導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料在組織工程中的應(yīng)用進(jìn)展*

查芳雯，陳 煒，于德梅

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，西安 710049； 2. 西安交通大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

靜電紡絲纖維材料由于與天然的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)具有相似性，已經(jīng)成為組織工程應(yīng)用的一個(gè)新興研究課題[1-2]。導(dǎo)電聚合物是一類具有共軛π鍵的高分子，其主鏈上具有高度重疊的共軛π軌道，共軛結(jié)構(gòu)上的電子游離與高分子主鏈及鄰近的鏈間，賦予了高分子導(dǎo)電的能力。近年來(lái)，導(dǎo)電聚合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到研究者的關(guān)注[3-5]。作為一種具有導(dǎo)電性質(zhì)的材料，導(dǎo)電聚合物最主要的特點(diǎn)是可以直接向細(xì)胞傳遞電信號(hào)和機(jī)械電刺激，對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)產(chǎn)生影響，這在組織工程，特別是與生物電相關(guān)的組織，如神經(jīng)、肌肉、心臟等，具有很好的應(yīng)用價(jià)值[6-7]。此外，含有導(dǎo)電聚合物的材料可以為細(xì)胞提供可控范圍和可控時(shí)間的導(dǎo)電及電刺激，并且具有增強(qiáng)細(xì)胞膜極化和電荷傳輸?shù)墓δ堋＿@種導(dǎo)電聚合物所提供的電刺激主要集中在聚合物周圍，因而能實(shí)現(xiàn)對(duì)電刺激空間和時(shí)間的精準(zhǔn)控制，影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖等行為[8]。因此，導(dǎo)電聚合物是設(shè)計(jì)并制備具有導(dǎo)電特性的組織工程生物材料的理想選擇。通過(guò)靜電紡絲法，目前已經(jīng)有多種策略可以將導(dǎo)電聚合物加工成納米纖維。然而，由于導(dǎo)電聚合物固有的剛性和難溶性，直接電紡絲制備成纖維具有很大的困難。從原則上說(shuō)，通過(guò)靜電紡絲直接制備的導(dǎo)電聚合物納米纖維應(yīng)保持其高導(dǎo)電性和固有的物理化學(xué)特性。但是，由于分子量的限制，以及缺少適用的靜電紡絲溶劑，只有一部分導(dǎo)電聚合物，如聚吡咯和聚苯胺，可以通過(guò)靜電紡絲直接制成纖維。將導(dǎo)電聚合物與靜電紡絲纖維相結(jié)合，制備成具有導(dǎo)電性能的復(fù)合纖維材料，是目前研究的主要思路。將導(dǎo)電聚合物與具有良好機(jī)械性能、生物相容性的聚合物相結(jié)合，既有利于成纖維，又有利于提高導(dǎo)電聚合物纖維的性能。電紡絲納米纖維主要作為基質(zhì)材料，其具有高表面性和多孔性，可以為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供合適的基質(zhì)。利用電紡絲制備復(fù)合纖維的方式有多種，包括共混法，原位聚合法和同軸靜電紡絲法等。不同方法制備的導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有所差異，對(duì)材料的性能和應(yīng)用都有重要的影響。本文從靜電紡絲纖維入手，分析了靜電紡絲纖維材料的特性，介紹了不同結(jié)構(gòu)的纖維特點(diǎn)。聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺及其衍生物是導(dǎo)電聚合物中較為常見(jiàn)的三類聚合物。在此基礎(chǔ)上，本文主要分三類總結(jié)了導(dǎo)電聚合物(聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺)/靜電紡絲纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，特別是此類材料在組織工程中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 靜電紡絲纖維材料及特點(diǎn)

靜電紡絲技術(shù)由于其適用材料范圍廣，易于調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)易，成本低，可變性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)得以快速發(fā)展。由于靜電紡絲制備的納米纖維材料具有多孔結(jié)構(gòu)，且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能和降解速率等優(yōu)勢(shì)，這類材料可以有效地應(yīng)用于組織工程、藥物緩釋、傷口敷料等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。靜電紡絲納米纖維是目前組織工程支架材料研究中的一類重要材料，主要是由于其具有以下的幾點(diǎn)特性：(1)靜電紡絲納米纖維薄膜具有較好的多孔結(jié)構(gòu)，高的表面體積比和空間體積。這些特性有利于負(fù)載和釋放生物活性分子，例如蛋白質(zhì)，納米藥物，核酸等。而且，較高的表面積有利于細(xì)胞和支架材料的接觸和黏附；(2)采用同樣的靜電紡絲裝置可以制造直徑為幾十微米甚至小到幾納米的纖維。納米級(jí)的纖維與天然細(xì)胞外基質(zhì)的有序多層纖維結(jié)構(gòu)類似，作為支架材料可以很好地模擬ECM，有利于細(xì)胞在表面的黏附和增殖；(3)單一聚合物或多種的聚合物復(fù)合物可以通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制作成納米纖維材料。這些聚合物包括大量的天然聚合物，合成聚合物及兩者的復(fù)合物，從而滿足不同的組織工程材料需求。

靜電紡絲纖維結(jié)構(gòu)可分為3類：(1)隨機(jī)取向分布纖維；(2)一維取向纖維；(3)核-殼結(jié)構(gòu)纖維。具有取向性納米纖維在組織工程中的應(yīng)用主要是為了控制細(xì)胞的生長(zhǎng)方向。取向納米纖維在組織工程中的應(yīng)用主要是為了控制細(xì)胞的生長(zhǎng)方向。排列整齊的納米纖維支架可用于用于人造血管[9]、韌帶[10]等組織工程研究。同軸靜電紡絲是靜電紡絲技術(shù)的一種改進(jìn)或延伸，主要區(qū)別是在紡絲過(guò)程中使用了復(fù)合噴絲頭。兩種組分可以分別通過(guò)不同的同軸毛細(xì)管通道，并集成到同一根纖維復(fù)合中。同軸靜電紡絲的優(yōu)點(diǎn)是可以在不改變生物相容性的情況下控制殼層厚度、整體機(jī)械強(qiáng)度和降解性能。功能化的核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維可用于控制生長(zhǎng)因子或藥物釋放，以及開(kāi)發(fā)高靈敏度傳感器和組織工程支架復(fù)合材料。

2 導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料

導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料主要可分為3大類：聚吡咯/電紡絲纖維復(fù)合材料；聚噻吩/電紡絲纖維復(fù)合材料以及聚苯胺/電紡絲纖維復(fù)合材料。下文將詳細(xì)介紹這3類材料及其在組織工程中的研究進(jìn)展。

2.1 聚吡咯/靜電紡絲纖維復(fù)合材料

聚吡咯(PPy)是吡咯單體的高分子聚合物，其制備方法靈活，穩(wěn)定性高，具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和離子交換能力。此外，聚吡咯具有良好的生物相容性，可以有效地支持細(xì)胞的粘附與生長(zhǎng)。Williams[11]最早使用了小鼠成纖維細(xì)胞(L929)和神經(jīng)瘤細(xì)胞證實(shí)了PPy不具有細(xì)胞毒性。也有研究報(bào)道了PPy和殼聚糖的可生物降解導(dǎo)電復(fù)合膜對(duì)施旺細(xì)胞的影響。研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否施加電刺激，導(dǎo)電PPy殼聚糖支架均能支持細(xì)胞粘附和增殖，但電刺激明顯增強(qiáng)了施旺細(xì)胞的細(xì)胞活性。此外，施加了電刺激PPy-殼聚糖支架顯著增加神經(jīng)生長(zhǎng)因子、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)和分泌[12]。Liu等使用氣相聚合改性電紡絲的方法制備了3D結(jié)構(gòu)的PPy復(fù)合支架材料。結(jié)果顯示隨機(jī)取向的PPy復(fù)合電紡絲纖維支架可以為PC12細(xì)胞的粘附與增殖提供具有電活性和生物相容性的平臺(tái)，具有取向性的PPy復(fù)合支架可以有效地引導(dǎo)PC12細(xì)胞神經(jīng)突的伸展方向。Kai等[13]成功地將聚吡咯(PPy)與聚己酸內(nèi)酯(PCL)復(fù)合紡絲，在此材料表面成功培養(yǎng)了心肌細(xì)胞；PPy和聚乳酸(PLA)的復(fù)合材料也在神經(jīng)組織工程領(lǐng)域被廣泛研究[15-16]。有研究報(bào)道了原位聚合的PPy/電紡絲纖維素納米纖維[14]。PPy以小顆粒的形式附著在纖維素納米纖維表面(圖1)，其導(dǎo)電性比未復(fù)合導(dǎo)電聚合物的纖維素納米纖維提高了105倍。此外， PPy/纖維素納米纖維材料沒(méi)有細(xì)胞毒性。經(jīng)過(guò)人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞體外培養(yǎng)，SH-SY5Y細(xì)胞在分化后15 d內(nèi)存活率明顯，細(xì)胞可以很好地粘附在PPy/纖維素納米纖維上，其表型更接近神經(jīng)元。

圖1 (a)電紡絲纖維素；(b)PPy 0.05/纖維素；(c)PPy0.15/纖維素；(d)PPy 0.45/纖維素納米纖維的SEM圖像[14]Fig 1 SEM images of (a) electrospun cellulose, (b) PPy 0.05/cellulose, (c) PPy 0.15/cellulose and (d) PPy 0.45/cellulose nanofiber

2.2 聚噻吩/電紡絲纖維復(fù)合材料

與PPy研究相比，聚噻吩及其衍生物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究成果較少，應(yīng)用較晚。在某些情況下，聚噻吩被發(fā)現(xiàn)具有與PPy相似的性質(zhì)，且更具有優(yōu)勢(shì)[17-19]。目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究較多的聚噻吩類聚合物主要是各種3位取代的聚噻吩衍生物，如聚3-甲基噻吩(PMTh)，聚3-己基噻吩(P3HT)，聚3-十二烷基噻吩(PDDTh)，聚(3，4-乙烯基二氧)噻吩(PEDOT)。Matin等用PEDOT[20]，PEDOT-MeOH[21]，PEDOT/S-EDOT[22]來(lái)修飾神經(jīng)微電極，發(fā)現(xiàn)修飾后的電極阻抗很大程度降低，增加了電荷容量，細(xì)胞相容性都得到了較大程度的提高；同一個(gè)課題組報(bào)道了用表面活性劑進(jìn)行修飾的PEDOT神經(jīng)探針，發(fā)現(xiàn)對(duì)比于金電極，PEDOT的阻抗更低[23]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明SH-SY5Y細(xì)胞可以黏附，神經(jīng)細(xì)胞很好地伸展在修飾的電極表面；Richardson-Burns在活的細(xì)胞[24]和神經(jīng)組織[25]周圍電化學(xué)聚合PEDOT，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的范例來(lái)制備柔軟的，阻抗低的可植入的電極。Morgado[26]等通過(guò)細(xì)胞毒性測(cè)試，證明了P3HT無(wú)細(xì)胞毒性。Jin等[27-28]將聚噻吩衍生物與合成聚合物制備了復(fù)合的納米纖維材料。他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入P3HT使得材料具有很好地光敏性，人體皮膚成纖維細(xì)胞(HDFs)可以很好地在此表面生長(zhǎng)，光刺激下的細(xì)胞增殖情況更好。此外，采用靜電紡絲和原位聚合的方法，有研究制備了具有核-殼結(jié)構(gòu)PEDOT/聚氯乙烯(PVC)納米纖維薄膜(圖2)[29]，發(fā)現(xiàn)此復(fù)合材料在光刺激的作用下可以很好地促進(jìn)脂肪干細(xì)胞分化成表皮細(xì)胞，對(duì)于皮膚重建和修復(fù)很有意義。

圖2 PEDOT納米纖維薄膜的制作原理圖，以及PVC，PEDOT靜電紡納米纖維薄膜的光學(xué)照片。在EDOT-FeCl3反應(yīng)體系中，乙醇快速蒸發(fā)，EDOT在PVC納米纖維表面發(fā)生聚合，并沿逐漸下降的納米纖維與溶液的界面形成均勻的PEDOT層，最終形成柔性的PEDOT納米纖維薄膜。[29]Fig 2 Schematic illustration of PEDOT nanofiber mats fabrication, and optical photographs of PVC electrospun nanofiber mats and obtained PEDOT nanofiber mats. The polymerization of EDOT on the surface of the PVC nanofibers occurred as the rapid evaporation of ethanol in the reaction system of EDOT-FeCl3 in ethanol, a uniform PEDOT layer formed along the gradually declining interface between nanofibers and solution, and finally resulted in a flexible PEDOT nanofiber mat

2.3 聚苯胺/電紡絲纖維復(fù)合材料

聚苯胺(PANi)的結(jié)構(gòu)具有多樣性，其環(huán)境穩(wěn)定性高，電子易于轉(zhuǎn)移。與聚吡咯相比，生物相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，主要的缺陷是其細(xì)胞相容性較差。有報(bào)道研究了經(jīng)摻雜的PANi和明膠的混合物經(jīng)電紡絲制備的納米纖維在組織工程中的潛在應(yīng)用。目的是在體內(nèi)為心臟組織工程制造支架。增加共混物中PANi的濃度，發(fā)現(xiàn)電紡絲纖維的直徑減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，纖維直徑小于100 nm。實(shí)驗(yàn)選用H9c2大鼠心肌成肌細(xì)胞在纖維材料上培養(yǎng)。結(jié)果表明PANi與明膠納米纖維具有生物相容性，能支持細(xì)胞附著和增殖。Huang等[30]以聚乳酸為生物降解段，低分子量苯胺五聚物為電活性段，制備了一種新型電活性可生物降解復(fù)合材料。Zhang[31]等以甘氨酸乙酯為側(cè)鏈合成了一種新型的導(dǎo)電生物可降解聚磷腈聚合物，并利用施旺細(xì)胞對(duì)其生物相容性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該聚合物沒(méi)有細(xì)胞毒性，適合作為外周神經(jīng)再生或其他需要電活性的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的支架材料。Huang等[32]通過(guò)羥基聚乳酸和苯胺五聚物的縮聚反應(yīng)合成了一種多嵌段共聚物，該共聚物具有良好的電活性和生物降解性，適合于組織工程應(yīng)用。

在神經(jīng)體系中，生物電信號(hào)在維持生命活動(dòng)中起到了至關(guān)重要的作用。電刺激的信號(hào)影響離子跨膜移動(dòng)的流向，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路來(lái)改變膜電勢(shì)，被認(rèn)為是一種具有潛力的提高神經(jīng)組織修復(fù)和功能重建的方法[34-35]。在此前提下，具有電場(chǎng)響應(yīng)和一定導(dǎo)電性能的神經(jīng)組織工程支架是目前研究的新方向。導(dǎo)電聚合物由于其優(yōu)異異的生物相容性和物理化學(xué)性質(zhì)以及一定的電性能，可以制備成具有一定導(dǎo)電性能的神經(jīng)組織支架材料，與電刺激相結(jié)合，促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)。Schmidt等[36]最早將PC12細(xì)胞培養(yǎng)在氧化的PPy薄膜上，并施加了100 mV，2 h的直流外電場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有明顯的促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的效果。有研究將PANi與PCL/明膠納米纖維支架結(jié)合用于檢測(cè)ES對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞增殖和分化的影響[37]。結(jié)果表明，電刺激后的細(xì)胞增殖受到促進(jìn)，神經(jīng)突的長(zhǎng)度較未刺激的支架表面細(xì)胞更長(zhǎng)。Hsu等[38]將神經(jīng)干細(xì)胞在電紡絲血清白蛋白納米纖維支架上培養(yǎng)，并使用2 Hz、50 mV/cm電脈沖連續(xù)刺激2 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)ES處理的血清白蛋白支架具有最長(zhǎng)的神經(jīng)突生長(zhǎng)和明顯更多的神經(jīng)突分枝。Zhang等[33]制備了具有取向性的含有神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)的PANi和PLLA-PCL核-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維支架，用于培養(yǎng)PC12細(xì)胞(圖3)。經(jīng)100 mV/cm，每天刺激1 h后，分化的細(xì)胞沿著導(dǎo)電納米纖維的長(zhǎng)軸方向生長(zhǎng)，且神經(jīng)突的長(zhǎng)度增加，數(shù)量增多。

圖3 (A)在電刺激和無(wú)電刺激的條件下，PS-PANi-1+NGF納米纖維的NGF累積釋放。PC12細(xì)胞在不同培養(yǎng)基中分化3天:(B) RPMI 1640培養(yǎng)基;(C) RPMI 1640培養(yǎng)基含NGF緩釋介質(zhì)(5天)，無(wú)電刺激;(D) RPMI 1640含NGF緩釋介質(zhì)(5天)，100 mV/cm恒壓電刺激(5天，每天1 h)，標(biāo)尺=100 μm, n=6[33]Fig 3 (A)Cumulative release of NGF from the PS-PANi-1 + NGF nanofibers with and without electrical stimulation. PC-12 differentiation in different culture media for 3 days: (B) RPMI 1640 medium; (C) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) without electrical stimulation; (D) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) with electrical stimulation at a constant voltage of 100 mV/cm (5 days, 1 h per day), scale bar=100 μm, n=6[33]

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著生物材料的不斷發(fā)展，具有導(dǎo)電性能的組織工程支架材料受到了越來(lái)越多的關(guān)注。導(dǎo)電聚合物的生物相容性、可調(diào)導(dǎo)電性、易合成和改性等優(yōu)點(diǎn)使其成為組織工程中極具潛力的材料。靜電紡絲纖維特殊的結(jié)構(gòu)及成本低，易制造等優(yōu)勢(shì)，使其成為目前最廣泛的導(dǎo)電纖維支架的制備方式。以導(dǎo)電聚合物為導(dǎo)電物質(zhì)，為支架提供電性能，以合成聚合物如PCL、PLA、PLGA等聚合物為基質(zhì)，制備的復(fù)合材料在修復(fù)骨、肌肉、神經(jīng)、心臟和皮膚組織等領(lǐng)域具有很大的潛力。在導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料上施加電刺激可以增強(qiáng)材料上培養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞活性，包括細(xì)胞的增殖和分化等。雖然導(dǎo)電聚合物在體外具有良好的生物相容性，導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料的合成和功能化已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但其體內(nèi)生物相容性和生物降解性仍需要系統(tǒng)的研究。為了保證導(dǎo)電生物材料的無(wú)毒性和可降解性，需要進(jìn)行大量的長(zhǎng)期細(xì)胞毒性和生物降解的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。未來(lái)，導(dǎo)電聚合物/靜電紡絲纖維復(fù)合材料在組織中的應(yīng)用研究將會(huì)更加深入，其性能優(yōu)化和臨床的應(yīng)用將得到進(jìn)一步的探索。