医用PCL共混膜探讨范文

《膜科学与技术杂志》2016年第3期

摘要：

本文概括了国内外有关聚ε－己内酯共混膜的研究情况．分析了聚ε－己内酯膜的性能，指出单组分膜的应用局限；介绍了制备聚ε－己内酯共混膜的共混方式，主要包括熔融混合和溶液共混；概况了聚ε－己内酯与聚乳酸、聚砜、壳聚糖和海藻酸盐等聚合物的共混膜，并对其性能进行了分析，重点总结了聚ε－己内酯共混膜作为可控药物释放载体、医用敷料和组织工程支架材料在生物医学领域的应用；阐述了聚ε－己内酯与聚合物共混制膜在生物医学领域的潜在价值．

关键词：

ε－己内酯；共混膜；药物控释；医用敷料；组织工程支架

聚ε－己内酯（PCL）是一种半结晶型聚合物，可由ε－己内酯经开环聚合而制得，分子式为CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—COO，从中可以看出，它的结构重复单元上有5个非极性亚甲基—CH2—和一个极性酯基—COO—，分子链比较规整，分子中的C—C键能够自由旋转，使其具有良好的柔软度和可加工性．PCL的降解产物是CO2和H2O，对人体无害，可用作人体植入材料和药物控释材料，目前已经通过FDA的认证［1］．与其他聚酯材料相比，PCL最突出的特点是具有超低的玻璃化温度（Tg≈－60℃）和较低的熔点（Tm≈60℃）．因此，它在室温下呈橡胶态，且易与其他聚合物熔融共混．此外，它易成膜，溶剂溶解性良好，与其它高分子的相容性也很好，是优良的生物医用材料．尽管PCL膜在药物控释、骨组织修复和人造皮肤等医疗领域应用广泛，而且很多学者在相关方面已经取得了令人满意的结果［2－6］，但是单一材料在实际应用过程中总存在或多或少的缺陷．由于PCL强度较小、结晶度高、生物降解速度慢，所以纯组分的PCL膜在生物医用领域的应用会受到很大的限制．本文综述了通过共混改性制备的PCL共混膜在生物医用领域的研究进展．

1聚ε－己内酯共混膜的制备

为了改善聚ε－己内酯膜的性能，最常用的方法就是利用复合材料性能互补的原理直接将聚ε－己内酯与其他高分子材料共混，制备聚ε－己内酯共混膜以改善聚ε－己内酯膜的性能．目前比较常见的混合方法是熔融混合和溶液共混．

1．1熔融混合

熔融混合通常是一个无溶剂进程，可以通过熔体混炼机来制备样品．该方法操作简易、便于控制且样品均匀性较好，但是对于共混聚合物的热学性能要求较高．许多文献［7－10］表明，将聚ε－己内酯与其他聚合物通过熔融混合的方法制备相应的共混膜是可行的．

1．2溶液共混

溶液共混一般是指将两种或两种以上的聚合物溶于某种公共溶剂中混和均匀后，再除去溶剂以得到固态共混物．其中，溶液共混的关键是合理地选择溶剂，而公共溶剂既可以是单组分溶液也可以由多种溶液组合而成．例如，在聚ε－己内酯和壳聚糖共混时，除了可以用乙酸来溶解也可以选择乙酸／水作为公共溶剂［11］．此外，溶液共混也可以通过将分别溶解好的聚合物溶液进行混合来实现．Nguyen等［12］将聚乙丙交酯（PLGA）和聚ε－己内酯分别溶于四氢呋喃／二甲基甲酰胺（50／50）和二氯甲烷／二甲基甲酰胺（20／80）中得到均一的溶液，然后再将其混合获得均匀的混合液．

2聚ε－己内酯共混膜的应用

2．1聚合材料／聚ε－己内酯共混膜

2．1．1不同相对分子质量聚ε－己内酯的共混膜聚ε－己内酯的降解速度缓慢，初始强度高且力学强度持续时间长，适于作为骨损伤修复材料．Piskin等［13］将两种不同相对分子质量的PCL共混通过静电纺技术制备成膜，并使其负载上辛伐他汀，一系列的实验结果证明，与对照组相比该样品植入大鼠颅骨损伤部位一段时间后明显出现骨矿化．

2．1．2聚乳酸和聚ε－己内酯共混膜聚乳酸（PLA）是以乳酸或丙交酯为原料经缩聚或开环聚合得到的聚合物，具有成膜性好、生物相容性好及机械性能良好等特点，且可生物吸收，已广泛用于生物医用领域［14－16］，涉及人工骨、组织工程支架和生物导管等．Tsuji等［17］先将PLA和PCL溶于二氯甲烷中获得分散均匀的共混液，再通过溶液浇铸、真空干燥得到25μm厚的共混膜．赵婧等［18］通过熔融共混、溶液浇铸获得了不同比例的PLA／PCL共混膜，结果显示PLA可以与PCL以一定的比例共混并且可以浇铸成膜，而且不管是水润湿性还是力学性能，共混膜的都要比单一材料的好．

2．1．3聚环氧乙烷和聚ε－己内酯共混膜聚环氧乙烷（PEO）是目前最常用的具有良好生物相容性的医用材料之一．它毒性低、水溶性好、免疫性低，可用于药物修饰来提高循环系统中药物的半衰期．Nien等［19］以PEO／PCL共混膜作为医用补片、酮洛芬为药物模型，研究了其药物释放过程，结果显示静电纺膜上的酮洛芬在30min内完全释放，可以预计它在医用补片领域具有很大的应用空间．

2．2天然材料／聚ε－己内酯共混膜

2．2．1壳聚糖／聚ε－己内酯共混膜壳聚糖是甲壳素的N－脱乙酰基的产物，脱N－乙酰基一般在55％以上．壳聚糖分子链中含有羟基和氨基等官能团，可以与多种有机物反应形成很多的衍生物．它不但具有无毒、抑菌、生物相容性和生物降解性良好等特点［20］，而且可以促进伤口愈合，是用于制备医用敷料或组织工程支架的优良材料［21－22］．黄励中等［23］用乙酸作为溶剂制备出壳聚糖（CS）／聚ε－己内酯共混膜，通过对不同混合比例的CS／PCL共混膜进行分析和表征，发现共混膜中CS和PCL具有较强的相互作用和一定的相容性．此外，在实验范围内随着壳聚糖含量的增加，膜的力学性能、孔隙率和吸水率都有一定的提高．Wan等［24］将CS溶液与PCL溶液共混，经过加热浓缩，最终浇铸成膜．对CS／PCL共混膜的性能进行表征，结果显示尽管CS与PCL之间存在一定的相互作用，但是共混膜内部出现相分离结构．组织工程支架是细胞生长和繁殖的场所，因此良好的生物相容性是组织工程支架材料需要具备的重要条件．虽然聚ε－己内酯的生物相容性良好，但是其亲水性较差，在很大程度上会影响细胞的粘附．闵翔［25］利用旋转涂膜仪制备CS／PCL共混膜，并对膜表面的形貌特征、亲疏水性和粘附行为进行了研究．结果发现，随着CS／PCL共混膜中壳聚糖含量的增加，膜表面粘附的牛血清纤维粘连蛋白和3T3细胞的数量减少；与此相反，随着CS／PCL共混膜中壳聚糖含量的下降，生长在膜上的3T3细胞形貌和细胞骨架逐渐被抑制．何莹等［26］采用静电纺技术制成CS／PCL共混膜，通过实验推测静电纺CS／PCL共混膜有望成为一种新型牙周组织工程支架材料．角膜组织工程支架材料不仅要有良好的生物相容性和优异的力学性能，还要具备极好的透光率［27－29］，因此聚ε－己内酯和壳聚糖都存在一定的缺陷．Young等［30］将CS与PCL进行共混制膜，制备了一系列不同比例的CS／PCL共混膜，通过对其表面形貌和牛角膜内皮细胞（BCECs）在膜表面的生长情况进行分析，发现PCL含量的增加对BCECs在CS／PCL共混膜上增殖具有明显的促进作用，CS／PCL共混膜有可能是用于制备组织工程角膜支架的理想材料，在未来的角膜移植中有很大的潜力．Wang等［31］指出，只有当PCL含量为25％时，CS／PCL共混膜才具有足够的力学性能作为角膜细胞生长的载体．壳聚糖的抗菌性极好，但是对细胞增殖可能具有一定的抑制［32］，而聚ε－己内酯虽然不能抗菌，但是其细胞相容性良好．因此，CS／PCL共混膜在医用敷料领域的研究具有重要的意义．Sarasam等［33－35］对CS／PCL共混膜进行了一系列的研究．文献［33］指出CS与PCL之间并没有生成新的化学键，而且各组分的晶态结构在共混条件下没有发生变化，但是PCL的存在抑制了CS的抗菌性能．Salgado等［36］制备了用于创面修复的CS／PCL共混膜，并对其物理形态、热学性能、粘弹性和细胞毒性等进行了评价，CS／PCL共混膜具有良好的降解性能和生物相容性，它的这些优点推动了其在创面修复领域的应用．

2．2．2海藻酸盐和聚ε－己内酯共混膜海藻酸盐（ALG）是一种天然多糖，其分子结构主要由β－D－甘露糖醛酸（M单元）和α－L－古洛糖醛酸（G单元）构成．它黏性高、吸水性好、具有良好的稳定性和溶解性以及一定的成膜能力．Perlette等［37］认为含有抗菌剂的PCL／ALG共混膜在前4天具有良好的抗菌效果，4天以后抗菌作用几乎消失．

3其他研究Shim等［38］利用固体自由成型技术

将聚ε－己内酯、聚丙乙交酯（PLGA）和β－磷酸三钙（β－TCP）共混成膜，体外细胞活性分析表明，脂肪干细胞（AD－SCs）在PCL／PLGA／β－TCP共混膜上的粘附、增殖和成骨分化相比PCL／PLGA共混膜显著提高．将共混膜植入兔子的颅骨损失部位，其中不含AD－SCs，实验证明PCL／PLGA／β－TCP共混膜相比PCL／PLGA共混膜对骨的形成具有明显的促进作用．Samoladas等［39］将聚ε－己内酯和聚丁二酸乙二醇酯（PES）一起溶于氯仿中，分别与不同浓度的吡喃溶液混合均匀，待溶剂挥发完全得到了PCL／PES共混膜．McDonald等［40－41］制备了聚DL－乳酸（PDLLA）、聚丙乙交酯（PLGA）和聚ε－己内酯（PCL）共混膜，研究了共混膜的物理性质、降解速率以及药物释放特点，结果发现共混膜中PDLLA和PLGA的存在，导致PCL无定形区的降解加速，而药物释放的调控可以通过调节薄膜中PCL与PDL－LA或PLGA的比例来实现．

4总结

随着科技的发展，人们对材料性能的要求越来越高．目前为止，没有一种生物材料可以完全满足实际应用的理想要求，它们总是存在一定的性能缺陷．聚ε－己内酯作为生物医用领域的高分子材料，由于其优异的性能，包括无毒性、完全可吸收和良好的生物相容性而倍受关注．但是，聚ε－己内酯仍存在降解速率慢、亲水性差等缺点，这在很大程度上限制了聚ε－己内酯膜在生物医用领域的应用和发展．然而，将聚ε－己内酯与其它高分子材料共混成膜，可以使其性能得到有效的改善．其中，将聚ε－己内酯与其他可吸收聚合物共混，在一定程度上可以获得降解周期可控的组织工程支架；将聚ε－己内酯与一些亲水性聚合物共混，可以有效地改善材料的亲水性；将聚ε－己内酯与一些功能性聚合物共混，可以制备出具有抗菌或抗凝功能的产品．总之，聚合物共混技术是一种制备改性聚ε－己内酯膜的有效方法，对拓展以聚ε－己内酯为基础的生物医学材料的应用具有重大意义．

作者：毛迎 王富军 王璐 单位：东华大学纺织面料技术教育部重点实验室