生物医用高分子

1、生物医用高分子目 录一. 载体材料 1 典型生物降解材料 2 典型水溶性聚合物 3 各种刺激响应性高分子二. 药物控制释放 1 药物控释制剂 2 药物释放的控制三. 组织工程 1 组织工程支架 2 表面改性 四. 基因传递 1 聚阳离子/DNA复合物 2 基因控制释放载体材料要求（1）一定机械强度，加工性能（2）生物相容性与生物降解性（3）根据使用要求，其它一些特殊性能， 例如pH响应性、靶向性等载体材料分类根据材料的来源：天然与合成高分子材料根据材料的降解性能：降解与非生物降解高分子材料根据材料在水中的溶解性：疏水与水溶性高分子材料根据材料对外界信号响应性：刺激响应与惰性材料根据材料化学结构

2、分类（以疏水性生物降解材料为例） （1）聚酯：PLGA、PCL、聚碳酸酯等 （2）聚酸酐 （3）聚氨基酸 （4）聚膦腈 （5）聚磷酸脂典型非生物降解疏水性高分子：聚氨酯微相分离结构良好的血液相容性典型疏水性生物降解材料1. 聚酯 PLGA是一类应用最早、最为广泛的合成疏水性生物降解材料，这主要归因于其优良的生物相容性（作为可吸收性手术缝线PLGA有很多年的安全记录）、广泛的生物降解性（降解速度从一个月到几年可调）以及较好的可加工性（可以加工成任意形状的埋植剂、微球、膜以及多孔支架等）生物降解聚酯的合成开环聚合（以聚乳酸PLA的合成为例）分子量可从几千到几百万广泛可调采用手性单体聚合可得到旋光性

3、聚合物，具有很高的机械强度，可作为骨替代材料其它生物降解聚酯如聚已内酯、聚(三甲基碳酸酯)等均采用类似的合成路线新型生物相容性开环催化剂：环糊精引发戊内酯开环聚合缩合聚合：合成可生物降解塑料的方法，但目前还仅能得到低分子量的产物聚合物 缩写 R聚乳酸 PLA CH(CH3)聚乙醇酸 PGA CH2聚己内酯 PCL (CH2)5生物降解聚酯的降解机理生物降解聚酯研究进展：PEG-b-PLA合成PEG-b-PLA的性质：温敏性PEG-b-PLA水溶液T T PEG-b-PLA水凝胶在低温下，PEG-b-PLA/水体系为可流动的溶液； 当温度高于一定数值时，通过PLA疏水链段的疏水相互作用，体系变为

4、水凝胶。临界温度与嵌段共聚物组成有关，PLA链段含量越高，临界温度越低。可用于药物的原位包埋以及可注射型药物控释体系。PEG-b-PLA水溶液T T 凝胶化机理PEG-b-PLA：stealth nanospheres as long-circulating carriers 避免网状内皮系统的吞噬持续释放药物典型疏水性生物降解材料2. 聚酸酐类 开环聚合仅适用于环己二酸酐的聚合，其它环状酸酐例如琥珀酸酐、戊二酸酐由于环较稳定，还不能通过开环聚合得到聚酸酐。所得聚已二酸酐分子量较低，一般在5,000以下。环己二酸酐聚合机理熔融缩聚1. 除热不稳定、易成环二酸单体外，其它所有二酸 均可通过这种方

5、法聚合2. 聚酸酐分子量与二酸结构以及聚合条件有关，单 体柔性越大、真空度越高，聚合物分子量越大脱三甲基氯硅烷法 脱乙酸酐法溶液缩聚1. 适用于热不稳定二酸单体2. 聚酸酐分子量在几千左右HOOCRCOOH + ClCORCOCl (CORCOOCORCOO)n + BASEHCl微波聚合合成聚酸酐优点1）无需真空2）反应时间短3）预聚缩合一步完成几类研究较广泛的聚酸酐P(CPP:SA) 已得到FDA批准临床应用P(FAD:SA) 正进行临床实验P(FA:SA) 具有很好的生物粘附性, 能提高药物口服生物利用度主链型高分子前体药物光交联聚酸酐P(PMA-ala:SA) 较高的机械力学强度, 可

6、能会作为人造骨材料P(SA:CPP) 1. 已得到美国FDA批准,作为卡氮芥的载体， 治疗神经胶质瘤2. 降解速度根据SA与CPP比例不同，从二周 到三年可调，且呈现准表面降解特点P(SA:FAD)由于主链为脂肪酸，与其它聚酸酐相比，聚合物具有极好的加工性能，可以在温和条件下加工成各种形状的埋植剂、微球等制剂形式P(FA:SA)很强的肠粘附性：口服后，P(FA:SA)微球很快降解，表面产生大量羧基，与肠粘膜的糖蛋白通过氢键相互作用，从而将微球滞留在肠部聚(酰亚胺-酸酐)提高常规聚酸酐力学强度，有可能用作骨替代材料主链型高分子前体药物：水杨酸光交联聚酸酐Changes in the tensil

7、e modulus of cross-linked SA (L) andcross-linked CPH (P) during degradation.荧光聚酸酐合成路线 对羟基苯甲酸、对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸 琥珀酸酐、戊二酸酐和环己二酸酐荧光聚酸酐化学结构荧光聚酸酐荧光性质单体与预聚物观察不到荧光主链中仅当亚甲基数为2的聚酸酐可发荧光苯环上取代基团对荧光激发与发射波长有影响荧光强度基本随聚合物分子量增大线性增强与其它二酸单体共聚，荧光波长会发生偏移，其中脂肪族二酸发生蓝移，而芳香二酸发生红移共聚物序列结构对荧光性质影响不大荧光聚酸酐的降解：融蚀曲线及形态降解过程中荧光强度变化ex 356

8、 nmex 470 nm荧光聚酸酐微球用于胰岛素口服给药：微球电镜照片ABCPLGA:PCEFBA 1:2B 1:1C 2:1微球荧光显微照片ex 356 nmex 470 nm大鼠体内结果肠粘膜荧光显微照片微球口服后血糖浓度变化疏水性生物降解材料表观降解行为疏水性生物降解高分子材料的两种降解方式：本体降解表面降解降解方式的决定因素聚合物基质的水化速度（Vhydro)与聚合物分子链的降解速度（Vdeg）聚合物酸催化与酸抑制机理聚酯：典型本体降解 VhydroVdeg，基质内外聚合物分子基本同时 开始降解 酸加速降解效应聚酸酐：准表面降解 VhydroVdeg，基质外聚合物分子首先发生降解 酸抑

9、制降解效应聚酯与聚酸酐的比较聚酯-聚酸酐：结合两者优点功能性生物材料：生物降解性导电高分子通过酯键将聚吡咯连接起来生物降解形状记忆高分子典型水溶性聚合物两种药物控释方式在聚合物侧基上连接能与病灶组织特异结合的配体分子T，可改变药物体内吸收、转运与分布，最终选择性积累在病灶组织部位，这也就是通常所说的“生物导弹”、 “主动靶向”。高分子前体药物：药物通过水不稳定共价键连接到水溶性聚合物侧基或疏水性生物降解高分子的主链上，通过共价键的降解释放出药物。药物通过物理混合作用，包埋在水凝胶中，通过聚合物降解、溶胀作用释放出药物。水凝胶典型的几种单体： 丙烯酸（酸性） 丙烯酰胺与羟乙基甲基丙烯酸酯（中性）

10、 2-(三甲胺乙基甲基)丙烯酸酯（碱性） N-异丙基丙烯酰胺（温敏性）聚丙烯酸衍生物类HEMANIPPAM聚氨基酸类水溶性生物降解高分子聚合物 缩写 R聚天东氨酸 PASP CH2COOH聚谷氨酸 PGLU (CH2)2COOH聚赖氨酸 PLYS (CH2)4NH2聚氨基酸类合成方法NCA法开环聚合：合成聚氨基酸的普适方法熔融缩聚：合成聚天冬氨酸及其衍生物聚苹果酸 聚膦腈类水溶性生物降解高分子结构广泛可调性: 可将不同结构的分子例如药物、蛋白质、染料等连接到聚合物侧基类海藻酸特性: 可与ca2+ 络合形成水凝胶, 从而在温和条件下包埋蛋白质、细胞等生物相容性较好天然生物大分子蛋白质类: 明胶、

11、胶原等多糖类: 纤维素、壳聚糖、海藻酸、右旋糖酐、透明质酸等较好的生物相容性、生物降解性与细胞亲和性结构因来源不同而发生改变加工性能较差dextranhyaluronatechitosan水凝胶制备方法进展化学交联光交联离子交联立体复合物交联包合物交联蛋白质相互作用交联化学交联以透明质酸为例（1）：以透明质酸为例（2）：巯基化学交联新进展：Michael addition优点（1）条件温和 （2）原位交联光交联：丙烯酸衍生物类光交联：dimerization光交联：乃春离子交联小分子离子交联：海藻酸钠Egg box小分子离子交联：壳聚糖疏水相互作用：主链之间疏水相互作用：侧基之间 温敏材料中聚

12、(N-异丙基丙烯酰胺)、 pluronic、PLA-b-PEG-b-PLA 疏水化聚电解质立体复合物包合物交联蛋白质相互作用交联细胞交联疏水性与水溶性生物降解高分子比较*将疏水性生物降解材料与水溶性生物降解高分子有机结合, 克服各自单独使用时存在的缺点是生物材料发展的一个重要 方向。疏水亲水共聚物:结合两者优点PLA-b-PEG多糖/聚酯接枝共聚物各种刺激响应高分子材料 温度敏感pH响应 光响应 磁响应 温度敏感疏水相互作用：温度升高，疏水相互作用加强Poly(N-isopropyl acrylamide)PluronicPEG-b-PLA2. 氢键相互作用：温度升高，氢键受到破坏 PAA/P

13、oly(acrylamide) pH与电场响应pH响应载体：利用一般聚电解质中可离解基团的离解度 对pH的依赖性，例如PMAAPMAA/PEO complexPMAA/gelatin complex电场响应载体：与pH响应载体相同光响应 光照：偶氮键反式，亲水性增强，溶胀度变大黑暗：偶氮键顺式，亲水性减弱，溶胀度减小药物控释发展历史50年代末期：以非生物降解材料例如硅橡胶、聚(醋酸乙烯酯)（EVA)等作为小分子药物的载体，实现这类药物的持续平稳释放。70年代：将生物降解材料应用于药控领域，例如聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)作为大分子药物（蛋白质）载体；控制药物释放地点生物导弹。80年代：

14、智能释放（最典型的例子根据血糖的高低能自动调节胰岛素的释放速度）。90年代：组织工程中药物控制释放，基因的控制释放。新世纪：微芯片技术在药物控制释放中的应用。概念概念： 根据机体需要，通过把药物包埋或共价键合到高分子载体上，控制其释放速度或地点。研究对象： 载体材料 药物的制剂形式 释放控制（平缓释放、脉冲释放以及释放地点的控制） 释放机理药物控释制剂将控释材料与药物组合，加工成一定形状与大小的特定形式，以方便给药传统的药物制剂药物控释制剂注射剂片剂胶囊贴剂气雾剂注射剂 药物/高分子共轭体 高分子胶束 可注射凝胶片剂胶囊微球贴剂气雾剂注射剂药物/水溶性高分子共轭体 在体液环境中药物通过与水溶性

15、高分子之间连接键的水解而释放高分子胶束 药物或者通过共价键合到胶束内核疏水性链段侧基上，或者通过疏水相互作用/静电相互作用复合在高分子胶束内部可注射凝胶 药物与聚合物溶液直接注射入皮下或肌肉组织中，聚合物因接触到人体体液或体温环境而凝胶化高分子胶束1984年，Rinsdorf首次提出将高分子胶束应用于药物控制释放Kataoka与Kabanov提出复合物胶束的概念拓宽了高分子胶束的应用范围疏水性小分子药物：聚天东氨酸苄酯-b-聚乙二醇 (PBASP-b-PEG）蛋白质药物：溶菌酶/聚天东氨酸-b-聚乙二醇复合物胶束基因：DNA/聚赖氨酸-嵌-聚乙二醇（PLL-b-PEG)复合物胶束高分子胶束稳定

16、途径：内核二巯基交联高分子胶束稳定途径：外壳交联高分子胶束的特殊应用脑部给药：pluronic胶束能通过血脑屏障，从而增加静脉给药时脑内药物浓度超声波响应释药:用于化疗药物肿瘤部位局部给药在超声波作用下，增溶在胶束内核的疏水性药物加速释放，而无超声波时，肿瘤周围的游离药物仍能包埋于胶束内部。从而可以克服这类药物的毒副作用降低肿瘤组织对化疗药物的抗药性可注射凝胶温敏材料光可交联材料疏水性生物降解聚合物/有机溶液光可交联水凝胶疏水生物降解聚合物/有机溶液PLGA/Glycofurol溶液直接注射到皮下、肌肉等部位，当接触到体液环境时，体系中的溶剂被萃取出去，PLGA沉淀出来，包埋于其中的药物通过扩

17、散作用与聚合物的降解在给药部位逐步释放控释微球概念：粒径在100 nm1 mm的球形粒子，药物可以包埋在微球内部或吸附在其表面，载体材料可以是交联的水溶性聚合物或者疏水性生物降解材料。 微球结构：基质型 胶囊型控释微球制备方法乳液聚合悬浮聚合/分散聚合/界面聚合凝聚-相分离法乳液溶剂挥发法 O/W 乳液溶剂挥发法 W/O/W乳液溶剂挥发法聚电解质复合物层层自组装法无皂乳液聚合制备聚(-腈基丙烯酸酯) 凝聚相分离法制备控释微球在聚合物良溶液中加入一定量的非溶剂，使其产生相分离，体系变为聚合物凝聚相（分散相）与稀相（连续相），凝聚相吸附于药物颗粒表面，往体系中加入大量萃取溶剂，使吸附于药物表面的凝

18、聚相固化，就得到聚合物微球。乳液-溶剂挥发法制备控释微球影响因素微球粒径：聚合物溶液浓度、PVA浓度、内外相比例 以及搅拌速度微球形态：聚合物溶液浓度以及溶剂挥发速度药物种类：油溶性药物O/W乳液-溶剂挥发法 水溶性药物W/O/W乳液-溶剂挥发法O/W乳液溶剂挥发法制备微球流程图聚电解质复合物层层自组装法控释微球的发展LHRH/PLGA微球用于治疗妇女子宫内膜异位症已得到美国FDA批准，在临床得到应用。一次给药，可以维持疗效近一个月左右。近十几种药物的控释微球制剂正在临床试验中。控释微球的特殊应用化学栓塞作用粘膜给药被动靶向制剂免疫佐剂脑部给药化学栓塞作用:使用特定粒径的微球将病灶周围血管阻塞

19、，切断其营养供应；同时包埋于微球中的药物可以在病灶局部缓慢释放出来，从而实现栓塞与药物治疗的双重作用。PVA微球子宫动脉栓塞造影及治疗效果粘膜给药：生物粘附高分子微球例如聚酸酐微球对胃肠道、鼻腔等表面的粘膜组织有很强的粘附作用，同时还可直接经粘膜组织吸收进入体循环，从而增加药物特别是一些大分子药物如蛋白质、基因等的生物利用度。被动靶向制剂：利用微球尺寸以及表面特点，使其选择性地分布于特定组织处，从而实现药物对病灶的靶向作用。 6-7 m 微球分布于肺部 100 nm 微球分布于网状 内皮系统 100 nm，表面改性 微球可实现全身循环免疫佐剂：PLGA微球可以增加一些蛋白抗原的免疫反应，从而有

20、希望代替目前常用的免疫佐剂如福氏佐剂在免疫接种方面得到应用；抗原的释放行为以及微球的粒径均影响其免疫反应。脑部给药：部分表面改性的聚合物微球静脉给药后可以通过血脑屏障，从而增加药物在脑中浓度，提高其疗效。药物释放的控制载体材料的种类以及制剂结构等均影响药物的释放行为，因此实现特定药物的释放动力学或定位释放可通过材料化学结构的分子设计与制剂的结构设计。 药物释放动力学的控制 药物释放地点的控制药物释放动力学的控制理想的药物释放动力学脉冲释放 智能脉冲释放 程序脉冲释放平稳释放智能式脉冲释放系统光、磁、超声波响应温度响应pH、电场响应化学物质响应：葡萄糖、特定抗体或抗原 pH响应性释药系统pH响应

21、性药物控释载体的研究源于上世纪80年代初期。其主要应用有：在发炎、感染、恶性肿瘤等组织的周围，pH呈酸性（6.0左右），pH响应性控释载体可使药物有选择地在病灶部位释放。口服给药：由于胃和肠道的pH值分别呈酸性和中性，利用pH响应性控释载体可使药物在胃中不释放而在肠道释放。最新应用： 药物在进入细胞的过程中会遇内吞作用。内涵体为较温和的酸性环境（pH5.0-6.5），而溶酶体pH很低。为使药物在传递至酸性细胞器的过程中不失去活性， 可用pH响应性控释载体实现药物在内涵体中的快速释放，避免进入溶酶体等消化小体，促进药物的有效传递。 pH响应性释放载体的研究进展一般聚电解质水凝胶 可在某一pH范围

22、内溶胀度较小，而当pH到达一定值时溶胀度增大，如PMAA、PAA等。 缺点：这类材料溶胀转变的pH范围宽 ，很难实现药物高度敏感的响应性释放。 疏水性聚电解质为解决一般聚电解质水凝胶溶胀转变pH范围较宽的缺点，1988年Siegel等人提出用疏水性聚电解质作为制备pH响应性水凝胶的材料，他们所使用的材料为 n-烷基甲基丙烯酸酯(n-AMA)与（二甲基氨基）乙基丙烯酸共聚物，发现此类水凝胶的溶胀转变可以在较窄的pH范围内完成 。 缺点：这类材料一般是非生物降解的氢键复合物90年Peppas等人将PEG接枝到PMAA主链上合成了一种接枝型PMAA-g-PEG水凝胶，发现由于PMAA与PEG的氢键复

23、合作用水凝胶的溶胀度在不同的pH介质中有较大的差异，在低pH介质中水凝胶溶胀度很小，当pH达到某一临界值时溶胀度突跃。 缺点：其药物释放的pH转变宽，响应性不佳。聚阴离子/两性聚电解质复合物聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、肝素等聚阴离子与明胶或两性壳聚糖的聚电解质复合物作为pH响应药物控释载体发现，细胞色素C和肌红蛋白等模型药物从这些复合物中的释放具有良好的pH响应性。肌红蛋白从PMAA/明胶复合物中的释放pH对牛血清白蛋白从肝素/两性壳聚糖复合物中释放影响两性壳聚糖结构对BSA在中性条件下从复合物释放时间的影响电响应智能脉冲释放系统聚电解质水凝胶PMAA/PEOx氢键复合物微芯片技术在药物控释中应用

24、微芯片技术在药物控释中应用Removal of an anode membrane to initiate release from a reservoir. a, b, Scanning electron micrographs of a gold membrane anode covering a reservoir are shown before (a) and after (b) the application of +1.04 V w.r.t. SCE for several seconds in PBS. (Scale bar, 50mm.)葡萄糖响应的胰岛素释药系统该系统对外部

25、葡萄糖浓度产生响应，当血糖浓度达到一定数值时，释放出胰岛素；当血糖浓度恢复到正常值时，胰岛素停止释放。利用伴刀豆球蛋白对葡萄糖与糖基化胰岛素的竞争吸附作用利用葡萄糖经其氧化酶作用后产生葡萄糖酸，使聚阳离子水凝胶溶胀度增大，释放出胰岛素葡萄糖 葡萄糖酸 过氧化氢葡萄糖氧化酶利用葡萄糖经其氧化酶作用后产生过氧化氢，在过氧化氢的作用下氧化还原聚合物质子化，变为聚阳离子水凝胶，溶胀度增大，释放出包埋在其中的胰岛素脲响应的智能释药系统脲 氢氧化铵 碳酸氢铵 脲酶脲酶药物聚(甲基乙烯醚-共-马来酸酐)PMVEMA 抗原或抗体响应的智能释药系统 该系统能对体内的抗原或抗体产生响应。当特定抗原或抗体浓度增大时

26、，系统释放出包埋在其中的药物；当抗原或抗体浓度降低时，药物停止释放。有望能应用于很多疾病的智能式治疗。戒毒药响应的智能释放系统毒品敏感的水解酶程序脉冲释药系统我们实验室的工作Pulsed release profiles of proteins from the laminated device compressed under the conditions described as experiment section. Each protein-loaded layer was compressed with 20 mg of complexes. A: 20 mg of PTSP (50

27、:30:20) as isolating layers with 2.2 mm in thickness (FITC-BSA as model protein), B: 20 mg of PSP (65:35) as isolating layers with 2.2 mm in thickness (Mb as model protein), C: 30mg of PSP (65:35) as isolating layers with 3.2 mm in thickness (Mb as model protein) (n=3).Erosion rate of PTSP, BSA rele

28、ase rate and pH variation of the dissolution fluid for the device comprising of 20 mg of PTSP and 20 mg of PMAA/PEOx complex versus time. PTSP erosion rate was measured by the absorbance of degradation fragments with an UV-Vis spectrophotometer at 420nm, FITC-BSA was detected with a fluorescence spe

29、ctrophotometer and the pH of the dissolution fluid was obtained with a pH meter. The device was compressed under the condition described as experiment section (n=3). 微芯片型程序式脉冲释放系统Diagram of fabrication process for polymeric microchip device.a. The poly(L-lactic acid) (PLLA) preform is compression-mo

30、ulded on an aluminum die plate at elevated temperature to form reservoirs in the device substrate. The initial compression moulding step at room temperature to form a partly dense, disk-shaped preform is not shown.b. Diagram of device substrate after high-temperature compression-moulding, showing co

31、nical reservoirs.c. Diagram of device substrate after polishing to truncate the conical reservoirs.d. Device substrate after the formation of reservoir membranes by microinjection.e. Device after loading the reservoirs with the chemicals to be released by microinjection, and enlargement of reservoir

32、 showing typical dimensions of reservoir and membrane.f. Device after sealing and completion of the fabrication process.Cumulative percentage of initial 3H-heparin loading released frommicrochip devices in vitro. Each symbol (circle, square or diamond) represents data collected for a different devic

33、e. We again observed that the release times of the chemicals from the reservoirs increased as the molecular mass of the reservoir membrane polymerswas increased, as shown by the arrows indicating the opening of each type of membrane on the devices, and that there was relatively small variation in th

34、e range of release times for reservoirs having a given type of membrane. Experiments were conducted in saline solution at 25 C in vitro.平稳释放在微球制备过程中，多肽蛋白质药物富集于微球表面，导致严重的暴释。通过加入各种添加剂，使多肽蛋白质均匀分布于微球内部，从而抑制其暴释药物释放地点的控制 主动靶向 肝组织靶向 结肠靶向 被动靶向 局部给药 皮透 粘膜给药主动靶向：单克隆抗体、糖基或其它能专一识别特定细胞表面受体的配体分子偶联到药物载体上，实现药物对某一组织

35、的选择性分布被动靶向微球、纳米微粒以及脂质体等：利用其尺寸及表面等物理化学性质实现对特定组织的选择性分布磁性微球：利用外加磁场将磁性微球导入到病灶组织附近高分子胶束：利用超声波对胶束的特殊作用，使药物富集于肿瘤组织部位局部给药脑部给药：聚酸酐/卡氮芥圆片用于治疗神经胶质瘤粘膜给药：肠粘膜、鼻腔皮透Images of microneedles used for transdermal drug delivery. (a) Solid microneedles (150 Am tall) etched from a silicon wafer were used in the first stud

36、y to demonstrate microneedles for transdermal delivery. (b) Solid microneedles (1000 Am tall) laser-cut from a stainless steel sheet were used to deliver insulin to diabetic rats. (c) Solid microneedles (microprojection array, 330 Am tall) acid-etched from a titanium sheet were coated with protein a

37、ntigen for vaccine delivery in vivo; similar needles were used to deliver oligonucleotides in vivo. (d) Solid microneedles (microenhancer array, 200 Am tall) chemically etched from a silicon wafer were dipped in plasmid DNA solution for vaccine delivery in vivo. (e) Hollow microneedles (500 Am tall)

38、 formed by electrodeposition of metal onto a polymer mold were used for needle insertion and fracture force measurements.微注射针用于皮透给药肝组织靶向 被动靶向（载体传输途径） 主动靶向（胆酸、半乳糖与甘露糖） 其它途径（聚阴离子与聚阳离子）肝组织主动靶向胆酸口服肝靶向半乳糖肝靶向甘露糖肝靶向结肠主动靶向利用结肠细胞表面富含果糖、半乳糖等受体，将以上单糖偶联到水溶性高分子侧基上，将药物靶向于结肠部位利用结肠腔中富含偶氮还原酶，将药物包埋于偶联键交联的水凝胶中，当水凝胶到达结

39、肠部位时，偶氮还原酶将水凝胶降解，释放出其中的药物单糖-受体多点作用pH敏感型偶氮交联水凝胶pH-sensitiveenzyme-degradable组织工程器官移植自体器官或异体器官移植 器官来源问题 器官排斥问题 细胞移植 血细胞：分散细胞 有些情况下细胞会在注射部位自己融合成组织直接注射细胞并不能保证在注射部位形成组织细胞必须产生自己的细胞外基质并与周围组织融合最大问题还是免疫排斥问题 细胞包埋：糖尿病优点：利用高分子隔离膜将细胞包埋，可维持细胞正常功能，隔离免疫细胞缺点：不能实现细胞与周围组织的融合代表性人物：多伦多大学A.M.Sun, MaGill大学C.S.Chang组织工程概念：

40、建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代组织工程发展历史组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定 一、种子细胞研究二、组织工程支架的制备 三、组织器官的构建 四、组织工程临床应用 组织工程载体材料 生物相容、生物降解 机械性质 细胞亲和性 细胞特异性Incorporation of adhesion factor, e.g., RGD: specific recognitionIncorporation of polyanionic sites that mimic the electrostat

41、ics of biological regulatory polysaccharides: non-specific interactionsIncorporation of cleavage sites for enzyme involved in cell migration: cell responsive degradation 材料制备：生物活性材料合成生物降解材料的功能化：P(LA-co-LYS)Bioactive Materials Prepared by Genetic Engineering: Elastin肝素化表面：血液相容性生物材料阴离子化生物材料细胞响应性水凝胶Con

42、jugating bioadhesive ligands to PEGCrosslinking of PEG with crosslinker which can de degraded in the presence of emzyme excreted during cell proliferation(3) Cell attachment, proliferation and matrix degradation组织工程支架的制备盐析法（小分子盐、糖、脂类、冰粒）相分离法W/O乳液-冷冻干燥法微球降解法微球压制法气体发泡-颗粒溶出法冷冻干燥法纺丝法CAD/SFF法盐析法制备组织工程支架致

43、孔剂小分子盐碳氢化合物冰粒多孔支架形态A: 以碳氢化合物为模板 制备得到多孔支架B: 软骨细胞培养一段 时间后形态相分离法：热引发相分离制备得到PLGA多孔支架的扫描电镜照片相分离制备多孔支架孔隙度与聚合物浓度的关系W/O乳液-冷冻干燥法制备过程 聚合物溶解于有机溶剂 中，将生长因子水溶液 乳化于聚合物溶液中， 形成油包水乳液 将上述油包水乳液冷冻， 并冷冻干燥，即形成 吸附有生长因子的多孔 支架。孔径分布BSA从多孔支架中释放曲线微球降解法制备过程 将能快速降解的聚合物 制备成微球 将微球与慢速降解的聚合 物混合均匀 将上述混合物模压成型 在生理环境，上述支架 中快速降解微球发生降解， 从而

44、产生孔洞P(CPP:SA) 80:20A: 不含微球B-C: 含20%PLGA (50/50)微球D-F: 含50PLGA (50/50)微球降解4周后支架SEM照片微球压制法制备过程 溶剂挥发法制备 生物降解微球 将微球置于模具中， 然后加热模具 至微球Tg 以上5 oC，使微球之间 粘连 待模具冷却后， 将相互粘接的微球 脱模，得到多孔支架加热时间对多孔支架形态的影响，a: 24 h; b: 72 h孔径分布曲线支架孔隙率成骨细胞在支架中粘附骨钙素染色冷冻干燥法一般冷冻干燥法：制备水凝胶多孔支架凝胶化-萃取-冷冻干燥法：制备纤维状多孔支架复合冷冻干燥法：制备复合支架凝胶化-萃取-冷冻干燥法

45、：适用于结晶性聚合物制备过程 聚合物溶解于适当溶剂中 将上述聚合物溶液在一定温度下 凝胶化 用水萃取凝胶化聚合物中有机溶剂 将上述萃取后聚合物冷冻干燥， 即得到纤维状多孔支架盐析/凝胶化-萃取-冷冻干燥法制备大孔纤维状多孔支架亲水-疏水杂化多孔支架盐析法制备得到PLGA多孔支架胶原/PLGA杂化多孔支架计算机辅助设计/固体手划线制备法CAD/SFFSchematic representation of the process. (a) CAD of the mould possessing the negative shape of the scaffold, (b) CAD file imp

46、lementation in model-maker II and printing of model by controlled droplet deposition of mould and support materials to form a layer, (c) elevator moves down and process repeated to build next layer, (d) completed mould containing support material structures, (e) removal of support material by immers

47、ing into selective solvent, (f) the final mould, (g) casting of collagen dispersion into mould, (h) collagen dispersion frozen at 20oC, (i) dissolving mould away by immersing in ethanol, (j) critical point drying of collagen, (k) a dry collagen scaffold.mouldCollagen scaffold支架表面改性表面化学成分改性表面接枝改性 化学接

48、枝/光接枝/辐射接枝/等离子体接枝表面吸附改性表面包埋改性表面共混改性表面层层自组装表面矿物化表面形貌改性-表面图案化The reason of surface modification?Opposite effects of integrin ligands. Immobilized ligands act as agonists of the ECM, leading to cell adhesion and cell survivalwhile non-immobilized ligands act as antagonists, leading to cell detachment,

49、a round cell shape, and apoptosis.Surface presenting specific ligands for interacting with cellsLigand clusteringLigand gradientPatterned surfaceRequirement of Surface Modification表面化学成分改性: Michael Addition Reaction疏水相互作用，例如Pluronic在PLGA表面的吸附静电相互作用特异吸附表面吸附特异吸附:biotin-avidin表面包埋体内矿物化过程中酸性蛋白起到成核点的作用聚阴

50、离子中羧基同样可以与Ca2+络合，进一步形成HA与共混法相比，仿生法制备得到的羟基磷灰石表面具有高界面结合强度等优点表面仿生矿物化：羟基磷灰石PHEMAPLGA表面经碱性水解，产生大量的羧基，可与Ca2络合，成为HA的成核点HA在未经碱处理的PLGA表面生长很慢PLGA未水解PLGA水解PLGA表面图案化Photo lithographySoft lithography Microcontact printing Microfluidic patterningPhotolithography: 最小结构250 nmHA modification for photolithography Pro

51、cedure of photolithographyOptical imageSEM imageFibroblast attachment to patterned HA surfaceSEM imageAFM imagecellsHA由哈佛大学化学系Whitesides及Xia等发展最小分辨率可达30 nm除组织工程外，可应用到其它很多领域，例如生物传感器、信息工业、微电子等都将产生深远影响Microcontact printing基本原理：类似于图章的产生过程PDMS: 聚二甲基硅氧烷FN: 粘连蛋白Comb polymer: 类似于印泥Comb polymer: PMMA-g-PEG阻止细胞粘附促使细胞粘附类似于印章Substrate: 类似于纸TOF-SIMS：飞行时间次级离子质谱仪CLSMAFMTOF-SIMS 将样品表面用照射量少的一次离子(脉冲)照射后，从样品表层释放出碎片离子、分子离子等二次离子。使用飞