（材料学专业论文）CMOSA修饰PLAPEGPLA嵌段共聚物的合成、表征及其在药物释放体系中的应用.pdf

摘要 本文以辛酸亚锡为催化剂，利用丙交酯( l a ) 开环聚合与聚乙二醇( p e g ) 合成一系列分子量的两亲性多嵌段共聚物p l a p e g p l a ( 1 ) 。在此基础上利用 三元羧酸c m o s a 对共聚物进行分子修饰，合成端羧基共聚物 c m o s a p l 加e g p l a c m o s a ( 2 ) ，并通过1 h - n m r 、i r 、g p c 等方法表征其结 构。结果表明，三元羧酸c m o s a 和共聚物通过化学键连接，端基酯化率为6 2 以上。 以水杨酸钠、邻菲哕琳和粉防己碱为药物模型，考察共聚物( 1 ) 和( 2 ) 的 药物包封率和载药率，研究体外释放行为，通过对比考察端羧基对药物释放的影 响。用透射电镜观察复乳胶束表面形态，并利用动态光散射考察不同因素对胶束 粒径的大小和分布的影响。同时，在研究共聚物对水杨酸钠和粉防己碱释放行为 的基础上，进一步研究对水杨酸钠粉防己碱共释放体系的释放行为。结果表明， 复乳胶束比单乳液胶束的粒径大，呈明显的核一壳结构。经过端羧基分子修饰的 共聚物对药物的包封率、载药率有明显提高，对药物起到更好的控制释放作用， 并且对水杨酸钠粉防己碱的共释放有很好的控释作用，协调了二者的释放速度 达到较好的周期协同效果。此外，文章研究了共聚物微球对水杨酸钠和粉防己碱 的释放行为，利用扫描电镜观察研究微球表面形态，并用d s c 考察了共聚物与 药物之间作用力的宏观表现形式。结果表明，端羧基共聚物微球表面呈多孔结构， 提高了药物的包封率，释放行为更加稳定。同时端羧基共聚物易形成分子间氢键， 与药物之间有良好的兼容性，诱导共聚物嵌段结晶，使共聚物形成较大的微球颗 粒。 将负载粉防己碱的胶束复合到壳聚糖明胶体系中，冷冻干燥制成多孔支架， 用扫描电镜观察孑l 结构和大小分布，通过拉伸实验考察胶束对支架力学性能的影 响。结果表明，随着胶束的加入，支架的内部孔径变化不大但孑l 通透性有明显的 改善，孔隙率提高且分布均匀，材料的韧性有显着提高。体外释放行为表明，该 体系对药物释放起到了很好的控制作用。 关键词：c m o s a ，分子修饰，端羧基共聚物，复乳胶束，分子间氢键，控释 缓释，微球，支架 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，as e r i e so fa m p h i p h i l i ct r i b l o c kc o p o l y m e r sp l a p e g p l aw i t h d i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h t sw e r es y n t h e s i z e dt h r o u g hr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f l a c t i d ea n dp o l y e t h y l e n eg l y c o li nt h ep r e s e n c eo fs t a n n o u so c t o a t ea sc a t a l y s t t e r n a r yc a r b o x y l i ca c i dc m o s aw a sa d o p t e dt om o d i f yc o p o l y m e rp l a p e g p l a ( 1 ) t oo b t a i nc a r b o x y lt e r m i n a t e dc o p o l y m e r ( 2 ) t h ec o p o l y m e rw a sc h a r a c t e r i z e dv i a 1 h - n m r ，i r ，a n dg p c t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee s t e r i f i c a t i o nd e g r e eo fc m o s a a n dp l a p e g p l aw a sm o r et h a n6 2 。a n dt h em o l e c u l a rw e i g h ti so fl i t t l ec h a n g e a f t e rm o l e c u l a rm o d i f i c a t i o n s e l e c ts o d i u ms a l i c y l a t e ( s s ) ，o - p h e n a n t h r o l i n e ( o p h ) a n dt e da sm o d e ld r u g s ， t h ed r u ge n c a p s u l a t i o nr a t ea n dc o n t r o l r e l e a s eb e h a v i o u ro fc o p o l y m e r sw e r es t u d i e d t h em o r p h o l o g yo ft h em i c e l l e sw a so b s e r v e dv i at e ma n dt h es i z ew a st e s t e dv i a d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h em i c e l l e sp r e p a r e dt h r o u g h d o u b l ee m u l s i o nm e t h o dh a v el a r g e rs i z ea n dl o w e rc m ct h a nt h a tp r e p a r e dt h r o u g h s i n g l ee m u l s i o n ，a n dh a v eac l e a rc o r e - s h e l ls t r u c t u r e c a r b o x y lt e r m i n a t e dc o p o l y m e r ( 2 ) h a dh i g h e rd r u ge n c a p s u l a t i o nr a t ea n db e t t e rc o n t r o l r e l e a s eb e h a v i o u rt h a nt h a t o fc o p o l y m e r ( 1 ) ，a n dh a sag o o da b i l i t yi nc o - r e l e a s eo fs s t e d w ea l s os t u d i e dt h e d r u gr e l e a s eb e h a v i o u ro fs o d i u ms a l i c y l a t ea n dt e t r a n d r i n ei nm i c r o p a r t i c l e sa n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nc a r r i e ra n dd r u gw a ss t u d i e dv i ad s c t h em o r p h o l o g yo ft h e m i c r o p a r t i c l e s w a so b s e r v e dv i as e m r e s u l t si n d i c a t et h a t c o p o l y m e r ( 2 ) m i c r o p a r t i c l e sc a ni m p r o v et h ed r u ge n c a p s u l a t i o nr a t e sa n dh a v eam i l dr e l e a s e b e h a v i o u ri nt h ew h o l es t a g e c a r b o x y lt e r m i n a t e dc o p o l y m e rm i c r o p a r t i c l e sh a v e l a r g e rs i z e ，a n dt h es u r f a c ei sp o r o u sb e c a u s eo f t h eh y d r o p h i l i cc a r b o x y le n dg r o u p s i n t r o d u c et e d 1 0 a d e dm i c e l l es o l u t i o ni n t oc h i t o s a n g e l a t i n es y s t e mt oo b t a i n p o r o u s3 ds c a f f o l dt h r o u g hf r e e z e - d r y i n g t h em o r p h o l o g ya n ds i z ed i s t r i b u t i o no f t h ep o r e sw e r eo b s e r v e dv i as e m ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e db ys t r e s st e s t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es c a f f o l dc o m b i n e dw i t hm i c e l l e si so fb e t t e rp o r o s i t ya n d p e r m e a b i l i t y , a n dc a ns t r e n g t h e nt h es c a f f o l dt o u g h n e s s a n dt h er e l e a s eb e h a v i o u ro f t e di n d i c a t e st h a ti tc a nc o n t r o lt h er e l e a s eo ft e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：m o l e c u l a rm o d i f i c a t i o n ，m u l t i p l ec a r b o ；x y l i ca c i d s ，c a r b o x y l t e r m i n a t e dc o p o l y m e r , d o u b l ee m u l s i o n ，m i c r o p a r t i c l e ，h y d r o g e nb o n d ，s c a f f o l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 革确 签字日期：卯7 年f 月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诈两 签字日期：卅年f 月巧日 导师签名：剥b 澎耄 签字日期：坤年月妒 第一章前言 第一章前言 聚乳酸类( p l a ) 材料因具有良好的生物兼容性和可降解性，在现代医学 中取得了广泛的应用，如作为药物控制释放、骨材料、手术缝合线和眼科材料等。 但作为一种疏水性的高分子，p l a 的生物特异识别能力差，对细胞的粘附性也较 差，当作为医用植入物时，常被生物体当作异物而发生非特异性吸附，大量细胞 将其包裹，影响使用效果。随着p l a 应用领域的不断扩展以及对其研究的不断深 入，人们将乳酸与其它单体共聚，通过调节共聚物的分子质量、共聚单体数目和 种类来改变聚合物的性质。并且在聚乳酸分子链上接入功能基团，使细胞对它产 生生物识别功能，提高功效扩展应用。尤其是在药物释放领域，为了提高药物的 载药率、包封率并对药物进行更好的控制释放，可以有目的性的向嵌段共聚物中 引入功能端基，以达到特定的载药释药效果。同时，为了有效保护生长因子等水 溶性药物，防止在生物体内发生分解，并与多种不同非水溶性药物进行共释放提 高药效，须采用复乳法形成胶束对其进行保护和共负载。这就要求载体对不同的 药物具有良好的兼容性和不同的释放特性，这也对高分子材料的亲水性等物理化 学性质提出了了更高的要求。 为改善p l a 的亲水性提高生物活性，一种有效的方法是在p l a 主链中引入亲 水性的基团或链段。聚乙二醇( p e g ) 是人们最常使用的亲水性嵌段。作为一种聚 醚高分子物质，p e g 具有良好的亲水性和生物兼容性，在疏水的p l a 链段中引入 亲水性的p e g 链段后，可以较大地提高共聚物的亲水性。同时利用高活性高靶向 性物质对嵌段共聚物进行端基修饰，提高官能度和活性，改善其作为药物载体的 细胞靶向性和生物特异识别性能，可以有效提高药物治疗效果。 本文通过p e g 改性聚乳酸合成p l e p e g p l a 三嵌段共聚物，选用c m o s a ( c a r b o x y m e t h y l o x y s u c c i n i ca c i d ) 作为端基修饰物质对其进行封端，制备出具 有多反应活性位点的功能性聚乳酸聚乙二醇多嵌段共聚物，提高其生物体特异 识别能力。c m o s a 作为一种小分子多元羧酸，具有较高的生物化学活性并且与 药物有良好的兼容性，对人体无毒无害，可以通过生物体新陈代谢作用排除体外， 具有很好的实用意义。实验通过与端羟基共聚物对比，研究端羧基修饰共聚物材 料作为不同载药体系( 如微球、等) 对药物的包封率、载药率以及药物释放行为， 考察端基对药物释放的影响，为研究其作为药物释放载体打下基础。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 生物医用材料和高分子医用材料 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称生物材料，是指以医疗为目的， 用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料。到目前为止， 生物医学材料的发展主要经过了三个阶段，在上世纪6 0 年代到8 0 年代期间，在 对工业化的材料进行生物兼容性研究基础上，开发了第一代生物医用材料并在临 床医学中取得应用。这方面的材料主要作为生物体内固定用骨钉骨板、人工心脏 瓣膜、人工血管和人工。肾等组织材料 2 1 。后来，以医疗、保健及增进生活质量为 目的的生物医用材料得到了较大发展，主要是由多种材料复合制成的植入器械， 如假肢等。目前为止，已经有5 0 多种植入器械用于临床。这类生物医用材料共 性是他们都具有生物惰性，只能将受体对植入器械的排异反应降到最低，而不考 虑材料的生物活性问题。在此基础上，人们开发了具有生物活性的第二代生物医 用材料，这种材料能够在生理条件下发生可控反应并作用于人体，具有很好的生 物兼容性和可控降解性。材料会随着组织的逐渐生长而不断降解，最终完全被新 生组织所取代，在植入位置和宿主组织间将不再有明显的界面区分，如由聚乳酸 和聚羟基乙酸合成的生物体可吸收缝合线，以及用于药物控释缓释体系的材料 等。 第一代和第二代生物医用材料所取得的进展只是局限于修复和恢复机体的 暂时性替代品。活的组织可以对生理负荷的改变或生物化学刺激产生应答，而合 成的材料不具备这种生物功能，从而限制了人工器官的使用寿命。而基于对材料 利用生物学方法进行组织修复和再生这一问题的解决，则促成了现代生物医用材 料的发展。 第三代生物医学材料的代表性特征是能够在分子水平上刺激细胞并产生特 殊应答反应【3 j 。这类材料将生物活性材料和可降解材料这两个独立的概念结合起 来，在可降解材料卜进行分子修饰，引起细胞整合素的相互作用，诱导细胞增殖、 分化，以及细胞外基质的合成与组装，从而启动机体的再生系统，进入了再生医 学的行列【4 】。基于细胞分子水平的第三代生物医用材料将在产生最小损伤的前提 下，为原位组织再生和修复提供基础，可以在机体衰老之前通过生物方法激活某 些基因，从而起到保持健康，延缓衰老的作用。现在对这类材料的研究正在兴起， 例如组织工程支架材料、原位组织再生材料、可降解材料结合生长因子增强神经 的定向修复材料等。其中，组织工程也是再生医学中的一个总要发展内容，他的 2 第二章文献综述 发展对于再生医学以及生物材料等多学科的发展都具有重要意义。 医用高分子材料是生物医用材料中最广的一类，正是由于现代高分子科学的 快速发展才确立了生物医学材料的学科地位。医用高分子材料包括合成和天然高 分子，品种达1 0 0 多种，已被广泛应用于各种韧带、肌腱、骨科、血管、角膜等 各种人工器官脏器得修复和制造中。医片j 高分子材料大致可以分为以下五个方 面：即软组织替换材料、硬组织替换材料、生物降解材料、组织工程材料( 又称 杂化生物材料、生物化材料或第三代生物医学材料) 、药物传递系统、粘结剂和 高分子药物。药用高分子材料是功能高分子的一个重要分支，现代药物和药物制 剂的开发、医药学研究以及生命科学各领域的开发都离不开功能高分子材料的不 断发展。药用高分子材料必须在药物制剂中经过一定的安全评价，不包括生理有 效成分或前体的组分。由于这些高分子材料会随着药物进入人体的消化系统、血 液循环系统或包埋到人体组织，所以要求他们必须无毒、无凝血作用、良好的生 物兼容性以及一定的物理力学性能。药用高分子材料用作药物辅料、药物和药品 的包装贮运材料，主要目的是为了提高药剂的稳定性、药物的生物利用度和药效， 同时改善药物的成型加工性能，保障药物生物效用的同时，改变传统的给药途径 实现在生物体中的智能给药。因此，根据特定组织的给药特殊需要【5 一】，了解高 聚物的结构与物理以及生物性能的关系，可以指导我们正确的选择和使用药用高 分子材料，并通过各种有效的方法改变高聚物的结构以满足特定的使用性能需 要，实现药物的有效传递。因此，药用高分子材料是现代生物领域的一个重要的 研究方向。 具有生物兼容性的高分子能够使沉积或包裹于其中的一般的疏水性或弱亲 水性药物表面具有良好的可湿性，提高药物的生物亲和性，促进药物在人体内的 循环和吸收。在传统的药物剂型中，高分子材料仅仅是药物的被动载体，主要用 作为片剂和一般固体制剂的辅料，这些辅料在药剂中起到黏合、稀释、崩解和润 滑等作用。随着高分子科学的发展和现代药物医学的进步，在现代药剂学中，高 分子除了作为必需的赋形剂外，还是作为控释缓释药物传递系统的重要部分，同 时还作为骨架材料、微囊材料、膜材料和胞衣材料等。使用这类高分子材料加工 而成的制剂作为药物载体可以实现持续长效或响应环境变化达到脉冲式给药，并 可将药物送达病变区域集中按预定的程序释放【8 】。根据药物贮存、释放方式的不 同，可将这种体系分为药库型和基质型两大类。其中，控释给药系统是一类能够 控制和计量给药速率，保持药物给药时效的新剂型，它可以控制药物以零级释放， 保证达到药物在人体内的最佳需求量。现代生物医用高分子材料的重要研究方向 是开发出含有特殊官能团活性的高聚物，与指定药物之间形成特殊相互作用从而 达到特定的释放需求，并且利用高分子材料的特定物理化学性质，将药物运载到 特定的治疗部位与受体结合，使药物发挥最大药效并且降低毒副作用，发展成主 第二章文献综述 动靶向制剂。同时，利用自身传感器感知病体所引起的物理、化学参量变化，实 现智能型的自动调整多种药物复合给药参数，达到药物效用的共同发挥，提高治 疗效果。这种智能型主动靶向制剂通过渗透或者主动运转等方式，将药物载体 复合体选择性地与特定的靶细胞结合，达到治疗的目的。 2 2 组织工程 2 2 1 概述 在现代，组织器官缺损或功能障碍是引起人类疾病和死亡的最主要原因，如 何从根本上解决这一难题已经成为生命科学领域积极探索得国际性前沿课题【1 3 】。 组织工程作为- - i 多学科交叉的边缘科学【9 】，主要是应用生命科学与工程学的原 理与技术，在正确认识生物体的正常及病变两种状态下的组织结构与功能的基础 上，研究开发用于恢复、维护和促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的 生物替代物的- - f 学科1 1 0 - 1 1 1 。他的核心是建立细胞与生物医用材料的三维空间复 合体，即具有生命力的活体组织，用以对病变组织进行形态结构和功能的重建并 达到永久性替代 12 | 。这种三维空间结构为细胞提供了获取营养、气体交换、排泄 废物和生长代谢的场所，也是形成新的具有形态和功能的组织器官的物质基础。 目前在组织工程研究中，关于原位组织再生的研究示当前开发的重点方向。 原位组织再生是以粉末、溶液或微粒等形式的生物材料为载体或诱导剂，导 入特异性细胞因子，当植入到受损部位后以一定的速率释放离子形式的化学物质 或生长因子，如骨形态发生蛋白，或诱导损伤组织自身分泌特异性细胞因子，并 通过扩散或系统的连锁反应激活相应的细胞。活化后的细胞再产生新的生长因 子，进一步刺激更多的细胞依照生物化学和生物物理的原理通过自组装而最终形 成原位修复组织。此外，还可以同过载体控制释放一定浓度的其它物质，来提高 生物活性物质与细胞环境交界处细胞内外的应答。这种情况下，就需要将多种药 物共同负载到一种载体上，并达到多种药物的稳定共释放，这又对作为药物载体 的生物医用材料又提出了更高的要求。组织工程的重要意义不仪在于为人类的疾 病提供了一种新型的治疗方法，更主要的是提出了用复制的“组织”、“器官”来替 代人类的天然生物组织，这标志着“生物科技人体时代”的到来，为再生医学的发 展提供了新领域，同时对医学界的发展来说，也是一场重要的革命【1 4 】。 4 第二章文献综述 率鼢匦 豳引感到| ：盆 f 啪l 1 i m 。d 州s f wc o n b o l l d 酬i v e r y o f 卸m 1 i m l t o l o c a l e 州r 唧i o n 9o f h 幽2 - l 组织工程申组织冉尘和修复的方法 2 , 22 组织工程的主要研究方向 组织= ：i = 程的核心二要素是种子细胞、生物材料以及组织工程化组织构建组 织工程的研究方向主要来源于这三个方面“”。 2 221 种于细胞研究 种子细胞的培养是组织工程研究的关键，对于种子细胞的研究方向主要是获 取足够的接种细胞，同时能够保证他有足够的细胞增殖、合成基质等生物功能并 有效防止细胞老化【”】。从理论e 来说种子细胞的来源可以有三个方面：首先 是与缺损组织细胞同源的自体细胞【】q 如应用自体软骨、皮肤、肾脏细胞等来修 复与他们本体相应的主体损伤；第二，组织干细胞这类细胞主要包括骨髓基质 干细胞、造血干细胞、神经干细胞等前体细胞。他们经过体外分离纯化、诱导分 化与基因秀诗等技术定向分化为其它组织类型的细胞同时保持了干细胞的增 殖、特异性基质合成与不易衰老等优异特性；第三胚胎干细胞他具有独特的 高度未分化特性咀及发育全能性，能够在生党的条件下进行体外培养增殖而不改 变其发育成各种组织器官的潜力，这是未来细胞研究的主要集中点9 】。但是，就 目前这方面的进展来说，种子细胞的来源一直是阻碍组织工程发展的瓶颈，其主 要原因是许多可实现的组织细胞( 如软骨细胞、内皮细胞等) 的供体来源和扩增 能力都是非常有限，无法通过获取少量的组织体外扩增细胞来构建大块组织，难 第二章文献综述 以实现“小损伤修复大缺损”的组织工程基本设想。随着科学界对这方面研究的不 断深入，生长因子【2 0 1 、干细胞( 包括胚胎干细胞和成体干细胞) 逐渐成为组织工 程种子细胞研究的重点领域 2 1 - 2 3 。他们的来源较广，增殖能力强，又能定向诱导 分化为多种目的细胞并形成相应组织1 2 4 - 2 5 】，因此，能够实现组织工程的修复的基 本目标，这为解决组织工程种子细胞问题指明了明确得发展方向，提供了良好的 机遇【2 6 】。 2 2 2 2 组织工程用生物材料 生物材料主要是为种子细胞提供其生长、增殖和功能的发挥提供所需要的良 好的兼容性环境，为组织工程化组织的构建提供细胞载体和组织结构支架【2 。7 1 。这 类材料主要有两种，第一种是合成的生物兼容性可降解性材料【2 引，如聚乳酸、聚 乙二醇及聚羟基乙酸等，目前的研究方向主要集中在对这类材料的改性方面【2 9 1 。 第二种常用材料是经过特殊加工的天然材料，如明胶胶原、壳聚糖、脱钙骨等， 他们具有良好的生物兼容性。这类材料的缺点是性质不够稳定，不宜进行成型加 工，力学性能不好等。现在，生物材料的主要研究方向是将天然材料和合成高分 子材料结合起来，采用新技术制造出具特殊性能的组织材料，实现与生物体的高 度匹配。如生物多孑l 玻璃纤维材料3 0 引】，陶瓷材料3 2 1 以及利用壳聚糖明胶体系 支架负载聚乳酸类共聚物载药胶束实现药物在生物体内的靶向稳定释放。另外， 生物活性材料及智能型生物材料也是一个重要发展方向，在材料中整合一定生物 信号，可选择吸附、趋化特定细胞，从而引起细胞的增殖、分化、基质分泌等生 物活动，最终能够与生物体的新陈代谢活动达到平衡【3 3 】。 2 2 2 3 组织工程化的构建技术 组织工程化的构建技术主要是在研究生物体器官的结构和性质的基础上，将 具有不同功能的细胞按一定数量和比例按照生物器官的正常结构在支架上进行 三维有序排列组装，并形成接近正常的有序结构，从而实现器官在形成过程中不 同组织之间的完美整合，同时保证构建后的器官与受体的完美整合和各项生理功 能的正常发挥【3 4 】。目前组织工程研究在组织构建方面已经取得了很大的进展，成 功的利用可生物降解高分子完成了接近临床应用软凰【3 5 1 、骨【3 6 】、血管【3 7 】、心脏 瓣膜【3 引、肌腱、皮肤的组织构建和缺损的实验研究，并已经开展了初步的临床应 用探索【3 9 1 ，但对于复杂器官的组织工程化构建仍没有突破性进展，因为其中存在 很多人们没有清楚认识的微观结构，一些关键性的问题有待解决【4 0 1 。这也是组织 工程未来的重点发展方向。 自本世纪以来，组织工程已经得到了突飞猛进的进展，各种结构相对简单的 组织构建及缺损修复研究均已在临床动物实验中获得成功，部分已经开始临床应 6 第二章文献综述 用。随着组织工程的不断发展，必将带动和促进许多相关高科技的交叉渗透和进 步，并逐渐发展成为未来高科技发展的又一焦点。但是，作为- - f q 新兴学科，他 的进一步发展也暴露出许多新的问题和挑划4 1 1 ，这些挑战分别表现在组织工程的 三个基本要素的问题上，这也是未来组织工程进一步发展的主要方向。 2 3 再生医学和组织工程技术 再生医学( r e g e n e r a t i v em e d i c i n e ，r m ) ，是利用人类的自然治愈能力，使受到巨 大创伤的机体组织或器官获得自己再生能力为目的的医学，原指体内组织再生 的理论、技术和外科操作。随着科学的不断发展，其内涵已不断扩大，包括组织 工程、细胞和细胞因子治疗【4 列、基因治疗以及微生物治疗【4 3 】等。到目前为止， 该领域已经成为一个多学科交叉并且发展迅速的领域 4 4 1 。再生过程不同于通常意 义上的发育过程，发育过程通常是新基因的首次表达，他通过细胞分裂来建立细 胞微环境，是有性过程。而再生过程是通过已分化或未分化的细胞( 如干细胞) 在已建立的分化环境中发育，通过新细胞的分裂，重排和已有细胞重新分化形成 新结构 4 5 】。干细胞是一类具有很强的分化能力，再生性强的细胞，同时由于他处 于一种低分化状态，因此具有分化成多种细胞、组织和器官的能力。从某种意义 上来说，再生医学的是建立在对具有这类具有再生性质的细胞的发展的基础上发 展起来的，他通过将细胞移植到生物体内损伤部位，从而达到组织器官重建和再 生的目的 4 6 - 4 7 】。 再生医学致力于对个体细胞的构建，因此对于“组织工程学”研究，也是再生 医学的核心部分。2 0 世纪8 0 年代，兰格和瓦坎蒂提出，利用工程学和生命科学 的原理和技术，在体外预先构建一个有生命的种植体或体外装置，用于修复组织 缺损，替代器官的部分或者全部功能，这就奠定了再生医学的科学基础，也决定 了再生医学和组织工程的特殊关系，有着重要的科学意义【4 8 1 。由于利用组织工程 学技术能制造出含有特定活性的细胞群落，将后者直接移植或者播种子到生物材 料上【4 9 1 ，他们除具有良好的生物兼容性外，同时还具有生长潜力【5 0 1 ，能够与生 物体达到完美结合。这项技术在临床医学中有着广泛的应用前景，包括神经网络 构建【5 l 】，人工组织工程血管、自体组织工程瓣膜的构型5 2 1 及细胞移植治疗晚期 心肌病等。 再生医学研究的核心问题在于，移植细胞源( 种子细胞) 的筛选和培养，移 植材料的选择和移植途径的选择以及一系列的相关实验学方法等，p a t r i c i a y w d a n k e r s 和m a r t i nc h a r m s e n 等人已经成功的利用缩氨酸高分子制 成具有生物活性的组织工程支架，并且表现出良好的细胞兼容性和结合力及生物 活性( 5 引。这就是说，组织工程科学和现代高分子药物系统是再生医学的重要的核 第二章文献综述 心内容之一，有着广泛的发展和应用前景5 钔。 2 4p l a p e g 嵌段共聚物的应用 2 4 1 聚乳酸类高分子简述 聚乳酸( p o l y l a c t i ca c i ，简称p l a ) 是一种新型的、环保的热塑性聚合物，具有 良好的生物兼容性和生物降解性，且降解产物能参与人体的新陈代谢，因此成为 生物医用材料领域中最受重视的材料之一，也是f d a ( 美国食品和药物管理局) 认 可的一类生物医用材料。5 0 年代，由丙交酯( l a ) 开环聚合制得了高分子量的聚 乳酸，由于这类脂肪族聚酯对热和水比较敏感，长时问未引起人们的足够重视。 6 0 年代，重新研究p l a 对水敏感这一特性时被作为可降解的手术缝合线材料而 得到广泛关注。1 9 6 6 年，k u l k a m i 等【5 5 j 提出低分子量的p l a 能够在体内降解，最 终的代谢产物是二氧化碳和水，中间产物乳酸也是体内正常代谢的产物，不会在 体内积累，因此p l a 在生物体内降解后不会对生物体产生不良影响。随后报道了 高分子量的p l a 也能在人体内降解，由此引发了以这类材料作为生物医用材料的 开端。目前在生物医学材料领域中聚乳酸被广泛用于药物释放材料、眼科材料5 6 】， 外科手术缝合线，骨折内固定材料【5 7 】以及组织工程材料等等。但是，p l a 存在亲 水性不足、官能团单一等缺点，因此，近年来对p l a 的功能化与亲水性改性进行 了探索，合成了多种新型p l a 类生物降解高分子【5 8 】。利用聚乙二醇改性聚乳酸合 成嵌段共聚物作为生物医药载体是目前研究的焦点【5 9 - 6 1 】。 聚乙二醇( p e g ) 既溶于水又溶于有机溶剂，具有较好的两亲性以及良好的生 物兼容性，端基可以进一步反应合成新的化合物，对于聚合物改性改善其作为药 物基因载体材料性能具有重要意义【6 2 1 。另外，p e g 分子量范围广，选择余地大， 并被美国联邦药品管理局批准可用于人体中。因此，作为最常片j 的p l a 改性手段 之一，聚乙二醇改性聚乳酸( p e l a ) 的合成与应用研究日益的受到重视，这类物质 在药物缓释载体和组织工程材料等方面都展示了很好的应用前景【6 3 1 。 近年来，p l a p e g 嵌段共聚物作为疏水性药物和基因载体被广泛研列6 4 1 。 与p l a 相比，共聚物具有亲水性好、玻璃化温度低等优点，能更好地发挥疏水性 药物的药效。本实验室对p l a p e g 嵌段共聚物的组成、结构进行了研究。h n m r 图谱表明，嵌段共聚物中p l a 与p e g 的含量比与实际投料量相近，即可以通过控 制反应物的投料比得到不同的嵌段共聚物；d s c 图谱则显示，共聚物的比例与共 聚物的玻璃化温度呈线性关系，因此可以通过玻璃化温度来考察p l a p e g 嵌段共 聚物的组成情况。 不同化学组成和分子质量的嵌段共聚物有着不同的亲水性和释药动力学。一 般而言，低分子质量、p e g 含量高的p l a p e g 嵌段共聚物亲水性好、释药快； 第二章文献综述 而高分子量、p l a 含量高的嵌段共聚物在水中溶解度小。所以通过控制反应物 的分子质量以及p e g 的含量，可以影响载入共聚物中药物的释放。虽然p e g 能 够提高嵌段共聚物的亲水性，但同时也提高了水与p l a p e g 嵌段共聚物中不饱 和酯键接触的机会，因而加速嵌段共聚物的降解进程，使得疏水性药物在溶液中 大量析出。 2 4 2 嵌段共聚物在药物释放系统中的应用 一般高分子作为药物载体时，随着载体中药物含量的减少，药物的释放速度 变慢，无法保持药物的恒量释放。而高分子科学的不断发展，很好的适应了医学 方面如视角膜给药系统【6 引，骨质给药系统等对药物释放速度的特殊需求。研究发 现用生物降解性高分子作药物载体时，随着高分子在体内的不断降解，药物载体 的结构逐渐变得疏松，使里面所含的药物从中溶解和扩散的阻力减小，药物释放 速度加快。当药物释放速度的加快正好与含药量的减少所引起的释药速度变慢一 致时，就实现了药物的长期恒量释放。此外，用生物降解高分子作为载体的长效 药物植入体内，在药物释放完后，不需要手术取出，可以减少患者的痛苦。 p e g p l a 嵌段共聚物作为药物释放载体其优点有：( 1 ) 共聚物载体无毒无害；( 2 ) 按药物的要求，可以通过改变共聚物的组成来控制其降解速度；( 3 ) 缓释剂载体 可通过溶液或熔体来制作，这样就可以方便地获得缓释设计效果。聚乳酸材料根 据药物的性质、释放要求及给药途径，可制成特定的药物剂型【6 引。较简单的采用 溶液成型、热压成犁等方法制备填植制剂，如胰岛素的双层缓释片，庆大霉素的 圆柱体，促生长激素释放激素( g h r i t ) 的块状植入剂以及激素左诀诺酮的空心 p l a 、纤维剂等。而研究更多、制备较为复杂但是更为有效的控制释放、能靶向 治疗的是微粒化药物制剂，如层状微粒、微球( 1p m 1 0 0p m ) ，纳米微球( 0 0 1p m 1 p m ) 、微胶囊等。p l a f p e g 嵌段共聚物控释制剂的制备方法视剂型的不同而不同， 较简单的是压缩成犁法制备植入剂，o 【l y a m a k a m a 等用p l a 等制成了胰岛素的双 层缓释片。此外，非滤过性病毒基因释放体系比滤过性病毒基因释放体系具有制 备简单，安全有效的特点，但是由于其相对较低的转录效率限制了他的应用【6 7 1 。 而采用高分子共聚物多药共释放体系，制备基因和药物的共载系统，将他们运载 到同一细胞进行治疗，加强基因的转录并增强药物和基因的协同治疗效果，可以 有效解决这一问题。现在已经有很多人做了相关工作，l i u ，f 等人曾研究过将d n a 和药物同时附载在脂质体中进行共释放，并取得了较好的成剽6 8 】。 2 4 2 1 聚合物胶束 聚合物胶束是近几年发展起来的一种新型纳米级药物释放系统，目前在医 学、美容等领域都有很好的应用和发展前景。胶束的形成是吸引力和排斥力共同 9 第二章文献综述 作用的结果：吸引力导致分子间相互结合，排斥力则阻止胶束无限制增长。当两 亲性嵌段共聚物置于一个对亲水性或者疏水性聚合物有选择的溶剂中时，嵌段共 聚物会白发形成聚合物胶束溶液。两亲性嵌段共聚物由疏水一亲水嵌段共聚物在 水溶液中形成，其形成过程与低分子表面活性剂的过程非常类似，两亲性嵌段共 聚物在水相中能形成1 0 1 0 0n m 的聚合物胶束，具有特殊的核一壳结构。亲水性 p e g 嵌段形成胶束的外壳，这样就避免了由于药物在网状内皮系统( r e s ) 被非特 异性吸收，而到达不到i s 以外靶位的缺陷，实现了药物的被动靶向作用。为了 进一步提高药物对特定组织、器官的靶向效率，降低药物在非靶组织中的累积， 从而减少服药后的毒副作用，通常捆绑一个导向性分子如抗体或者糖类，使药物 的靶向性得到进一步增强【6 9 1 。由于p e g 末端有活性基团羟基，所以可以通过化学 反应连接靶向性配基，使p l a p e g 聚合物胶束具有主动靶向的作用【7 引。j u l e 等将 乳糖分子连接于p l a p e g 嵌段聚合物表面，使之能被细胞表面特定受体识别，并 使药物的停留时间变长，提高了疗效。 此外，为了能够达到不同药物药效发挥协同性，提高药物效用同时减小副作 用，人们对胶束的多药共释放体系也进行了很深入地研究。例如在生物医药领域， 有人曾经提议利用d n a 和药物的共释放体系来增强d n a 和药物的相互作用和结 合治疗的作用。l u o d 等人将无选择滤过性病毒基因与三种可以增强其转录效 率的药物共同运载在统一胶束中增强基因表达效果，起到了很好的效果【7 2 1 。 y o n gw a n g 和y i y a ny a n g 等人也曾研究过将d n a 和药物共同负载在自组 装形成的阳离子胶束中研究其释放行为【73 1 ，这种微粒无论在材料上还是在结构上 都比前面的脂质体载体有很大改进，是一种生物可降解性两亲性共聚物，易于成 形并且其大小和球表面电荷密度都可以得到很好的控制，此外，他可以达到更好 的基因转染效率并且能将基因和药物同时释放到细胞中。该报道中还指出，通过 药物和基囚之间的共释放作用，更好的达到控制小鼠癌细胞扩散的目的。 2 4 2 2 微球 微球是一种以适宜的高分子材料为载体，包裹或吸附药物而制成的球形或类 球形微粒。它既能保护药物免遭破坏，又与某些细胞组织有特殊亲和性，能被器 官、组织的r e s 吞没或被细胞融合，集中于靶区逐步扩散而释放药物，或被溶酶 体中的酶降解而释放出药物【。7 4 】。聚乳酸类高分子材料由于其良好的生物兼容性和 降解性，是一类最常用的医用微球材料。程围华，罗佳波等人通过汉防己甲素聚 乳酸微球对小鼠体内注射的研究，证明了汉防己甲素聚乳酸微球具有明显的靶向 性【7 5 】。影响聚乳酸类材料微球粒径大小的因素有很多，如聚合物的浓度、分散剂 的种类浓度及数量、成球时的搅拌速度等方面。然而单一组分高分子微球常常会 因为表面受到破坏导致药物突释或者释放不完全，但引入p l a p e g 嵌段共聚物 1 0 第二章文献综述 后，蛋白、多肽类药物的突释明显降低。 沈彬等采用复乳包囊法制备碱性成纤维细胞生长因子p l a p e g 嵌段共聚物 缓释微球，体内释药研究显示，缓释微球在制备后两周内均能缓慢释放碱性成纤 维细胞生长因子，并且释放过程稳定，无突释现象。 将p l a p e g 嵌段共聚物作为微球的载体材料除了能够降低药物的突释增强 药物靶向性外，还能提高蛋白质药物的包封率。吴晓蓉等以p l a p e g 嵌段共聚物 为材料包裹乙型肝炎表面抗原，制成平均粒径为2 1 7g m 的缓释微球。试验表明， 由p l a p e g 共聚物制备的微球，其蛋白包封率可达3 5 ，而采用市售的乙交 酯丙交酯共聚物( p l g a ) $ j 备所得的微球，蛋白包封率仅为1 。 虽然载药p l a p e g 嵌段共聚物微球的研究已经取得一定的进展，但是对如何 装载蛋白等极易变性的物质，现在仍然没有突破性的成果。 2 4 2 3 纳米粒 纳米粒是由高分子物质组成的骨架实体，药物可以溶解、包裹其中或吸附于 实体上，一般将纳米粒分为骨架实体型的纳米球和膜壳药库型的纳米囊。 p l 脚e g 共聚物纳米粒的粒径多在1 0 1 0 0 0n m 范围内，其尺寸大小与病毒、脂 蛋白及人体内自然的介观范围( 纳米尺度) 的组织单元相近，因此可以通过生理屏 障，在体内具有独特的分布，实现靶向。其在体内的分布主要与粒径的大小、表 面形态有关，与核内包裹的药物性质关系不大，因此可以通过分子设计，合理引 入p e g 来调节纳米粒的粒径大小和药物的释放速掣7 6 l 。 c a l i c e t i 等先将胰岛素、p l a p e g 溶于d m s o 中，然后利用压缩c 0 2 除去溶剂， 从而获得p l a p e g 嵌段共聚物纳米粒。通过选取不同分子质量( 3 5 0 1 9 0 0d a ) 的 p e g 或不同投料比( 1 0 7 5 ) 的p e g p l a 为原料，可以得到不同的纳米粒。实验 结果表明，p e g 分子质量的大小对共聚物粒径的大小影响不大，但是共聚物粒径 随p e g 在p e g p l a 共聚物中含量的增大而减小。这是因为共聚物溶液与水相之间 的界面张力影响粒子的粒径，共聚物亲水性越强，其与水相间界面张力越小，所 以粒子粒径越小。体外释放实验发现，胰岛素的溶出速率随p e g 含量的增大而加 快，因此可以通过调节嵌段共聚物中p e g 与p l a 的含量比例来控制药物的溶出速 率。 2 4 2 4 支架 关于组织工程的修复缺损，目前最为流彳的方法是构建一个多孔支架，使细 胞可以进入多孔聚合物内部并在其上贴附生长，同时细胞还可以分泌基质，体外 培养一段时间后将所得到的“细胞聚合物”符合支架体系植入生物体组织缺陷 处，可诱发新生组织形成起到很好的治疗效果。如果聚合物支架可以在体内降解， 第二章文献综述 那么一段时间后新形成的组织将完全由细胞机及其自己分泌的物质构成，这样就 消除了组织对外来才排异反应。根据组织工程的基本原理，作为组织修复的基本 构建的三维支架必须易于形成；具有一定的孔