物可降解的新型LCST 型聚合物以及其應(yīng)用將是未來的一個(gè)重要研究課題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力，相信LCST 型聚合物會(huì)朝著多功能化、生態(tài)化、大眾化的趨勢(shì)發(fā)展。