化學合成高分子生物材料研究進展

李 巖，沙赟穎，孫婷婷，劉楚陽

(泰州職業技術學院，泰州市骨組織工程技術中心，江蘇 泰州 225300)

化學合成的高分子生物材料，由于其介導細胞行為和功能的生物物理和生物化學環境可以設計和調整，因此在現代再生醫學和組織工程領域中具有核心作用。生物材料的這種介導作用在細胞基治療和無細胞治療中都可以促進損傷組織或者功能缺失組織的結構和功能的修復。生物材料在細胞基治療中的典型應用是在體外構建生物工程化組織時，作為載體遞送移植細胞，或作為基質誘導形態生成；而在無細胞中的典型應用是原位誘導健康殘留組織的細胞長入生物材料中并進行正常分化。這樣的材料可以提供臨時的三維支架，來支撐生物分子和細胞的相互作用，控制細胞功能的發揮，在空間和時間上介導組織形成和再生中復雜的多細胞過程。

1 天然ECMs

從結構上來看，天然ECMs是由各種各樣的蛋白原纖維和纖維，在糖胺聚糖鏈水合網絡中相互編織而成的凝膠。它們大多數的基礎功能中，ECMs作為一種支架結構，與組織液相連，抵抗張力 (通過原纖維)和壓縮力 (通過水合網絡)。在這種要求下，構建具有一定機械強度的支架結構，需要的固體材料比例一般少于1%。結構性的ECMs包括膠原蛋白和彈性蛋白。一些纖長而硬的膠原蛋白起到支架結構功能，而其他的則作為連接和識別體存在。彈性蛋白則由彈性纖維和彈性板形成一個廣泛交叉連接的網絡結構。天然ECMs中各向異性的原纖維結構會對刺激作出反應引起細胞行為。由于骨架和ECMs之間通過細胞表面受體形成緊密連接，細胞通過將細胞所處環境的力學信號轉換為化學信號并對力學刺激產生反應。最終，ECMs的生物物理性質影響各種細胞作用，包括粘附和遷移[1]。

2 微觀非原纖維合成材料

利用超分子自組裝技術構建原位納米纖維基質的技術已經取得了巨大的進展。受到蛋白質自組裝技術發展的鼓舞，運用自組裝的方法，如低聚肽自組裝，核苷酸自組裝以及良性分子模塊自組裝，通過非共價鍵分子間相互作用，組成了更高水平的結構。然而，這些系統中的許多是要求在極端環境中（對細胞而言）進行自組裝，一些在近生理條件下還會形成凝集。例如，運用自相互補兩性肽自組裝技術，改進了具有高水含量（＞99%）的納米纖維凝膠的一些性質。在合適的培養條件下，這些基質已經被證明可以維持已分化的神經細胞和軟骨組織作用，并且可以提高干細胞的分化能力。盡管沒有攜帶任何特異性的生物作用配體，這些凝膠已經可以作為三維條件下的支架材料。Deming和他的研究團隊已經發現來源于兩親化合物的纖維水凝膠，在低固相組分和溫和條件下自組裝可以支撐細胞膠束。合理的設計原則已經被運用于控制纖維的形態發生和支架結構。Stupp和他的研究團隊發現通過合成自組裝低聚物——兩親化合物形成的超分子凝膠，允許特異的生物信號分子合并；在支架內，被包裹著的神經原祖細胞分化成為神經元細胞，并出現了層黏連蛋白衍生肽IKVAV。這個非常有預見性的結果證實了生物機械刺激和生物分子模塊間某種潛在的聯系。

3 納米纖維化學合成水凝膠

天然ECMs的水凝膠特性是一個重要的結構特征，知道了這個特性，那么合成水凝膠在生物學和醫學中的重要作用就不難理解了。一些有特色的結構使合成水凝膠可以出色地模擬天然ECMs的理化性質。由于分子交聯結構的存在，親水性多聚體可以引起組織類似的黏彈性、擴散運輸、毛細流動等特性。對于細胞包含性水凝膠尤為重要的是，反應設計已經被改進，可以在原位溫和有效地形成結構。在細胞存在時，可形成來源于ECMs組分的凝膠。這種溫和的性質甚至在體內也可以實現，例如運用最低限度侵入外科技術，直接植入組織缺損處。在合成凝膠中，多種生物學特性是可能進行合并的，包括細胞黏附配體，蛋白質分解感病特性以及生物學相關的彈性。

4 存在不溶性配體的化學合成高分子材料

ECMs可以提供多種作用的黏附配體，包括纖連蛋白、玻連蛋白、層黏連蛋白等，這些蛋白可以介導細胞行為的發展和維持。整連蛋白是一個跨膜蛋白的大家族，它們是異二聚體，細胞表面分子，它們的作用是作為動物細胞ECMs黏附分子的關鍵受體。整連蛋白主要連接ECMs大分子和細胞骨架，同時也介導細胞與細胞間的黏附以及鍵合蛋白酶。當ECMs連接配體時，整連蛋白出現群集效應并且與多種信號轉導分子相結合，從而激活特異性信號途徑，包括由蛋白激酶C，小GTPases Rac和Rho以及MAP激酶調節的途徑。整連蛋白介導跨膜細胞信號傳遞，是細胞黏附、遷移和其他許多細胞行為的關鍵性調節器[2-3]。

ECMs黏附蛋白中的低聚序列的鑒定，為創造配體作用材料提供了重要依據。的確，許多細胞黏附配體被植入材料中，在配體形式、濃度和空間分布上進行調控。高度特異的合成ECMs類似物，也許可以幫助解答細胞與ECMs相互作用的信號分子復雜性問題。最近的一些研究，包括計算出某種細胞反應需要的配體濃度的信息，在二維和三維修飾基質及合成凝膠條件下，黏附配體濃度對細胞遷移的影響，發現黏附配體對非尺度空間排列的細胞應答，配體梯度的適當交聯，最后研究與再生有關的信號。這些研究產生了一些可良好控制的生物材料基質模型，形成了基本的細胞生物學原則。

5 可連接和釋放可溶性效應物的化學合成高分子材料

天然的ECMs分子通過局部連接、儲存和釋放可溶性ECMs影響因子 (如生長因子)的能力，驅動組織模塊在正確的時間處于正確的位置。當許多生長因子連接到ECMs分子表面時，例如肝素硫酸蛋白聚糖的靜電相互作用，可以增加它們的局部濃度，從而適應信號變化，使它們的形態出現活力局部化現象，保護它們免受酶的降解，并且在某些情況下通過激活受體——配體相互作用增加它們的生物活性。然而，對于某一生物反應來說，生長因子的需求量又是及其微小的。因此，設計合成生長因子基質的關鍵點是控制局部生長因子的濃度。一些是使工程化生長因子從生物材料釋放的方法已經存在，并且在動物模型的骨、皮膚再生和血管化誘導中取得了初步的成果。對于許多涉及到形態發生的細胞進程，要求一個復雜的細胞信號傳遞網絡和多于一個的生長因子。最近的研究熱點聚焦在設計多生長因子的連續投遞方案，生長因子傳遞過程中的生物反饋現象也被研究。在這種情況下，通過細胞介質從基質中局部水解蛋白，生長因子與基質連接并且釋放在細胞區域；在植入細胞進行組織修復時，生長因子從體內儲存的天然ECMs中釋放[4]。

6 刺激敏感性化學合成高分子材料

許多合成生物材料的設計是通過酯水解來實現降解的，這種基質的非酶水解在體內并不常見。然而，天然ECMs的高分子組分是通過細胞分泌和細胞活化蛋白酶（主要是基質金屬蛋白酶MMP、絲氨酸蛋白酶）降解。這樣就創造了一個與ECMs刺激細胞、細胞蛋白酶重組以及釋放活性組分相逆的動力學反應。隨后將更加詳細地討論細胞介導的蛋白質水解。這一過程通常要求三維的細胞遷移和植入，因為ECMs的多孔性可能導致屏障作用從而阻礙遷移。

在合成多聚體凝膠中，利用天然ECMs模擬人的蛋白質水解重組過程，已經取得了令人興奮的成果，這是一個巨大的生物分子——敏感性網絡。這些材料的蛋白質水解敏感性通過親水性聚合物與蛋白質水解敏感性低聚肽或蛋白質組成模塊或遠鰲肽側面PEG共聚交聯物進行共聚產生。

7 展望

盡管生物材料的發展取得了很大的進步，但是仍需投入大量的工作，開發能夠仿生胞外微環境復雜的生物識別機制和信號傳導作用的生物材料和生物分子方法，用于組織工程、組織修復和組織再生。控制多個分子信號共存時的動力學和空間排布仍然是未來需要解決的問題之一。