聚苯胺基導電可降解聚合物在組織工程中的研究進展*

劉榮濤，肖天華，龐貽宇，李 達，廖松義，閔永剛

(1. 廣東工業大學 材料與能源學院，廣州 510006；2. 東莞華南設計創新院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

生物支架作為組織工程的基礎，是細胞附著、生長以及細胞與細胞外基質(ECM)接觸和營養物質交換的載體[1，2]，應具備高的比表面積、生物相容性、可生物降解性與合適的力學性能。研究證明，電刺激作用下可促進細胞的生長和新組織的形成[3]。因此，制備合成導電可降解聚合物支架是組織工程的發展趨勢。電刺激下控制支架的降解與新組織形成速度的匹配或擬合[4，5]，減少手術的二次傷害、加快傷口愈合。

在眾多導電高分子中，聚苯胺因其獨特的氧化態和可調的電活性而受到廣泛研究。合成的聚苯胺基可降解聚合物支架能夠具有多孔性和生物相容性，電刺激下可促進細胞生長，但存在親水性、溶解性等方面的題。介紹了近年來聚苯胺基導電可降解聚合物研究現狀與發展趨勢，展望了導電可降解聚合物在組織工程領域中的發展前景。

1 聚苯胺基可降解聚合物

目前以聚苯胺作為導電基體的可降解聚合物，主要通過共混、改變纖維結構和摻雜等方法提高聚合物的導電性和可降解性，研究聚合物支架在有無電刺激下對細胞活性及生長狀態的影響。

1.1 聚苯胺與可降解聚合物共混

Li等[6]對PCL納米纖維進行等離子體處理后，在其表面原位化學聚合PANI，得到PANI-PCL纖維，并觀察復合纖維在不同電壓刺激下對人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)細胞生長的影響。結果表明：經等離子體處理后的PCL負載PANI復合納米纖維表面潤濕性好，具有良好的生物相容性，HUVECs能更好地附著、擴散和存活；細胞與支架表面具有良好的親和力，細胞活性與增殖隨電刺激強度增加而增強，特別是在400 mV/cm時具有較強的黏附性和存活能力。

明膠作為一種天然可降解高分子 ，與PCL共混制備納米纖維，可以增加PCL基質的親水性，細胞骨架基因表達證明此方法共混的納米纖維有利于NIH3T3細胞的增殖生長[7]。在此基礎之上，Rajzer等[8]通過微圖案化法將聚苯胺涂敷在成骨藥物改性的PCL和磷酸鈣(SG5)改性的明膠(Gel)的納米纖維表面，得到三層多孔納米纖維體系(圖1)。磷酸鈣納米顆粒和成骨藥物的存在能夠增強混合支架的生物活性，并且PANI存在并不會影響磷灰石在模擬體液中的形成，從而實現了成骨藥物、生物活性顆粒和導電聚合物的3種材料的協同作用，共同促進了成骨細胞的生長分化和支架材料的多功能化。

Chen等[9]采用一種新型的原位聚合熱誘導相分離(TIPS)法成功制備了分散性良好，孔隙率高于90%的PANI/PLA導電納米纖維支架材料，研究了不同PANI含量的導電納米纖維支架對骨髓間充質干細胞(BMSCs)生長影響。結果表明，PANI含量為5%和10%時納米支架可以促進細胞生長，超過15%時細胞活力下降；與PLA組相比，復合纖維支架培養的細胞堿性磷酸酶(ALP)水平、骨鈣素(Ocn)含量、runt相關轉錄因子2 (Runx2)分化表達水平都增加數倍，說明導電復合支架能顯著促進BMSCs的成骨分化；茜素紅染色說明導電復合納米纖維具有較好的鈣沉積作用，尤其是在PANI含量為10%時，支架染色陽性最為顯著。

圖1 三層多孔納米纖維的制備[8]Fig 1 Preparation of three layers porous nanofibers

1.2 核殼結構聚苯胺可降解聚合物

導電核殼結構納米纖維在組織工程等領域具有潛在的應用前景，尤其是當與生長因子、ECM蛋白和其他類型的功能分子被整合到導電聚合物殼內或在其表面偶聯，可以進一步增強細胞在納米纖維的支架上生長[10-11]。因此，許多學者利用核殼結構的導電聚苯胺可降解聚合物支架培養細胞，進行生物學表征。

T.Paula等[12]將十二烷基苯磺酸(DBSA)摻雜的PANI以不同比例與PLA/PEG相互混合，采用同軸靜電紡絲得到了核殼結構納米纖維。PLA/PEG外殼包覆后減少了PANI的釋放，降低了復合纖維生物毒性；觀察小鼠心肌細胞培養結果表明，5%PANI/PLA/PEG為心肌細胞提供了非常好的附著力，能夠調節細胞形狀和方向，不會對心肌細胞的搏動和收縮功能的發育產生干擾或阻礙，表現出良好的生物相容性。

Zhang等[13]采用同軸靜電紡絲法制備了以神經生長因子(NGF)為核，PANI與聚乳酸共聚己內酯/絲素蛋白混合物的共混體系(PS)為殼的納米纖維，探討電刺激與NGF對神經元生長的協同作用。結果表明，隨著PANI濃度的增加，纖維直徑減小，接觸角和楊氏模量降低，電導率增加；從細胞活性和形態學來看，載NGF的PS-PANI納米纖維可以促進小鼠雪旺細胞增長，引導細胞定向生長，電刺激下可以有效支持大鼠嗜鉻細胞瘤12(PC12)神經突的生長，增加神經突承載細胞的比例和中位神經突長度，并且可以增加導電核殼結構納米纖維中NGF的釋放。

1.3 摻雜聚苯胺可降解聚合物

聚苯胺作為生物材料溶解性差、不易降解等局限性，與可降解聚合物共混或復合后的支架在溶解性和導電性方面不盡如人意。采用側基功能化或酸摻雜可以明顯改善PANI的溶解性和導電性，實現聚苯胺基可降解聚合物支架在電刺激下導電性、可降解性和生物相容性相互協調作用。

Min等[14]通過調整苯胺(AN)和甲苯胺酸(MA)兩種單體的配比，合成了一系列不同磺化度的聚苯胺(SPAN)。結果表明，隨著磺化度增加，電導率下降；SPAN直接與人骨肉瘤(HOS)細胞接觸時，顯示出良好的生物相容性。在此基礎之上，將得到的SPAN制備為交叉電極(圖2)，研究在電刺激作用下對HOS細胞的影響[15]。結果表明：SPAN磺化度越高，細胞的跨徑電導率越高，可在不受電刺激的情況下促進細胞的附著和生長；在低電壓和低頻率(800 mV和1 kHz)刺激下，可增強細胞生長；當電壓或頻率超過一定水平，細胞生長超過最大閾值，會發生明顯死亡。進一步地，研究電刺激下SPAN交叉電極對BMSCs和MC3T3-E1細胞相容性和增殖的影響[16]。所制備的SPAN在較廣的pH范圍下，具有較高導電性和穩定性；采用ALP活性測定法和細胞染色皆證實對兩種細胞的礦化程度顯著增加，表現出良好的細胞相容性。因此，SPAN可成為體外細胞培養和組織工程應用的潛在支架材料。

圖2 SPAN交叉電極制備[15]Fig 2 Preparation of sulfonated polyaniline-based interdigitatedelectrodes[15]

十二烷基苯磺酸(DBSA)是最常用的摻雜劑，能有效提高產品的分散性、溶解性和導電性。Yan等[17]將苯胺單體、乳化劑和摻雜劑DBSA在水中混合，以各種氧化劑進行乳液聚合，形成DBSA-PANI/PLA復合溶液，靜電紡絲為復合納米纖維膜。實驗得到的PANI/PLA纖維膜電導率較高，纖維膜的電導率最高達9.1×10-3S/cm，可作為生物材料應用于電刺激生物組織工程領域。

Li等[18]將樟腦磺酸(CPSA)摻雜后的聚苯胺(C-PANI)與明膠共混后靜電紡絲纖維，經0.2%的EDC交聯后得到了均相的多孔納米纖維，研究H9c2心肌成肌細胞在聚苯胺/明膠纖維上的黏附和分化。結果表明，CPSA改善了PANI的溶解度，隨著C-PANI含量的增加，支架的抗拉強度增加，導電率可提高4倍左右；H9c2細胞在電紡C-PANi/明膠共混纖維支架上呈現出更高的分化度，支持H9c2細胞的附著、遷移和增殖。此外，其他學者[19-20]將不同含量的CPSA摻雜PANI與PCL混合紡絲纖維支架，都可以提高表面電導率可使血清蛋白更有效地吸收和沉積，從而有利于細胞的附著和增殖。

2 苯胺寡聚體可降解聚合物

由于聚苯胺溶解性差，過量使用存在細胞毒性，需要控制其含量或者尋求一種溶解性好、易降解的材料替代。苯胺寡聚體的導電性與聚苯胺相近，具有低分子量、可溶性好等優點，為實現導電可降解性聚合物提供了一種新選擇。目前在苯胺寡聚體方面的研究主要是采用嵌段共聚物、側鏈接枝和超支化的策略解決導電聚合物溶解性、生物降解性和導電性的問題。

2.1 嵌段共聚物

合成有苯胺寡聚體和可降解部分的多嵌段共聚物，是含羥基封端的導電低聚體與含羧基的可降解聚合物通過縮聚反應得到的[21]。郎樂等[22]以二環己基碳二亞胺(DCC)為縮合劑,將聚乙二醇單甲基醚(mPEG)與苯胺四聚體(AT)反應, 得到有良好的電活性二嵌段共聚物。羥基封端的聚乳酸(PLA)和羧基封端的苯胺五聚物(AP)通過酯化反應縮聚為多嵌段共聚物PLAAP[23](圖3)，表現出很好的電活性、溶解性和生物可降解性，在電刺激的下PLAAP可促進PC-12細胞分化。

圖3 PLAAP嵌段共聚物合成路線及結構[23]Fig 3 Synthesis route and structure of PLAAP block copolymer

由于縮聚反應需要多步聚合、純化繁瑣、產率低、殘留有毒溶劑，使得縮聚反應合成多嵌段導電可降解聚合物有了許多的限制[24]。因此，研究人員引入有機金屬基的辛酸亞錫(Sn(Oct)2)催化劑[25-27]和酶催化脂肪酶[28-30]催化劑聚合反應過程中，通過開環聚合(ROP)反應將導電單元與可降解單元以酯基或酰胺基連接得到具有電活性和可降解性的共聚物支架用于組織工程領域。

郭保林團隊[31-32]通過開環聚合和氧化偶聯兩步法合成了一系列嵌段苯胺低聚體可降解共聚物。合成的苯胺五聚體和聚己內酯(PCL)組成的ABA型三嵌段共聚物(圖4)[33]，表現出分子量可控、優良的電活性和生物可降解性。按照類似方法，劉四委等[34]合成了雙聚己內酯封端苯胺三聚體ABA型三嵌段聚合物，其熱穩定性和電化學穩定性均表現良好，且對溶液pH值的響應范圍更寬、更靈敏，更適用于體內外支架材料的應用。R. Sarvari等[35]合成了以D-葡萄糖為核的星狀聚己內酯-聚苯胺共聚物(S-PCL-PANI),并與PCL共混后靜電紡絲得到三維多孔納米纖維(S-PCL-PANI /PCL)支架。所制備的支架孔隙率高、表面積大，導電性高(0.03 S/cm)，具有較高的生物相容性，可以調節細胞的附著、增殖和分化。

脂肪酶因其無毒環保、反應效率高、反應條件溫和、特異性高和反應過程易于控制而被廣泛應用[36]。與Sn(Oct)2基催化劑相比，脂肪酶開環聚合得到的導電可降解聚合物分子量集中在較低的水平，易于降解，電活性亦不受影響，具有良好的環境友好性和廣闊的應用前景[37]。

2.2 側鏈接枝

劉四委等[38]將合成的不同長度苯胺鏈段接枝到聚甲基丙烯酸類聚合物，發現當苯胺鏈段達到一定長度時，經質子酸摻雜后的聚合物具有一定的電導性。其中，接枝苯胺八聚體的共聚物經質子酸摻雜后其電導率可以達到10-5S/cm。郎樂等[39]以N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)活化的聚L-谷氨酸的羧基與苯胺四聚體的氨基縮合，得到了以可生物降解的聚谷氨酸為主鏈，具有電活性的苯胺四聚體為側鏈的新型接枝聚合物，接枝后的聚合物表現出良好的電化學活性和生物可降解性。

2.3 超支化

將合成的超支化延性聚乳酸(HPLA)與不同含量的苯胺四聚體(AT)共聚，得到了一系列電活性、延性和可降解的共聚物(HPLAAT)[40]。與HPLA相比，HPLAAT具有較高的電活性，表現出更好的熱穩定性和可控的生物降解速率；在肌管形成過程中，能顯著提高C2C12成肌細胞的增殖；定量分析肌管數量、長度、直徑、成熟指數以及對應的基因表達表明，HPLAAT可極大促進C2C12細胞的成肌分化。B. Massoumi等[41]在之前工作基礎上[35]，合成了以聚酯為核的星狀超支化聚乳酸-聚苯胺的三元共聚物(S-HAP-PLA-PANI)并與PLA共混后靜電紡絲得到S-HAP-PLA-PANI/PLA納米纖維支架。復合纖維平均直徑為70～100 nm，在體外環境12周后支架質量損失45%；導電率為0.05 S/cm，具有良好的生物相容性，可以模仿細胞外基質的自然微環境調節細胞依附、增殖和分化。

圖4 三嵌段PCL-EMAP-PCL合成路線[33]Fig 4 Synthesis route ofthree-block PCL-EMAP-PCLcopolymer

3 結 語

聚苯胺基導電可降解聚合物支架因其高電活性、生物相容性和可降解性優勢成為組織工程發展的一種趨勢，電刺激下并且在可促進細胞生長、遷移、增值和分化。酶催化劑的引入使其制備條件溫和、過程可控和環保，基于苯胺寡聚體的超支化的結構設計在滿足導電性和可降解性的前提下表現出更好的生物活性和生物相容性。酶催化與超支化分子結構設計的結合將是聚苯胺基導電可降解聚合物研究方向，優異的生物學性能在組織工程領域具有廣闊的應用前景。