生物工程与生物材料
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PHA在组织工程中的应用
在组织工程方面,与其它的聚合物相比,PHA的性能可以适应更广范围的需要,例如可以通过多种处理手段在聚合物表面接连上各种生物活性因子,还可以改变表面和机械性能,聚合物的降解速率也可以用一系列的方法来改变和控制。而且,由于现已有多种构造骨架的技术手段,以及PHA中聚合物材料的性质的多样性,可以根据人体组织的性能特点,设计出所需的组织骨架。
对于PHA聚合物的生物相容性的研究,主要针对于PHB和PHBV两种聚合物,早期的研究表明,当将这两种聚合物植入体内时,可以引起长时间的急性及慢性免疫反应[36]。但王常勇等[37]以PHB三维泡沫材料作为软骨细胞载体材料,在体外培养过程中,细胞在材料上保持了正常的形态,附着生长迅速,同时分泌软骨特有基质成分,并在动物体内进一步成功和培养出具有三维立体形态及组织学特征良好的新生软骨组织,并且体内移植未见明显免疫排斥反应,另外其材料孔隙率较高,孔径大小适合细胞长入,孔度均匀,具有良好的生物降解性,体内完全降解的时间在三个月左右。Rivard用PHB/9%PHV组成的PHBV共聚物制成三维立体泡沫用作软骨细胞、成骨细胞培养支架,细胞均匀地分散在整个聚合物基质中,呈良好的粘附、增殖状态,并在培养21天时细胞生长达最大密度[38]。但PHBV共聚物还存在机械性能差、细胞结合力弱等问题。为改善这些缺点,有人将可溶性磷酸盐玻璃、HA、磷酸三钙(TCP)等与PHBV组成复合物。可溶性磷酸盐玻璃虽然有助于提高机械强度,但其光滑表面不利于与PHBV的物理结合,且早期溶解率高,释放出大量Na+、P5+和Ca2+,引起较强的组织反应,软组织增生,而新骨生长被抑制。HA可以提供粗糙表面,有利于PHBV与之结合,且HA还具有良好的骨结合力,有利于新骨组织长入,但存在降解难的问题[30]。相比之下,TCP具有较好的生物降解及良好的骨结合力,用TCP作为PHBV的添加剂既有效地增加了机械强度,又提高了骨结合力,对PHBV的降解影响较小[38]。
组织工程一个主要的研究内容是制备适用于不同功能组织细胞生长的生物材料。对于生物医用材料,植入物的生物相容性是基本的要求,植入物的生物相容性包括体相容性和植入物与组织体液间的界面相容性。体相容性与材料的机械性能及植入物的结构设计有关,而界面相容性主要是指发生在材料和体液间的化学反应以及生物体对这些反应的生理反应[39-40]。表面性能是决定其生物相容性是否良好的至关重要因素,在组织工程中,需要细胞接种于骨架材料上,因此骨架材料不仅需要具备良好的生物相容性和生物可降解性,而且还需要骨架表面能够诱导细胞的吸附及其随后的组织生长。理想的情况是当材料的表面性能为适应组织需求发生改性时,材料的其他性能如机械强度和热力学性能等不发生改变[41-42]。常用的表面改性技术包括改变化学基团的功能,表面的电荷分布,亲水性,疏水性及湿透力;在聚合物材料表面引入一些蛋白分子,如纤连蛋白,胶原蛋白,胰岛素和生长因子,如表皮生长因子。通过表面改性,一方面可以提高细胞吸附能力;另一方面可使材料的表面选择性吸附某一特定的细胞类型[39-42]。Williams[43]等采用等离子气体处理PHA聚合物表面,这种技术是在通过在材料表面引入新的功能基团,从而提高材料表面的湿透力。经过等离子气体处理过的PHA聚合物还可以进一步连接上具有生物活性的化合物,如生长因子可以刺激细胞与组织的生成,细胞吸附因子促进细胞和组织的吸附等。PHA表面改性还可以用酸碱处理来改变表面电荷分布,从而促进细胞吸附和增殖。Kang[44]等将PHA膜用等离子的氧气流放电和丙烯酸聚合处理,在膜表面引入了胰岛素分子。结果表明,人纤维细胞在被修饰的PHA膜表面的增殖要大大高于未经修饰的PHA膜表面。
PHA家族中由于单聚物、共聚物及共混物种类的众多。同时有具备了多种多样的性能,原则上,PHA能够满足多种人体组织器官的需求,如:心血管系统、角膜胰腺、胃肠系统、肾脏、泌尿生殖系统、肌肉骨骼各系统、神经系统、牙齿与口腔、皮肤等等。目前已经商品化的PHA产品主要有PHB、PHBV和PHBHHx[3]。
近年来,一种新型的PHA,聚羟基丁酸己酸酯(PHBHHx)因其良好的物理性能引起了广泛的关注。清华大学微生物实验室发现PHBHHx与PHB在无定形态和结晶态都完全相容,并开发了PHB/P
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