史杰中,張 犇,郭 敏,伊 卓,郭子芳
(中國石化 北京化工研究院,北京 100013)
近年來,隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及環(huán)境的改善,人們的生活水平不斷提高,對(duì)健康也愈發(fā)關(guān)注,推動(dòng)了疾病診斷和治療技術(shù)的發(fā)展,同時(shí)也對(duì)醫(yī)用材料和醫(yī)用器械提出了更高的要求。高分子化合物是指分子量達(dá)到上千甚至上百萬的化合物,是日常生活中必不可少的產(chǎn)品,在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-3]。醫(yī)用高分子材料是指用于體外診斷、藥物緩釋、再生醫(yī)學(xué)、植介入器械及組織工程等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一類高分子材料[4-6],是醫(yī)學(xué)材料的重要組成部分。
本文綜述了用于植介入領(lǐng)域的醫(yī)用高分子材料,從來源將其分為天然高分子聚合物、合成高分子聚合物及高分子/無機(jī)材料復(fù)合物三大類,并從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用幾個(gè)方面對(duì)每類材料進(jìn)行了概述,重點(diǎn)介紹了合成類高分子聚合物,同時(shí)分析了當(dāng)前的市場現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。
天然高分子聚合物可以從自然界中直接獲取,來源豐富,成本較低,具有優(yōu)異的生物相容性和可降解性,能夠有效促進(jìn)細(xì)胞生長、黏附和遷移,是應(yīng)用最廣泛的一類醫(yī)用高分子材料[7]。但是,天然高分子聚合物普遍存在一些不足,如機(jī)械性能較差、免疫原性較強(qiáng)等[8]。常用的天然高分子聚合物包括蛋白類和多糖類兩大類。
目前,天然高分子聚合物市場前景廣闊,中國也是天然高分子聚合物的生產(chǎn)大國,但大部分產(chǎn)品主要集中在低端領(lǐng)域,亟需調(diào)整生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),以滿足高端醫(yī)用材料的市場需求。
膠原蛋白是一種具有三螺旋結(jié)構(gòu)的多肽[9],主要位于結(jié)締組織的細(xì)胞外基質(zhì)中,是人體中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白。膠原蛋白有很多類型,通??梢詮膭?dòng)物組織中提取,由于它具有優(yōu)異的生物相容性、可降解性,以及如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列可以有效促進(jìn)細(xì)胞的黏附和遷移等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域,作為支架材料促進(jìn)組織的修復(fù)與再生[10]。
明膠是由膠原蛋白部分水解生成的一類蛋白質(zhì),組成成分與膠原類似,但在水解過程中,膠原蛋白的氫鍵和共價(jià)鍵發(fā)生斷裂,部分三螺旋結(jié)構(gòu)被破壞。明膠主要由動(dòng)物膠原在水中加熱或化學(xué)變性制備得到,保留了膠原蛋白優(yōu)異的生物相容性,且免疫原性低于膠原蛋白,機(jī)械性能較高,性質(zhì)穩(wěn)定,是一種優(yōu)異的組織工程支撐材料[11-12]。但明膠的力學(xué)強(qiáng)度隨溫度變化過于敏感,且在37 ℃下為溶液狀態(tài),通常需要進(jìn)一步交聯(lián)以保證它在體內(nèi)的穩(wěn)定性[13]。
纖維蛋白是一種由自由排列的纖維組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在凝血過程中發(fā)揮著重要作用。纖維蛋白通常由纖維蛋白原聚合而成[14],具有較好的生物相容性和降解性,機(jī)械性能易調(diào)控,因此被廣泛用于3D 細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程領(lǐng)域[15]。
海藻酸鈉是來自褐藻的一種天然多糖(見圖1a),由α-L-古洛糖醛酸(圖1a 中的G 單元)和β-D-甘露糖醛酸(圖1a 中的M 單元)連接而成。在Ca2+等二價(jià)離子存在的條件下,G 單元可以與二價(jià)離子迅速發(fā)生離子交換,形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),從而形成水凝膠,且G/M 單元比例不同對(duì)水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度影響較大。海藻酸鈉一般可以通過對(duì)海藻進(jìn)行加工處理制得,由于制備成本低、成膠條件溫和、成膠速度快,已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[16]。此外,海藻酸鈉兩組分混合成膠的特點(diǎn)也使其成為3D 生物打印中最常用的天然材料[17],可用于打印人體器官,但是它的生物惰性導(dǎo)致細(xì)胞黏附性較差,不利于細(xì)胞的增殖和分化,且水凝膠的形成需要鈣離子的參與,限制了海藻酸鈉在體內(nèi)的應(yīng)用。
PDCA循環(huán)理論認(rèn)為管理中的任何工作都可以分為四個(gè)階段:計(jì)劃階段(P),實(shí)施階段(D),檢查階段(C)和總結(jié)處理階段(A),這四個(gè)階段緊密銜接,缺一不可,構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。PDCA循環(huán)模式之所以能夠應(yīng)用于創(chuàng)建高校的優(yōu)良學(xué)風(fēng),關(guān)鍵在于它的長效性、持續(xù)性、循環(huán)性和可改進(jìn)性等優(yōu)點(diǎn)。
殼聚糖是由甲殼素經(jīng)脫乙酰反應(yīng)制備得到的多糖[18],結(jié)構(gòu)中富含氨基和羧基(見圖1b),可以通過?;?、鹵化、氧化還原等多種化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行修飾和改性,是一種極具潛力的生物功能材料。此外,殼聚糖還具有抗菌性、生物相容性和生物降解性等多種生理功能,在組織工程和創(chuàng)燒敷料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[19]。
透明質(zhì)酸是由N-乙酰葡糖胺和D-葡萄糖醛酸組成的酸性黏多糖(見圖1c),廣泛存在于人體的上皮、結(jié)締和神經(jīng)組織內(nèi)。由于分子中含有多個(gè)羥基和羧基,透明質(zhì)酸可以在水溶液中形成大量氫鍵,具有強(qiáng)大的保濕作用。同時(shí),透明質(zhì)酸還具有低剪切力和高黏彈性,在臨床上具有極高的應(yīng)用價(jià)值,常被用于植介入手術(shù)的填充劑和黏彈劑,以及醫(yī)美領(lǐng)域的美塑和填充[20]。
圖1 海藻酸鈉(a)、殼聚糖(b)和透明質(zhì)酸(c)的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of sodium alginate(a),chitosan(b) and hyaluronic acid(c).
合成高分子聚合物無法直接從自然界中獲取,需要通過化學(xué)方法合成。合成高分子聚合物通常結(jié)構(gòu)明確、機(jī)械性能優(yōu)異,且容易通過分子量調(diào)控及化學(xué)修飾賦予更多的功能[21]。但是合成高分子聚合物大多都是生物惰性材料,不利于細(xì)胞的黏附和生長,生物相容性方面與天然高分子聚合物差距較大。常用的植介入合成高分子聚合物包括主鏈雙鍵聚合類高分子、聚酯、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)和聚醚醚酮(PEEK)等,分子結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 常用的植介入類合成高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 Chemical structures of commonly used synthetic polymers for implantation and intervention.
合成高分子聚合物門檻較高,部分聚合物的單體合成技術(shù)被國外壟斷,且醫(yī)用級(jí)產(chǎn)品對(duì)原料、反應(yīng)條件和生產(chǎn)工藝要求極高,目前大多數(shù)醫(yī)用級(jí)產(chǎn)品由國外企業(yè)生產(chǎn)。中國在合成高分子聚合物領(lǐng)域仍處于研發(fā)階段,產(chǎn)品單一,許多牌號(hào)無法自主生產(chǎn),高端產(chǎn)品的國產(chǎn)化是中國需要迫切解決的問題。
將通過主鏈雙鍵聚合形成的高分子聚合物稱為主鏈雙鍵聚合類高分子聚合物,除了傳統(tǒng)的聚烯烴外,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等含有不同側(cè)鏈基團(tuán)的聚合物也歸為此類。該類聚合物是植介入領(lǐng)域非常重要的材料,可用作人工骨、介入型導(dǎo)管及人工器官等。
2.1.1 聚烯烴
聚烯烴是以乙烯、丙烯、α-烯烴和某些環(huán)烯烴為單體單獨(dú)聚合或共聚制得的聚合物,工業(yè)上常用的制備方法包括高壓法和低壓法,低壓法又包括溶液法、淤漿法和氣相法。由于具有成本低、原料充足、易加工成型、機(jī)械強(qiáng)度高、相對(duì)密度小等特點(diǎn),聚烯烴成為產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的高分子材料,常用于機(jī)械、包裝、農(nóng)業(yè)、電氣等領(lǐng)域[22]。部分聚烯烴由于自身結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢,也可以制備醫(yī)用級(jí)產(chǎn)品,用于植介入等領(lǐng)域。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)通常指黏均分子量在1.5×106以上的聚乙烯,是一種無支鏈的線型聚合物。由于UHMWPE 的分子量很高,分子鏈間相互作用力很強(qiáng),很容易形成高分子晶區(qū),結(jié)晶度可達(dá)到90%以上,具有突出的耐磨性、自潤滑性和耐沖擊性,常被用于制造耐磨器件。同時(shí)UHMWPE 還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,且衛(wèi)生無毒,是一種優(yōu)異的人工關(guān)節(jié)替代材料[23]。UHMWPE 用于人工關(guān)節(jié)已有約60 年的歷史,作為植入體時(shí)使用壽命一般為10 ~15 年,用γ 射線將UHMWPE 交聯(lián)輻照可以減弱它的分子鏈運(yùn)動(dòng),有效提高耐磨性能,極大降低磨損速率,延長植入體使用壽命[24]。
聚四氟乙烯(PTFE)在保留了聚乙烯優(yōu)勢的同時(shí),還具有獨(dú)特的化學(xué)惰性、疏水性和自潤滑性,在體內(nèi)不易被血液和組織液潤濕,因此可用于制造人工血管、人工肺氣體交換膜、人工十字韌帶等[25]。此外,PTFE 容易塑型,與人體組織的排異反應(yīng)很少,并且力學(xué)性能與人體軟組織接近,內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)允許周圍組織細(xì)胞進(jìn)入生長,在美容整形領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值,被廣泛應(yīng)用于鼻部整形、眼部整形、牙周組織填充等。
聚丙烯(PP)是一種具有高度立體規(guī)整性的熱塑性塑料,可通過高壓蒸汽滅菌,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,可用來制造人工肺、血液過濾網(wǎng)等。同時(shí),由PP 單絲編織成的網(wǎng)片具有較強(qiáng)的張力和優(yōu)異的組織相容性,是當(dāng)前使用最廣泛的疝修補(bǔ)片專用料。為了提高它的抗菌性,科學(xué)家們還通過不同方法將銀納米顆粒鍍于PP 補(bǔ)片上,在體內(nèi)展現(xiàn)出明顯的抗菌效果[26]。
2.1.2 其他類聚合物
PMMA 是一種無色、透明的聚合物,俗稱有機(jī)玻璃,透光率可達(dá)90%以上,是塑料中透光率最佳的材料之一。由于側(cè)鏈較大,PMMA 的黏度較高,是一種廣泛應(yīng)用的塑料黏合劑。而且PMMA 質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐老化且生物相容性好,常被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,作為骨修補(bǔ)材料、骨水泥、假牙以及牙托等[27]。PMMA 骨水泥是臨床應(yīng)用最廣泛的一種人工關(guān)節(jié)固定材料,從1951 年開始被使用,由固體粉末和液體兩部分制劑組成。固液兩相按一定比例混合后,在室溫下就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng),黏度逐漸變大,最終固化。固化前的骨水泥具有很好的流動(dòng)性,可以通過注射器擠出至關(guān)節(jié)置換部位,從而將關(guān)節(jié)固定,使用壽命可達(dá)十幾至二十年[28]。但PMMA 固化會(huì)大量放熱,導(dǎo)致溫度過高,可能會(huì)對(duì)人體組織造成損害,且甲基丙烯酸甲酯單體殘留也對(duì)人體有一定的毒性。
聚氯乙烯(PVC)具有透明性較好、抗化學(xué)腐蝕性較強(qiáng)、韌性較高、成本低等優(yōu)勢[29],可作為植介入器械用于人體內(nèi),用作心導(dǎo)管、袋式人工肺、人工尿道等制品[30]。但是,PVC 對(duì)光和熱的穩(wěn)定性差,通常需要加入穩(wěn)定劑,否則長時(shí)間使用會(huì)發(fā)黃變脆。同時(shí),氯乙烯單體殘留以及添加的增塑劑、穩(wěn)定劑對(duì)人體都有較大毒性,因此,單體殘留控制技術(shù)及無毒助劑開發(fā)是PVC 用于醫(yī)衛(wèi)材料的關(guān)鍵。
PVP 的溶解性優(yōu)異,不僅可以溶于水,還可以溶于大部分有機(jī)溶劑。同時(shí),PVP 還具有良好的生物相容性和生理惰性,不會(huì)對(duì)人的眼睛、皮膚等產(chǎn)生刺激,是國際倡導(dǎo)的三大藥用新輔料之一,在組織工程領(lǐng)域可用作玻璃體和角膜替代物[30]。
聚酯是由多元酸和多元醇通過縮聚反應(yīng)形成的聚合物,是目前研究較多、應(yīng)用較廣的人工可降解高分子材料[31],在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用作骨替代材料、組織工程支架以及手術(shù)縫合線[32]。常用的聚酯類材料包括聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚己內(nèi)酯(PCL)等。
PGA 又稱聚羥基乙酸,是結(jié)構(gòu)最簡單的線型脂肪族聚酯,通常由乙交酯開環(huán)聚合得到。PLA與PGA 結(jié)構(gòu)類似,一般是由丙交酯開環(huán)聚合得到。PGA 和PLA 具有優(yōu)異的生物可降解性,在體內(nèi)降解產(chǎn)生乙醇酸和乳酸,最終代謝產(chǎn)物為水和二氧化碳,不會(huì)對(duì)人體造成傷害,已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)可用于人體。同時(shí),PGA 和PLA 還具有良好的力學(xué)強(qiáng)度和加工性能,安全無毒,常被用于骨缺損修復(fù)材料誘導(dǎo)骨組織的再生,是較早用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可降解高分子材料[33]。由于PGA和PLA 的力學(xué)性能和降解速率有所差異,因此人們開發(fā)了PGA 和PLA 的共聚物(PLGA),通過調(diào)節(jié)兩組分的嵌段比例可以得到性質(zhì)各異的聚合物材料,滿足不同藥物降解包衣材料的需求[34]。但乳酸類聚合物都具有疏水性,不利于細(xì)胞的黏附生長,與細(xì)胞的親和力較弱,限制了修復(fù)骨組織能力,通常需要通過分子改性或與其他材料摻雜提高修復(fù)性能。Zhang 等[35]將親水性聚乙二醇(PEG)鏈段引入PLGA 中,形成具有更好親水性和更快降解速率的三嵌段兩親性共聚物PLGA-PEGPLGA,之后將該共聚物與羥基磷灰石復(fù)合,通過3D打印制成三維多孔支架,用于骨缺損再生修復(fù)。大鼠長骨臨界缺損模型的修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這類支架具有突出的骨再生修復(fù)性能,生長因子用量少,可以顯著降低成本和減少副反應(yīng)。
PCL 是一種半結(jié)晶型高分子聚合物,與其他聚酯材料相比,PCL 具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn),室溫下為橡膠態(tài)。此外,PCL 易成膜,可與多種有機(jī)聚合物相容,具有良好的生物相容性,在體內(nèi)可完全降解,同時(shí)還具有形狀記憶功能,因此被廣泛用于骨釘、醫(yī)療塑性材料和人造皮膚等[36]。
PA 俗稱尼龍,是主鏈上含有重復(fù)酰胺鍵的聚合物的統(tǒng)稱。PA 有兩種合成方法,一種是由二元酸和二元胺通過縮聚反應(yīng)合成,另一種是通過內(nèi)酰胺開環(huán)聚合或氨基酸自縮聚合成。由于PA 主鏈上的酰胺基團(tuán)可形成氫鍵,分子鏈排列較為整齊,因此PA具有較高的結(jié)晶度、力學(xué)性能、耐磨性和韌性,主要用于合成纖維[37]。在醫(yī)衛(wèi)領(lǐng)域,PA 不僅可以用作手術(shù)縫合線,還可用作醫(yī)用球囊導(dǎo)管等各類介入型導(dǎo)管。
PU 是主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的高分子聚合物,又稱為聚氨基甲酸酯,一般由多元醇和多異氰酸酯通過聚合反應(yīng)生成[38]。根據(jù)多元醇結(jié)構(gòu)的不同,PU 分為聚醚型和聚酯型兩大類。由于包含硬段和軟段兩種微觀結(jié)構(gòu),因此PU 具有機(jī)械強(qiáng)度高、彈性好、耐磨、耐久等特性,以及良好的生物相容性,廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,可用于人造皮膚、血管支架及心臟輔助器等。
PEEK 是主鏈中含有兩個(gè)醚鍵和一個(gè)酮鍵重復(fù)單元的聚合物,是一種綜合性能優(yōu)異的耐高溫高分子材料,可在240 ℃條件下長期使用。PEEK 可以通過親電取代和親核取代兩種方法制備,具有耐輻射、耐化學(xué)腐蝕、無毒、質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn),且彈性模量與人體骨骼最為接近,已被廣泛應(yīng)用于人造骨骼和牙齒等領(lǐng)域[39],解決了傳統(tǒng)金屬合金植入物產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋問題。但PEEK 分子主鏈上的芳環(huán)結(jié)構(gòu)使PEEK在具有耐高溫性能的同時(shí),黏度較高,不易加工成型。
雖然醫(yī)用植介入高分子材料經(jīng)過了長足發(fā)展,基本可以滿足臨床需求,但是人體組織器官的功能復(fù)雜多樣,單一高分子材料很難模擬全部功能,因此,需要與其他材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)更多的生物功能。一些無機(jī)材料可以很好地滿足人體某些器官的特性,如導(dǎo)電性等,且很容易與高分子材料摻雜,因此高分子/無機(jī)材料復(fù)合物近年來在植介入領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[40]。
導(dǎo)電材料可以刺激細(xì)胞黏附、增殖、分化和遷移,從而進(jìn)一步影響細(xì)胞活動(dòng)和組織形成[41]。在人體組織中,神經(jīng)、肌肉、肺、心臟、骨骼肌等都具有導(dǎo)電性。因此,為了更好地模擬這些組織的功能,導(dǎo)電材料常被摻雜在醫(yī)用高分子材料中,賦予醫(yī)用高分子材料導(dǎo)電性。碳納米管(CNTs)是由碳原子組成的中空納米結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。Crowder 等[42]通過靜電紡絲法制備了導(dǎo)電的PCL/CNT 復(fù)合物并將其用于心臟組織修復(fù)。當(dāng)摻雜了3%(w)的CNTs 時(shí),PCL/CNT 復(fù)合物展現(xiàn)出0.035 S/cm 的導(dǎo)電性,在直流電刺激下,人體間充質(zhì)干細(xì)胞可以在該復(fù)合物支架中分化。Zhou 等[43]還將PCL/CNT 復(fù)合物用于神經(jīng)修復(fù)(見圖3a),相比于純PCL 支架,PC-12 細(xì)胞在復(fù)合物支架中表現(xiàn)出更好的增殖和分化能力。
圖3 高分子/無機(jī)材料復(fù)合物支架的生物性能Fig.3 Biological properties of polymer/inorganic composite scaffolds.
人體骨骼通常是由膠原基質(zhì)和生物活性陶瓷兩部分組成,其中,生物活性陶瓷包括羥基磷灰石、硫酸鈣和碳酸鈣等成分[44]。生物活性陶瓷不僅為骨骼提供了很高的力學(xué)強(qiáng)度,同時(shí)它釋放的鈣離子可以有效促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化,在骨再生過程中發(fā)揮著重要的作用。因此,生物活性陶瓷常被用來與高分子復(fù)合做成支架,進(jìn)行骨缺損修復(fù)。研究表明,在兔子顱蓋骨缺損修復(fù)過程中,含有40%(w)羥基磷灰石納米顆粒的聚三亞甲基碳酸酯支架比含有20%(w)羥基磷灰石納米顆粒的支架具有更好的修復(fù)效果(見圖3b)[45]。此外,表面富集羥基磷灰石納米顆粒的高分子材料展現(xiàn)出更好的成骨分化潛能。
磁性納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如熱療、磁共振成像、生物傳感、靶向藥物等,因此可以與生物高分子復(fù)合實(shí)現(xiàn)更多的功能[46]。常用的磁性納米顆粒包括金屬及其氧化物。Zhang 等[47]通過靜電紡絲法制備了摻雜Fe3O4的PCL-PEGPCL 聚合物體系(見圖3c),發(fā)現(xiàn)NIH 3T3 細(xì)胞在摻雜了Fe3O4納米顆粒的支架上有更好的黏附和分化能力。同時(shí),復(fù)合體系還具有更低的毒性,在皮膚組織工程中有很好的應(yīng)用前景。
高分子材料的創(chuàng)新推動(dòng)了醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,在植介入領(lǐng)域,多功能高分子聚合物及其復(fù)合物已被廣泛應(yīng)用,多項(xiàng)產(chǎn)品已通過認(rèn)證并用于臨床,取得了理想的效果。同時(shí),醫(yī)用植介入材料領(lǐng)域仍存在一些挑戰(zhàn),能完全模擬人體器官功能的材料仍然有待開發(fā),且材料植入人體后的長期潛在毒性也需要慎重考慮。對(duì)中國而言,大多數(shù)材料目前都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主合成,但是醫(yī)用高端材料的開發(fā)仍然存在明顯不足。醫(yī)用材料對(duì)合成工藝及技術(shù)都有嚴(yán)格的要求,這也是中國今后在醫(yī)用衛(wèi)生材料領(lǐng)域需要攻克的重大難題。