聚異丁烯基生物彈性體研究進展*

陳泯含,李繼偉,劉若凡,伍一波,張 昊,金玉順**

(1.北京石油化工學院新材料與化工學院 特種彈性體重點實驗室,北京 102617;2.成都米戈思醫療技術有限公司,四川 成都 610000)

生物材料主要包括通用生物醫用材料、組織工程用生物醫用材料、先進藥物控制釋放系統、診斷用醫用材料等[1],廣泛應用于醫療器械和藥物輸送等領域,甚至可以替換或部分替換人體中已經產生不良反應的組織和器官。生物材料經歷了從惰性生物材料到生物活性、可降解性材料,再發展到以組織工程為基礎的生物材料,甚至在再生醫學領域扮演著越來越重要的角色。

聚異丁烯(PIB)是一種采用陽離子聚合方法制備的彈性體材料,由于其重復單元具有對稱結構,使得PIB具有耐熱、耐紫外線和耐氧化等性能。隨著陽離子聚合技術的深入發展,出現了比PIB具有更好的分子設計和結構性能調控特點的新型PIB基熱塑性彈性體。1991年Kennedy等[2]利用陽離子聚合的方法合成了線型聚(苯乙烯-b-異丁烯-b-苯乙烯)三嵌段共聚物(SIBS)。SIBS是由PIB軟鏈段和聚苯乙烯硬鏈段構成的嵌段共聚物,通過物理交聯形成了熱塑性彈性體,具有微相分離的特性,是介于橡膠和樹脂間的新型高分子材料,被稱為第三代橡膠,具有很好的拉伸強度、高彈性模量、優異的抗撓曲性、易成型加工,是理想的軟組織修復材料[3]。SIBS骨架由飽和碳碳鍵構成,季碳原子與叔碳原子交替排列組成,正是由于該結構賦予了SIBS優異的耐久性和穩定性,甚至可以承受高溫高壓或Co-60照射消毒,比聚氨酯、硅橡膠、聚四氟乙烯等生物醫用材料具有更好的耐久性、耐氧化水解性和良好的血液相容性[4-7]。PIB和SIBS都是很好的生物惰性材料,被譽為“生物彈性體(Bioelastomers)”,已獲得美國食品和藥品監督管理局(FDA)批準用于食品、醫用行業,是理想的長期可植入材料。

雖然PIB和SIBS等PIB基彈性體具有諸多優良性能,但是由于其分子結構中不存在極性或活性基團,限制了其在組織工程、藥物緩控釋等其他生物材料中的應用。為解決這一問題,研究人員嘗試利用其他具有生物相容性的材料與PIB進行共聚或偶聯,如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚硅氧烷、聚乳酸、聚己內酯、聚氨酯、聚環氧乙烷和聚乙烯醇等[8-10],使得基于聚異丁烯基的共聚物在醫藥領域的研究進一步深入。

本文從惰性PIB基彈性體的表面改性、功能化聚異丁烯基共聚物的制備方法等角度綜述聚異丁烯基生物彈性體的制備方法與生物功能改性方法,介紹聚異丁烯基共聚物在生物醫用材料方面的應用。

1 PIB基彈性體的表面改性

PIB和SIBS是PIB基生物彈性體中最常用的兩種材料,但是它們的生物相容性仍有待改進,尤其在有可能導致血小板活化和凝血方面更需要材料具有優異的生物相容性。表面改性是提高聚合物生物相容性的理想方法。表面特征直接影響物質和生物體之間復雜的相互作用。化學作用(如疏水性、表面能或功能基)和物理作用(如表面形態)都可能對材料表面的生物特性產生影響。高分子材料表面的生物功能改性方法有物理法和化學法。

1.1 物理法

利用物理法改善高分子材料表面的方法有涂覆和共混兩種方式。涂覆法是通過將改性物質涂抹在高分子材料表面,從而在高分子材料表面形成一層生物改性功能膜[11]。共混法則是將高分子材料和改性物質進行共混,通過本體改性的方式,讓分子通過運動遷移到材料表面從而改變材料的表面性質[12]。

青島科技大學劉強等[13]利用聚丙烯-g-馬來酸酐(PP-g-MAH)作為增溶劑,將PIB/TPU(熱塑性彈性體)進行熔融共混,實現了高分子質量PIB的物理修飾,其表面化學成分可以通過退火過程進行調整,進一步提高了其生物相容性和氧化/水解穩定性。采用物理改性的方式能輕松地合成生物相容性優異的PIB基生物材料,為新型橡膠在生物相容性、氧化/水解穩定性和屏障性能等領域的應用開辟了新空間。Maria等[14]使用超聲處理方法將不同比例的碳納米管(CNTs)分散在SIBS的氯仿溶液的方法制備了聚(苯乙烯-b-異丁烯-b-苯乙烯)(SIBS)-碳納米管(CNTs)納米復合材料,CNTs摻入SIBS基質導致親水性增加,而對內皮細胞沒有細胞毒性,證明了SIBS-CNTs可能成為制造可植入設備的一種有前途的材料,如心血管貼片或聚合物心臟瓣膜尖端。

物理改性的方式雖然方便快捷,節約成本,但材料與材料之間結合力較弱,導致聚合物容易出現脫落,改性效果及耐久性不佳,從而限制了其應用領域。

1.2 表面接枝法

表面接枝法是常用的化學改性方法,因為接枝鏈共價附著在底物表面,可以避免解吸,比物理方法具有更好的化學穩定性和耐久性。此外,化學接枝的聚合物刷具有選擇性、特異性和容易反應的特性,具有較高的黏合強度。表面接枝共聚的方法可以分為接入接枝法(grafting to)和接出接枝(grafting from)法(見圖1)[15-16]兩種方法。

“接入接枝”法是利用聚合物側基官能團與特定材料內部的活性基團進行化學反應,從而將材料接枝到聚合物鏈上的過程,如圖1(A)所示。“接入接枝”法是通過共價鍵的方式將大分子鏈接枝到基材表面,該方法比物理法更穩定。通過“接入接枝”法制備聚合物刷常用的化學反應包括硅烷化法、點擊化學法[17]、光化學接枝法[18]等。

圖1 聚合物刷制備示意圖

Wu等[19]合成了羥基官能化樹狀SIBS(arb-SIBS-OH),這種材料通過支化結構和微相分離的方式,促進了“雙網絡”的形成,從而改善了SIBS的蠕變性能,再通過肝素與疊氮苯甲酸反應,使疊氮官能團通過點擊化學引入arb-SIBS-OH表面,采用點擊化學的方法將肝素固定在arb-SIBS-OH表面,顯著提高了材料的生物相容性能。

圖2 通過點擊化學將肝素固定在arb-SIBS-OH表面

Yuan等[20]用聚多巴胺(PDA)黏附層對SIBS彈性體進行了改性,然后將殼聚糖(CS)和透明質酸(HA)整合到其表面。制備的樣品(SIBS-CS-g-HA)具有良好的細胞相容性,因為CS促進了細胞的附著,HA促進了細胞的增殖。大腸桿菌在SIBS-CS-g-HA上的初步黏附實驗表明具有良好的抗黏附性能。體外抗菌實驗證實,SIBS-CS-g-HA具有良好的抗菌活性。

近年來,“接出接枝”法制備聚合物刷受到越來越廣泛的關注[21]。“接出接枝”法首先在材料表面通過化學連接的方式鏈接活性引發劑,再繼續原位引發單體聚合,通過鏈增長過程生成了高分子鏈,這種方法能夠獲得更高的接枝密度。普通自由基聚合、活性開環聚合、活性陰離子聚合、活性陽離子聚合、氮氧自由基調控聚合、可逆加成-斷裂鏈轉移聚合[22]、原子轉移自由基聚合[23-26]、光引發轉移終止劑引發聚合[27]等,都可應用于“接出接枝”法。例如,Wu等[28]將丙烯酸層通過光引發反應接枝到了SIBS表面,再通過丙烯酸的羧基與ECM的胺基之間的反應,將基質與SIBS表面化學結合,制備了具有良好的生物相容性的ECM表面改性SIBS。Du等[29]通過等離子體預處理和紫外線誘導的接枝聚合,獲得了表面帶有氨基酸基PAACA刷的PIB,提供了良好的抗污性能和固定生物分子的位點。激活PAACA上的羧基,固定功能蛋白錐豆蛋白A(Con A),通過聚陽離子和聚陰離子自組裝技術,開發了一個新的表面平臺,在藥物傳遞和疾病診斷方面具有廣闊的應用前景(見圖4)。

圖3 通過聚多巴胺制備SIBS-CS-g-HA的示意圖

圖4 聚合物電刷的自組裝制備情況圖

2 功能化PIB基共聚物的制備方法

PIB和SIBS等彈性體通過表面改性后其生物相容性可以得到改善,但是此類材料屬于生物惰性材料,在藥物控釋等其他領域使用的生物材料需要材料整體具備良好的生物相容性。采用功能單體合成法、大分子引發劑(或大分子單體)法、偶聯反應法等方法制備的PIB基共聚物在生物材料領域也得到了廣泛的應用,這一類PIB基共聚物普遍具有熱塑性彈性體的特征。

2.1 功能單體法合成PIB基共聚物

利用具有特殊官能團的單體可以制備末端或側基上帶有功能基團的PIB基共聚物。Sipos等[30]通過陽離子聚合將羥基苯乙烯和異丁烯進行嵌段共聚,合成了新的三嵌段共聚物PHOS-b-PIB-b-PHOS。由于其鏈上帶有的豐富羥基,共聚物表現出優異的親水性和共混性能,使其可以用作良好的紫衫醇類藥物緩釋材料的同時,在藥物洗脫支架涂層方面亦有較大應用潛力。

Wu等[31]在DiCumCl/TiCl4/DtBP引發體系中,通過異丁烯與4-(2-(叔丁基二甲基硅烷氧)乙基)苯乙烯(TBDMES)的活性陽離子順序嵌段共聚,合成了一種具有可控相對分子質量和低相對分子質量分布的PTBDMES-b-PIB-b-PTBDMES三嵌段共聚物,PTBDMES-b-PIB-b-PTBDMES水解后形成PHOES-b-PIB-PHOES。由于羥基極性官能團的存在,PHOES鏈段表現出比PTBDMES鏈段更高的玻璃化轉變溫度(Tg),親水性也得到了改善。

2.2 由PIB大分子引發劑(或大分子單體)制備PIB基共聚物

Coca等[32]利用TiCl4作為催化劑,雙枯基甲醚作為引發劑,在CH2C12/Hex混合溶劑中引發異丁烯的陽離子聚合,得到了叔氯端基的PIB,然后繼續加入苯乙烯封端,得到了大分子引發劑Cl-St-PIB-St-Cl,進而引發丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)進行自由基聚合,制備了ABA三嵌段聚合物。

Priyadarsi等[33]采用三羥基丙烷的叔氯端基引發劑,TiC14作為共引發劑,CH2Cl2/Hex作為混合溶劑,在-80 ℃引發異丁烯的聚合反應,之后繼續加入丁二烯(BD)封端,得到了具有烯丙基氯(Allyl-Cl)端基的PIB,然后通過改變反應條件得到了烯丙基羥基、烯丙基溴等官能化聚異丁烯,將其作為大分子引發劑,引發己內酯、丙交酯、四氫呋喃等聚合,得到了AB或ABA型嵌段聚合物。Zhang等[34]利用異丁烯、苯乙烯、對甲基苯乙烯(p-MSt)的活性陽離子嵌段共聚制備了聚[(苯乙烯-co-甲基苯乙烯)-b-異丁烯-b-(苯乙烯-co-甲基苯乙烯](M-SIBS),再通過使用溴化M-SIBS(BM-SIBS)作為大引發劑,高氯酸銀(AgClO4)作為共引發劑對四氫呋喃(THF)進行親核取代和活性陽離子開環聚合反應制備了一種新型的聚[(苯乙烯-co-甲基苯乙烯)-b-異丁烯-b-(苯乙烯-co-甲基苯乙烯]-g-聚四氫呋喃(M-SIBS-g-PTHF)嵌段接枝共聚物,通過將極性PTHF鏈段接枝到SIBS上來提高了SIBS的極性和使用溫度。Andrew J等[35]使用TMPCl/TiCl4引發體系通過準活性陽離子聚合合成了初始PIB鏈段,隨后轉化為羥基封端的PIB。通過N,N′-二環己基碳二亞胺/二甲氨基吡啶催化4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫羰基硫烷基)戊酸酯化反應,將羥基封端的端羥基PIB轉化為大分子鏈轉移劑(PIB-CTA)。然后將PIB-CTA用于甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯的RAFT聚合,得到了具有窄多分散指數和預定相對分子質量的PIB嵌段共聚物。

自1958年[36]以來,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)已被用作關節置換手術中的骨黏合劑。雖然這種骨黏合劑固定系統表現良好,但仍存在假體松動問題。為了增強黏結性能,Kennedy等通過端基改性,將遙爪PIB與MMA共聚,合成了帶三個甲基丙烯酸酯末端的遙爪共聚物PMMA-PIB(見圖5),結果表明,PIB和PMMA共價鏈接顯著增強了材料的韌性和整體黏結性能,同時又不會對其模量或強度產生不利影響。

圖5 PIB-PMMA合成路線示意圖

2.3 其他方法

利用大分子的端基或側基官能團與改性物質的官能團之間的偶聯反應等方式制備共聚物也是常用的高分子材料改性方法。

Zhao等[37]通過陽離子聚合方法制備的活性PIB-THF4+鏈對酰化葡聚糖(AcyDex)主鏈上的羥基(—OH)側基進行親核取代,成功合成了具有不同PIB支鏈長度和接枝數的新型兩親性酰化右旋糖酐-聚異丁烯(AcyDex-g-PIB)接枝共聚物。由于硬AcyDex-主鏈和軟PIB分支之間的不相容性,出現了明顯的微相分離。AcyDex-g-PIB接枝共聚物對HeLa細胞表現出良好的生物相容性,對紅細胞表現出較好的血液相容性。兩親性AcyDex-g-PIB接枝共聚物可以在水溶液中自組裝成納米球,可以用作pH敏感的藥物載體。這種兩親性接枝共聚物在生物和醫學領域具有廣闊的應用前景。

Gao等[38]以BF3·OEt2為催化劑,將PIB兩端用苯酚官能化,然后與甲苯磺酰化的單甲氧基PEG偶聯,制備了以PIB為疏水鏈段、聚乙二醇(PEG)為親水鏈段的結構可控、性能良好的PEG-b-PIB-b-PEG三嵌段共聚物。

3 PIB基共聚物在生物材料方面的應用

PIB基生物彈性體由于其獨特的結構,使其具備良好的物理化學性能、機械性能、生物相容性和優異的加工性能,因此廣泛用于生物醫藥領域。

Puskas[39]將SIBS材料移植豬體內6個月到2年,在體內沒有發生降解,與SIBS相接觸組織部位也沒出現炎癥,這也肯定了SIBS是一種可以作為血管移植和乳房植入物的合成新材料,具有良好生物相容性和血液相容性。紫杉醇屬于抗癌細胞增殖藥物,用于治療卵巢癌和黑素瘤等腫瘤[40]。任蘋等[41]采用SIBS作為紫杉醇藥物載體,通過對藥物單體含量、基材中嵌段共聚物的比例以及釋放液置換量等因素的研究,評價了紫杉醇-SIBS載藥共聚物的藥物釋放動力學。1998年,Pinchuk[42]首次報道將SIBS用作冠脈支架涂層,并評價其血液相容性,將其植入豬的冠脈血管28 d后,炎癥指數都明顯少于裸支架、聚碳酸酯涂層支架以及PLA/PGA涂層支架。Taxus紫杉醇洗脫支架是由Boston Scientific公司于2003年所研制的第一代藥物洗脫支架,該支架與Cypher雷帕霉素洗脫支架相比,其特別之處是使用了SIBS作為聚合物涂層。通過對移植該支架的患者跟蹤研究[43],發現其能在前期突釋藥物,對病變局部達到治療的效果,同時不會引起全身藥物毒性反應。

對于心臟瓣膜病的治療方式是更換心臟瓣膜,機械心臟瓣膜的缺點是會激活血小板導致表面血栓形成[44];生物心臟瓣膜的缺點是耐久性有限[45-46]。由生物化學惰性聚合物制成的合成三瓣膜[47]具有更好的耐久性,但在高強度拉伸和彎曲應力下能與細胞接觸而發生氧化和水解降解,也會積累血小板導致血栓形成,甚至有可能導致栓塞[48]。采用磷脂對SIBS表面進行接枝改性,是通過與磷脂的極性頭部基團和非極性尾部的結合,可以抑制蛋白質在SIBS表面的吸附,從而形成雙層[49]結構。通過磷脂降低材料水接觸角,從而增加原本高疏水的SIBS表面的潤濕性。SIBS表面的磷脂改性也使血小板黏附降低了10倍,使用磷脂改善了SIBS的血液相容性,使SIBS三瓣膜在心臟瓣膜中的應用潛力更為廣泛[50]。

聚(異丁烯-b-苯乙烯)(PIB-PS)是一種具有生物材料潛力的聚合物,其結構存在微相分離,聚苯乙烯分散相的尺寸大小與細胞受體、大的蛋白質如纖維蛋白原有著相近的尺寸,這種“海島”、“溝槽樣”納米仿生形態使得PIB-PS有著優異的組織相容性。勞森健康研究所、圣約瑟夫衛生保健、大分子工程研究中心[51]利用PIB-PS與醫用級硅橡膠進行對比實驗,研究了材料的抗細菌附著性,并通過從發酵乳桿菌RC-14中分離的重組蛋白(p29)在用作設備涂層時能抑制細菌附著的能力。研究證實,發酵乳桿菌RC-14在陰道[52-53]和腸道[54]定植,能產生一種生物表面活性劑,該生物表面活性劑能夠吸附到多種聚合物基質上并抑制尿路病原體結合[55]。被應用于泌尿系統的修復材料時,觀察到其大腸桿菌的黏附明顯少于硅橡膠。

SIBS是一種可長期植入體內的生物材料,因具有極高的生物相容性,尤其適合眼內長期使用[56]。青光眼作為全球最大的不可逆的致盲性眼病,以視盤的凹陷性萎縮和視野的特征性缺損為典型表現,治療宗旨是降低眼壓,減少視神經的損害,延緩視功能丟失的進程[57]。由SIBS制造的青光眼微分流裝置,它可以降低眼壓以阻止青光眼導致的視力喪失。Acosta等[58]在為期兩個月的青光眼微分流器植入實驗中,發現純SIBS植入并沒有導致新生血管的產生和纖維組織的增生,是一種比較安全的可眼內植入的裝置材料。Pinchuk等[59]研究的The InnFocus MicroShunt?是一種利用SIBS材料制備的微創青光眼引流微管,用于將房水分流到結膜和眼球筋膜下。該裝置的安全性和臨床性能接近于使用絲裂霉素C的小梁切除術,這是目前治療晚期青光眼的“金標準”。西安眼科醫療技術有限公司開發的一種由交聯聚異丁烯制成的新型人工晶狀體(IOL)是以交聯聚異丁烯“xPIB”為基材的新型生物材料,是用于白內障術后植入的人工晶狀體(IOL)[60]。在SIBS制成的青光眼微分流器的實驗和實際應用中已經證實了其安全性,xPIB晶體已經在兔眼中進行實驗,且附近組織反應是良性的。

4 結論和展望

隨著科技的發展以及人類生活水平的日益提高,人們對材料的要求越來越嚴格,除了要求治療的效果,還有價格甚至外觀的需求,這使得生物材料的發展非常迅猛。聚異丁烯基生物彈性體由于具有優異的生物相容性,成本低廉并且結構可控,使得其在醫用高分子材料領域特別是臨床上的應用逐漸受到重視。針對聚異丁烯基生物彈性體在不同醫療領域要求不同,需要“量身定制”具有不同分子結構、物理性能和生物相容性的聚異丁烯基生物材料,并完善和深入所用生物材料的微觀結構的表征方法和生物學評價手段,從而不斷拓寬聚異丁烯基生物材料的應用領域。