智能生物医用高分子材料

,第七章,智能生物医用高分子材料,生物医用材料概述,生物医用高分子材料,纳米生物医用材料,内容提纲,智能生物医用高分子材料,1,概述,生物医用材料（BiomedicalMaterials），是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。生物医用材料要与生理环境联系，生物医用材料可源自天然，更可采用合成材料如合成高分子生物医用材料。,生物医用材料定义,生物高分子材料与生物环境的相互作用,（1）分子水平,不同类型的高分子材料包括降解和非降解高分子材料及生物活性高分子材料，均已用于生物环境,它们与环境的相互作用可从构造的不同水平考虑。,分子水平反应和分子间相互作用很重要,例如:阴离子和中性高分子材料会和人血清中的白蛋白和球蛋白形成配合物，这些非特异相互作用是基于氢键、静电和疏水相互作用。如何抑制非特异相互作用，赋予生物医用材料特异相互作用(配体-受体等)，是调控其功能,产生所期望细胞应答的关键。,生物医用材料在生物体内会产生化学反应，如水解、氧化及与生物分子偶联。,（2）细胞水平,聚合物不能经扩散透过细胞膜，根据电荷及其分布、分子量、疏水性、构象和立体规整性，聚合物可与细胞膜(主要是磷脂)结合。细胞通过胞吞作用摄取聚合物。,6,（3）整个物体,进入血流中的聚合物会通过毛细血管壁以两种方式从区室清除。一是同胞吞作用为RES的上皮细胞接纳,然后经胞吞囊泡通过这些细胞,通过胞吐作用进入血流;二是聚合物可能经细胞间隙进入组织细胞周围的间隙。,对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液都是以Cl-、Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物医用材料在这种溶液中应不发生反应、腐蚀和变质。,对生物医用材料的要求,具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。如髋关节在静止状态承受体重的二分之一，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,每年大约承受1106-3106次重复负荷的作用。,与生物体组织、与血液有相容性不会引起凝血，与软硬组织有良好的粘接性，不会产生吸收物和沉淀物。,按应用性质分类：心血管材料硬组织材料软组织材料血液代用材料分离、过滤、透析膜材料,生物高分子材料分类,心血管材料,硬组织材料,软组织材料,血液代用材料,膜材料,按生物医用材料使用要求分类：非植入性材料和制品植入性材料和制品血液接触材料和制品降解和可吸收性材料和制品,按生物医用材料的性质分类：,天然生物材料合成生物材料医用金属材料无机非金属材料高分子材料,按生物医用材料的来源分类：,人体自身组织同种器官与组织异种同类器官与组织天然生物材料提取和改性合成材料,无机陶瓷材料,高分子材料,天然材料,生物医用高分子材料,天然生物材料1）I型胶原,来源：哺乳动物体内结缔组织，构成人体约30%的蛋白质，共14种，I型最丰富且性能优良。,结构：三股螺旋多肽，每一个链有1050个氨基酸，一级结构富有脯氨酸和羟脯氨酸，第三个总是甘氨酸，结构有序。,胶原结构示意图,规整的螺旋结构-免疫原性温和;体外可形成较大的有序结构-强度良好的纤维;物理或化学交联-提高强度且延长了降解时间；可提供细胞生长、分化、增殖、代谢的一个结合位点,性能：,用途：,胶原分子可以作为组织修复的支架材料;可作为药物控释载体,成纤维细胞在胶原上生长时，代谢和形态与其在体内生长极为相似.Yannas等人首先用胶原-硫酸软骨素多孔交联的支架成功制得人工皮肤，能治疗严重烧伤的病人。作为眼药水的胶原保护层，可防止药物角膜前流失,胶原应用举例：,*结构：由双糖重复单位聚合成高分子直链的杂多糖，一般包括一个醛酸部分（己糖醛酸）和一个胺基糖部分（N-乙酰氨基己糖),主要成分为透明质酸。,2)氨基葡聚糖,*来源：植物中,易于进行化学修饰，无免疫原性，不产生炎症或免疫排斥反应，但强度和稳定性较差。,组织修复材料（尚有争论）医疗装置（较硬的骨架）,*性能：,*用途：,3）壳聚糖(chitosan),*来源：节足动物的甲壳和细菌细胞壁中，产量丰富，价格低廉*结构：以-1，4键合的多糖，氨基带有正电荷,*性能：无免疫原性-很好的植入材料可进行化学修饰-强度不同的纤维材料可进行交联-凝胶材料利用带电性能可以调控物理和化学性质*用途：(1)药物释放包埋材(2)膜屏蔽材料(3)接触镜(4)细胞培养抗凝剂及血液抗凝剂,*来源：由微生物制成，分子量由一万到十几万，研究最多的是聚-羟基丁酸酯（PHB）*结构：,*性能：均聚物高度结晶性、脆、憎水性低毒、可在体内降解成D-3羟基丁酸（人体血液成分）可进行共聚改性,4）聚羟基烷基酸酯(polyhydroxyalkanoates),*用途：药物控释缝合线人工皮肤,*举例：聚羟基丁酸与30%羟基戊酸共聚，商品名为:Biopol.材料由原来的高结晶度、脆、憎水，变为结晶度低、柔顺、易于加工的医用材料.,1)羧甲基纤维素钠(Sodiumcarboxymethylcellulose,SCMC)来源:纤维素的羟基羧甲基醚化的产物,人工半合成生物可降解材料,结构:,性质:阴离子型高分子电解质,溶于水成粘稠溶液,加热会成果冻.,用途:常与明胶配合作复合囊材(1-5g/LSCMS和30g/L明胶按体积比2:1混合),用于口服肠道靶向药剂.,2）邻苯二甲酸醋酸纤维素(Celluloseacetatephthalate,CAP),结构：,来源:纤维素部分羟基乙酸酯化,再用邻苯二甲酸酯化,性质:强酸中不溶解，可溶于pH6的水溶液，分子中含有游离羧基，其相对含量决定其水溶液的pH值及能溶解CAP的溶液最低pH。,用途：可单独作为囊材使用，用量一般在30g/L，也可以与明胶配合使用。,3）甲基、乙基纤维素（MC、EC）,结构：,性质：化学稳定性高，不溶于水、甘油和丙醇，可溶于乙醇，遇强酸易水解。,用途：适用于多种药物的微囊化载体，但对强酸性药物不适合。,4）羟丙甲纤维素(HPMC)：结构：,性质：稳定性高，能长期储存，有表面活性，能溶于冷水成为黏性胶体溶液,用途：,药物赋型剂和包衣微囊和微球及纳米粒的载体,合成生物降解材料1）聚羟基乙酸均聚物,合成方程式:,结构式:,特点:结晶性高,40%-50%结晶度熔点高,225不溶于有机溶剂,只溶于六氟异丙醇强溶剂中,用途:可做内植骨钉,如商品名为Biofix的产品.可做缝线,如商品名为Dexon的产品(3)因结晶度高,难溶性,均聚物不适合做药物控释载体,2）聚乳酸均聚物,合成方程式:,结构式:,PLA有两种光学异构体，可形成四种不同构型的聚合物：D-PLA；L-PLA；DL-PLA（外消旋）；DL-PLA（内消旋）,特点:,半结晶聚合物，熔点：185C，强度高，降解吸收时间长（33.5年），适用于承载装置，制作内植骨固定装置。,无定形聚合物，Tg约为65C，降解和吸收速度较快（36月），主要作药物控释载体和软组织修复材料。,L-PLA：,DL-PLA：,用途：,胰岛素的聚乳酸双层缓释片庆大霉素的聚乳酸圆柱体激素左炔诺酮的空心聚乳酸纤维剂等,3）聚羟基乙酸和聚乳酸的改性,二嵌段共聚物：PEG-PGA；PEG-PLA三嵌段共聚物：PGA-PEG-PGA；PLA-PEG-PLA,亲水性和降解性可调控,（1）亲水性共聚物：,多肽和蛋白质药物控制释放与血液接触的表面和组织粘合剂智能控释体系,用途：,（2）聚合物合金可提高产品的力学强度和硬度及抗弯强度,用途：作内植骨固定装置如：L-PLA与聚富马酸酯合金,（3）自增强复合材料,如：PGA纤维增强PGA板，抗弯强度可达到300MPa,4）聚己内酯（PCL）,结构式：,PCL半结晶态聚合物,结晶度约为45%超低玻璃化温度(Tg=-62C)和低熔点(Tm=57C)良好的药物通透性及热稳定性(分解温度=350C),性质:,用途:,用于可溶蚀的扩散型控释放装置降解吸收时间长，用于长效抗生育制剂可制成微球、微胶囊、膜、纤维棒状及纳米粒子制剂可与PLA、PEG等共聚赋予材料特殊性能,5）聚酸酐,结构式：,性质：,高结晶度芳香族聚酸酐是高熔点和难溶解聚合物脂肪族聚酸酐熔点较低，能溶于大多数溶剂：二氯甲烷、氯仿等脂肪族：芳香族=1：1时无定型态共聚后熔点降低且溶解性改善,应用：,药物控释载体适用于大分子生物活性药物。如：蛋白、多肽和DNA药物,6）聚磷腈,结构式：,合成方法：,性质：,水解后生成磷酸和铵盐调节不同侧链基团可得到性能不同的药物控释载体如：侧链为温度响应或PH响应的智能型水凝胶药物体,用途：,可制备环境响应性药物释放装置,7）氨基酸类聚合物,聚氨基酸假性聚氨基酸氨基酸-非氨基酸共聚物,氨基酸类聚合物分为三类：,聚氨基酸,优越性：可降解生成简单的-氨基酸缺点：成本高，除聚谷氨酸外，其他聚氨基酸难溶于水或常规有机溶剂。,热-机械，电-机械和化学-机械之间的能量转换功能和逆相转变。,肌肉骨骼的修复装置，眼科装置，机械或电感应式药物控释装置。,应用：,如：,1968年Miganae等人合成了聚谷氨酸纤维（外科缝线）天然多肽序列聚氨基酸。,美国Urry公司合成的颉-脯-甘-颉-甘(VPGVG)为重复结构单元的氨基酸，成膜交联后有如下性能：,假性聚氨基酸,用非酰胺键选择性地取代传统的酰胺键生成类似聚氨基酸的聚合物，如：羧酸酯键、碳酸酯键、脲键等。,定义：,优势：,可明显改善其物理、化学和生物学性能保留了传统聚氨基酸的无毒和生物相容性合成时不需要昂贵的N-羧酸酐，成本大大降低,药物控释制剂和骨植入装置，长效控释制剂,应用：,氨基酸与非氨基酸共聚物,如：PEG-聚天门冬氨酸(由不溶水溶性胶囊)PEG-聚赖氨酸(不在脏器中积蓄),优势：改善溶解性、力学性能、亲水性；更具有可修饰性,智能生物医用高分子材料,模拟生物大分子的协同相互作用，可赋予合成高分子材料智能性，近数十年以来，合成功能高分子，使其以期望的方式响应温度、pH，电场，磁场或其他参数变化，这与生物大分子相似的刺激响应性聚合物即“灵巧”或“智能”高分子材料，与生物医用材料密切相关。,1）弹性蛋白,弹性蛋白是一种结缔组织蛋白，它赋予细胞外基质强度和韧性。弹性蛋白重复序列简单，这类材料不同于丝或胶原，无溶解度问题。弹性蛋白状多肽在低温下溶于溶液中，呈现无规线团构象。,弹性蛋白显示低临界溶解温度(LCST)行为，它在升温时蛋白质形成有序结构，结构本身折叠成螺旋构象时蛋白质链熵的降低为链中释放水所补偿。,弹性蛋白既可以由有机化学制备，亦能由微生物蛋白质表达合成。,常以五肽序列缬氨酸-脯氨酸-甘氨酸-缬氨酸-甘氨酸(VPGVA)研究弹性蛋白,可作为药物释放载体,2）丝-弹性蛋白状聚合物,丝-弹性蛋白质基聚合物（SELP）是由丝氨基酸序列（甘氨酸-丙氨酸-甘氨酸-丙氨酸-甘氨酸-丝氨酸）和弹性蛋白氨基酸序列（甘氨酸-缬氨酸-甘氨酸-缬氨酸-脯氨酸）构成的基因工程生物聚合物。,丝-弹性蛋白质基聚合物共聚物在生理条件下根据重复单元内丝状模序数目可逆地自组装。它会通过不可逆放热事件形成凝胶，此时丝状结构域因氢键介导物理交联。,3）自组装水凝胶,智能生物医用高分子材料的应用,1）表面分子识别,细胞表面呈现受体和配体混合物，它们介导细胞黏附和细胞通讯。受体和配体均为蛋白质分子相互作用,如钩状物和眼状物之间相互扣住。受体通常和细胞膜整合：一部分分子陷入脂质双层，其余部分越过细胞内和外的膜。配体与另外细胞膜、细胞外的一部分整合，或自由扩散至细胞外的介质中。此类受体与配体蛋白质常糖基化，即糖聚合物与蛋白质键合。根据受体与配体的不同，蛋白质氨基酸、糖或两者会成为细胞黏附和通讯的功能组成成分。,利用细胞表面工程可以有机结合选择性地进行修饰，赋予其新的受体结合活性。,2）分子识别molecularrecognition,分子识别指主体分子在许多分子群中识别特定的客体分子，此过程中分子间共存各种分子相互作用的分子信息。,怎样调控众多分子的最稳定结构状态，赋予其特异性，就要考虑分子的捕捉能力。在一定方向上再配置，使其相互作用达到稳定的结合状态，如利用高分子量的主体分子的多点相互作用,达到稳定的结合状态，以增强识别能力。,生物大分子以其分子间相互作用实施正确的信息传达。以蛋白质为例，是它的折叠构象传达信息，这又与氨基酸排列组合相关。特定的分子对应于立体多点相互作用，才产生分子识别。在无数的单体排列中，选择特定的单体，人工实现此过程非常困难,为构筑分子识别三维结构可采用分子印迹法。,将各种生物大分子从凝胶转移到一种固定基质上的过程称为印迹技术（blotting）,分子印迹技术,当模板分子（印迹分子）与聚合物单体接触时会形成多重作用点，通过聚合过程这种作用就会被记忆下来，当模板分子除去后，聚合物中就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴，这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。,分子印迹技术-基本原理：,3）自组装self-assembly,自组装为组分在无人为干预下自动组构成图案或结构，自组装过程一般通过自然和技术实施。,所谓自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。,自组装有两种主要类型，静态和动态。,1）静态自组装包括整体或局部处于平衡的系统，并不耗散能量，如分子结晶由静态自组装形成，大多数折叠的球状蛋白质亦属此类型。静态自组装时有序结构的形成需要能量(如以搅拌方式)，但一旦形成组装体则稳定。2）动态自组装组分间形成结构式图案相应的相互作用，只有在系统耗散能量才能产生。如振荡化学反应中反应与扩散竞争才产生图案，生物细胞则是更复杂的实例。动态自组装还能细分为成模板自组装和生物自组装。模板自组装时组分间相互作用及其环境的调控特征决定形成的结构。例如，表面上结晶决定结晶的形态。,分子自组装涉及非共价或弱共价相互作用(范德瓦尔斯力、静电和疏水相互作用、氢键和配合键)较大。,纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度范围（1100nm）的生物医用材料。它可用于组织病缺损修复或者替换、药物载体、检测诊断治疗、药物筛选等。,纳米生物医用材料,纳米工程酶,碳纳米微管,纳米机器人清理血管,纳米生物材料制备方法,物理方法,(1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。(2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。(3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。,(1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。(2)沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。(3)水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。(4)溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。(5)微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。,2.化学方法,3.生物方法,通过生物学、化学与纳米技术的学科交叉融合，将DNA自组装方法与纳米制造结合，实现生物纳米制造的高精度、跨尺度、一致性和批量化。,NatureNanotech.2008,3,707,Curr.Opin.Biotech.2006,17,569,通过DNA碱基互补配对的生物分子识别过程进行纳米制造,3.生物方法,Science2009,323,112,在双交叉分子中插入DNA环，通过改变金纳米粒子的尺寸，制造不同三维结构的纳米金阵列,3.生物方法,生物法纳米制造过程,通过巯基化寡核苷酸序列结合金纳米粒子,依据碱基互补配对的原理组装成刚性四臂DNA瓦,四臂瓦进一步通过粘性末端相互连接制造成二维DNA纳米金阵列,58,SH,组织缺损修复/替换用材料即组织工程材料。传统的组织修复如：自体组织移植，异体组织移植和应用人工代用品等方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体不足等。组织工程材料的发展，将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失治疗的问题。具有调控机体内源性作用并能促进病、缺损组织再生修复的纳米组织工程材料的开发，是组织创伤治疗的新策略。它可通过各种刺激信号调控内源性作用，从而更有效、可行地实现病损组织的再生性修复。,1）组织缺损修复/替换用纳米生物材料,纳米生物医用材料应用,纳米生物材料调控内源性作用途径,内源性血栓形成机制,途径一,途径二,凝血酶导致血小板活化,血管内皮细胞破坏，胶原调节血小板活化,内源性凝血发生，血管栓塞,N.Engl.J.Med.2008,359,938,内源性作用在组织修复中的效果,2）医学检测诊断用纳米生物材料,纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。利用纳米技术制成的医疗检测设备具有非常大的应用价值。科学家设想利用纳米技术，以20种氨基酸为原料，按分子设计的原理合成所需的蛋白质“零件”，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构和骨架制造纳米器件（纳米机器人）。目前，可应用于临床检测诊断治疗中的纳米器件主要有纳米生物芯片，纳米生物传感器、纳米药物存储器、纳米生物导弹、纳米细胞修复器、纳米细胞监督器、纳米细胞清扫器等。,纳米生物芯片的特点:(1)采用微电子,高产而成本低;(2)高度敏感性;(3)减少了样品的数量;(4)使用纳米尺度上的固定方法,可以自主组装。纳米生物芯片作用：(1)在血流中探测病毒、细菌和异常细胞。(2)即时发现病毒和细菌的入侵,并予以歼灭。(3)沿血液流动并跟踪镰状细胞贫血患者的红细胞和感染了病毒的细胞。,纳米生物芯片,超微纳米生物芯片+血液磁化仅分钟阻止大脑异常放电,纳米生物传感器利用其细小的尖端(仅为纳米量级)插入活细胞内,而又不干扰细胞的正常生理过程,以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息及反映整体的功能状态,以便深化对机体生理及病理过程的理解。,纳米生物传感器,通过使用特异性识别的元素如：DNA适体,来检测单核苷酸多态性的数字纳米生物传感器JACS,2011,133,99889991,纳米机器人在人体血液中循环时，可对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，如可疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可用其吞噬病毒，杀死癌细胞；有的还能主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。,纳米机器人,美国科学家制造出的一种由DNA分子组成的机器人-纳米蜘蛛，仅有4n