第八章醫(yī)用高分子材料的穩(wěn)定與降解

1、第八章第八章 醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子材料的穩(wěn)定與降解材料的穩(wěn)定與降解四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院Applications of Biodegradable Polymers “人耳人耳”老鼠老鼠v國家國家“973”計劃首席科學(xué)家、上計劃首席科學(xué)家、上海組織工程與開發(fā)中心主任海組織工程與開發(fā)中心主任 曹誼曹誼林教授林教授v方法是將裸鼠的背上割開一個口方法是將裸鼠的背上割開一個口子，然后將已經(jīng)培養(yǎng)好的子，然后將已經(jīng)培養(yǎng)好的“耳朵耳朵”植入后縫合。植入后縫合。“耳朵耳朵”是在此之是在此之前一周開始制備的。先用一種高前一周開始制備的。先用一種高分子化學(xué)材料分子化學(xué)材料聚羥基乙

2、酸作聚羥基乙酸作成成“人耳人耳”的模型支架，然后讓的模型支架，然后讓細(xì)胞在這個支架上繁殖生長。支細(xì)胞在這個支架上繁殖生長。支架最后會自己降解消失，架最后會自己降解消失，“耳朵耳朵”便與老鼠渾然成為一體。便與老鼠渾然成為一體。什么是生物醫(yī)用材料什么是生物醫(yī)用材料 生物醫(yī)用材料是一類用于診斷、治療或生物醫(yī)用材料是一類用于診斷、治療或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料，是材料科學(xué)技術(shù)中的一個正在發(fā)技術(shù)材料，是材料科學(xué)技術(shù)中的一個正在發(fā)展的新領(lǐng)域，不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟(jì)價值高，展的新領(lǐng)域，不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟(jì)價值高，而且與患者生命和健康密切相關(guān)。近而且與患者

3、生命和健康密切相關(guān)。近10多年多年以來，生物醫(yī)用材料及制品的市場一直保持以來，生物醫(yī)用材料及制品的市場一直保持20左右的增長率。左右的增長率。 生物醫(yī)用材料可分為生物醫(yī)用材料可分為醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料、醫(yī)醫(yī)用陶瓷材料用陶瓷材料和和醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料三大類三大類 意義和目的意義和目的v生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用廣泛，僅高分子材料，全生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用廣泛，僅高分子材料，全世界在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的就有世界在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的就有90多個品種、多個品種、1800余種制品，西方國家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子余種制品，西方國家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以材料每年以1020的速度增長。隨著現(xiàn)的速度增長。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

4、的發(fā)展尤其是生物技術(shù)的重大突代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是生物技術(shù)的重大突破，生物材料的應(yīng)用將更加廣泛。破，生物材料的應(yīng)用將更加廣泛。 v生物材料市場發(fā)展勢頭迅猛，其發(fā)展態(tài)勢已生物材料市場發(fā)展勢頭迅猛，其發(fā)展態(tài)勢已可以與信息、汽車產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)中的地位可以與信息、汽車產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)中的地位相比。相比。 v2000年全球醫(yī)療器械市場己達(dá)年全球醫(yī)療器械市場己達(dá)1650億美元，億美元，其中生物醫(yī)學(xué)材料及制品約占其中生物醫(yī)學(xué)材料及制品約占4050。 v組織工程支架材料、藥物緩釋材料、心血管組織工程支架材料、藥物緩釋材料、心血管系統(tǒng)修復(fù)材料、血液凈化材料、外科修復(fù)和系統(tǒng)修復(fù)材料、血液凈化材料、外科修復(fù)和矯形裝置

5、等都是高速增長的領(lǐng)域。矯形裝置等都是高速增長的領(lǐng)域。v生物材料前沿研究不斷取得進(jìn)展，將開拓更生物材料前沿研究不斷取得進(jìn)展，將開拓更為廣闊的市場空間，并為常規(guī)材料的改整和為廣闊的市場空間，并為常規(guī)材料的改整和創(chuàng)新提供導(dǎo)向。預(yù)計在今后創(chuàng)新提供導(dǎo)向。預(yù)計在今后1520年間，生年間，生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)可達(dá)到相當(dāng)于藥物市場份額物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)可達(dá)到相當(dāng)于藥物市場份額的規(guī)模。的規(guī)模。v775萬肢殘患者和每年新增的萬肢殘患者和每年新增的300萬骨損傷患者需要萬骨損傷患者需要大量骨修復(fù)材料，大量骨修復(fù)材料，v2000萬心血管病患者每年需要萬心血管病患者每年需要24萬套人工心瓣膜，萬套人工心瓣膜，v2億至億至3億肝

6、炎患者每年需要億肝炎患者每年需要30萬個人工肝，萬個人工肝，v腎衰患者每年需要腎衰患者每年需要12萬個腎透析器。萬個腎透析器。v在亞洲，腫瘤是死亡的主要原因之一；在亞洲，腫瘤是死亡的主要原因之一；v隨著人們生活質(zhì)量的提高，整形、美容正在興起；隨著人們生活質(zhì)量的提高，整形、美容正在興起；v計劃生育對生物醫(yī)學(xué)材料市場的需求正在增長。計劃生育對生物醫(yī)學(xué)材料市場的需求正在增長。v人造皮膚、組織粘合劑、防組織粘連劑等的年增長人造皮膚、組織粘合劑、防組織粘連劑等的年增長率達(dá)率達(dá)45%左右。左右。 我國是生物材料和器械的需求大國我國是生物材料和器械的需求大國8.1 醫(yī)用高分子材料體內(nèi)降解機(jī)理醫(yī)用高分子材料體

7、內(nèi)降解機(jī)理v希望穩(wěn)定長期植入的材料希望穩(wěn)定長期植入的材料v希望降解短期、釋放生物活性物質(zhì)希望降解短期、釋放生物活性物質(zhì)v與聚合物本身結(jié)構(gòu)、聚合單體、添加劑、分子量與聚合物本身結(jié)構(gòu)、聚合單體、添加劑、分子量及其分布、結(jié)晶度、表面形態(tài)等性質(zhì)有關(guān)及其分布、結(jié)晶度、表面形態(tài)等性質(zhì)有關(guān)v與材料在體內(nèi)所處的環(huán)境有關(guān)，包括體液、有機(jī)與材料在體內(nèi)所處的環(huán)境有關(guān)，包括體液、有機(jī)大分子（如蛋白質(zhì)等）、酶、自由基、細(xì)胞等大分子（如蛋白質(zhì)等）、酶、自由基、細(xì)胞等The hypothesis concerning cell/polymer feedback control of biodegradation of bi

8、omedical polymerpolymerCell AdhesionCell ActivationMediator SecretionCell RespiratoryBurstPolymer surface degradationPolymer degradation productsComposition, Additives Surface Properties and MorphologyProtein adsorption: Composition Density Coverage ActivityDensity Coverage生物學(xué)環(huán)境生物學(xué)環(huán)境v定義：定義：指處于生物系統(tǒng)中的

9、生物醫(yī)用材料周圍的情況或條件，指處于生物系統(tǒng)中的生物醫(yī)用材料周圍的情況或條件，包括與其接觸的體液、有機(jī)大分子、酶、自由基、細(xì)胞等多種包括與其接觸的體液、有機(jī)大分子、酶、自由基、細(xì)胞等多種因素。因素。v生物學(xué)環(huán)境可分為四個級別：生物學(xué)環(huán)境可分為四個級別：生理環(huán)境：生理環(huán)境：受化學(xué)和熱學(xué)條件控制受化學(xué)和熱學(xué)條件控制生物生理環(huán)境：生物生理環(huán)境：生物學(xué)條件加上適當(dāng)?shù)募?xì)胞產(chǎn)物（如血清的蛋白、酶）生物學(xué)條件加上適當(dāng)?shù)募?xì)胞產(chǎn)物（如血清的蛋白、酶）生物環(huán)境：生物環(huán)境：生物生理條件加上適當(dāng)?shù)挠猩幕钴S的細(xì)胞生物生理條件加上適當(dāng)?shù)挠猩幕钴S的細(xì)胞細(xì)胞周圍環(huán)境：細(xì)胞周圍環(huán)境：生物環(huán)境的一種特殊情況，即：直接鄰近

10、有生命的生物環(huán)境的一種特殊情況，即：直接鄰近有生命的 活躍細(xì)胞周圍的條件活躍細(xì)胞周圍的條件降解機(jī)理降解機(jī)理v水解作用水解作用v酶解作用酶解作用v細(xì)胞免疫細(xì)胞免疫v機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變Mechanisms of Hydrolysis (One example, for polyesters)Acid-catalyzed hydrolysis:Base-catalyzed hydrolysis (saponification):環(huán)境應(yīng)力開裂環(huán)境應(yīng)力開裂金屬離子氧化降解金屬離子氧化降解降解機(jī)理總結(jié)降解機(jī)理總結(jié)v經(jīng)過大量研究表明，炎性反應(yīng)細(xì)胞所釋放的酶（氧經(jīng)過大量研究表明，炎性反應(yīng)細(xì)胞所釋放的

11、酶（氧化酶和水解酶）、氧化劑（化酶和水解酶）、氧化劑（O2 ，H2O2，OH）、）、酸性物質(zhì)（如脂肪酸）以及體液中的物質(zhì)（酸性物質(zhì)（如脂肪酸）以及體液中的物質(zhì)（Ca2+, 磷脂，膽固醇）等構(gòu)成了降解環(huán)境。磷脂，膽固醇）等構(gòu)成了降解環(huán)境。v所有非內(nèi)皮化人工合成材料表面在體內(nèi)均激發(fā)一定所有非內(nèi)皮化人工合成材料表面在體內(nèi)均激發(fā)一定程度的免疫反應(yīng)，如炎性反應(yīng)，因此，在體內(nèi)所有程度的免疫反應(yīng)，如炎性反應(yīng)，因此，在體內(nèi)所有的材料都有降解的可能。的材料都有降解的可能。v材料炎性反應(yīng)取決于材料表面與體液中蛋白質(zhì)的相材料炎性反應(yīng)取決于材料表面與體液中蛋白質(zhì)的相互作用，蛋白的吸附和變性是細(xì)胞和材料界面上生互作用，

12、蛋白的吸附和變性是細(xì)胞和材料界面上生物學(xué)反應(yīng)的原因。物學(xué)反應(yīng)的原因。 8.2生物醫(yī)用高分子的穩(wěn)定化生物醫(yī)用高分子的穩(wěn)定化v添加生物抗氧劑添加生物抗氧劑如維生素如維生素Ev結(jié)構(gòu)上設(shè)計生物穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上設(shè)計生物穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)v含硅的聚合物含硅的聚合物v含氟的聚合物含氟的聚合物8.3 可降解的生物醫(yī)用高分子材料可降解的生物醫(yī)用高分子材料v定義定義：是指在生物體內(nèi)經(jīng)水解、酶解等過程，是指在生物體內(nèi)經(jīng)水解、酶解等過程，逐漸降解成低分子量化合物或單體，降解產(chǎn)逐漸降解成低分子量化合物或單體，降解產(chǎn)物能被排出體外或能參加體內(nèi)正常新陳代謝物能被排出體外或能參加體內(nèi)正常新陳代謝而消失的材料。而消失的材料。按在活體內(nèi)

13、分解的性質(zhì)分類按在活體內(nèi)分解的性質(zhì)分類v水解型：水解型：低級脂肪族聚酯（如聚乳酸、低級脂肪族聚酯（如聚乳酸、 聚乙醇酸）、聚己內(nèi)酯、聚酸酐、聚乙醇酸）、聚己內(nèi)酯、聚酸酐、 聚原酸酯等聚原酸酯等v酶解型：酶解型：天然蛋白質(zhì)、合成多肽、多糖類、天然蛋白質(zhì)、合成多肽、多糖類、 核酸、聚羥基丁酸等核酸、聚羥基丁酸等按天然和人工合成分類按天然和人工合成分類v天然材料：天然材料：膠原、殼聚糖、纖維素、蛋白膠原、殼聚糖、纖維素、蛋白 質(zhì)、天然珊瑚質(zhì)、天然珊瑚v合成材料：合成材料：聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、 聚酸酐、聚原酸酯等聚酸酐、聚原酸酯等8.3.1天然的可降解聚合物材料天然

14、的可降解聚合物材料 膠原膠原v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)無抗原性無抗原性生物相容性好生物相容性好可參與組織愈合過程可參與組織愈合過程v缺點(diǎn)缺點(diǎn)降解快降解快機(jī)械強(qiáng)度小機(jī)械強(qiáng)度小v應(yīng)用應(yīng)用燒傷創(chuàng)傷敷料燒傷創(chuàng)傷敷料骨移植替代材料骨移植替代材料組織再生誘導(dǎo)物組織再生誘導(dǎo)物v交聯(lián)方法交聯(lián)方法物理交聯(lián)物理交聯(lián)化學(xué)交聯(lián)化學(xué)交聯(lián) 纖維蛋白纖維蛋白v一類主要的不溶于水的蛋白質(zhì)，通常都一類主要的不溶于水的蛋白質(zhì)，通常都含有呈現(xiàn)相同二級結(jié)構(gòu)的多肽鏈含有呈現(xiàn)相同二級結(jié)構(gòu)的多肽鏈,多存在多存在于血液中，當(dāng)我們?yōu)榱瞬蛔屝迈r的豬血于血液中，當(dāng)我們?yōu)榱瞬蛔屝迈r的豬血凝固，而攪拌豬血，就是破壞了纖維蛋凝固，而攪拌豬血，就是破壞了纖維蛋白。許多纖

15、維蛋白結(jié)合緊密，并為單個白。許多纖維蛋白結(jié)合緊密，并為單個細(xì)胞或整個生物體提供機(jī)械強(qiáng)度，起著細(xì)胞或整個生物體提供機(jī)械強(qiáng)度，起著保護(hù)或結(jié)構(gòu)上的作用保護(hù)或結(jié)構(gòu)上的作用。 纖維蛋白纖維蛋白v纖維蛋白使最早使用的醫(yī)學(xué)材料之一纖維蛋白使最早使用的醫(yī)學(xué)材料之一v纖維蛋白本身作為天然細(xì)胞外介質(zhì)成分，纖維蛋白本身作為天然細(xì)胞外介質(zhì)成分，有較好介導(dǎo)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)及相互作用有較好介導(dǎo)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)及相互作用的性能。的性能。v應(yīng)用：軟骨組織工程應(yīng)用：軟骨組織工程甲殼素及其衍生物甲殼素及其衍生物v甲殼素甲殼素(chitin)亦稱甲殼質(zhì)亦稱甲殼質(zhì),化學(xué)名稱為聚化學(xué)名稱為聚(1,4)-2-乙酚氨基乙酚氨基-2-脫氧脫氧-

16、D-葡萄糖葡萄糖,廣泛存在于昆蟲、甲廣泛存在于昆蟲、甲殼綱動物外殼及真菌細(xì)胞壁中殼綱動物外殼及真菌細(xì)胞壁中,是自然界中產(chǎn)量僅次是自然界中產(chǎn)量僅次于纖維素的天然多糖，是一種低等動植物的組成部于纖維素的天然多糖，是一種低等動植物的組成部分，是少見的帶正電荷的聚合物。分，是少見的帶正電荷的聚合物。v自然界每年合成的甲殼素估計有數(shù)十億噸之多。自然界每年合成的甲殼素估計有數(shù)十億噸之多。v特點(diǎn)特點(diǎn)無毒性、無刺激性無毒性、無刺激性生物相容性生物相容性生物可降解性生物可降解性v應(yīng)用應(yīng)用人工皮膚人工皮膚骨修復(fù)材料骨修復(fù)材料手術(shù)縫線手術(shù)縫線抗凝血材料抗凝血材料腎用膜腎用膜8.3.2人工合成的可降解聚合物材料人工合

17、成的可降解聚合物材料Biodegradable solids may have differing modes of degradation: Scanning electron micrographs of PLA and PLGA polymer samples undergoing bulk or surface erosion by altering degradation conditions8.3.2.1聚原酸酯聚原酸酯(Polyorthoesters,POE)vPOE是通過多元酸或多元原酸酯與多元醇類是通過多元酸或多元原酸酯與多元醇類經(jīng)無水條件下縮合形成原酸酯鍵而制成。經(jīng)無水條件

18、下縮合形成原酸酯鍵而制成。v疏水型聚合物疏水型聚合物v不溶于水，溶于不溶于水，溶于THF等有機(jī)溶劑等有機(jī)溶劑v降解產(chǎn)物無毒、無副作用降解產(chǎn)物無毒、無副作用v降解為降解為“表面融蝕表面融蝕”（surface erosion）POE的水解機(jī)理的水解機(jī)理按主鏈結(jié)構(gòu)的不同按主鏈結(jié)構(gòu)的不同POE分三類分三類v二元醇與原酸酯和原碳酸酯經(jīng)酯交換反應(yīng)合成的二元醇與原酸酯和原碳酸酯經(jīng)酯交換反應(yīng)合成的POE其中其中R1是一個多價烴基是一個多價烴基,R2和和R3也是烴基也是烴基,但其中至少有一個與圖中的但其中至少有一個與圖中的碳原子通過一個氧原子連接。碳原子通過一個氧原子連接。這類這類POE的水解反應(yīng)的水解反應(yīng)其降

19、解產(chǎn)物中有結(jié)構(gòu)為其降解產(chǎn)物中有結(jié)構(gòu)為H-O-C(R2R3)-O-H的有機(jī)酸的有機(jī)酸,這種這種酸性能催化酯鍵的水解酸性能催化酯鍵的水解,因此這類因此這類POE有能夠自催化降解有能夠自催化降解的功能。的功能。此類此類POE的特點(diǎn)的特點(diǎn)v在加工過程中在加工過程中,因為這類因為這類POE是固體是固體,所以可通過所以可通過熔融擠出成形熔融擠出成形,制成片狀制成片狀,棒狀或纖維狀棒狀或纖維狀,或壓制成或壓制成形形,還可以用溶劑揮發(fā)法成膜。還可以用溶劑揮發(fā)法成膜。v在其臨床應(yīng)用中在其臨床應(yīng)用中,可將其制成膜狀可將其制成膜狀,包載消炎藥物包載消炎藥物和止血藥物和止血藥物,貼在創(chuàng)口上貼在創(chuàng)口上,促進(jìn)創(chuàng)口的愈合促

20、進(jìn)創(chuàng)口的愈合;制成小制成小片片,植入眼腔內(nèi)植入眼腔內(nèi),釋放藥物治療眼疾釋放藥物治療眼疾;還可以制成骨還可以制成骨釘?shù)榷唐隗w內(nèi)植入物。釘?shù)榷唐隗w內(nèi)植入物。2. 雙烯酮與多元醇反應(yīng)制備的雙烯酮與多元醇反應(yīng)制備的POE雙烯酮與多元醇制備雙烯酮與多元醇制備POE的聚合反應(yīng)的聚合反應(yīng)賦形劑賦形劑v酸賦形劑加速酸賦形劑加速POE水解水解衣康酸、己二酸、辛二酸等小分子有機(jī)酸衣康酸、己二酸、辛二酸等小分子有機(jī)酸v堿賦形劑減緩堿賦形劑減緩POE水解水解 常用常用NaOH這類這類POE的特點(diǎn)的特點(diǎn)3. 由烷基原酸酯與三元醇聚合成的由烷基原酸酯與三元醇聚合成的POEv所用原酸酯主要有三甲基原乙酸酯所用原酸酯主要有三

21、甲基原乙酸酯,三乙基原乙酸酯。三乙基原乙酸酯。v三元醇：直鏈的三元醇：直鏈的1,2,6-己三醇和環(huán)狀的己三醇和環(huán)狀的1,1,4-環(huán)己三甲醇等。環(huán)己三甲醇等。這種這種POE的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)v固體藥物能與和聚合物直接通過機(jī)械方固體藥物能與和聚合物直接通過機(jī)械方法混合均勻法混合均勻,不用加熱不用加熱,也無需溶劑協(xié)助也無需溶劑協(xié)助,操作簡便。操作簡便。v可以用較粗的針式注射器注入體內(nèi)。可以用較粗的針式注射器注入體內(nèi)。8.3.2.2 聚酸酐（聚酸酐（polyanlydrides）v20世紀(jì)世紀(jì)80年代，年代，MIT的的 Langer 注意到酸酐注意到酸酐易于水解的特性，成功將聚酸酐用于藥物控易于水解的特性，

22、成功將聚酸酐用于藥物控釋領(lǐng)域，開創(chuàng)了聚酸酐研究的新紀(jì)元。釋領(lǐng)域，開創(chuàng)了聚酸酐研究的新紀(jì)元。v1996年，年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)聚酸酐應(yīng)用于復(fù)發(fā)惡性腦批準(zhǔn)聚酸酐應(yīng)用于復(fù)發(fā)惡性腦膠質(zhì)瘤的術(shù)后輔助化療。膠質(zhì)瘤的術(shù)后輔助化療。合成方法合成方法v高真空熔融縮聚法高真空熔融縮聚法普遍采用普遍采用v光氣或雙光氣法光氣或雙光氣法基本不采用基本不采用v酰氯羧酸?；Ｂ若人狨；ǚ肿恿啃?，機(jī)械強(qiáng)度分子量小，機(jī)械強(qiáng)度 差，無實(shí)用性差，無實(shí)用性v開環(huán)聚合法開環(huán)聚合法轉(zhuǎn)化率、分子量有待提高轉(zhuǎn)化率、分子量有待提高聚酸酐的降解聚酸酐的降解優(yōu)異性能優(yōu)異性能v表面融蝕特性生物可降解材料使藥物接表面融蝕特性生物可降解材料使藥物接近零級

23、釋放的重要條件近零級釋放的重要條件v降解速度和藥物釋放速度可調(diào)降解速度和藥物釋放速度可調(diào)v無突釋效應(yīng)，保證了釋藥體系的安全性無突釋效應(yīng)，保證了釋藥體系的安全性v良好的生物相容性，細(xì)胞毒性小，無致炎、良好的生物相容性，細(xì)胞毒性小，無致炎、致熱、致突變、致畸等嚴(yán)重病變致熱、致突變、致畸等嚴(yán)重病變v組成的藥物控釋體系具有很好的穩(wěn)定性組成的藥物控釋體系具有很好的穩(wěn)定性在臨床醫(yī)療上的應(yīng)用在臨床醫(yī)療上的應(yīng)用v腦膠質(zhì)瘤等惡性實(shí)體瘤腦膠質(zhì)瘤等惡性實(shí)體瘤v骨髓炎骨髓炎v胰島素依賴性糖尿病胰島素依賴性糖尿病局部給藥，藥劑量小，毒副作用小，持續(xù)給藥時間長局部給藥，藥劑量小，毒副作用小，持續(xù)給藥時間長8.3.2.3

24、聚氨基酸聚氨基酸（Polyamineacid）v降解產(chǎn)物為人體必須的氨基酸降解產(chǎn)物為人體必須的氨基酸,生物相容生物相容性較好性較好v氨基酸本身具有多個活性基團(tuán)點(diǎn)位氨基酸本身具有多個活性基團(tuán)點(diǎn)位,不論不論是均聚或共聚是均聚或共聚,它都保留著某些活性基團(tuán)它都保留著某些活性基團(tuán),這些基團(tuán)為材料的功能化具備了條件。這些基團(tuán)為材料的功能化具備了條件。聚氨基酸材料的功能性聚氨基酸材料的功能性v對聚氨基酸材料的研制中對聚氨基酸材料的研制中,一方面要尋找氨基一方面要尋找氨基酸最佳母體結(jié)構(gòu)配比酸最佳母體結(jié)構(gòu)配比,另一方面則可對已合成另一方面則可對已合成的材料進(jìn)行功能化。在合成過程中可通過對的材料進(jìn)行功能化。在合

25、成過程中可通過對材料開環(huán)或鍵入功能性基團(tuán)使所制備的材料材料開環(huán)或鍵入功能性基團(tuán)使所制備的材料具有智能性。具有智能性。v一般而言一般而言,在藥物接入率相同的情況下在藥物接入率相同的情況下,側(cè)鏈基側(cè)鏈基越長越長,釋放越快釋放越快;由于空間位阻的影響由于空間位阻的影響,藥物本藥物本身的結(jié)構(gòu)也有影響身的結(jié)構(gòu)也有影響,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物易與長側(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物易與長側(cè)鏈的母體材料結(jié)合。鏈的母體材料結(jié)合。聚氨基酸的降解聚氨基酸的降解v通過酰胺鍵的酶解來實(shí)現(xiàn)通過酰胺鍵的酶解來實(shí)現(xiàn)v不同個體之間酶活性的差異很大，很難不同個體之間酶活性的差異很大，很難重現(xiàn)和控制它在體內(nèi)的降解速度重現(xiàn)和控制它在體內(nèi)的降解速度假聚氨基酸

26、假聚氨基酸v原因：酰胺鍵在聚合物主鏈中反復(fù)出現(xiàn)，影原因：酰胺鍵在聚合物主鏈中反復(fù)出現(xiàn)，影響了它的機(jī)械性能。響了它的機(jī)械性能。v定義：天然氨基酸通過非酰胺鍵結(jié)合在一起定義：天然氨基酸通過非酰胺鍵結(jié)合在一起的聚合物。的聚合物。v特點(diǎn)：經(jīng)過主鏈結(jié)構(gòu)調(diào)整的特點(diǎn)：經(jīng)過主鏈結(jié)構(gòu)調(diào)整的“假聚氨基酸假聚氨基酸”與天然氨基酸相比，機(jī)械性能得到改善。與天然氨基酸相比，機(jī)械性能得到改善。應(yīng)用應(yīng)用v手術(shù)縫合線材料手術(shù)縫合線材料v人工皮膚人工皮膚v藥物控釋體系藥物控釋體系8.3.2.4 聚己內(nèi)酯（聚己內(nèi)酯（polycaprolactone PCL) v結(jié)構(gòu)：由單體結(jié)構(gòu)：由單體己內(nèi)酯在陽離子、自由己內(nèi)酯在陽離子、自由基及

27、混合型催化劑作用下開環(huán)聚合而成。基及混合型催化劑作用下開環(huán)聚合而成。2. 降解降解v酯鍵的水解，水解中間產(chǎn)物末端的羧基基團(tuán)酯鍵的水解，水解中間產(chǎn)物末端的羧基基團(tuán)對對PCL的降解起催化作用分子量不斷下的降解起催化作用分子量不斷下降，不發(fā)生形變和失重降，不發(fā)生形變和失重v體內(nèi)酶對體內(nèi)酶對PCL片段的進(jìn)一步降解起主要作用片段的進(jìn)一步降解起主要作用分子量降低到一定數(shù)值后，材料開始變分子量降低到一定數(shù)值后，材料開始變?yōu)樗槠l(fā)生失重，逐漸被機(jī)體吸收、排泄為碎片并發(fā)生失重，逐漸被機(jī)體吸收、排泄PCL的降解3.性質(zhì)性質(zhì)v- -己內(nèi)酯單體和己內(nèi)酯單體和PCL PCL 無毒性，生物相容性好無毒性，生物相容性好v

28、PCLPCL的降解速度慢，且多種治療型藥物在的降解速度慢，且多種治療型藥物在PCLPCL中具有良好的通透性。中具有良好的通透性。v可降解性可降解性v原料易得原料易得8.3.2.5聚乳酸（聚乳酸（PLA)與聚乙交酯（與聚乙交酯（PGA)v聚乳酸聚乳酸(PLA)聚乳酸聚乳酸(PLA)又稱聚丙交酯又稱聚丙交酯,是目前最有前途的可是目前最有前途的可生物降解聚合物之一。生物降解聚合物之一。的原材料的原材料(淀粉和纖維素淀粉和纖維素)是不會增加大氣是不會增加大氣中二氧化碳的農(nóng)產(chǎn)品。中二氧化碳的農(nóng)產(chǎn)品。的最終降解產(chǎn)物是的最終降解產(chǎn)物是H2O和和CO2，中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物乳酸也是體內(nèi)正常得糖代謝產(chǎn)物。乳酸也是體

29、內(nèi)正常得糖代謝產(chǎn)物。1.PLA 的合成的合成v直接法 該法生產(chǎn)出的聚乳酸的相對分子量小于4000,強(qiáng)度低,所以實(shí)用性不強(qiáng)。v間接法首先將首先將-乳酸用粉末為催化劑減壓縮合形成乳酸用粉末為催化劑減壓縮合形成丙交酯丙交酯將合成的丙交酯在高溫下以為催化劑真空聚合將合成的丙交酯在高溫下以為催化劑真空聚合生成聚乳酸。此法合成的分子量高達(dá)生成聚乳酸。此法合成的分子量高達(dá)7.31042. PLA在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用v藥物控釋體系藥物控釋體系v骨科固定及組織修復(fù)材料骨科固定及組織修復(fù)材料v眼科植入材料眼科植入材料v外科手術(shù)縫合線外科手術(shù)縫合線聚乙交酯（聚乙交酯（PGA）v聚乙交酯（聚乙交酯

30、（PGA）又稱聚乙醇酸或聚羥基乙酸。）又稱聚乙醇酸或聚羥基乙酸。v它是一種可以被人體吸收的合成聚酯類材料它是一種可以被人體吸收的合成聚酯類材料,也是也是第一種用作可吸收手術(shù)縫合線的聚合物。第一種用作可吸收手術(shù)縫合線的聚合物。v生物可吸收周期為生物可吸收周期為60。v聚乙交酯的降解速度不僅與聚合物的分子量、結(jié)聚乙交酯的降解速度不僅與聚合物的分子量、結(jié)晶度、熔點(diǎn)有關(guān)晶度、熔點(diǎn)有關(guān),更重要的是受試樣幾何形狀及外更重要的是受試樣幾何形狀及外界環(huán)境影響。界環(huán)境影響。聚乙交酯（聚乙交酯（PGA）v在現(xiàn)有可生物降解聚合物中聚乙交酯的降解速度較在現(xiàn)有可生物降解聚合物中聚乙交酯的降解速度較快快,尤其是短時間內(nèi)強(qiáng)

31、度衰減快。尤其是短時間內(nèi)強(qiáng)度衰減快。v聚乙交酯無毒性聚乙交酯無毒性,有良好的生物相容性和再吸收性。有良好的生物相容性和再吸收性。v然而它的熔點(diǎn)高然而它的熔點(diǎn)高,熔融紡絲有一定困難熔融紡絲有一定困難,v而且它的纖維柔性較差而且它的纖維柔性較差,不易彎曲不易彎曲,編織不便編織不便,且纖維且纖維機(jī)械強(qiáng)度不高機(jī)械強(qiáng)度不高,難于制成復(fù)雜的形狀如螺釘?shù)入y于制成復(fù)雜的形狀如螺釘?shù)?所以所以可以通過與其他材料共聚來改善其性能?？梢酝ㄟ^與其他材料共聚來改善其性能。共聚物及其特點(diǎn)共聚物及其特點(diǎn)v聚乳酸氨基酸衍生物共聚物聚乳酸氨基酸衍生物共聚物氨基酸鏈段的引入氨基酸鏈段的引入,可以調(diào)節(jié)聚乳酸材料的降解可以調(diào)節(jié)聚乳酸

32、材料的降解性能性能;氨基酸鏈段帶有反應(yīng)性的官能團(tuán)側(cè)基氨基酸鏈段帶有反應(yīng)性的官能團(tuán)側(cè)基,如如-2,-等等,可以用來固定具有生物活性的分子可以用來固定具有生物活性的分子,如蛋白質(zhì)如蛋白質(zhì),糖類糖類,多肽等多肽等,可改善材料與細(xì)胞之間的可改善材料與細(xì)胞之間的相互作用。相互作用。聚乳酸聚乳酸-賴氨酸共聚物賴氨酸共聚物()是聚乳酸是聚乳酸-氨基氨基酸共聚物中研究最多的一類。酸共聚物中研究最多的一類。共聚物及其特點(diǎn)共聚物及其特點(diǎn)v聚乳酸聚氧乙烯共聚物聚乳酸聚氧乙烯共聚物親水性的段可以改善的疏水性能親水性的段可以改善的疏水性能,調(diào)節(jié)其降調(diào)節(jié)其降解速率。解速率。材料表面的可以阻止非特異性蛋白的吸附材料表面的可

33、以阻止非特異性蛋白的吸附,利用鏈端頭的官能基團(tuán)固定生物活性分子利用鏈端頭的官能基團(tuán)固定生物活性分子,還可以還可以改善細(xì)胞改善細(xì)胞/材料界面材料界面,促進(jìn)細(xì)胞在材料表面的粘附、鋪展、促進(jìn)細(xì)胞在材料表面的粘附、鋪展、分化等。分化等。-共聚物不適于作為骨修復(fù)、牙修補(bǔ)等高機(jī)共聚物不適于作為骨修復(fù)、牙修補(bǔ)等高機(jī)械強(qiáng)度要求的材料械強(qiáng)度要求的材料,但可用于藥物控制釋放體系的載體材但可用于藥物控制釋放體系的載體材料料,通過控制釋放藥物、細(xì)胞生長因子誘導(dǎo)組織的重建。通過控制釋放藥物、細(xì)胞生長因子誘導(dǎo)組織的重建。-作為一些半衰期短作為一些半衰期短,穩(wěn)定性差穩(wěn)定性差,易降解及毒易降解及毒副作用大的藥物控釋制劑的可溶

34、蝕基材副作用大的藥物控釋制劑的可溶蝕基材,有效拓寬了給藥有效拓寬了給藥途徑途徑,減少給藥次數(shù)和給藥量減少給藥次數(shù)和給藥量,提高了藥物的生物利用度提高了藥物的生物利用度,最大程度減少了藥物對全身特別是肝、腎的毒副作用。最大程度減少了藥物對全身特別是肝、腎的毒副作用。Example Structures, Properties, and Applications:8.4 生物降解材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用生物降解材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 8.4.1 緩釋藥物緩釋藥物v small moleculesv peptides v proteinsv DNA (gene therapy)藥物釋放模型v生物降解性是藥物載

35、體或基因載體的重要特征之一，生物降解性是藥物載體或基因載體的重要特征之一，通過降解，載體與藥物基因片段定向進(jìn)入靶細(xì)胞通過降解，載體與藥物基因片段定向進(jìn)入靶細(xì)胞之后，表層的載體被生物降解，芯部的藥物釋放出之后，表層的載體被生物降解，芯部的藥物釋放出來發(fā)揮療效，避免了藥物在其他組織中釋放。來發(fā)揮療效，避免了藥物在其他組織中釋放。v可降解性高分子納米藥物和基因載體已成為目前惡可降解性高分子納米藥物和基因載體已成為目前惡性腫瘤診斷與治療研究中主流，性腫瘤診斷與治療研究中主流，v研究和發(fā)明中超過研究和發(fā)明中超過60的藥物或基因片段采用可降的藥物或基因片段采用可降解性高分子生物材料作為載體，如聚丙交酯（解

36、性高分子生物材料作為載體，如聚丙交酯（ P LA）、聚已交酯（）、聚已交酯（PGA）、聚己內(nèi)酯（）、聚己內(nèi)酯（PCL）、）、PMMA、聚苯乙烯（、聚苯乙烯（PS）、纖維素、纖維素聚乙）、纖維素、纖維素聚乙烯、聚羥基丙酸酯、明膠以及它們之間的共聚物。烯、聚羥基丙酸酯、明膠以及它們之間的共聚物。v這類材料最突出的特點(diǎn)是生物降解性和生物相容性。這類材料最突出的特點(diǎn)是生物降解性和生物相容性。通過成分控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計，生物降解的速率可以控通過成分控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計，生物降解的速率可以控制，部分聚丙交酯、聚已交酯、聚己內(nèi)酯、明膠及制，部分聚丙交酯、聚已交酯、聚己內(nèi)酯、明膠及它們共聚物可降解成細(xì)胞正常代謝物質(zhì)它們

37、共聚物可降解成細(xì)胞正常代謝物質(zhì)水和二水和二氧化碳。氧化碳。藥物緩釋凝膠腫瘤靶向藥物藥物膠囊結(jié)構(gòu)藥物膠囊結(jié)構(gòu)緩釋藥物的發(fā)展方向vCarriers to Assist Membrane Permeability - Tissue friendlyvBiocompatible-Bioerodible Injectable Polymers - Embracing the diverse properties of new and emerging drugsvStimuli-Sensitive Polymer - Responding to pH, temperature, and electroc

38、hemical stimuli as well as to more subtle specific biochemical triggersvKinetic- and Equilibrium-Modulated PolymersvPlatforms for Tissue Engineering 8.4.2 在組織工程中的應(yīng)用在組織工程中的應(yīng)用 組織工程學(xué)是應(yīng)用生物學(xué)和工程學(xué)的原理，研制組織工程學(xué)是應(yīng)用生物學(xué)和工程學(xué)的原理，研制和開發(fā)能夠修復(fù)和改善損傷或缺失組織功能的人造和開發(fā)能夠修復(fù)和改善損傷或缺失組織功能的人造組織或器官的一門新興學(xué)科。組織工程的提出和建組織或器官的一門新興學(xué)科。組織工程的

39、提出和建立只有立只有10年時間，卻得到了迅猛的發(fā)展：軟骨、骨、年時間，卻得到了迅猛的發(fā)展：軟骨、骨、肌健等組織再造的成功，已展示了其廣闊的發(fā)展前肌健等組織再造的成功，已展示了其廣闊的發(fā)展前景；血管、氣管等復(fù)合組織的再生，標(biāo)志著組織工景；血管、氣管等復(fù)合組織的再生，標(biāo)志著組織工程已由單一組織再造向復(fù)合組織預(yù)制邁出了重大一程已由單一組織再造向復(fù)合組織預(yù)制邁出了重大一步，而在胰腺、肝臟等組織再生研究中取得的突破步，而在胰腺、肝臟等組織再生研究中取得的突破性進(jìn)展，更向人們展示了人類有能力再生具有復(fù)雜性進(jìn)展，更向人們展示了人類有能力再生具有復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)和生理功能的器官。隨著組織工程研究的組織結(jié)構(gòu)和生理功

40、能的器官。隨著組織工程研究的不斷深入和發(fā)展，它必將給生命科學(xué)帶來革命性變不斷深入和發(fā)展，它必將給生命科學(xué)帶來革命性變化?；應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法來了解應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法來了解正常的和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)正常的和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)功能的關(guān)系，并研制活的生物組織代用品，用于修復(fù)、系，并研制活的生物組織代用品，用于修復(fù)、維持、改善人體組織的功能。維持、改善人體組織的功能。 v為了恢復(fù)或代替組織和器官的功能而研制可為了恢復(fù)或代替組織和器官的功能而研制可移植部件或裝置時，除了用細(xì)胞外基質(zhì)之外，移植部件或裝置時，除了用細(xì)胞外基質(zhì)之外，還要用活細(xì)胞，因此，材料科學(xué)

41、和細(xì)胞生物還要用活細(xì)胞，因此，材料科學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞工程學(xué)占據(jù)非常重要的地位學(xué)、細(xì)胞工程學(xué)占據(jù)非常重要的地位 v細(xì)胞載體材料細(xì)胞載體材料 分離的細(xì)胞自身不可能形成組織，它們分離的細(xì)胞自身不可能形成組織，它們需要生長的臨時支架材料，這種三維支架常需要生長的臨時支架材料，這種三維支架常常模擬其自然對應(yīng)物常模擬其自然對應(yīng)物-體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)，體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)，它們既起物理支架的作用，又是實(shí)質(zhì)細(xì)胞載它們既起物理支架的作用，又是實(shí)質(zhì)細(xì)胞載體外培養(yǎng)和后期植入的粘附物質(zhì)體外培養(yǎng)和后期植入的粘附物質(zhì) v細(xì)胞的分離和培養(yǎng)細(xì)胞的分離和培養(yǎng) 從供體組織的健康部位收集個體細(xì)胞，從供體組織的健康部位收集個體細(xì)胞，分

42、離后，再移植到患者所需要的部位。分離后，再移植到患者所需要的部位。v細(xì)胞生長因子細(xì)胞生長因子 在組織器官的再造中，各類組織誘導(dǎo)因在組織器官的再造中，各類組織誘導(dǎo)因子、生長因子和血管形成刺激因子將有利于子、生長因子和血管形成刺激因子將有利于組織的形成，但它不能直接植入體內(nèi)。組織的形成，但它不能直接植入體內(nèi)。vTissue engineering :vfabrication of biodegradable scaffold,vharvest of specific cell populations,vseeding of cells on the scaffold,vtissue culture

43、 in a bioreactor,vsurgical transplantation,vassimilation/remodeling.Schematic representation of tissue engineering (J.L. Marler et al., Adv. Drug. Deliv. Rev., 1998, 33, 165).組織工程器官組織工程器官v肝臟肝臟 liver,v尿道組織尿道組織 urological tissue,v皮膚皮膚 skin,v軟骨軟骨 cartilage,v骨骨 bone,v心血管組織心血管組織 cardiovascular tissues.Sc

44、hematic comparison of in vitro and in vivo tissue engineering approaches8.4.3 外科修復(fù)和矯形裝置外科修復(fù)和矯形裝置v骨夾板骨夾板v韌帶和肌鍵損失的修復(fù)韌帶和肌鍵損失的修復(fù)v牙周誘導(dǎo)再生和牙槽骨再生牙周誘導(dǎo)再生和牙槽骨再生v顳頜關(guān)節(jié)盤的修復(fù)顳頜關(guān)節(jié)盤的修復(fù)/置換置換v血管支架血管支架神經(jīng)誘導(dǎo)修復(fù)神經(jīng)誘導(dǎo)修復(fù)v基于生物可吸收性高分子可在體內(nèi)自行降解和被吸基于生物可吸收性高分子可在體內(nèi)自行降解和被吸收的特性，因此用之于進(jìn)行神經(jīng)誘導(dǎo)修復(fù)手術(shù)后，收的特性，因此用之于進(jìn)行神經(jīng)誘導(dǎo)修復(fù)手術(shù)后，可以不必再行二次手術(shù)將其取出，是理想的

45、神經(jīng)誘可以不必再行二次手術(shù)將其取出，是理想的神經(jīng)誘導(dǎo)修復(fù)材料。導(dǎo)修復(fù)材料。v近年來國際上已開始了用各種生物可吸收性材料進(jìn)近年來國際上已開始了用各種生物可吸收性材料進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)的研究，例如用乙交酯共聚物、用改性行神經(jīng)修復(fù)的研究，例如用乙交酯共聚物、用改性的骨膠原和用乳酸己內(nèi)酯共聚物、脫水交聯(lián)明膠的骨膠原和用乳酸己內(nèi)酯共聚物、脫水交聯(lián)明膠等材料制成管狀物進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)的研究，已在斷段等材料制成管狀物進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)的研究，已在斷段間間1015mm左右的神經(jīng)缺損修復(fù)上取得了一定的左右的神經(jīng)缺損修復(fù)上取得了一定的效果。效果。v但是由于這些材料在力學(xué)性能、降解和吸收速度等但是由于這些材料在力學(xué)性能、降解和吸收

46、速度等方面還存在著這樣那樣的問題，特別是還不能為受方面還存在著這樣那樣的問題，特別是還不能為受損神經(jīng)提供所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，因此至今都只處于損神經(jīng)提供所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，因此至今都只處于動物試驗的階段。動物試驗的階段。 v目前國內(nèi)骨損傷患者每年約目前國內(nèi)骨損傷患者每年約300萬，對骨修萬，對骨修復(fù)材料的需求為復(fù)材料的需求為200萬，實(shí)際用量為萬，實(shí)際用量為50萬，萬，80%來源于進(jìn)口！來源于進(jìn)口！v矯形外科修復(fù)材料和制品的世界市場年增長矯形外科修復(fù)材料和制品的世界市場年增長率可達(dá)率可達(dá)26%（19992005）；）； v預(yù)計工程代組織和器官上市后，將開拓預(yù)計工程代組織和器官上市后，將開拓800億美元的新市場；億美元的新市場； 骨固定材料v生物可降解性骨固定材料組織相容性良好，特別適生物可降解性骨固定材料組織相容性良好，特別適合作為體內(nèi)短期