若干生物醫(yī)用材料的設計、制備及性能研究

張其清 劉玲蓉 李學敏 袁平 關 （中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所天津市生物醫(yī)學材料重點實驗室 天津300192）

1 概述

圍繞國家重大需求和臨床急需解決的組織病缺損再生修復、惡性腫瘤高效低毒治療和臨床醫(yī)學弱信號采集難等重大科學問題，將生物醫(yī)用材料研究與物理學、化學和生物學等相互交叉結合組織研究。設計構建了系列生物醫(yī)用材料，研究了材料組成和結構與生物學性能、效應等的相關性，在引導組織再生（GTR）材料和組織工程支架材料、控緩釋靶向藥物載體和納米生物器件等交叉領域做出了系統(tǒng)性、創(chuàng)造性的貢獻。

2 研究成果

2.1 闡明了膠原基生物醫(yī)用材料在機體內引導組織再生的作用機制

引導組織再生是指依靠機械屏障等作用，選擇性地引導細胞向受損的部位附著、增生，達到組織修復的目的。早期使用的聚四氟乙烯膜是一種不能降解的材料，不能被組織吸收，增加了患者第二次創(chuàng)傷的機會；天然的膠原材料擁有天然細胞外基質的化學組成和結構特性，具有良好生物相容性和降解性，是研究和應用最廣泛的生物醫(yī)用材料之一。本項目以天然膠原為主要成分，模擬天然細胞外基質成分，引入天然多糖殼聚糖（Chi）、透明質酸（HyA）和硫酸軟骨素（CS）及羥基磷灰石（HA）等，設計制備了用于組織病缺損修復的GTR膠原膜材料，通過對材料組成、結構與生物學性能、效應等的相關性進行深入研究，闡明了材料降解速度與組織再生速度相匹配和選擇性引導受損部位組織再生的作用機制，為新型功能性GTR材料的研究和應用奠定了基礎和科學依據(jù)。[1-5]

20世紀90年代初，我們與國外同期在國內率先開展了GTR材料的研究，采用酶消化法從哺乳動物結締組織中提取可生物降解膠原并以其為基本原料，通過涂覆、噴涂或凍干方法成型，經(jīng)化學交聯(lián)改性得到膜狀材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制交聯(lián)方法（甲醛交聯(lián)、戊二醛交聯(lián)）、交聯(lián)條件（交聯(lián)劑濃度、pH值及交聯(lián)時間）以及與其他生物材料（天然多糖、PVA等）復合可調控膠原膜材料的降解性能、力學性能和表面性能，從而改善材料的生物學性能，這為更合理研制組成、結構與性能可調控，更適合臨床應用的GTR材料奠定了基礎。[1，5]本項目在制作小型豬及狗的口腔內局限型牙周病缺損模型的基礎上，闡明了膠原膜引導牙周組織再生作用的效應及機制，并通過口腔種植頰側造成裂隙狀骨缺損模型研究膠原膜在種植體周圍引導骨再生的效應及其作用機制（見圖1）。[3]上述研究發(fā)現(xiàn)為臨床上喪失功能的牙周組織重建以及骨缺損再生問題提供新的方法和依據(jù)。

利用本項目發(fā)現(xiàn)研發(fā)的BME-10X醫(yī)用引導組織再生膠原膜已獲國家藥監(jiān)局批號（國食藥監(jiān)械（準）字2005第3640508號）并推向市場，結束了我國該類產(chǎn)品只能依靠進口的歷史。該產(chǎn)品在我國再生醫(yī)學和骨科、口腔科、整形外科等領域進行臨床應用，且取得了顯著的臨床效果。

2.2 發(fā)現(xiàn)了膠原基組織工程支架材料組成和結構與生物學性能的相關性

本項目模擬天然細胞外基質將軟骨細胞外基質的主要成分CS、HyA及其結構類似物Chi引入膠原支架制備仿生復合的多孔軟骨組織工程支架材料；[2]在分析天然骨組織力學、生物學特點的基礎上，將膠原與HA、粘多糖-CS、細胞生長因子-骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）復合制備膠原基骨組織工程支架材料；[4，7]采用Chi和PVA對膠原材料進行改性，在碳化二亞氨的活化作用下將粘多糖物質CS與膠原基材料結合制備了組織工程真皮支架材料（見圖2）。[6，8-9]研究發(fā)現(xiàn)了膠原基支架材料組成和結構與生物學性能的相關性，研究了材料降解時限與細胞生長速度相匹配等關鍵科學問題，闡明了不同支架材料、不同培養(yǎng)條件等對構建組織工程化人工器官的影響，提出了制備組成和結構及理化性能均接近正常軟骨、骨和真皮的新方法，為膠原基支架材料作為組織工程化人工軟骨、骨、皮膚的研究和臨床應用提供了實驗數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

2.3 發(fā)現(xiàn)了生物醫(yī)用材料作為藥物載體實現(xiàn)高效低毒腫瘤治療的作用機制

目前，化療是癌癥治療的主要手段之一，但抗腫瘤藥物的選擇性低，不良反應嚴重，甚至不得不中斷化療而延誤治療時機。因此，尋找高效低毒的腫瘤治療新策略是臨床迫切需要解決的問題。本項目以天然膠原、天然多糖、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）等作為抗腫瘤藥物載體，解決了控緩釋靶向藥物載體制備的關鍵科學、技術問題，揭示了藥物控緩釋載體在細胞和組織內分布的調控機制及其增強藥效的作用機制，為實現(xiàn)高效低毒腫瘤治療提供了方法學和理論上的依據(jù)及支持。[10-17]

本項目利用膽甾醇、脫氧膽酸、聚乙二醇等物質為改性基團，對具有良好生物相容性和生物可降解性的Chi、普魯蘭、可德蘭等天然多糖進行雙親性分子設計和改性，并制備了其自聚集納米粒，探討了疏水改性多糖及PLA納米粒的自組裝機理。研究發(fā)現(xiàn)，改性多糖納米載體材料的化學結構、組成、疏水基團取代度、性質等的改變可控制納米載體的結構、粒徑大小及分布、CMC、電荷、形態(tài)和穩(wěn)定性等理化性能（見圖 3）；[10-12，14]通過改變制備條件可調控PLA納米粒的粒徑大小及分布。[15]以表阿霉素為模型藥物，考察了改性多糖與PLA載藥納米粒載藥、釋藥特性的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變藥載比、初始溶劑、透析速度和相對分子量等可調控載藥納米粒的載藥特性；載藥納米粒的載藥量、粒徑、取代度及釋放介質的pH值等是調控載藥納米粒釋藥速度的主要因素。[10-11，13-14]采用膠原為載體，結合負載長春新堿（VCR）的PLGA微球制備了定向控制釋放抗腫瘤藥物系統(tǒng)，通過改變藥膜的組成和結構可調控載體的降解速度和藥物的釋放速度，從而達到緩釋和恒定釋放的效果。[16]

本項目還以表阿霉素、紫杉醇為模型藥物，進一步開展了納米藥物載體的體內外生物學評價，研究其增強藥效的機制。分析研究結果發(fā)現(xiàn)，靶向性藥物載體在細胞和組織內分布的調控機制是：①組織導向，通過控制載藥納米粒的尺寸、電荷等實現(xiàn)其對腫瘤部位的被動靶向，同時，可采用葉酸、生物素等導向性分子修飾納米粒，實現(xiàn)納米粒的主動靶向作用；②組織滲透；③細胞攝取，載藥納米粒主要經(jīng)過受體介導的內吞作用進入胞漿或溶酶體再釋放藥物，最終以游離藥物的形式進入靶細胞器。載體的靶向性是減小全身毒性反應，增強局部藥物效應，實現(xiàn)腫瘤治療高效低毒的主要因素（見圖4）。[13]

2.4 發(fā)現(xiàn)了生物醫(yī)用材料構建的納米生物器件提高醫(yī)學弱信號采集的新方法

圍繞疾病早期診斷中臨床醫(yī)學弱信號采集難的問題，構建了納米金陣列和改性電極，發(fā)現(xiàn)了通過納米金陣列和氨基修飾碳納米材料等改性電極提高多巴胺等檢測靈敏度的新方法，拓展了生物醫(yī)用材料在納米生物器件研究中的應用新領域。

本項目首次成功合成了金納米截角二十面體，揭示了合成不同尺寸、形貌金納米粒的調控因素及其生長機理，為可控合成不同形貌的納米材料提供了一種全新有效的方法（見圖5）。[18]采用溶劑熱法合成了表面氨基修飾的碳納米材料（核-殼結構碳納米顆粒、實心/空心碳微米管和空心碳球），研究發(fā)現(xiàn)，空心碳微管修飾的金電極在高濃度的抗壞血酸中可選擇性檢測多巴胺，而碳納米管的空腔結構是造成研究底物氧化-還原行為發(fā)生變化的原因。[19]利用納米金簇對摻硼金剛石電極改性發(fā)現(xiàn)，改性后的電極檢測靈敏度可提高至納摩爾級別，克服了傳統(tǒng)摻硼金剛石電極無法分辨多巴胺與抗壞血酸氧化特性的缺點，提出了通過納米金陣列采集海馬神經(jīng)動作電位的新方法。[20]

上述本項目研究成果為新型膠原基功能性GTR材料和組織工程支架材料的基礎研究及臨床應用、實現(xiàn)高效低毒腫瘤治療及合理設計、制造納米生物器件提供了科學依據(jù)，對于推動相關學科的發(fā)展意義重大，對于經(jīng)濟建設和社會發(fā)展產(chǎn)生了重

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