聚癸二酸丙三醇酯靜電紡絲支架的制備及其在組織工程中的應用

張曉明 李文博

咸寧市中心醫院口腔科，咸寧 437100

聚癸二酸丙三醇酯（poly-glycerol sebacate，PGS）作為一種新型可生物降解的非線性三維網狀聚酯彈性體，于2002年由美國麻省理工大學Langer R研究組首次合成[1]。PGS具有優良的生物相容性、力學性能和可降解性，在生物工程和生物醫藥材料領域得到了廣泛的運用[2-5]。盡管線性聚酯材料，如聚乙交酯、聚丙交酯已經應用于硬組織的修復和再生[6-9]，但由于其高彈性模量和不可塑性，無法用于受損組織器官的修復。非線性高分子彈性聚酯材料的制備和應用研究得到了人們的密切關注，本文就其中具有代表性的PGS的靜電紡絲支架的制備和應用研究進行綜述。

1 PGS靜電紡絲支架的制備

1.1 靜電紡絲

支架材料在組織工程中扮演了一個重要角色，比如模擬細胞外基質，引導細胞黏附和繁殖，以及保持正常的組織形態[10]。與制孔技術、微成形剝脫技術[11-12]等制備組織工程支架材料的方法相比，靜電紡絲是一種方便簡潔、成本低廉的技術。應用靜電紡絲制備出的支架對細胞外基質有較好的模擬并且結構可控，具有超高的孔隙率和比表面積，而且能夠促進細胞的黏附、生長和分化，是當今組織工程支架制備的熱門選擇。

1.2 PGS靜電紡絲支架的制備

作為一種新型的熱固性彈性體，PGS有許多優點，但也存在機械強度不足、初始降解速率較快等缺點[13-15]。人體不同組織結構的細胞形態和大小差異巨大，如骨組織工程支架需100～250 μm的孔徑，而軟骨組織工程只需20～100 μm的孔徑。Lim等[16]也發現不同的靜電紡絲納米纖維復合體結構可影響到人類骨髓間充質干細胞的細胞重新編程。為了要滿足不同組織工程的需要，研究者多將PGS與其他物質共紡，取長補短，合理調控溶液濃度、溶劑性質、電壓、接收距離以及溶液的濃度和流速，制備出機械性能和孔隙狀態等各項指標都優異的組織工程支架。

聚乳酸是一種被廣泛應用于組織工程及其他生物醫學領域并且最早獲得了美國食品和藥物管理局（Food and Drug Administration，FDA）認證的生物安全材料。PGS和左旋聚乳酸（poly-L-lactide，PLLA）兩種材料各有優缺點：PLLA雖然具有較高的機械強度，但因結構中缺乏親水性基團而嚴重地影響了其與細胞的親和性；PGS具有優良的生物相容性和可紡性，但機械強度較差。采用PGS和PLLA共混進行靜電紡絲，將兩種材料的優點整合，通過PLLA使支架的力學性能提高，通過PGS使支架材料的模量降低，斷裂伸長率提高，改善材料延展性及親水性能，從而獲得綜合性能優異的支架材料。

2 PGS組織工程支架的應用研究

PGS靜電紡絲支架已被廣泛應用在心臟、血管、骨、神經、角膜、皮膚和韌帶等組織工程的研究領域[17-20]。

2.1 心臟組織工程的應用

心血管疾病是發達國家人民的主要死因[21]，發病率居高不下的心肌梗死更使得心肌組織缺乏再生性，最終導致心力衰竭。雖然組織工程技術還沒有創造出與正常心臟組織完全一致的功能性人工心臟，但已經在多方面取得了成績。

Ravichandran等[17]應用同軸共紡技術制備出PGS短纖維，將其作為強心劑的藥物載體，其在同等情況下與PLLA支架相比，輔肌動蛋白、肌鈣蛋白、肌球蛋白的重鏈和連接蛋白43表達更多。這表明，PGS短纖維所營造的生物環境為功能性心肌組織再生創造了有利的條件。Park等[22]制備了帶有氣孔微體系結構的多層次PGS支架，結合心肌細胞在不同大小的灌注壓下共培養。在220～290 kPa時表現出最大的拉伸強度，極限強度也比正常成年大鼠左心室心肌組織高出許多，細胞凋亡減少，連接蛋白-43、基質金屬蛋白酶-2、肌鈣蛋白-1表達增多，表明帶有氣孔微體系結構的多層次PGS支架能適應一定的壓強，表現出良好的力學性能和生物學性能，為心臟損傷后再修復提供了基礎支持。澳大利亞莫納什大學（Monash University）材料工程系制備的攜帶人類胚胎干細胞的PGS彈性體補丁，經培養液預處理6 d，包裹明膠后，這種復合的PGS補丁被縫合在大鼠的左心室壁上，保持完整性時間超過2周，且沒有表現出對心臟的功能有任何的毒副作用[23]。這不僅表明，PGS是適宜人類胚胎干細胞（human embryonic stem cells，hESCs）生存再生的生物材料，而且這種心臟修復補丁具有良好的力學性能和活躍的植入收縮性。

2.2 血管組織工程的應用

人造血管攜帶生長因子可以增強招募宿主細胞的能力，其中，基質細胞衍生因子就是這種能誘導宿主細胞遷徙和黏附的生長因子，這種能力卻因其較短的半衰期而受到限制。Sun等[24]合成了包含肝素和聚合陽離子凝聚層的PGS支架，凝聚層形成均勻的支架涂層，不僅使支架保持基質細胞衍生因子（stromal-derived factor-1alpha，SDF-1α）的高負載率，而且在靜態和生理活動水平下保持了SDF-1α的釋放率。將PGS材料制備成細小的人造血管，應用聚己內酯進行表面改性后，植入大鼠的腹主動脈；1年后進行表征測定時發現，肉眼觀上人造血管已經和原來的腹主動脈無異，都是由連續的內皮細胞、血管中層和外膜層構成，80%的人造血管未出現明顯的狹窄、擴大和鈣化，且再生層含有神經和大量成熟的彈性蛋白。盡管組織排列上與真實血管存在差異，但是二者的動態機械順應性相似。

2.3 骨組織的應用

以前的研究多是關于軟骨組織工程，表明PGS支架能夠截留營養成分，促進軟骨組織細胞的生長繁殖[25]。最近，Deng等[26]將micro-RNA-31修飾改性的骨髓間充質干細胞（mesenchymal stem cells，BMSCs）植入PGS支架來修復8 mm的大鼠顱骨極限缺損，結果顯示，micro-RNA-31修飾改性組成骨基因在mRNA和蛋白質水平的表達顯著增強，且觀察到健康新骨和富含高密度礦物質的陳骨。更重要的是，在生物體內PGS攜帶micro-RNA-31修飾改性的BMSCs展現了優異的生物相容性和60%的高再生率。Zaky等[27]進行了兔子尺骨極限缺損的實驗，應用PGS支架結合BMSCs修復缺損部位，8周后使用計算機斷層掃描觀察到大量優質的再生骨組織。Bodakhe等[21]應用均質化程序使納米羥磷灰石和PGS發生光敏交聯，制造出納米復合體。優化的納米復合材料在體外表現出優異的細胞附著、增殖能力和誘導大鼠骨髓間充質細胞的分化性能，且機械性能增強，極限強度達到8 MPa。在大鼠顱頂骨缺損的生物體模型中，復合體材料也展現出較高的堿性磷酸酶活性和骨再生能力。這種生物相容性、生物活性和機械性能均佳的復合體適宜作為載荷骨再生裝置應用于微創外科手術。以上研究均表明，對于骨缺損，PGS彈性體是一種適宜引導骨再生的支架材料。

2.4 其他方面的應用

PGS制成的手術縫合線既能在傷口愈合后自動降解并被生物體吸收，免除患者二次拆線的痛苦，同時可減少空氣或液體感染所引發的疾病，避免傳統腸線及纖維蛋白、膠原蛋白縫線可能導致血源性病毒污染的擔憂，有效促進傷口愈合[28-29]。

PGS作為組織再生膜，應用到腹膜創傷等各種組織傷病和缺損，不僅防止了干燥、缺血、術后粘連等臨床并發癥，限制了手術切口的收縮、撕裂和腐蝕，還可促使術后腹膜底層組織修復能力增強，減少纖維蛋白的沉積，即使沉積也多被纖維素酶降解[30]。如果纖維蛋白堆積且不能得到及時清除，仍然保持其黏性及與附近組織的粘連，即有可能惡化手術結局，情況嚴重者需要進行二次手術。將乳酸加入PGS得到共聚物，將其作為外科密封劑，與傳統的纖維和膠原密封劑相比，雖然不能更好地促進傷口愈合，但是有效地降低了血液病毒感染的危險。從這方面講，PGS和乳酸共聚物充當外科密封劑是一種更好的選擇。

藥物緩釋載體體系是指藥物能按一定的速度在指定時間內釋放到指定的位置，且能夠控制藥物在體內的持續釋放速率，確保藥物在體內達到有效濃度，減小不良反應。與傳統不可降解的藥物緩釋體系相比，可生物降解聚合物體系由載體的降解速率控制緩釋速率，藥物性質對其影響較小，包裹藥物量和包裹形狀有更大的選擇空間，釋放速率更加穩定，能滿足自身不穩定藥物的釋放要求。PGS作為藥物載體的研究[31-32]已有很多。Sun等[32]將摻雜質量分數為2%的5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）在不同的溫度和時間下縮聚，隨著溫度和時間的增加，5-FU PGS的彈性模量和硬度增加，質量損失率和5-FU釋放速度降低。Sundback等[23]針對慢性耳部感染，應用鼓膜造孔術，放置插座型PGS材料，與血管組織接觸過程中，PGS支持細胞遷移和酶促降解反應，促進了炎癥的消除。

2.5 對其他組織工程支架的改性

PGS材料因具有優異的力學性能以及良好的生物相容性，賦予了其能改善其他物質性能的能力。

納米二氧化硅（nanosilica）與PGS進行原位聚合反應和表面改性，通過高分子相互作用和納米二氧化硅的分子網絡，每20 phr拉伸強度從0.9 MPa增加到5.3 MPa[30]。Celli等[33]應用靜電紡絲技術，將聚羥基丁酸戊酯與 PLLA按照7︰3質量比的混合物和不同比例的PGS混合物紡絲，發現與不添加PGS的樣品相比，添加PGS的細胞黏附性更好。聚丁烯內加入不同比例的PGS合成新型多聚物，強度更佳，且在長期紫外線照射下不易老化。

3 結論

綜上所述，靜電紡絲技術制備PGS支架的方法已經趨近于成熟，且已成功應用于心臟、血管和顱骨等體內非承力或承受較小力部位的組織工程，應用于關節區等承力部位組織重建的研究較少。Hagandora等[34]將山羊顳下頜關節盤纖維軟骨細胞和PGS共培養，以3種細胞密度植入，培養24 h、2周、4周。結果表明，第4周時組織學染色發現大量的膠原和糖胺聚糖，且所有組別的細胞含量均顯著增加。4周時PGS支架的正切模量顯著高于24 h時。在行使功能的過程中，受力關節不斷地受到力學刺激，組織工程支架除了必須滿足一般組織工程對支架材料的生物相容性、降解性能、孔隙率等的要求外，還必須滿足纖維軟骨的生物力學要求。

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