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聚氨酯生物活性材料研究进程

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摘要:聚氨酯是一种良好的生物活性医用材料,正在向仿生并凸显生物功能活性以适应组织工程和组织再生的方向迅速而深入的发展,成为当代生物材料的主流,特别是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中获得生物活性的高分子生物材料受到极大的关注。

关键词:聚氨酯;生物活性材料;高分子

1概述

聚氨酯生物材料因选择具有良好生物相容性和可降解性的聚酯类聚合物为软段,共价并入由二异氰酸酯和扩链剂构成的硬段[1],赋予了材料良好力学性能,高拉伸强度和断裂伸长率,良好的耐磨损、抗曲挠性能。正是这些原料中的官能团使得聚氨酯材料的降解可以被调控。同时,改变聚酯/聚醚与二异氰酸酯酯的比列可以使它的降解时间达到数月之久,使其得以匹配细胞的生长速率,满足组织医用材料的要求。除此之外,改变扩链剂的种类能获得更多类型的聚氨酯,使其具有了更强的分子可设计,可以通过临床需要选择合适的原料进行设计、加工,性能可控范围大。另外,软硬段之间的力学不相容性,又使其具有了良好的形状记忆性能[2]。以上诸多的优良特性,使聚氨酯材料已经成为生物材料研究热点之一,广泛地应用于生物医学工程领域,如药物缓释载体材料、手术缝合线、人造皮肤、软骨组织工程、骨组织工程。面对生物体这个复杂而又敏感的环境,带有生活活性的生物材料能在使用中为细胞生长提供一个良好的生长环境,从而实现修复。因此,修复使用的材料具有生物活性是一个关键要素。但是,就目前报道聚氨酯材料都不具有生物活性,其主链上也没有可供引入生物活性分子的反应性基团,这极大的限制它的应用。

2无机成分改性聚氨酯

通常来说,实现聚氨酯材料的生物活性功能化通常有三种设计策略。第一种是将磷酸三钙、羟基磷灰石或者其它无机陶瓷材料作为一种生物活性分子。通常用它们改性的方法便是将它们与聚氨酯材料进行共混或者是涂层。羟基磷灰石、微晶陶瓷或者磷酸三钙都有与天然骨头相似的物质,是一类重要的生物活性材料。羟基磷灰石,最为一种最重要的无机磷酸盐,在过去的几十年里已经作为一种医用材料被广泛的应用了。作为一种生物活性材料被利用,除了它有着与天然骨头相似的成分外,还能调节生物材料降解过程中的pH值达到生物降解稳定性,以诱导骨生长,防止炎症发生。这些多样的生物活性物质使得改性后的材料具有更好的细胞相容性,无机陶瓷改性的生物活性材料若是用于骨修复,还能促进骨诱导和骨的传导[3]。虽然无机磷酸盐是一种重要的生物活性材料,但是现在的技术还无法完美解决它们在应用过程中存在的问题-----无机磷酸盐与聚氨酯的相容性。这使得我们很难用它们制备出一个均一的基质,特别是当无机陶瓷的含量较高的时候,涂层和共混都很难制备出一个均一的基体材料[4]。一些研究者还发现,一些HA/PLA的复合材料在生理环境中会快速失去它的力学性能。多数情况下HA和聚合之间的界面会出现分离,原因有两点:(1)磷酸盐陶瓷和聚合物之间缺乏有效地粘附;(2)HA表面上与聚合物主链连接的OH自催化降解。聚氨酯/HA的结构与PLA/HA相似,因此可能会出现相似的界面分离。

3可溶性生物活性分子改性聚氨酯

第二种是将可溶性的生物活性分子,如生长因子添加到生物材料中,让其在后期释放从而引发或者调控细胞的生长和分化,以达到组织修复或形成的目的。IGF 在人体骨骼的正常生长与维持过程中起重要作用,呈现出BMP和TGF-β的整合作用与骨形成扩增的效果。BMP 被认为具有早期前体骨细胞复制和成骨细胞定型的重要效应。TGF-β是具有诱导定型骨细胞复制和促进成骨细胞生产基质的潜能。PDGF(血小板衍生生长因子)能够在间充质组织中诱导未分化的细胞增殖,若与IGF,TGF-β,或BMP 共用,则可以增强骨组织的再生,但是它不能提供完整的骨生成特性。

4细胞活性成分改性聚氨酯

第三种是将细胞粘附多肽通过化学或者物理改性接入到生物材料中。研究表明胞外蛋白确实在细胞粘附和铺展于材料的过程中起着重要作用,因为细胞外基质上特定的功能域可通过整合素与细胞膜直接连接。大量的特定的细胞识别序列被辨别,最为集中序列是存在于基质分子(玻连蛋白、纤连蛋白、层连蛋白、胶原及原纤蛋白)中的(arginine-glycine-aspartic acid ) RGD。RGD是一种近年来被广泛用来设计生物活性聚氨酯材料的生物活性因子。通常为了连接牢固,RGD多肽通过羟基、氨基、羧基等官能团共价连接到聚合物中。

5结语

生物材料的研究正在向仿生并凸显生物功能活性以适应组织工程和组织再生的方向迅速而深入的发展,成为当代生物材料的主流,特别是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中获得生物活性的高分子生物材料受到极大的关注。实现材料的表面功能化有许多方法:引入多官能团的单体或聚合物,或者表面改等离子处理,臭氧氧化,表面接枝聚合,特殊位点反应等。然而这些表面改性虽然在一些明确的表面实验结果良好,但是在复杂的生物体内与细胞特异性识别的多肽进行表面改性只能在材料表面提供潜在的控制细胞行为的功能。也就是说,随着材料降解行为的发生,导致材料表面遭到破坏,从而使细胞、组织接触到的材料表面上的生物学信号发生变化。表面改性只能让生物活性因子在短期内影响组织的再生和修复,未被生物活性因子修饰的材料表面会随着材料表面的降解、破坏,逐渐暴露于相邻的细胞和组织面前,这种材料表面具有很大的缺陷,例如,亲水性差,没有细胞识别的特异生物学信号等。因此要使改性的材料有长久的均衡的作用和影响需用到整体改性的方法。

作者:李岩;孙丽杰;王倩雯;蔡明敏 单位:泰州职业技术学院

聚氨酯生物活性材料研究进程责任编辑:张雨    阅读:人次
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