生物衍生材料的改性及医学应用进展

1、生物衍生材料的改性与医学应用研究进展摘要：生物衍生材料良好的生物相容性、易降解且降解产物无毒副作用、炎性反应低等使其在医学里具有相当重要的使用价值，概述了透明质酸、甲壳素、壳聚糖、胶原的改性及其医学应用研究进展。关键词：生物衍生材料 改性 医学应用 一、 生物衍生物材料在生物医用材料中的重要性生物材料是用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。理想的生物医用材料应具备以下特点:(1)良好的组织相容性;(2)适宜的三维立体结构;(3)一定的生物

2、可降解性,并降解成为对人体无害的小分子,可以通过代谢排出或作为营养物质被吸收;(4)良好的细胞生长界面,细胞能在材料表面良好粘附和增殖;(5)满意的可塑性和机械强度。由于生物衍生材料其组成类似于自然组织，或者有类似于细胞外基质等自然组织的构型和功能，因此，它在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要的作用。二、 生物衍生材料的定义及应用概述生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料，又称生物再生材料。生物衍生材料因具有良好的生物相容性、易降解且降解产物无毒副作用、炎性反应低、可诱导和促进组织结构再生和修复等特点。生物衍生材料主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品

3、、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液系统、血浆增强剂和血液透析膜等。对于因先天缺失、运动损伤、外伤、疾病等所致的组织损伤或缺损，组织工程技术已逐渐成为重要修复手段。该技术将来还可能为目前尚无法治愈的疾病和组织变性提供解决方案，对人类健康具有深远影响。目前，生物衍生材料在组织工程中的研究和应用最为广泛，包括天然细胞外基质（extracellular matrix，ECM）、同种异体组织、胶原、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸盐等三、 透明质酸的改性及医学应用研究进展透明质酸(hyaluronic acid,hyaluronan,HA)又名透明酸或玻璃酸,是由-D-N-乙酰氨基葡萄糖和-D-葡萄糖醛酸为

4、结构单元的以-1,3和-1,4糖苷链交替连接而成的一种直链线型阴离子粘多糖,其分子量数量级为104107。透明质酸(HA)是广泛分布在软结缔组织细胞外基质(ECM)中的主要蛋白多糖,具有良好的生物相容性和生物降解性,能调节渗透压、流动阻力以及血浆与基质蛋白扩散的选择性,可应用于组织工程和医药领域。HA极易溶于水、降解速度快等良好性能限制了其在某些组织工程和医药领域的应用,因此需要进行化学改性,提高其机械强度,减缓其在组织内的降解速度,进一步扩大其应用前景。HA具有羟基、羧基和乙酰胺基等官能团,可通过交联、酯化、接枝、分子修饰和复合等方法进行改性。1. 透明质酸的改性HA分子中(结构见图1)可进

5、行化学修饰的4个部位分别为羟基、N-乙酰基、羧基以及还原末端,其中末端修饰较少见。主要改性方法有交联、接枝、酯化和复合等,改性后,HA在保持原有生物相容性、降低水溶性的同时,被赋予了一系列良好的特性,如机械强度、粘弹性、流变学特性及抗透明质酸酶降解能力等。图11.1 透明质酸的交联改性天然高分子HA很难满足临床上许多特殊情况所要求的流变学性能和粘弹特性,因此常将其进行交联,使HA分子链增长,平均分子量增大,粘弹性增强,水溶性相对减弱,提高其机械强度,延长其降解时间等。从HA结构可以看出能够参与交联反应的官能团有羟基和羧基。此外,通过对HA前处理在其分子上形成其它活性基团,如透明质酸钠进行酸碱处

6、理后,脱乙酰基作用后有游离氨基,亦可进行交联。1.1.1 羟基交联及医学应用羟基交联形成醚键,可选用的交联剂有多环氧化物、甲醛、戊二醛、二乙烯基砜等。(1)环氧化物交联及医学应用 多环氧化合物作交联剂,得到不溶于水的交联HA凝胶,可用于玻璃体替代物和视网膜剥离手术。此外,HA与乙二醇环氧醚在乙醇的NaOH溶液中,60下也可形成水凝胶,由于含水度大于95%,可作为植入性药物传递可降解基质。(2)醛交联及医学应用 用醛作交联剂得到可溶性HA衍生物,其中以单功能甲醛交联所得HA衍生物的效果最佳。用甲醛做交联剂,还可使HA的羟基在蛋白质桥的氨基或亚氨基上建立交联,而羧基和乙酰氨基保持不变,用于药物传递

7、和防止外科手术粘连等。(3)砜交联 二乙烯基砜(DVS)在室温下与HA在碱性条件下交联生成性能变化很大的HA凝胶, 此凝胶的交联度可通过改变HA分子量、浓度、pH值、HA/DVS的比率控制。1.1.2 羧基交联及医学应用 HA羧基交联改性亦可得到酯和胺等衍生物,HA上引入疏水性烷基酯产品可用于防止术后粘连、药物缓释等;水溶性凝胶可用作生物材料和药物传递等。1.1.3 乙酰氨基交联及医学应用 HA除了有活性的羧基和羟基外,还有可进行改性的乙酰氨基,亦可进行交联。沉淀物醇洗、溶解、透析,最后冷冻干燥,得到deHA-硫酸盐化产物,具有潜在的生物医学应用价值。1.1.4 蛋白质交联及医学应用 含有剩余

8、蛋白质的HA和甲醛在碱液中交联形成水溶胶或水凝胶,用于治疗关节变性病和风湿性关节炎,能够保护软骨和预防软骨细胞进一步受伤。1.1.5 光致交联及医学应用 HA与过量甲基丙烯酸酐经过酯化作用合成透明质酸的甲基丙烯酸酯衍生物可用来隔离损伤组织和周围器官以防止粘连。此外,HA与聚乙二醇(PEG)亦可进行光学交联,用于药物传递和软骨组织工程等生物医学领域。1.1.6 金属阳离子介质交联及医学应用 HA与氢氧化铁通过螯合作用形成一种微红的凝胶FeHA,防止外科手术粘连。1.2 酯化及医学应用1.2.1 羧基酯化及医学应用 HA的羧基与脂肪醇或芳香醇发生酯化反应,形成HA系列酯化衍生物HYAFF。HYAF

9、F能够压制成型制成薄膜和纤维,在临床应用中为药物传递提供了双重可能性，在组织工程中,可用于人工皮肤和人工软骨的研制、间充质干细胞培养,还可用于抗生物粘着和抗腐化。1.2.2 内部酯化及医学应用 透明质酸内部酯化衍生物是由透明质酸的羟基和羧基之间以分子内和分子间键结合得到的。可减少腹部手术和妇产科手术后的粘连;作为支架用于组织损伤的细胞生长修复;皮下移植会产生软骨和骨的再生重建。1.3 接枝改性及医学应用HA可以接枝到天然或合成聚合物上,形成具有生物机械性能和物理化学性质改变的新型材料（见图2）。此外,HA还可以接枝到脂质体表面(见图3),提供靶向和遮蔽作用。图2 HA-接枝共聚物 图3 HA-

10、接枝脂质体将药物分子接到HA-ADH衍生物上,加合生成HA-链系药物,可提供新型药物靶向和控制释放的作用，结构见图4。图4 HA-药物大分子 1.4复合改性及医学应用HA为非抗原性,与其它材料复合,具有多重生物活性,不会引发炎症和异体排斥反应。PLGA/HA复合材料PLGA/胶原/HA和PLGA/胶原/AM/HA对细胞的增殖作用显著提高。支架材料用于细胞重建实验中,发现伤口收缩相对减小,减少了重建修复过程中的结疤现象。2. 透明质酸衍生物材料的医学应用研究方向及前景2.1 应用现状透明质酸改性衍生物的开发大大地拓展了透明质酸在医学领域的应用,包括外科手术防粘连、关节炎治疗、眼科疾病治疗、局部给

11、药载体、组织工程等各个领域,现将不同改性产品的应用领域汇总于表1。透明质酸改性产品物理形态应用领域羟基交联流体涂于眼表面具有保护和湿润作用,关节润滑剂凝胶组织填充剂、防组织粘连,药物缓释载体羧基交联水不溶凝胶防组织粘连,药物缓释载体生物材料和药物缓释载体酯化产品海绵体药物传递、人工皮肤、人工软骨的研制、间充质干HYAFF固体细胞培养、抗生物粘着和抗炎等复合产品共聚物制品液状或固体组织工程支架材料眼科疾病的辅助治疗表1 HA改性产品的应用领域2.2 今后研究重点HA自身许多性能还有待进一步开发利用,从而扩大其应用范围,为此需进行大量的研究工作。1)开发有更多疏水基或有活性基团的HA系列酯化物,并

12、将其进行交联,使HYAFF生物材料充分发挥其生物医学应用价值,投入临床应用。2)深入研究HA交联衍生物,同时注重解决交联剂的毒性问题。3)进一步探讨HA接枝方面的研究,通过接枝延长HA的降解时间及其在组织内作用的时间,扩大它在组织工程和医学领域的应用。四、 甲壳素、壳聚糖的改性及医学应用研究进展甲壳素(chitin)学名为:-(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖,为白色或灰白色无定型、半透明固体,广泛存在于海洋甲壳动物外壳、软体动物内骨骼、昆虫翅膀、菌类及藻类细胞壁内。由于其良好的生物相容性和生物降解性,在生物医药领域有着广阔的应用前景。壳聚糖(chitosan)学名为:(1,4)-

13、2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖,为白色无定型、半透明,略有珍珠光泽的固体,是甲壳素的脱乙酰化产物,是自然界中唯一存在的碱性多糖。壳聚糖分子结构中含有游离的氨基,易进行化学改性,赋予其多种新的优异功能满足各方面的需要。1. 甲壳素和壳聚糖的改性研究近年来,由甲壳素和壳聚糖改性制得的衍生物显示出优越的功能性质,具有很大开发价值。甲壳素和壳聚糖大分子链上含有羟基、乙酰氨基和氨基,可以通过引入其他官能团进行化学改性,也可采用共混的方法改善其溶解性和成型加工性,制备出新的功能材料,使其获得更广泛的用途。1.1 化学改性(1)酰化反应酰化反应是甲壳素、壳聚糖化学改性中研究较多的一种化学反应,在其大分子链上

14、导入不同相对分子质量的脂肪族或芳香族的酰基,使其产物在水和有机溶剂中的溶解性得到改善。(2)醚化改性甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成相应的醚,如羟烷基醚化、羧烷基醚化,腈乙基醚化。近年来,研究人员加大了对这类反应的重视,开发出许多新产品,如壳聚糖与丙烯腈在20时进行腈乙基化反应(反应只在羟基上发生,氨基不参与反应),得到相应的醚,将其与纤维素的硝酸盐混合可形成微过滤膜。(3)烷基化改性烷基化反应可以在壳聚糖中羟基的氧原子上发生,也可在其氨基的氮原子上发生。(4)Schiff碱改性壳聚糖上的氨基可以与过量的醛(或酮)发生Schiff碱反应,生成相应的醛(或酮)亚胺化衍生物,反应示意图如

15、图5。图5壳聚糖的Schiff碱反应(5)接枝共聚改性甲壳素和壳聚糖的接枝共聚反应是通过在其葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体来合成含有多糖的半合成聚合物,赋予其新的优异功能。除上述化学改性外,甲壳素和壳聚糖还可以进行氧化、水解、交联等化学改性,制备出多种特殊功能的衍生物。1.2 共混改性共混改性是合成高聚物与天然高聚物制备综合性能优良的共混材料的简易方法,也是改进甲壳素和壳聚糖物理性能的有效措施。2. 甲壳素、壳聚糖及其衍生物医学应用研究进展(1)研制新型医用高分子材料a) 由甲壳素制成的膜无毒,有良好的生物相容性,可降解,韧性好。可用于分离、渗透、反渗透及超滤等医用方面,也可用于制备人工

16、透析膜,还可制备人工皮肤。b) 应用甲壳素制备外科手术缝合线的研究也有报道。甲壳素缝线柔软,易打结,机械度较高,还有易被机体吸收,促进伤口愈合的优点,国外已商品化。c) 有报道羧甲基甲壳素可用于制取脂质体型人工红细胞。d) 经环氧丙烷改性后得到的羟丙基化壳聚糖可用于配制人工泪液,观察该人工泪液对36例无泪液、干燥性角膜炎和结膜炎患者的疗效,优于以甲基纤维素为原料的原人工泪液。(2)其他a) 甲壳素及壳聚糖的低聚物有增强巨噬细胞的吞噬功能,刺激巨噬细胞产生淋巴因子,启动免疫系统,有效提高机体抗肿瘤免疫等功能。b) 甲壳素、壳聚糖被广泛用做制药的辅料。作为酶及高分子药物的载体,制备控释、缓释给药系

17、统。c) 通过环氧氯丙烷活化壳聚糖,与单克隆抗体(anti-HBSA gmono-clonal antibody)在04下偶联制成免疫吸附剂,实验表明该吸附剂对含乙肝表面抗原阳性血清的吸附率为44%,能使血清HBSAg阳性转为阴性。d) 有些甲壳素、壳聚糖衍生物能有效络合吸附有毒或放射性的金属离子,从而达到对人体的解毒作用。e) 甲壳素、壳聚糖及其某些改性的衍生物均表现出较强的抗肿瘤活性。壳聚糖能有选择地凝集白血病L1210细胞产生致密凝块,阻止其生长,而对正常红细胞和骨髓细胞没有影响。五、 胶原的改性及医学应用研究进展1) 胶原的改性纯胶原材料的物理机械性能不理想,没有足够的可塑性;保存性能

18、较差,容易受到环境的影响,耐水、耐酶、耐化学品的性能较差;纯胶原制品在人体环境中容易降解,因而不能满足某些产品的功能性要求。因此,胶原改性对于改善目标材料的性能,弥补胶原自身的种种不足,进一步拓展其应用领域,是具有关键作用的。2) 胶原衍生材料的医学应用研究进展ü 在骨科的应用海洋生物源胶原制作的骨科生物材料,具有良好的生物相容性,植入体内后无明显排异反应,能促进细胞生长,对发育组织起到定向作用。名称用途鲑鱼皮生物矿化支架材料支持人骨髓间充质干细胞生长可用于骨组织工程壳聚糖-羟基磷灰石-海绵胶原复合物可用于骨修复及骨扩增鱿鱼皮/川芎多糖复合材料支持种子细胞生长鲑鱼去端肽胶原-EDT复

19、合支架材料支持牙周膜细胞生长,可用于牙周组织工程鲨鱼皮胶原海绵-水凝胶交联支架材料可用于软骨组织工程海绵支架材料用于支持骨组织工程的细胞生长去端肽鲑鱼皮胶原-鲑鱼骨羟基磷灰石复合仿生材料用于骨再生治疗鲑鱼胶原涂层膨体聚四氟乙烯网用于培养人体骨膜的成骨活性PLGA/海蜇胶原纳米纤维膜支持骨瘤细胞附着生长"可用于骨组织工程鱼类来源生物可吸收胶原膜用于引导人骨缺损和牙龈组织再生海洋生物源胶原支架材料在人工骨的制作和骨组织的修复的应用表1ü 在心血管的应用以海洋生物源胶原为材料制作的人工心脏瓣膜和人工血管是心血管领域的重要研究方向。这些人工心脏瓣膜和人工血管可减少其它材料制备人工心

20、脏瓣膜和人工血管临床中出现的附壁血栓现象具有巨大的研发前景。海洋生物源胶原及其衍生物在心血管研究中的应用见表2表2ü 在真皮在生中的应用海洋生物源胶原在真皮再生领域的研究刚刚起步，但具有良好的市场前景。研究表明胶原和壳聚糖复合形成支架材料，在口腔黏膜再生应用上具有巨大的潜力。ü 在神经修复中的应用以海洋生物源胶原为原料制作人工神经支架材料是神经修复行业研究的热点。ü 在止血与伤口愈合中的应用海洋生物源胶原具有促进血小板凝聚和促进细胞增殖的功能，广泛应用到止血和伤口愈合方面。ü 其他除上述功能外，由于海洋生物源胶原的低免疫原性和可生物降解性，胶原可以作为药

21、物载体在体内运送药物，海洋生物源胶原可应用于手术用器械、组织修复、人体内脏填充物等方面。参考文献1 李龙. 海洋生物源胶原的医学应用研究进展J.中国海洋药物,2014.02.014.2 Hoyer B, Bernhard A ，Heinemann S，et al. Biomietically mineralized salmon collagen scaffolds for application in bone tissue engineering J. Biomacromolecules,2012.13(4):1059-1066.3 Nagai N , Nakayama Y, Nishi

22、S, et al. Development of novel covered stents using salmon collagenJ. J Artif Organs,2009,12(1):61-66.4 Parravicini R ，Cocconcelli F ，Verona A , et al. Tuna cornea as biomaterial for eardiac applica-tions J. Tex Heart Inst J , 2012, 39 (2):179-183.5 于学丽. 透明质酸的改性及其应用 J . 生物医学工程研究, 2005. 01(03):1672-6278.6 Weiss C. Visscoseparation and viscoprotection