聚氨酯生物活性材料研究進展

李巖+孫麗杰+王倩雯+蔡明敏

摘 要：聚氨酯是一種良好的生物活性醫(yī)用材料，正在向仿生并凸顯生物功能活性以適應(yīng)組織工程和組織再生的方向迅速而深入的發(fā)展，成為當(dāng)代生物材料的主流，特別是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中獲得生物活性的高分子生物材料受到極大的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；生物活性材料；高分子

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.206

1 概述

聚氨酯生物材料因選擇具有良好生物相容性和可降解性的聚酯類聚合物為軟段，共價并入由二異氰酸酯和擴鏈劑構(gòu)成的硬段[1]，賦予了材料良好力學(xué)性能，高拉伸強度和斷裂伸長率，良好的耐磨損、抗曲撓性能。正是這些原料中的官能團使得聚氨酯材料的降解可以被調(diào)控。同時，改變聚酯/聚醚與二異氰酸酯酯的比列可以使它的降解時間達到數(shù)月之久，使其得以匹配細胞的生長速率，滿足組織醫(yī)用材料的要求。除此之外，改變擴鏈劑的種類能獲得更多類型的聚氨酯，使其具有了更強的分子可設(shè)計，可以通過臨床需要選擇合適的原料進行設(shè)計、加工，性能可控范圍大。另外，軟硬段之間的力學(xué)不相容性，又使其具有了良好的形狀記憶性能[2]。以上諸多的優(yōu)良特性，使聚氨酯材料已經(jīng)成為生物材料研究熱點之一，廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如藥物緩釋載體材料、手術(shù)縫合線、人造皮膚、軟骨組織工程、骨組織工程。

面對生物體這個復(fù)雜而又敏感的環(huán)境，帶有生活活性的生物材料能在使用中為細胞生長提供一個良好的生長環(huán)境，從而實現(xiàn)修復(fù)。因此，修復(fù)使用的材料具有生物活性是一個關(guān)鍵要素。但是，就目前報道聚氨酯材料都不具有生物活性，其主鏈上也沒有可供引入生物活性分子的反應(yīng)性基團，這極大的限制它的應(yīng)用。

2 無機成分改性聚氨酯

通常來說，實現(xiàn)聚氨酯材料的生物活性功能化通常有三種設(shè)計策略。第一種是將磷酸三鈣、羥基磷灰石或者其它無機陶瓷材料作為一種生物活性分子。通常用它們改性的方法便是將它們與聚氨酯材料進行共混或者是涂層。羥基磷灰石、微晶陶瓷或者磷酸三鈣都有與天然骨頭相似的物質(zhì)，是一類重要的生物活性材料。羥基磷灰石，最為一種最重要的無機磷酸鹽，在過去的幾十年里已經(jīng)作為一種醫(yī)用材料被廣泛的應(yīng)用了。作為一種生物活性材料被利用，除了它有著與天然骨頭相似的成分外，還能調(diào)節(jié)生物材料降解過程中的pH值達到生物降解穩(wěn)定性，以誘導(dǎo)骨生長，防止炎癥發(fā)生。這些多樣的生物活性物質(zhì)使得改性后的材料具有更好的細胞相容性，無機陶瓷改性的生物活性材料若是用于骨修復(fù)，還能促進骨誘導(dǎo)和骨的傳導(dǎo)[3]。

雖然無機磷酸鹽是一種重要的生物活性材料，但是現(xiàn)在的技術(shù)還無法完美解決它們在應(yīng)用過程中存在的問題-----無機磷酸鹽與聚氨酯的相容性。這使得我們很難用它們制備出一個均一的基質(zhì)，特別是當(dāng)無機陶瓷的含量較高的時候，涂層和共混都很難制備出一個均一的基體材料[4]。一些研究者還發(fā)現(xiàn)，一些HA/PLA的復(fù)合材料在生理環(huán)境中會快速失去它的力學(xué)性能。多數(shù)情況下HA和聚合之間的界面會出現(xiàn)分離，原因有兩點：（1）磷酸鹽陶瓷和聚合物之間缺乏有效地粘附；（2）HA表面上與聚合物主鏈連接的OH自催化降解。聚氨酯/HA的結(jié)構(gòu)與PLA/HA相似，因此可能會出現(xiàn)相似的界面分離。

3 可溶性生物活性分子改性聚氨酯

第二種是將可溶性的生物活性分子，如生長因子添加到生物材料中，讓其在后期釋放從而引發(fā)或者調(diào)控細胞的生長和分化，以達到組織修復(fù)或形成的目的。IGF 在人體骨骼的正常生長與維持過程中起重要作用，呈現(xiàn)出BMP和TGF-β的整合作用與骨形成擴增的效果。BMP 被認為具有早期前體骨細胞復(fù)制和成骨細胞定型的重要效應(yīng)。TGF-β是具有誘導(dǎo)定型骨細胞復(fù)制和促進成骨細胞生產(chǎn)基質(zhì)的潛能。PDGF（血小板衍生生長因子）能夠在間充質(zhì)組織中誘導(dǎo)未分化的細胞增殖，若與IGF，TGF-β，或BMP 共用，則可以增強骨組織的再生，但是它不能提供完整的骨生成特性。

4 細胞活性成分改性聚氨酯

第三種是將細胞粘附多肽通過化學(xué)或者物理改性接入到生物材料中。研究表明胞外蛋白確實在細胞粘附和鋪展于材料的過程中起著重要作用，因為細胞外基質(zhì)上特定的功能域可通過整合素與細胞膜直接連接。大量的特定的細胞識別序列被辨別，最為集中序列是存在于基質(zhì)分子（玻連蛋白、纖連蛋白、層連蛋白、膠原及原纖蛋白）中的（arginine-glycine-aspartic acid ） RGD。RGD是一種近年來被廣泛用來設(shè)計生物活性聚氨酯材料的生物活性因子。通常為了連接牢固，RGD多肽通過羥基、氨基、羧基等官能團共價連接到聚合物中。

5 結(jié)語

生物材料的研究正在向仿生并凸顯生物功能活性以適應(yīng)組織工程和組織再生的方向迅速而深入的發(fā)展，成為當(dāng)代生物材料的主流，特別是具有生物活性的分子引入到可降解高分子材料之中獲得生物活性的高分子生物材料受到極大的關(guān)注。實現(xiàn)材料的表面功能化有許多方法：引入多官能團的單體或聚合物，或者表面改等離子處理，臭氧氧化，表面接枝聚合，特殊位點反應(yīng)等。然而這些表面改性雖然在一些明確的表面實驗結(jié)果良好，但是在復(fù)雜的生物體內(nèi)與細胞特異性識別的多肽進行表面改性只能在材料表面提供潛在的控制細胞行為的功能。也就是說，隨著材料降解行為的發(fā)生，導(dǎo)致材料表面遭到破壞，從而使細胞、組織接觸到的材料表面上的生物學(xué)信號發(fā)生變化。表面改性只能讓生物活性因子在短期內(nèi)影響組織的再生和修復(fù)，未被生物活性因子修飾的材料表面會隨著材料表面的降解、破壞，逐漸暴露于相鄰的細胞和組織面前，這種材料表面具有很大的缺陷，例如，親水性差，沒有細胞識別的特異生物學(xué)信號等。因此要使改性的材料有長久的均衡的作用和影響需用到整體改性的方法。

參考文獻：

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