医用聚乳酸材料的改性及应用**☆◆
发布者:ZhaiXCZBS 发布时间:2010年10月29日 点击率:
樊国栋,张春梅 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室,陕西科技大学化学与化工学院,陕西省西安市 710021
樊国栋☆,男,1964年生,山西省运城市人,汉族,2005年北京理工大学毕业,博士,教授,主要从事可生物降解高分子材料的合成与应用研究。 fangd@sust.edu.cn
Modification and application of medical poly(lactic acid) materials
Fan Guo-dong, Zhang Chun-mei
Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, Shaanxi Province, China
Fan Guo-dong☆, Doctor, Professor, Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, Shaanxi Province, China fangd@sust.edu.cn
Supported by: Key Research Projects of Key Laboratory of Education Ministry of Shaanxi Province, No. 09JS061*; Graduate Innovation Fund of Shaanxi University of Science and Technology*
Abstract BACKGROUND: Poly(lactic acid) is an aliphatic polyester with good biocompatibility and biodegradability. The main modified methods of poly(lactic acid) are chemical modification, physical modification and composite materials. OBJECTIVE: To review the various modified methods and application research of poly(lactic acid), to put forward research direction of poly(lactic acid) materials. METHODS: The Science Direct database, NSTL series database and full text database of Chinese Academic Journal from January 1999 to March 2010 were searched by computer for the articles of poly(lactic acid) modification, using “PLA, modification, medicine” in English and Chinese in title and summary as key words. Articles related to poly(lactic acid) modification were selected, those published recently or in the authoritative magazine were preferred in the same field. Totally 246 articles were searched after primary screen, according to the inclusive criteria, 46 articles were involved in review. RESULTS AND CONCLUSION: Understanding of poly(lactic acid) modification is conducive to elect a more reasonable modifier and modified method, so that the mechanical and thermal properties of poly(lactic acid) are improved, and degradable cycle is controlled according to needs. Through the review of poly(lactic acid) modification, new product development and expanded application of poly(lactic acid) materials in medical field can be guided.
Fan GD, Zhang CM.Modification and application of medical poly(lactic acid) materials. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2010;14(42): 7891-7894. [http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]
摘要 背景:聚乳酸是一种具有良好的生物相容性和可生物降解性的脂肪族聚酯类高分子材料,目前国内外对聚乳酸的改性主要有化学改性、物理改性以及制成复合材料等几种改性方法。 目的:综述聚乳酸的各种改性方法及应用研究进展,展望未来聚乳酸类材料的研究方向。 方法:应用计算机检索Science Direct数据库、NSTL数据库系列和中国学术期刊全文数据库中1999-01/2010-03关于聚乳酸改性研究的文章,在标题和摘要中以“聚乳酸;改性;医学”或“PLA;Modification;Medical”为检索词进行检索。选择文章内容与聚乳酸改性相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。初检得到246篇文献,根据纳入标准选择43篇文章进行综述。 结果与结论:对聚乳酸改性研究进展的了解,有利于更合理选择改性剂及改性方法,使聚乳酸的力学性能、热学性能等得到改善,以及降解周期可控。通过该方面改性研究进展的综述,能指导新产品开发和扩大聚乳酸材料在医药学领域的应用。 关键词:聚乳酸;生物降解;改性;医用高分子;医学应用;进展 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.42.024
樊国栋,张春梅.医用聚乳酸材料的改性及应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(42):7891-7894. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com] [paging]
0 引言
聚乳酸(poly(lactic acid),PLA)是一种完全可生物降解对环境友好的聚酯类化合物。20世纪30年代,著名高分子化学家Carothers首次报道了聚乳酸的合成[1]。由于高昂的生产成本的限制,直到上世纪80年代末PLA在人体内的降解性和降解产物的高度安全性相继得到确认,成为少数被美国FDA批准的生物降解医用材料,在外科手术缝合线、骨科固定材料、体内植入材料、药用控制系统、人造皮肤及组织工程支架材料等医用领域中取得了巨大突破。此后,在工艺技术与降低生产成本方面取得重大突破,使得生物降解材料得到大规模的应用。这种生物技术和化学一体化的一个重要战略,对聚乳酸的改性研究有至关重要的作用[2]。 聚乳酸被全球公认为新世纪最有前途的生物医用材料[3]。但单纯PLA均聚物有较高的熔点和黏度,流动性和热稳定性较差,大分子链中不含可反应活性基团,因此导致亲水性差、降解速度慢、不利于细胞在材料表面黏附和生长。为此人们对聚乳酸进行大量的改性研究以扩大其应用。
1 资料和方法
1.1 资料来源 检索人为第一作者,检索文献时 限为1999–01/2010–03,检索数据库为Science Direct数据库(http://www.sciencedirect.com),ACP美国医师协会期刊全文库(NSTL数据库系列) (http://www. annals.org/),ACS全文电子期刊(http://www.pubs. acs.org/),中国学术期刊全文数据库(http://222.24.97.232: 8008/kns50/Navigator.aspx?ID=1)。中文检索词为聚乳酸,改性,医学应用,综述;英文检索词为PLA,Modification,Medical。 1.2 入选标准 纳入标准:①文章所述内容应与聚乳酸改性研究密切相关。②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。排除标准:①与此文目的无关。②较陈旧的文献。③重复同类研究。 1.3 质量评估 基础实验研究和动物实验研究原著186篇,综述42篇,博士论文4篇,硕士论文2篇,临床报道12篇。
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2 结果
2.1 纳入文献基本情况 计算机初检到246篇文献阅读标题和摘要进行初筛,排除研究目的与本文无关的文献83篇,剔除研究内容陈旧和期刊权威较低的文献96篇,保留67篇文献进一步分析,最后调整文章篇幅完善求精,剩下43篇,文献[1]首次报道了聚乳酸的合成,文献[2-3]研究了聚乳酸的优点及近年来改性的战略方法,文献[4-26]报道了聚乳酸的化学改性研究,文献[27-43]研究了聚乳酸的物理改性方法。 2.2 结果描述 2.2.1 聚乳酸的化学改性分析 共聚改性:共聚改性通常是通过调节乳酸和其他单体的比例来改善材料的亲水性、结晶性、机械性能、降解性能和细胞相容性等。可与乳酸共聚的常用单体有乙二醇(EG)、己内酯、甘油、聚乙烯醇、乙交酯(GA)、琥珀酸丁酯、苹果酸和氨基酸衍生物等。乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)无毒、生物相容、可在生物体内完全降解,可应用于缓释材料、缝合线、抗肿瘤药物、仿生表面材料、皮肤和软骨组织等支架材料[4-6]。聚己内酯(PCL)改性的PLA材料可用于防止肌健的粘连等[7]。He等[8]开环共聚得到聚(L-丙交酯-β-苹果酸),随着苹果酸含量的增加,共聚物的亲水性增强,细胞亲和性得到提高。李留法等[9]合成聚乙二醇1000维生素E琥珀酸酯(TPGS)-L-聚乳酸共聚物,将有望成为很好的纳米粒药物载体材料。作者前期实验通过熔融缩聚法,合成了系列聚乳酸聚乙二醇(PLEG)共聚物,与PDLLA相比,结晶度有较大提高,亲水性得到改善[10]。 嵌段聚合改性:可生物降解和具有纳米尺度的嵌段聚合物自组装胶束在药物控制释放、靶向药物传递方面具有很好的应用前景。Deng等[11]合成了PEG-PLA-聚赖氨酸三嵌段共聚物。研究表明这种共聚物既可以用在细胞或组织工程中又可以应用于药物和基因传递系统。Eun等[12]通过合成PLA-PEG-组氨酸三嵌段共聚物,可作为一种潜在的治疗癌症的药物载体。Zhang等[13]通过开环聚合合成了聚丙交酯–聚山梨醇酯嵌段共聚物纳米颗粒,体外研究表明载药的共聚物对癌细胞(HT-29 和 Glioma C6)有一定的抑制作用。Zhang等[14]制备了PLLA-PEG-PLLA 和PDLA-PEG-PDLA水凝胶,对亲水凝胶的药物载体评估得出两组成的水凝胶共聚物比单一组分的释放速度慢。Mu等[15]合成了包含MPEG-PLA和Pluronic?(非离子型表面活性剂)嵌段共聚物组成的胶束,体外细胞毒性和抗肿瘤活性研究表明,混合胶束明显提高了生物利用度,能显著降低肿瘤的大小。Arvind等[16]合成了PLA/PLGA嵌段共聚物纳米粒,在体外和体内研究表明,纳米粒可增强黏膜吸收,有望作为一个口服免疫疫苗的载体应用。 接枝聚合改性:PLA可与含羟基的单体进行接枝即得接枝聚乳酸来改善PLA的亲水性、细胞相容性和降解性能等,常用的接枝单体有壳聚糖、硫酸软骨素、马来酸酐、环糊精衍生物、丙烯酸和乙烯基吡咯烷酮等。 何山等[17]用壳聚糖与端羧基PLGA合成接枝共聚物,具有较壳聚糖及PLA更为优良的性能,亲水性较好,可作为组织工程支架材料。Tatsuro等[18]通过在聚丙三醇上接枝聚乳酸,具有良好的生物相容性和生物可降解性,可作为软骨组织工程研究的支架材料。Westedt等[19]制备了聚乙烯醇接枝聚(丙交酯–乙交酯) (PVA-g-PLGA)颗粒,其对兔的平滑肌细胞表现出良好的生物相容性。李立华等[20]通过气相法和常压液相法进行PLA-乙烯基吡咯烷酮接枝反应,材料表面呈现大小不一的气孔和沟痕,有利于细胞的黏附。 星型结构交联改性:高分子量的星型聚合物比相同分子量的线型聚合物热熔化温度低,易于加工,降解周期较短,适合于需短程起效的药物,且可通过改变臂的数量和臂长来实现聚合物的降解周期可控。交联剂通常是多官能团物质如多官能度的酸酐或者多异氰酸酯。Yuan等[21]在辛酸亚锡催化下合成了六臂星型的聚(ε-己内酯) -b-聚(D, L-丙交酯-co-乙交酯)共聚物。这些聚合物具有较低的熔点和结晶度、较高的分解温度和更好的降解性。林雅铃等[22]和金玉顺等[23]也用丙交酯和季戊四醇为原料合成了以季戊四醇为核的星形聚(D,L-乳酸)。Nagahama等[24]制备了八臂的嵌段共聚物PEG-b-PLLA和PEG-b-PDLA,并将两者混合获得柔软且富有弹性的立体共聚物,对蛋白质的吸附、细胞的黏附和增殖得到提高。罗玉芬等[25]合成的星形聚乳酸,Mw为5 200~20 100,Tg均低于线型聚乳酸。该方法操作简单,为此类星形聚乳酸的合成提供了一个重要的可行途径。肖玉婷等[26]合成星状聚乳酸-羟基乙酸共聚物(star-PLGA),与PLGA相比水溶性增强,能更好地包裹药物,使微球制剂表面药量减少从而控制药物的突释,同时也使药物的释放行为更为平稳。 2.2.2 聚乳酸的物理改性分析 共混改性:聚乳酸常与壳聚糖、肝素、骨形成蛋白、羟基磷灰石、透明质酸、淀粉、聚己内酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸酯、聚乙烯等进行共混。通过羟基磷灰石与聚乳酸机械共混,是复合生物材料中无机/有机复合材料的典型代表,在骨修复领域有重要的应用。邵英等[27]合成新型骨修复材料PLLA/PLLA-g-HA,结果表明成骨细胞在此材料表面较PLLA材料表面显示更好的黏附能力、增殖能力和较好的成骨细胞相容性,可作为骨修复材料使用。透明质酸与PLA复合,PLA降解速度加快,同时透明质酸在组织中的作用时间延长。Tsutomu等[28]制备了聚乳酸、聚乙二醇与倍他米松磷酸二钠的聚乳酸共混纳米粒。结果表明此纳米粒可作为抗炎药应用于临床。张普玉等[29]以两种含有不同功能团的纳米SiO2对PLLA进行了共混改性,由于两种纳米SiO2上均含有有机基团,提高了与聚合物的相容性,改善了PLLA的性能。 增塑改性:增塑改性即在高聚物中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质,从而改善其机械性能与加工性能。目前,广泛研究用生物相容性增塑剂如柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、部分脂肪酸醚、聚乙二醇低聚物、聚乳酸低聚物、丙三醇等来提高聚乳酸的柔韧性和抗冲击性能。张永伟等[30]用聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯(Dibutyl phthalate (DBP))、柠檬酸三丁酯、亚磷酸三苯酯、癸二酸二丁酯分别与聚乳酸熔融共混,结果表明TPPi和DBS增塑效果最好,能显著降低聚乳酸Tg和Tm,提高断裂伸长率和结晶度。金水清等[31]以聚乙二醇、DBP作为增塑剂,对PLLA进行增塑改性。结果表明PLLA/聚乙二醇共混体系,无论是拉伸强度还是断裂伸长率都比同含量的PLLA/DBP要好。尹静波等[32]采用乙酰柠檬酸三正丁酯、柠檬酸三丁酯、柠檬酸三乙酯等系列柠檬酸酯增塑改性聚乳酸。测试表明柠檬酸酯类增塑剂能有效降低聚乳酸玻璃化转变温度,改善其加工性能,克服脆性断裂。 表面改性:纯聚乳酸植入生物体后会引起一些温和的炎症反应,而材料与生物体接触时主要在表面,因此使用等离子体在高分子材料表面固定生物活性分子进行表面改性是近年来聚乳酸改性研究中的一个热点。田金环等[33]采用氨等离子技术对聚L-乳酸膜材料进行表面处理,亲水性基团数目和表面平均粗糙度明显增加,成骨细胞在处理后的材料表面的黏附和生长得到提高,细胞能更快地进入细胞分裂周期。竺亚斌[34]运用二元胺对聚乳酸进行胺解改性,提高了材料表面的内皮细胞相容性。他们还利用戊二醛在胺解的聚乳酸表面进一步固定了生物分子—明胶、壳聚糖和胶原,测试证明其亲水性得到明显改善;这些生物分子在固定到上述材料表面后仍然保持其原有的生物活性,可明显促进内皮细胞的生长和分化。Quirk等[35]用聚乙二醇改性聚乳酸表面,细胞实验表明,经过改性的聚乳酸减少了95%的细胞黏附,有希望作为具有表面细胞识别功能的材料应用于生物医学工程。王华芳等[36]制备的经吐温-80表面改性的聚乳酸纳米粒具有穿透血脑屏障的特性。 复合改性:复合技术是提高聚乳酸材料机械性能、降低成本、改善降解性的有效途径。聚乳酸/壳聚糖复合材料[37],植入生物体引起的排异反应小,可被降解、吸收;作为药物载体有极大的优越性,在降血压、抑制癌细胞转移等方面具有独特的效果。聚乳酸和肝素复合材料[38],能充分利用肝素的抗炎性、抗凝性及其免疫特性,具有优良的组织相容性,材料无明显毒性,是一种新型组织工程支架材料。含骨形成蛋白的复合聚乳酸支架材料上成骨细胞生长迅速,细胞增殖明显升高。董刚等[39]和李毅等[40]得到一种新的性能优异的复合骨折内固定材料PLLA/β-TCP,从而解决PLLA吸收时间过长并可能引发炎症反应的问题。陈琳等[41]将偏磷酸钙晶须与PLLA复合后可用于骨折内固定材料。周炳华等[42]制备了改性聚乳酸–羟基乙酸/I型胶原复合支架具有较好的亲水性和细胞亲和性,对细胞增殖有显著的促进作用。许尧祥等[43]制备壳聚糖微球,然后复合到nHA/PLGA支架上,结果证实该支架对蛋白类药物具有良好的缓释作用,有望作为组织工程的支架材料和生长因子的缓释载体。
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3 研究展望
综上所述可以预见,聚乳酸及其共聚物由于其生物相容性、生物可降解性等优良性能,近年来新的用途不断被开发出来,聚乳酸已经成为目前医药领域中应用最广泛和最有前景的高分子材料。今后的研究工作可以从以下几方面展开:①根据组织工程支架材料的要求,进行仿生设计,制备具有模仿细胞微环境的聚乳酸生物活性材料或是制备具有特异性生物功能的聚乳酸生物活性医用材料。②根据药物缓释材料的要求,改善聚乳酸的降解可控性。③改进聚乳酸的合成工艺条件,降低成本。④用新材料对聚乳酸进行改性,接枝生物活性因子,减少植入材料的术后并发症,减少排异现象。⑤利用分子设计合成具有细胞识别功能的聚乳酸改性材料,更有效地提高聚乳酸的细胞亲和性。 根据聚乳酸的结构特点,在克服原有缺陷的基础上开发出新用途的聚乳酸类材料,以拓宽其在生物医学同领域的应用,仍然是未来的主要研究方向。
4 参考文献
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