生物可降解高分子材料在医学领域的应用.doc

生物可降解高分子材料在医学领域的应用引言因疾病、手术或老化造成组织、器官的缺损以及功能障碍是人类健康面临的重要危害之一。虽然通过个体检器官的移植、外科再造来修复组织、器官的缺损也曾拯救或延长了少数人的生命，但仍存在不少问题。现有的医学技术，在修复和治疗人体各种组织和器官方面，临床上大致有三种方法可应用：即自体组织移植、异体组织移植和应用人工合成代替品。但这些方法由于种种问题还不能完全满足临床需要。如自体组织移植又造成修复移植部位损伤；在异体组织移植中会产生免疫排斥反应，而某些组织的供体如肾脏、肝脏由于来源困难，数量不多，供不应求；人工合成代替品近年来虽然应用较为广泛，但植入后分别还会引起异物反应、继发感染等。这些都迫使科学家们寻求新的、更为理想的组织替代物1。生物可降解高分子材料与生物体（天然高分子）有着极其相似的化学结构、在生物环境下的降解与吸收为现代医学带来了革命性的进展2。组织工程学是利用工程学和生命科学的原理和方法研究生物有机体的组织器官或其功能替代物的新兴交叉学科。它集生物工程、生命科学、材料科学与工程及临床医学于一体，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量。材料科学的发展是组织工程的必要条件，也是组织工程学研究的一个重点内容。组织工程载体生物可降解高分子材料作为组织工程的平台或三维支架，不仅提供细胞生长的框架，使之形成特定的组织或是器官形状，而且生物可降解高分子材料还作为细胞外基质成分之一，起着细胞间信号传导和相互作用的媒介功能，是组织细胞生长所必需的生物活性剂3。关键词生物可降解高分子材料 受损组织或器官修复 组织工程学生物可降解高分子材料生物可降解高分子材料是在酶的作用下可降解的一种绿色生态高分子材料，这些材料在植入人体并经过一段时间后，能逐渐被分解或破坏。组织工程所用的生物相容性材料，根据来源，可分为天然聚合物和合成聚合物两类。1 天然生物降解高分子材料天然生物降解材料是指来源于动植物或是人体内天然存在的科生物降解的大分子。天然生物降解高分子材料是人类最早使用的医用材料，具有良好的生物相容性且降解产物无毒。典型的生物降解材料有甲壳素、壳聚糖、纤维蛋白、胶原蛋白和纤维素衍生物等。2 合成类可降解高分子材料天然降解材料虽然具有某些优良性能，但仍存在一些不足，如力学强度较差，性能随批次不同而有差异。合成类可降解高分子材料的微结构、机械性能、形态以及材料的降解时间等都能预先设计和调控，最后降解完全，可以避免异物反应所引起的不良反应。通过控制条件，其生产重复性好，可以根据需要大批量生产，因此是组织工程材料中研究最多、应用最广的支架材料。目前应用较多的组织工程支架材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚羟基丁酸酯、聚酸酐及其共聚物等。组织工程学的原理及研究内容应用组织工程学原理研制人造生物器官，其基本方法是将体外培养的高浓度组织细胞扩增后吸附于一种生物相容性良好，并可被人体逐步讲解吸收的细胞外基质（ECM）上。该材料可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行新陈代谢，使细胞按预制形态的三维支架生长；然后将这种复合体植入机体所需部位。种植的细胞在生物支架讲解吸收过程中，继续增生繁殖，形成了新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，从而可达到修复组织外形和功能重建的目的。三维多孔可降解支架材料的制备技术及发展植入物的设计应主要考虑载体材料的空间构型，如孔的尺寸、孔之间的联通性、材料内部的表面积等。开孔材料表面应比普通的材料表面更有利于细胞伪足的攀附，增加细胞层与基底材料之间的物理作用力。基底材料上的开孔有利于水分、无机盐以及其他营养物质和细胞代谢产物的运输和交换，从而更有利于细胞的正常生长和生理代谢。目前，应用在组织工程中的主要结构形式有纤维支架和多孔泡沫两种。1 纤维网状结构纤维网是由纤维构成的无纺布或由纤维编制成的孔径可变的三维支架。由PGA或PLGA纤维构成的支架表面积大，有利于细胞粘附和营养的输入，因此它适用于一些细胞移植和组织再生。但纤维网组成的支架结构稳定性不好，需要进行一定的加工。2 多孔泡沫网状结构制备多孔高分子支架可以采用多种方法，其中包括盐析法与层叠技术相结合、气体发泡技术制备、熔融成型技术制备、相分离法等。多孔泡沫三维支架可通过控制生产条件实现均一化生产，性能较为稳定。应用领域生物医用高分子材料是以医用为目的，用于和活体组织接触，具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的无生命高分子材料，即biomedical polymeric materials。1 骨、软骨组织工程骨组织工程是当前组织工程研究的热点，也是组织工程方法成功运用于临床移植替代物的典型范例。理想的骨、软骨组织工程支架材料或细胞载体应具有一下条件4：（1）良好的生物相容性。无毒，不致畸，有利于细胞的粘附、增殖，不引起炎症反应。（2）适宜的生物降解性。基质材料降解率应与组织细胞生长率相适应，降解时间应能根据组织生长特性做有效调控。（3）有效的表面活性。有利于细胞粘附，并为细胞在其表面生长、增殖和分泌基质提供良好的微环境，能激活细胞特异基因表达，维持正常细胞的表型表达。（4）一定的可塑性。便于加工成型所需的形状，并有一定的机械强度，在植入体内一定时间内仍可保持其形状，从而使形成的组织具有所需的外形。（5）具有三维多孔结构。基质材料具有多孔和高孔隙率，孔隙率最好达90%以上，内表面积大，既有利于细胞的粘附和长入，又有利于营养成分的渗入和代谢产物的排出。目前，骨、软骨组织工程中应用的可降解高分子材料根据来源，可分为微生物合成聚合物、天然聚合物和人工合成聚合物三大类。聚合物 特点 应用蛋白质 良好的学业相容性 静脉注射类药物释放体系胶原 良好的生物相容性，可消化吸收性， 可降解缝线，人造皮肤，伤口敷料，人 对组织恢复有促进作用，无异物反应 造腱、血管，硬脑膜代替用品，止血剂，眼 科治疗装置，取代眼睛玻璃体及药物缓释载体明胶 水溶性生物可降解材料 药物的微胶囊化及包衣，人造皮肤多糖 优良的生物相容性和降解性 手术缝合线，人造皮肤，核聚糖作用载体生物合成聚酯 热塑性，良好组织相容性和物理性能 骨科材料、药物控释体系表1-主要天然可降解医用高分子材料及其应用人工合成可降解高分子材料的微结构、机械性能以及材料的降解时间等都能预先设计和调控。通过控制条件，其生产重复性好，可以根据需要大批量生产，因此是组织工程材料中研究最多、应用最广的支架材料。在各种组织工程化组织器官中，组织工程化骨、软骨可能是最先进入临床应用阶段，具有很大的发展前途和临床应用价值。然而，要真正的广泛应用于临床上，还需要解决各个方面的许多难题。一方面需要对现有材料的表面形态、空间结构形成进一步的改善，另一方面，还要继续寻取更新的、更有效的生物降解材料作为载体。现有的材料用作骨组织工程细胞外基质材料时，都存在一些缺点，而且细胞载体材料的工艺制备技术在工业上还不是十分成熟。2 血管组织工程目前临床应用的血管移植材料，分为自体血管、异体血管和人工合成血管3种。自体血管组织相容性好，无免疫排异反应，抗感染，不易出现动脉瘤样退化，温和口处能保持正常的柔韧性，是最理想的血管移植物。但是，人体自身非必要血管的长度和直径极为有限，因此，它的临床应用受到了一定的限制。异体血管来源丰富，但移植后存在严重的免疫排斥反应和其他术后并发症，如血管壁增生、血栓形成和血管腔闭塞等。人造血管由高分子合成材料制成，分织物和非织物两种。人造血管来源丰富，容易获得不同的口径和长度，应用方便，但它缺乏内膜，易形成血栓，存在钙化、感染的缺点，对于小口径的血管（小于5mm）尤不适用。因此临床上急需寻找一种管道，这种管道具有高度的组织相容性、可生长性、可塑性、无血栓形成、不易感染等优点，移植后能维持管腔的长期通畅。组织工程为研制开发这种新型人造血管开辟了新的途径。3 手术缝合线生物降解医用高分子手术线，可被人体吸收，伤口愈合后无需拆线且保持一定的强度，容易打结，便于操作。4 外科用粘合剂外科用粘合剂主要是粘合需要恢复机能的生物机体，仅在创伤愈合前起暂时的粘合作用，粘合之后要能很快分解，排泄或吸收。-氰基丙烯酸酯是唯一用于临床的粘合剂。5 人工皮肤目前在临床中得到应用的皮肤修复材料分为两大类：一类是天然皮肤或动物组织；另一类是人工皮肤，原料取自天然高分子或合成高分子。组成人工皮肤的材料如下表-2所示。组成 材料 举例 功能表层 合成高分子膜 PE，聚氨酯，硅酮高分子 抑制水分蒸发防止蛋白 质和电解质损失，防止细菌侵入中间层 合成高分子纤维织物 尼龙筛网 方便人工皮肤缝合固定于被植体底层 海绵状生物降解性高分子物质 胶原海绵体，核聚糖， 促进表皮细胞贴壁和增殖防止 共聚丙交酯-乙交酯 皮下积液表2-人工皮肤材料及其功能展望生物可降解高分子材料的重要地位是不言而喻的，世界各国正在竭力开展研究和开发工作，并推广其应用，前景十分广阔。今后生物可降解聚合物及其在医用方面的应用发展将主要集中在对聚合物的物理和化学的修饰，研发出新型的适合不同药物的聚合物基材料，并达到理想的控制释放效果。总之，生物可降解高分子材料是一类极有前途的高分子材料，值得材料研究工作者为之奋斗。文献1任杰、吴志刚、潘可风，可降解高分子材料在骨、软骨组织工程中的应用，同济大学学报，2003年2月第1期第24卷。2陈永析、陈秀娟，生物可降解高分子材料在医学领域的应用，中国疗养医学，2003