聚氨酯生物活性材料研究進(jìn)展

李巖+孫麗杰+王倩雯+蔡明敏

摘 要：聚氨酯是一種良好的生物活性醫(yī)用材料，正在向仿生并凸顯生物功能活性以適應(yīng)組織工程和組織再生的方向迅速而深入的發(fā)展，成為當(dāng)代生物材料的主流，特別是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中獲得生物活性的高分子生物材料受到極大的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；生物活性材料；高分子

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.206

1 概述

聚氨酯生物材料因選擇具有良好生物相容性和可降解性的聚酯類聚合物為軟段，共價(jià)并入由二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的硬段[1]，賦予了材料良好力學(xué)性能，高拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，良好的耐磨損、抗曲撓性能。正是這些原料中的官能團(tuán)使得聚氨酯材料的降解可以被調(diào)控。同時(shí)，改變聚酯/聚醚與二異氰酸酯酯的比列可以使它的降解時(shí)間達(dá)到數(shù)月之久，使其得以匹配細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，滿足組織醫(yī)用材料的要求。除此之外，改變擴(kuò)鏈劑的種類能獲得更多類型的聚氨酯，使其具有了更強(qiáng)的分子可設(shè)計(jì)，可以通過(guò)臨床需要選擇合適的原料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工，性能可控范圍大。另外，軟硬段之間的力學(xué)不相容性，又使其具有了良好的形狀記憶性能[2]。以上諸多的優(yōu)良特性，使聚氨酯材料已經(jīng)成為生物材料研究熱點(diǎn)之一，廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如藥物緩釋載體材料、手術(shù)縫合線、人造皮膚、軟骨組織工程、骨組織工程。

面對(duì)生物體這個(gè)復(fù)雜而又敏感的環(huán)境，帶有生活活性的生物材料能在使用中為細(xì)胞生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)修復(fù)。因此，修復(fù)使用的材料具有生物活性是一個(gè)關(guān)鍵要素。但是，就目前報(bào)道聚氨酯材料都不具有生物活性，其主鏈上也沒(méi)有可供引入生物活性分子的反應(yīng)性基團(tuán)，這極大的限制它的應(yīng)用。

2 無(wú)機(jī)成分改性聚氨酯

通常來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)聚氨酯材料的生物活性功能化通常有三種設(shè)計(jì)策略。第一種是將磷酸三鈣、羥基磷灰石或者其它無(wú)機(jī)陶瓷材料作為一種生物活性分子。通常用它們改性的方法便是將它們與聚氨酯材料進(jìn)行共混或者是涂層。羥基磷灰石、微晶陶瓷或者磷酸三鈣都有與天然骨頭相似的物質(zhì)，是一類重要的生物活性材料。羥基磷灰石，最為一種最重要的無(wú)機(jī)磷酸鹽，在過(guò)去的幾十年里已經(jīng)作為一種醫(yī)用材料被廣泛的應(yīng)用了。作為一種生物活性材料被利用，除了它有著與天然骨頭相似的成分外，還能調(diào)節(jié)生物材料降解過(guò)程中的pH值達(dá)到生物降解穩(wěn)定性，以誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)，防止炎癥發(fā)生。這些多樣的生物活性物質(zhì)使得改性后的材料具有更好的細(xì)胞相容性，無(wú)機(jī)陶瓷改性的生物活性材料若是用于骨修復(fù)，還能促進(jìn)骨誘導(dǎo)和骨的傳導(dǎo)[3]。

雖然無(wú)機(jī)磷酸鹽是一種重要的生物活性材料，但是現(xiàn)在的技術(shù)還無(wú)法完美解決它們?cè)趹?yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題-----無(wú)機(jī)磷酸鹽與聚氨酯的相容性。這使得我們很難用它們制備出一個(gè)均一的基質(zhì)，特別是當(dāng)無(wú)機(jī)陶瓷的含量較高的時(shí)候，涂層和共混都很難制備出一個(gè)均一的基體材料[4]。一些研究者還發(fā)現(xiàn)，一些HA/PLA的復(fù)合材料在生理環(huán)境中會(huì)快速失去它的力學(xué)性能。多數(shù)情況下HA和聚合之間的界面會(huì)出現(xiàn)分離，原因有兩點(diǎn)：（1）磷酸鹽陶瓷和聚合物之間缺乏有效地粘附；（2）HA表面上與聚合物主鏈連接的OH自催化降解。聚氨酯/HA的結(jié)構(gòu)與PLA/HA相似，因此可能會(huì)出現(xiàn)相似的界面分離。

3 可溶性生物活性分子改性聚氨酯

第二種是將可溶性的生物活性分子，如生長(zhǎng)因子添加到生物材料中，讓其在后期釋放從而引發(fā)或者調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，以達(dá)到組織修復(fù)或形成的目的。IGF 在人體骨骼的正常生長(zhǎng)與維持過(guò)程中起重要作用，呈現(xiàn)出BMP和TGF-β的整合作用與骨形成擴(kuò)增的效果。BMP 被認(rèn)為具有早期前體骨細(xì)胞復(fù)制和成骨細(xì)胞定型的重要效應(yīng)。TGF-β是具有誘導(dǎo)定型骨細(xì)胞復(fù)制和促進(jìn)成骨細(xì)胞生產(chǎn)基質(zhì)的潛能。PDGF（血小板衍生生長(zhǎng)因子）能夠在間充質(zhì)組織中誘導(dǎo)未分化的細(xì)胞增殖，若與IGF，TGF-β，或BMP 共用，則可以增強(qiáng)骨組織的再生，但是它不能提供完整的骨生成特性。

4 細(xì)胞活性成分改性聚氨酯

第三種是將細(xì)胞粘附多肽通過(guò)化學(xué)或者物理改性接入到生物材料中。研究表明胞外蛋白確實(shí)在細(xì)胞粘附和鋪展于材料的過(guò)程中起著重要作用，因?yàn)榧?xì)胞外基質(zhì)上特定的功能域可通過(guò)整合素與細(xì)胞膜直接連接。大量的特定的細(xì)胞識(shí)別序列被辨別，最為集中序列是存在于基質(zhì)分子（玻連蛋白、纖連蛋白、層連蛋白、膠原及原纖蛋白）中的（arginine-glycine-aspartic acid ） RGD。RGD是一種近年來(lái)被廣泛用來(lái)設(shè)計(jì)生物活性聚氨酯材料的生物活性因子。通常為了連接牢固，RGD多肽通過(guò)羥基、氨基、羧基等官能團(tuán)共價(jià)連接到聚合物中。

5 結(jié)語(yǔ)

生物材料的研究正在向仿生并凸顯生物功能活性以適應(yīng)組織工程和組織再生的方向迅速而深入的發(fā)展，成為當(dāng)代生物材料的主流，特別是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中獲得生物活性的高分子生物材料受到極大的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)材料的表面功能化有許多方法：引入多官能團(tuán)的單體或聚合物，或者表面改等離子處理，臭氧氧化，表面接枝聚合，特殊位點(diǎn)反應(yīng)等。然而這些表面改性雖然在一些明確的表面實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，但是在復(fù)雜的生物體內(nèi)與細(xì)胞特異性識(shí)別的多肽進(jìn)行表面改性只能在材料表面提供潛在的控制細(xì)胞行為的功能。也就是說(shuō)，隨著材料降解行為的發(fā)生，導(dǎo)致材料表面遭到破壞，從而使細(xì)胞、組織接觸到的材料表面上的生物學(xué)信號(hào)發(fā)生變化。表面改性只能讓生物活性因子在短期內(nèi)影響組織的再生和修復(fù)，未被生物活性因子修飾的材料表面會(huì)隨著材料表面的降解、破壞，逐漸暴露于相鄰的細(xì)胞和組織面前，這種材料表面具有很大的缺陷，例如，親水性差，沒(méi)有細(xì)胞識(shí)別的特異生物學(xué)信號(hào)等。因此要使改性的材料有長(zhǎng)久的均衡的作用和影響需用到整體改性的方法。

參考文獻(xiàn)：

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