（材料科学与工程专业论文）电纺聚乳酸明胶复合纤维及性能研究.pdf

摘要 电纺聚乳酸明胶复合纤维及性能研究 摘要 静电纺丝技术已经广泛用于各个研究领域，由于其得到的纤维具 有比表面积大、高孔隙率及可以获得直径为纳米级的纤维等优点，被 应用到组织工程领域，利用该方法制备的支架材料能够模拟细胞外基 质的纤维网络结构。 本论文利用静电纺丝技术制备了不同比例的聚乳酸明胶复合纤 维膜，通过亲疏水性、s e m 、t e m 、x p s 、降解实验和溶出实验等实 验，发现当聚乳酸和明胶质量比为l ：l 和1 ：3 时，复合纤维膜的接触 角均为o o ，而纯明胶的则为4 2 0 左右，质量比为3 ：1 的复合纤维膜与 纯聚乳酸纤维膜的接触角接近1 2 3 0 左右，这表明聚乳酸明胶纺丝液 在静电纺丝过程中，两种聚合物发生了相分离，且随着聚乳酸和明胶 比例的不同，复合纤维中形成了不同的相分离结构。选择性溶出实验、 降解实验和t e m 观察结果都证实了聚乳酸明胶复合纤维具有如下的 相分离结构：当聚乳酸与明胶质量比为l ：1 时，两种聚合物在纤维中 呈双连续结构；当聚乳酸或明胶在纤维中含量低于5 0 w t 时，低含 量组分将被包在高含量组分当中，纤维表面为高含量组分聚合物，低 含量组分在纤维中呈现不连续分布。通过交联前后纤维膜形貌保持以 及细胞培养结果发现，聚乳酸和明胶质量比为l ：1 的复合纤维，最适 北京化工大学硕士学位论文 合作为组织工程支架材料。 采用传统的和改进的5 倍模拟体液( t 5 s b f 和i - 5 s b f ) ，本论文 还开展了纯聚乳酸、明胶和聚乳酸明胶( 质量比为1 ：1 ) 纤维膜的生 物矿化性能研究。两种5 s b f 的区别在于，t - 5 s b f 溶液的p h 值随着 时间的变化慢慢升高，而i - 5 s b f 溶液的p h 值则一直维持在一个比较 恒定的值上。对比聚合物纤维膜在两种5 s b f 中的矿化结果发现：在 磷灰石形貌上，在i - 5 s b f 中形成的是片状结构，更接近于天然骨组 织中磷灰石形态；从矿化速度上来看，在t - 5 s b f 中磷灰石的生成速 度基本稳定，而在i - 5 s b f 中，则是在前期时矿化速度比较慢，后期 比较快；从磷灰石结晶产物组成的对比中发现，在t - 5 s b f 中形成的 矿化物以羟基磷灰石( h a ) 为主，但结晶不完善，i - 5 s b f 中得到的 矿化物，初期以透钙磷石( d c p d ) 为主，随着矿化时间延长，逐渐 转变为h a ，结晶比较完善。但在两种5 s b f 溶液中，聚乳酸明胶复 合纤维膜的矿化效果都优于两种单一组分的纤维膜。 为配合本课题组引导组织再生膜项目的研究，本论文还利用平 板、滚筒、网格接收器，静电纺丝制备得到四种不同拓扑结构的聚乳 酸纳米纤维膜，并进行了相应表征。热牵伸后的平行纤维膜纤维直径 最小，但具有最高的力学强度；网格膜棱间区域具有无纺毡的结构但 是纤维堆积密度低于无纺膜，网格棱边纤维则具有一定的平行度。水 接触角测试结果显示，热牵伸后纳米纤维膜较其他纤维膜要更亲水一 些，可能原因是毛细现象造成的。而d s c 测试结果表明，静电纺丝 u 摘要 过程对聚乳酸的结晶度影响不明显。 关键词：静电纺丝，聚乳酸，明胶，相分离，生物矿化 i i i 北京化工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r o p e r t i e so f p o l y ( l a c t i c a c i d ) g e l a t i nc o m p o s i t e f i b e r sp r e p a r e db y e l e c t r s o p i n n i n g a b s t r a c t e l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a s ， d u et ot h eu n i q u ep r o p e r t i e so fo b t a i n e df i b e rs u c ha sh i g hs p e c i f i c s u r f a c ea r e a ，h i g hp o r o s i t ya n dn a n os c a l ed i a m e t e r b e c a u s eo ft h e s e m e r i t s ，e l e c t r o s p i n n i n gi sa p p l i e di n t i s s u ee n g i n e e r i n gt of a b r i c a t e m a t e d a l sw i t hs i m i l a rf i b r o u sn e t w o r ks t r u c t u r e st oe x r a c e l l u l a rm a t r i x ( e c m ) i nt h i ss t u d y , e l e c t r o s p i n n i n gt e c h n o l o g yw a su s e dt om a n u f a c t u r e p o l y ( l l a c t i ca c i d ) ( p l l a ) g e l a t i nc o m p o s i t ef i b r o u sm a t sw i t hd i f f e r e n t w e i g h tr a t i o s v a r i o u sm e t h o d s ，i n c l u d i n gh y d r o p h i l i c i t yd e t e r m i n a t i o n ， s e ma n dt e mo b s e r v a t i o n ，x p sa n a l y s i s ，d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t ，a n d s e l e c t i v er e m o v a l ，t h em i c r o p h a s es t r u c u t u r e so fp l l a g e l a t i nc o m p o s i t e f i b e r sa n di t sr e l a t i o n s h i pw i t ht h eh y d r o p h i l i c i t yw e r ei n d e n t i d i e da n d i n v e s t i g a t e d a ni n t e r e s t i n gp h e n o m e n o nw a st h a tt h ew a t e rc o n t a c t a n g l e so fp l l a g e l a t i nm a t sw e r ed e c r e a s e dt oz e r ow h e nt h ew e i g h t i v a b s t r a c t r a t i o so fp l l at og e l a t i nw e r e1 ：1a n d1 ：3 ，w h i l et h ew a t e rc o n t a c ta n g l e o fp u r eg e l a t i nf i b r o u sm a tr e m a i n e da t4 2 。p l l a g e l a t i nm a tw i t h w e i g h tr a t i oo f 3 ：1h a ds i m i l a rw a t e rc o n t a c ta n g l et op u r ep l l af i b r o u s m a tw h i c hw a sa b o u t1 2 3 0 t h e s ep h e n o m e n ad e m o n s t r a t e dt h a tp h a s e s e p a r a t i o nh a dh a p p e n e db e t w e e nt h e p l l aa n dg e l a t i n c o m p o n e n t d u r i n gt h ee l e c t r o s p i n n i n gp r o c e d u r e a n dd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e s r e s u l t e dw i t hd i f f e r e n tp l l at og e l a t i nw e i g h tr a t i o s s e l e c t i v er e m o v a l o fo n ec o m p o n e n t ，t e mi m a g e sa n dt h ed e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t s r e v e a l e dt h a tt h et w op o l y m e r sa p p e a r e dak i n do fc o c o n t i n u o u sp h a s e m o r p h o l o g i e sw h e n t h ew e i g h tr a t i oo fp l l at og e l a t i nw a s1 ：1 h o w e v e r , w h e nt h ec o n t e n to fp l l ao rg e l a t i ni nf i b e r sw a sl o w e rt h a n5 0 w t ，t h e l o w c o n t e n tp o l y m e rw o u l db ei n t e r s p e r s e di nt h eh i g h - c o n t e n tp o l y m e r m a t r i x ，a n dt h eh i g hc o n t e n tc o m p o n e n tw o u l df o r mt h ef i b e rs u r f a c e t h e r e s u l t so fc r o s s l i n k i n gt r e a t m e n ta n dc e l lc u l t u r es u g g e s t e dt h ec o m p o s i t e f i b r o u sm a t sw i t hp l l a g e l a t i nw e i g h tr a t i oo f1 ：1t u m e do u tt ob et h e s u i t a b l es y s t e mf o rt i s s u ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n b i o m i n e r a l i z a t i o no fp u r eg e l a t i n ，p l l aa n dp l l a g e l a t i n ( w e i g h t r a t i ow a s1 ：1 ) m a t sw a si n v e s t i g a t e d t w o5t i m e ss i m u l a t e db o d yf l u i d w e r em a d ew h i c hn a m e da st r a d i t i o n a l5s b f ( t - 5s b f ) a n di m p r o v e d 5s b f ( i - 5 s b f ) ，r e s p e c t i v e l y t h ep hv a l u eo ft h ef o r m e ri n c r e a s e d c o n t i n u o u s l yw h i l et h ep hv a l u eo ft h el a t t e rr e m a i n e dc o n s t a n td u r i n g v 北京化工大学硕士学位论文 t h ew h o l ee x p e r i m e n t c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et h r e es a m p l e sa f t e r b e i n gi n c u b a t e di n t h et w os b fs o l u t i o n sf o rc e r t a i n t i m e ，t h e m o r p h o l o g yo fa p a t i t eo b t a i n e df r o mi - 5s b fi n c u b a t i o nw a ss i m i l a rt o t h a to fa p a t i t ei nh u m a nb o d y t h em i n e r a l i z a t i o nr a t ei nt - 5s b f i n c u b a t i o nd i d n tc h a n g et o om u c hd u r i n gt h ew h o l ep r o c e d u r e ；o nt h e c o n t r a r y , t h em i n e r a l i z a t i o nr a t ei ni - 5 s b fi n c u b a t i o nw a ss l o wa tt h e i n i t i a ls t a g eb u ti n c r e a s e dw i t hp r o l o n g e di n c u b a t i o nt i m e x r dr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ea p a t i t eo b t a i n e df r o mt - 5 s b ft r e a t m e n tw a sm a i n l y h y d r o x y a p t i t e ( h a ) ，w h i l et h ea p a t i t eo b t a i n e db yi - 5s b ft r e a t m e n tw a s m a i n l yb r u s h i t e ( d c p d ) a tf i r s ta n ds u b s e q u e n t l yc h a n g e di n t oh a p l l a g e l a t i nm a t sb i o m i n e r a l i z a t i o nr e s u l ta p p e a r e dt h eb e s to n ea m o n g t h e s et h r e em a t e r i a l s i no r d e rt op r o v i d em a t e r i a l sf o rt h es t u d yo nt h eg u i d e dt i s s u ew h i c h w a sp e r f o m e db yo t h e rp e o p l ei no u rl a b ，e l e c t r o p s u np l l an a n o f i b r o u s m a t s w i t hd i f f e r e n tt o p o l o g i c a lm o r p h o l o g i e s ，s u c ha s n o n w o v e n ， p a r a l l e l - a l i g n e da n dl a t t i c e p a t t e r e n e d ，w e r ep r o d u c e db yu s i n ga l u m i n u m p l a t e ，r o l l e r o rl a t t i c em e s ha st h er e c e i v e r a n dt h ep a r a l l e l - a l i g n e d f i b r o u sm a t sw e r ef u r t h e rh o t s t r e t c h e dt om a k ef i b e rt h i n n e ra n d m e c h n i c a lp r o p e r t i e sh i g h e r t h el a t t i c e - p a t t e r e n e dm a t sh a dak i n do f f r a m e w o r k ，i nw h i c hf i b e r sw e r ep a r a l l e l a l i g n e d ，a n dn o n w o v e nr e g i o n s b e t w e e nt h ef r a m e s t h eh o t - s t r e t c h e dm a ts h o w e dt h e h i g h e s t v l h y d r o p h i l i c i t ya m o n g a l lt h es a m p l e sp r o b a b l yo w i n gt oc a p i l l a r i a le f f e c t d s ca n a l y s i sd e m o n s t r a t e dt h a te l e c t r o s p i n n i n gh a dl i t t l ei n f l u e n c eo n t h ec r y s t a l l i n i t yo fp l l a k e yw o r d s ：e l e c t r o s p i n n i n g ，p o l y ( l l a c t i c a c i d ) ，g e l a t i n ，p h a s e s e p a r a t i o n ，b i o m i n e r a l i z a t i o n v i i 符号说明 符号说明 聚( l 乳酸) 明胶 x 射线光电子能谱 引导组织再生 差示扫描量热分析 1 乙基( 3 二甲基氨基丙基) 碳二亚胺 n 羟基琥珀酰亚胺 钙磷摩尔比 5 倍模拟体液 模拟体液 人体成骨样细胞 磷酸盐缓冲溶液 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 x 射线衍射分析 一捌锄聊脚茎塞一泐一差堇删肼脚 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：途蠢盘 日期：狸丝：笸：主 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化 工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：煎菱盎 日期： 超应：丝：主 导师签名：型至 日期：么区厶刍 导师签名： 型日期：么鱼笸! 幺 ， 第一绪论 11 组织再生工程学 第一章绪论 随着医学的发展，小断地出现了组织再生( t i s s u er e g e n e r a t i o n ) 、组织修复 ( t j s s u er e p a i r ) 和引导组织再生( g u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ) 等新名词用：代表 所使用的材料的功能特性以及医学上对于医用材料的新要求。再生( r e g e n e r a t i o n ) 在韦氏字典上被定义为“身体、或身体的局部、组织或基体在受伤后- 4 以更新、 再生长或重建。” 组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 是一门基础生物科学( 细胞生物学、生理学、 胚胎学和创伤愈合等基础知识) 、工程学基础( 材料科学、流体力学、力学和化 学动力学等) 、临床医学( 整形外科、免疫学、病理学和药学等) 及各种相关的 生物学技术( 细胞分离技术、细胞培养技术和基因转移技术等) 再个学科相结合 的交义学科，结合细胞、工程和材料学方法，利用生物化学和物理化学提高代替 物的e 物学功能。组织工程概念最铷是在二十世纪六十年代”1 被提出来的，在 瞬叠懋 o p h t h a l m i c l i v e r & p a n c r e a sn e r v e 粤二鏖二紫 。隔。矗t i s s u e e n g n e 翻 图l - i 组缎i 。程技术h r 符种组织的修复。( 米源w w w f 脚髓gr c t ) f i 9 1 1 a p p l i c a t i o n s o f t i s s u ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y i nv a r i o u s t i s s u er e p a r a t i o n s ( f r o m ： w w w t i s s u e e n g n e e ) n 化= = 学mf 学瞳 最开始般采用人工替代物、自体移植、异体移植和异种移植等治疗人体缺损组 织及病变位置。但是由于这些治疗方法存在各种不良反应，如异物反应、组织萎 缩和免疫排斥反应等不良反应从而在应用l 。有所限制。早期组织工程的工作主 要是研究细胞外基质成分的功能，例立【】胶原p 制备与天然细胞外基质结构跟 化学成分相近的村料支架在很大程度上推动了整个锕纵工程学的发展”“j 。组织 工程经过发展以后，町以用于各种组织的修复，如神经修复、骨组织修复、刨伤 皮肤修复和血管接枝等( 如图1 1 所示) 。 在最近几十年间，组织工程和修复医学有了报大发展开发出了很多新的高 分子支架材料，新材料也被不断地创造出来，如智能聚合物、可降解弹性体和形 状记忆聚合物等而人体胚胎干细胞( 图1 2 ) 的发现“m ，进步打j r 了创造 新组织的大门。最近的组织工程尽管在材料上已有所突破，但是这些实验室中新 制备的支架材料结构却在i 临床应用上受到很大限制。这种限制主要是由很多园 b l a s t 。c y s t 图1 - 2 能够分化成不同纽纵的十细胞示意幽。( 来勰删e n w i k i p e d i ao r g ) f i 9 1 2s c h 帅a t i cd i a g r a m o fs t e mc e i l s w i t hp o t e n t o f b e c o m i n g d i f f e r e n t t i s s u e sf f r o m ： w i k i p e d i ao r g 、 第一章绪论 索引起的，包括：1 ) 缺乏对于支架材料的深刻理解和对设计要求的认识；2 ) 对 于临床相关应用中尤其是调控要求上，对材料降解性能研究不够彻底；3 ) 缺乏 制备复杂三维结构生物材料的合适方法：4 ) 计算设计技术与制备方法结合不完 善；5 ) 对于调控因子对支架材料及制备方法的影响认识不足；6 ) 支架材料在临 床应用上的可行性问题l l 。这些影响因素中，有一些是基础研究问题，尤其是关 于材料的设计跟要求，及材料在临床环境中的降解情况。有一些则侧重于应用， 包括寻找合适的制备方法和了解支架材料、制备方法和商业性之间的关系。不论 是基础研究还是实际应用，在开发临床用支架时，这些因素都不可以分开来单独 考虑，即使实验室中已经得到了很好的支架材料，也要考虑到如何能够大批量生 产以投放到实际应用当中去。 组织工程支架材料从概念到实际应用的转变，必须满足设计和制备上的一些 基本要求，才能实现临床应用。支架必须要满足四个基本需求：形貌、功能、成 型和固定。形貌指支架必须能够在提供复杂三维结构，引导组织形成并与原始解 剖学上的三维结构相匹配。功能即支架必须暂时提供天然组织所具备的部分或全 部功能，特别是力学性能，在一定的时间内能够使有效地支撑组织形成。成型就 是指支架必行能够通过传递合适的生物学性能和提供相应的质量传递环境以增 强组织再生。固定意味着支架必须能够包装，在临床上被移植到缺损部位，并能 与周围组织相融合【1 2 j 。 1 2 用于组织工程的材料 医学的发展给人类带来了极大的利益，提高了人们对生命的期待。对生活在 二十一世纪快节奏下的人类，不论是身体还是生理上都经受极大压力，这既是一 个福音又是一个挑战。在人类文明发展过程中，材料( 聚合物、金属和陶瓷) 在 医学进步上扮演了不可或缺的角色。过去几十年中，聚合物在医学中得到了广泛 的应用，如导管、身体外器械、移植，以及金属跟陶瓷是整形外科假肢的主要成 员。但是，所提到的这些材料很多并不是以生物医用为目的进行发展，而是被用 于制造了大量的消费产品，如包装袋、汽车等。尽管生物材料产品具有很广泛的 经济潜力，但是只有非常少的体系目前被用在临床上【1 3 】。从修复医学角度来说， 在i 临床上已经得到很好应用的生物材料并不能完全满足这个应用领域对其性能 各种各样的要求。在七十年代早期，当临时移植体的概念被提出的时候，绝大部 分的移植体都是非降解性材料。最终，这些移植体被纤维组织所包围而不是与宿 主组织整合形成整体。不可降解聚合物植入人体后易引起炎症，形成疤痕组织。 因此，用于修复医学中的生物材料面临的一个挑战就是控制和减轻这些生物材料 3 北京化工大学硕士学位论文 周边的生物学反应。除了提供一个支持组织生长的环境以外，还需要该生物材料 能够具有很好的生物相容性和可降解性。可降解生物材料的几个重要特点可归结 为【1 4 】：1 ) 材料植入体内后不会引起毒性反应或炎症；2 ) 材料具有适当的保存期 限；3 ) 材料的降解周期应该与组织再生修复周期相匹配；4 ) 材料应该具备一定 的力学强度以满足相应的应用环境并且在降解过程中能够维持一定的机械强度 以配合组织再生；5 ) 降解产物应该无毒，并能够代谢从体内完全排出；6 ) 材料 具有一定的渗透性和可加工性。具有以上特性的材料是目前仍是组织工程支架材 料研究的重点和热点。目前得到广泛研究的可降解高分子材料可以分为两大类： 天然高分子材料和合成高分子材料。 1 2 1 可降解合成高分子材料 目前研究最广泛的应该算聚酯类材料，其为热塑性高分子，由容易水解的脂 肪链段构成。在聚酯类中广泛被研究的主要有聚羟基酸类如聚羟基乙酸( p g a ) 和聚乳酸( p l a ) 。二十世纪六十年代晚期，出现了最早的人工合成缝合线材料， 其材料即为聚乙交酯。由于聚酯材料所拥有的良好的生物相容性和可控的降解速 率，从而慢慢受到人们关注，几种其他的聚酯材料也随之出现。 聚羟基乙酸是可降解合成高分子中首先被研究并应用到生物医学领域中，具 有高结晶度，从而呈现出高的拉伸模量，而在常规有机溶剂中几乎不溶。玻璃化 转变温度为3 5 4 0 。c ，熔点超过2 0 0 。利用挤出、注塑、模压、粒子沥滤和浇铸 等成型方法，聚羟基乙酸被制备成各种形貌结构的支架材料，应用到组织工程当 中【1 5 】。由于聚羟基乙酸的易加工性，它最初被用来制成可吸收缝合线。最开始的 生物降解合成缝合线叫做d e x o n 是以聚羟基乙酸为主，通过了美国食物药品 局( f d a ) 认证。之后，聚羟基乙酸无纺毡也被用于组织修复中，由于其高机械 强度和细胞亲和性，目前已经有一种聚羟基乙酸无纺毡纤维蛋白胶复合基质正 在临床试验当中l l6 。因为聚羟基乙酸的降解速率太快、酸性降解产物和难溶性， 导致它在生物医用领域中的应用受到限制。由此而出现了几种含有乙交酯成分的 共聚物出现以克服聚羟基乙酸内在的缺陷。 与乙交酯不同的是，丙交酯具有两种旋光性：左旋( l ) 和右旋( d ) ，其 旋光性的不同，在合成过程中可以形成高结晶性的聚乳酸也可形成无定形的聚乳 酸。聚左旋乳酸( p l l a ) 的玻璃化转变温度为6 0 6 5 ，熔点为1 7 5 c 左右【1 7 1 。 与聚羟基乙酸相比，聚乳酸的降解速率比较慢，同时又具备高拉伸强度和模量， 因此高力学强度聚乳酸纤维于1 9 7 1 年已得至u f d a 的认可用作高强度缝合线，用来 作为韧带替代物而取代了非降解纤维。此外，p l l a 也是一种较为理想的承重生 4 第一章绪论 物材料如整形外科固定装置。以聚乳酸为基础的整形产品目前有：f u l lt h r e a db i o i n t e r f e r e n c es c r e w ( a r t h r e x ) 、c l e a r f i xm e n i s c a ld a r t ( i n n o v a s i v ed e v i c e s ) 、 m e n i s c a ls t i n g e r ( l i n v a t e c ) 、b i o s c r e w 、b i o a n c h o r 、p h a n t o ms o f tt h r e a ds o f t t i s s u ef i x a t i o ns c r e w 和p h a n t o ms u t u r ea n c h o r ( d e p u y ) 。但是有研究表明，高 分子量的p l l a 降解速率非常缓慢，在体内需要2 5 6 年才能被完全吸收【1 7 , 1 8 】。尽 管p l l a 降解到6 个月左右时，强度将会大大降低，但质量变化却很小，且聚乳酸 的降解速率与聚合物的结晶度和基体的孔隙率等都有关。乙交酯和丙交酯的共聚 物或不同旋光性丙交酯的共聚物则能够通过单体的比例对材料性能进行很好的 调控，从而得到了性能优于聚羟基乙酸和p l l a 的材料。商业化的r e s o m e r l r 7 0 8 是无定形的聚左旋右旋乳酸( 7 0 ：3 0 ) 的共聚物，作为可吸收植入材料得到广泛 的研究【1 9 】。 除了上面提到的两种聚合物以外，还有一类被大量研究的是乙交酯丙交酯 共聚物( p l g a ) 。共聚物组成为2 5 7 5 之间时，均为无定形态。商业化的 p u r a s o r b p l g 是半结晶可吸收共聚物，含有2 0 乙交酯和8 0 丙交酯。最初的缝 合线v i c r y l 也是由含有9 0 乙交酯和1 0 丙交酯的共聚物制备而成的，而目前市 一渊蚪一0 上c h 筘h 渊3 蔓士 卜吐h 。 沪吣 。 嘴o 乇h 0 p l g a 。4 h 冬。 i j 疗 p c l p l a p g a o 图1 - 3 部分聚酯类高分子分子结构式。 ( 来源：m j l r w e r l 衍k i p e d i a o r g ) f i g 1 - 3s o m em o l e c u l a rs t r u c t u r ef o r m u l ao fp o l y e s t e r ( f r o m ：w w w e 1 1 w i k i p e d i a o r g ) 5 北京化工大学硕士学位论文 面上广泛使用的v i c r y lr a p i d 则是改性过具有更快降解速率的缝合线。 p a n a c r y l 是另外一种商业化的手术缝合线，它是由高比例的丙交酯乙交酯 共聚物制备而成，降低了降解速率。其他p l g a 的应用形式有无纺布v i c r y l m e s h 、缝合线增强、皮肤替代材料和硬脑膜替代品，组织工程上用到的皮肤移 植就是一种v i c r y lm e s h 支架膜。细胞能够在p l g a 上很好的贴附和增殖，这是 它在组织工程应用中占据优势的主要原因之一。利用各种微米和纳米技术，p l g a 被制备成微球、多孔泡沫和纤维支架【2 0 。2 2 】。同时，市面上已有的复合材料p l g a - 胶原基体( c y t o p l a s tr e s o r b ) 作为引导组织再生膜能够提供一个可渗透的 通透结构。另外，p l g a 材料得到的l u p r o nd e p o t 则是一种药物载体，用于 释放前列腺激素对抗前列腺癌和子宫内膜异位症。 半结晶性的聚己内酯( p c l ) 也是用到比较多的一类可降解高分子材料，易 于加工，能够溶于大多数有机溶剂，玻璃化转变温度为6 0 ，低熔点( 5 5 6 0 ) ， 可以与很多高分子进行混合。聚己内酯最初被用来作为药物疫苗的载体，目前 也已有很多研究将聚己内酯作为组织工程支架。研究表明磷酸钙聚己内酯的复 合材料是一种比较理想的骨组织工程支架材料【2 3 1 。市面上已有的产品 m o n a c r y l 是由己内酯与乙交酯的共聚物制成的单丝缝合线，另外由己内酯、 乙交酯、丙交酯和聚乙烯醇得到的多嵌段共聚物则被开发为中小生物活性分子药 物载体( s y n b i o s y s ) 。 在1 9 2 0 年；由巨大芽胞杆菌生产的聚羟基丁酸酯( p h b ) 被发现，之后又 发现了一些能够生产类似聚合物的细菌菌株。之后出现了一系列以此为基础的酯 类高分子，像聚甲基丙烯酸羟乙酯( p h e m a ) 就是其中的一种，可以与p e g 4 0 0 混合形成敷料，这归结于其吸水后形成具有弹性的水凝胶【2 4 ，2 5 1 。由于聚氨酯【2 6 】 对细胞和组织的再生具有一定的促进作用，从而被广泛用作生物材料，如心脏起 搏器和血管移植等。此外，聚酰亚胺、聚原酸酯、聚酸酐、聚氨基酸和聚膦腈等 也都得到了一定的研究，并被用于组织工程中。 1 2 2 天然高分子材料 天然高分子中，最主要的是蛋白质类和多糖类。蛋白质是很多组织的重要组 成部分，主要是有氨基酸形成的多肽链排列形成三维结构的聚合物。作为天然组 织重要的组分，蛋白质和其他氨基酸类高分子是理想的缝合线、止血剂、组织工 程支架和药物载体材料【27 1 。 胶原在人体中大量存在，是皮肤和肌肉骨骼组织的主要组成成分。胶原( 图 1 4 ) 是一种棒状结构，分子量为3 0 0 ，0 0 0 ，长为3 0 0 r i m 。人体中有超过二十种不 6 第一一章绪论 同的胶原，最常用的是i _ f v 型胶原，其中i 型胶原则是被广泛研究的蛋白质。 i 型胶原是山三条具有相似氨基酸成分的多肷链组成，每一条多肽链由1 0 5 0 个氨 基酸组成，包古3 3 左右的甘氨酸、2 5 左右的脯氨酸和2 5 左右的羟基脯氨酸 以及相对较多的赖氢酸。胶原易溶于酸性水溶液中，并且能够制备成片状，管状、 海绵状、粉末状以及纳米纤维基体，也可作为注射型粘性溶液和分散剂。由牛胶 原和牛凝血酶组成的密封剂( s u l z e r - s p i n e ) 目前被用于心血管和脊髓外科手术 当l 】，c o s t a s i s 步b 科手术止血剂包吉有牛微纤维胶原、牛凝血酶和自体血浆， f l o s e a l 高粘度止血剂j l i 【j 是由胶原颗粒和热带牛凝血酶组成。 由于胶原是细胞外基质( e c m ) 的主要成分，作为一个天然基体提供给细 胞贴附、增殖和分化从而使得胶原作为一种理想的基体材料用于组织工程和创 伤修复当中。在美国和欧洲市场上，出现了一种新的海绵状的胶原基体 ( p r o m o g r a n ) 用于治疗糖尿病和溃疡伤口【圳。用于皮肤烫伤的通过f d a 认证 的胶原基刨伤敖料b i o b r a n e 回和a l l o d e r m 是利用化学方法从人体上分离得到。几 种生物工程皮肤替代物利用该方法得到的胶原制备而成并商业化，t r a n s c y t 国是 一种聚合物基体覆盖了猪骨和猪皮源胶原，同时接种了人体角质细胞以沉积细胞 外基质成分。o r c e l 和a p l i g r a f 也是一类通过了f d a 认证的胶原基双层敷料，同 时接种人体角质细胞和成纤维细胞用于治疗慢性溃疡【2 9 】。 图1 4 胶原分子结构模型。( 来源蜘枷p 。m a “g ) f i g 1 一t h e m o l e c u l a r m o d c l o f c m l l a g e n ( f r o m ：w w w 即w i k i p e d i ao r g ) 胶原能够被很多交联剂交联如双官能团或多官能团醛类、碳二亚胺、环己烷 - 二异氰酸酯等，也可利用热交联、高能量辐射交联。交联得到的胶原凝胶可以 作为药物载体，也可用做组织工程支架。药物释放速率可以通过改变胶原凝胶的 孔隙率，密度和降解速度束控制。有几种胶原基的庆大霉素载体目前在世界范围 的市面上出售( s u l m y c i n i m p l a n t ，c o l l a t a m l 偷- g ) ，这种载药体系能够延长抗 生索的释放时间，降低初期爆发。可吸收胶原海绵，由于它们出色的生物相容性、 生物降解性和孔结构，而被广泛研究用于加速组织再生的支架材料。d u r a g e n 回 是一种无需手术缝合线的三维胶原移植体，用于修复脊柱硬膜组织和再生，目前 北京化工大学硕士学位论文 已经用于临床试验【3 0 】。同样地，一种纤维状胶原、羟基磷灰石和磷酸钙组成的复 合材料( c o l l a g r a f l ) 被f d a 认可，并用于可降解合成骨组织移植替代物，除了 这些以外，胶原也被制备成不同形式的支架用到心血管、肌肉骨骼和神经组织工 程中【3 1 1 。 医用级的胶原主要来源是猪或牛皮及猪或马跟腱，存在一定的免疫原性，从 而在一定程度上限制了胶原在临床当中广泛的应用。此外，价格昂贵、不稳定的 物理化学和降解性质以及病毒感染风险都影响了胶原大范围应用【3 引。 弹性蛋白是血管和肺组织中蛋白质的主要成分，并且给这些器官提供弹性性 能。弹性蛋白是高度交联的不可溶性聚合物，由含有大量共价键的弹性蛋白原分 子构成。体内生物相容性的研究表明，弹性蛋白会引起与胶原相似的免疫性反应， 加上其不可溶性，限制了弹性蛋白在生物医学领域的应用【3 3 1 。为了解决弹性蛋白 的不可溶性，合成弹性蛋白与人体弹性蛋白原相结合的聚合物被开发出来m 】。弹 性蛋白原溶液能够在合适模具中，3 7 下凝固交联，得到的基体具有很好的机械 性能和生物学性能，成为一类有前景的弹性生物材料。另外，弹性蛋白原在温度 超过2 5 时，无序结构可以变得有序，从而出现温度逆转跳跃( i t t ) 现象，很 多研究者利用该特性广泛研究了智能材料和注射载药体系【3 3 1 。 血清蛋白主要存在于人体血浆中，可以占到血清总量的5 0 ，是一类水溶性 蛋白质，分子量为6 6 k d a 。血清蛋白的主要作用是带走疏水性脂肪酸分子，并维 持血液p h 值。文献报道人体中几乎所有的组织都能够降解血清蛋白，这使其作 c h i t i n o n h 2 c h o n d r o i t i ns u l f a t e a i g i n i ca c i d 图1 - 5 几种天然多糖分子结构式。( 来源：w w w e 1 1 w i k i p e d i a o r g ) f i g 1 - 5s o m em o l e c u l a rs t r u c t u r ef o r m u l ao f n a t u r a lp o l y s a c c h r o s e ( f r o m ： w w w e 1 1 w i l a p e d i a o r g ) 8 甄扒=|； o o 沁降 第一章绪论 为一个理想的降解性生物高分子用于医学领域【3 5 1 。由于血清蛋白的可溶性和官能 团的存在，它很容易被加工成各种形状和结构的材料如膜、微球、纳米纤维和纳 米球等。血液相容性让血清蛋白成为静脉药物基因载体，同时它也被用来涂覆 在心血管支架材料上【3 6 1 。 纤维蛋白类似于胶原的生物高分子，存在于血液凝固过程，源子纤维蛋白原， 分子量为3 6 0 k d a ，由三组肽链组成。纤维蛋白是最早用作生物材料的生物高分 子之一，主要归结于其优越的生物相容性、生物降解性、可注射能力，含有几种 细胞外基质蛋白，影响细胞的生长，如粘连蛋白影响细胞的贴附和增殖。纤维蛋 白最早的产品之一是密封剂，各种纤维蛋白密封剂被用于临床上各种手术过程中 的止血和组织缝合。 天然高分子中除了蛋白质类，还有一大类是多糖类，是由许多单糖通过糖苷 键连接形成的。由于很多文献研究了多糖独特的生物学功能，从细胞讯号到免疫 识别，从而逐渐吸引了研究者的注意成为一类生物材料。图1 5 为几种常用的天 然多糖分子的结构式。 m e y e rik 和p a l m e rjw 在1 9 3 4 年首次从眼睛的晶状体中分离出来人体源 多糖透明质酸( h a ) ，从此h a 就引起了人们的兴趣并成为独一无二的生物材料。 透明质酸是粘多糖的一种，由n 乙酰基d 葡萄糖胺和葡萄糖醛酸交替组成的线 性多糖，并且脊椎动物身上几乎所有的组织都含有h a 。与人体内其他粘多糖1 ( 如 硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素