生物醫(yī)用高分子

1、生物醫(yī)用高分子目 錄一. 載體材料 1 典型生物降解材料 2 典型水溶性聚合物 3 各種刺激響應(yīng)性高分子二. 藥物控制釋放 1 藥物控釋制劑 2 藥物釋放的控制三. 組織工程 1 組織工程支架 2 表面改性 四. 基因傳遞 1 聚陽離子/DNA復(fù)合物 2 基因控制釋放載體材料要求（1）一定機械強度，加工性能（2）生物相容性與生物降解性（3）根據(jù)使用要求，其它一些特殊性能， 例如pH響應(yīng)性、靶向性等載體材料分類根據(jù)材料的來源：天然與合成高分子材料根據(jù)材料的降解性能：降解與非生物降解高分子材料根據(jù)材料在水中的溶解性：疏水與水溶性高分子材料根據(jù)材料對外界信號響應(yīng)性：刺激響應(yīng)與惰性材料根據(jù)材料化學(xué)結(jié)構(gòu)

2、分類（以疏水性生物降解材料為例） （1）聚酯：PLGA、PCL、聚碳酸酯等 （2）聚酸酐 （3）聚氨基酸 （4）聚膦腈 （5）聚磷酸脂典型非生物降解疏水性高分子：聚氨酯微相分離結(jié)構(gòu)良好的血液相容性典型疏水性生物降解材料1. 聚酯 PLGA是一類應(yīng)用最早、最為廣泛的合成疏水性生物降解材料，這主要歸因于其優(yōu)良的生物相容性（作為可吸收性手術(shù)縫線PLGA有很多年的安全記錄）、廣泛的生物降解性（降解速度從一個月到幾年可調(diào)）以及較好的可加工性（可以加工成任意形狀的埋植劑、微球、膜以及多孔支架等）生物降解聚酯的合成開環(huán)聚合（以聚乳酸PLA的合成為例）分子量可從幾千到幾百萬廣泛可調(diào)采用手性單體聚合可得到旋光性

3、聚合物，具有很高的機械強度，可作為骨替代材料其它生物降解聚酯如聚已內(nèi)酯、聚(三甲基碳酸酯)等均采用類似的合成路線新型生物相容性開環(huán)催化劑：環(huán)糊精引發(fā)戊內(nèi)酯開環(huán)聚合縮合聚合：合成可生物降解塑料的方法，但目前還僅能得到低分子量的產(chǎn)物聚合物 縮寫 R聚乳酸 PLA CH(CH3)聚乙醇酸 PGA CH2聚己內(nèi)酯 PCL (CH2)5生物降解聚酯的降解機理生物降解聚酯研究進展：PEG-b-PLA合成PEG-b-PLA的性質(zhì)：溫敏性PEG-b-PLA水溶液T T PEG-b-PLA水凝膠在低溫下，PEG-b-PLA/水體系為可流動的溶液； 當(dāng)溫度高于一定數(shù)值時，通過PLA疏水鏈段的疏水相互作用，體系變?yōu)?/p>

4、水凝膠。臨界溫度與嵌段共聚物組成有關(guān)，PLA鏈段含量越高，臨界溫度越低。可用于藥物的原位包埋以及可注射型藥物控釋體系。PEG-b-PLA水溶液T T 凝膠化機理PEG-b-PLA：stealth nanospheres as long-circulating carriers 避免網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的吞噬持續(xù)釋放藥物典型疏水性生物降解材料2. 聚酸酐類 開環(huán)聚合僅適用于環(huán)己二酸酐的聚合，其它環(huán)狀酸酐例如琥珀酸酐、戊二酸酐由于環(huán)較穩(wěn)定，還不能通過開環(huán)聚合得到聚酸酐。所得聚已二酸酐分子量較低，一般在5,000以下。環(huán)己二酸酐聚合機理熔融縮聚1. 除熱不穩(wěn)定、易成環(huán)二酸單體外，其它所有二酸 均可通過這種方

5、法聚合2. 聚酸酐分子量與二酸結(jié)構(gòu)以及聚合條件有關(guān)，單 體柔性越大、真空度越高，聚合物分子量越大脫三甲基氯硅烷法 脫乙酸酐法溶液縮聚1. 適用于熱不穩(wěn)定二酸單體2. 聚酸酐分子量在幾千左右HOOCRCOOH + ClCORCOCl (CORCOOCORCOO)n + BASEHCl微波聚合合成聚酸酐優(yōu)點1）無需真空2）反應(yīng)時間短3）預(yù)聚縮合一步完成幾類研究較廣泛的聚酸酐P(CPP:SA) 已得到FDA批準(zhǔn)臨床應(yīng)用P(FAD:SA) 正進行臨床實驗P(FA:SA) 具有很好的生物粘附性, 能提高藥物口服生物利用度主鏈型高分子前體藥物光交聯(lián)聚酸酐P(PMA-ala:SA) 較高的機械力學(xué)強度, 可

6、能會作為人造骨材料P(SA:CPP) 1. 已得到美國FDA批準(zhǔn),作為卡氮芥的載體， 治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤2. 降解速度根據(jù)SA與CPP比例不同，從二周 到三年可調(diào)，且呈現(xiàn)準(zhǔn)表面降解特點P(SA:FAD)由于主鏈為脂肪酸，與其它聚酸酐相比，聚合物具有極好的加工性能，可以在溫和條件下加工成各種形狀的埋植劑、微球等制劑形式P(FA:SA)很強的腸粘附性：口服后，P(FA:SA)微球很快降解，表面產(chǎn)生大量羧基，與腸粘膜的糖蛋白通過氫鍵相互作用，從而將微球滯留在腸部聚(酰亞胺-酸酐)提高常規(guī)聚酸酐力學(xué)強度，有可能用作骨替代材料主鏈型高分子前體藥物：水楊酸光交聯(lián)聚酸酐Changes in the tensil

7、e modulus of cross-linked SA (L) andcross-linked CPH (P) during degradation.熒光聚酸酐合成路線 對羥基苯甲酸、對氨基苯甲酸和對氨基水楊酸 琥珀酸酐、戊二酸酐和環(huán)己二酸酐熒光聚酸酐化學(xué)結(jié)構(gòu)熒光聚酸酐熒光性質(zhì)單體與預(yù)聚物觀察不到熒光主鏈中僅當(dāng)亞甲基數(shù)為2的聚酸酐可發(fā)熒光苯環(huán)上取代基團對熒光激發(fā)與發(fā)射波長有影響熒光強度基本隨聚合物分子量增大線性增強與其它二酸單體共聚，熒光波長會發(fā)生偏移，其中脂肪族二酸發(fā)生藍(lán)移，而芳香二酸發(fā)生紅移共聚物序列結(jié)構(gòu)對熒光性質(zhì)影響不大熒光聚酸酐的降解：融蝕曲線及形態(tài)降解過程中熒光強度變化ex 356

8、 nmex 470 nm熒光聚酸酐微球用于胰島素口服給藥：微球電鏡照片ABCPLGA:PCEFBA 1:2B 1:1C 2:1微球熒光顯微照片ex 356 nmex 470 nm大鼠體內(nèi)結(jié)果腸粘膜熒光顯微照片微球口服后血糖濃度變化疏水性生物降解材料表觀降解行為疏水性生物降解高分子材料的兩種降解方式：本體降解表面降解降解方式的決定因素聚合物基質(zhì)的水化速度（Vhydro)與聚合物分子鏈的降解速度（Vdeg）聚合物酸催化與酸抑制機理聚酯：典型本體降解 VhydroVdeg，基質(zhì)內(nèi)外聚合物分子基本同時 開始降解 酸加速降解效應(yīng)聚酸酐：準(zhǔn)表面降解 VhydroVdeg，基質(zhì)外聚合物分子首先發(fā)生降解 酸抑

9、制降解效應(yīng)聚酯與聚酸酐的比較聚酯-聚酸酐：結(jié)合兩者優(yōu)點功能性生物材料：生物降解性導(dǎo)電高分子通過酯鍵將聚吡咯連接起來生物降解形狀記憶高分子典型水溶性聚合物兩種藥物控釋方式在聚合物側(cè)基上連接能與病灶組織特異結(jié)合的配體分子T，可改變藥物體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運與分布，最終選擇性積累在病灶組織部位，這也就是通常所說的“生物導(dǎo)彈”、 “主動靶向”。高分子前體藥物：藥物通過水不穩(wěn)定共價鍵連接到水溶性聚合物側(cè)基或疏水性生物降解高分子的主鏈上，通過共價鍵的降解釋放出藥物。藥物通過物理混合作用，包埋在水凝膠中，通過聚合物降解、溶脹作用釋放出藥物。水凝膠典型的幾種單體： 丙烯酸（酸性） 丙烯酰胺與羥乙基甲基丙烯酸酯（中性）

10、 2-(三甲胺乙基甲基)丙烯酸酯（堿性） N-異丙基丙烯酰胺（溫敏性）聚丙烯酸衍生物類HEMANIPPAM聚氨基酸類水溶性生物降解高分子聚合物 縮寫 R聚天東氨酸 PASP CH2COOH聚谷氨酸 PGLU (CH2)2COOH聚賴氨酸 PLYS (CH2)4NH2聚氨基酸類合成方法NCA法開環(huán)聚合：合成聚氨基酸的普適方法熔融縮聚：合成聚天冬氨酸及其衍生物聚蘋果酸 聚膦腈類水溶性生物降解高分子結(jié)構(gòu)廣泛可調(diào)性: 可將不同結(jié)構(gòu)的分子例如藥物、蛋白質(zhì)、染料等連接到聚合物側(cè)基類海藻酸特性: 可與ca2+ 絡(luò)合形成水凝膠, 從而在溫和條件下包埋蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物相容性較好天然生物大分子蛋白質(zhì)類: 明膠、

11、膠原等多糖類: 纖維素、殼聚糖、海藻酸、右旋糖酐、透明質(zhì)酸等較好的生物相容性、生物降解性與細(xì)胞親和性結(jié)構(gòu)因來源不同而發(fā)生改變加工性能較差dextranhyaluronatechitosan水凝膠制備方法進展化學(xué)交聯(lián)光交聯(lián)離子交聯(lián)立體復(fù)合物交聯(lián)包合物交聯(lián)蛋白質(zhì)相互作用交聯(lián)化學(xué)交聯(lián)以透明質(zhì)酸為例（1）：以透明質(zhì)酸為例（2）：巰基化學(xué)交聯(lián)新進展：Michael addition優(yōu)點（1）條件溫和 （2）原位交聯(lián)光交聯(lián)：丙烯酸衍生物類光交聯(lián)：dimerization光交聯(lián)：乃春離子交聯(lián)小分子離子交聯(lián)：海藻酸鈉Egg box小分子離子交聯(lián)：殼聚糖疏水相互作用：主鏈之間疏水相互作用：側(cè)基之間 溫敏材料中聚

12、(N-異丙基丙烯酰胺)、 pluronic、PLA-b-PEG-b-PLA 疏水化聚電解質(zhì)立體復(fù)合物包合物交聯(lián)蛋白質(zhì)相互作用交聯(lián)細(xì)胞交聯(lián)疏水性與水溶性生物降解高分子比較*將疏水性生物降解材料與水溶性生物降解高分子有機結(jié)合, 克服各自單獨使用時存在的缺點是生物材料發(fā)展的一個重要 方向。疏水親水共聚物:結(jié)合兩者優(yōu)點PLA-b-PEG多糖/聚酯接枝共聚物各種刺激響應(yīng)高分子材料 溫度敏感pH響應(yīng) 光響應(yīng) 磁響應(yīng) 溫度敏感疏水相互作用：溫度升高，疏水相互作用加強Poly(N-isopropyl acrylamide)PluronicPEG-b-PLA2. 氫鍵相互作用：溫度升高，氫鍵受到破壞 PAA/P

13、oly(acrylamide) pH與電場響應(yīng)pH響應(yīng)載體：利用一般聚電解質(zhì)中可離解基團的離解度 對pH的依賴性，例如PMAAPMAA/PEO complexPMAA/gelatin complex電場響應(yīng)載體：與pH響應(yīng)載體相同光響應(yīng) 光照：偶氮鍵反式，親水性增強，溶脹度變大黑暗：偶氮鍵順式，親水性減弱，溶脹度減小藥物控釋發(fā)展歷史50年代末期：以非生物降解材料例如硅橡膠、聚(醋酸乙烯酯)（EVA)等作為小分子藥物的載體，實現(xiàn)這類藥物的持續(xù)平穩(wěn)釋放。70年代：將生物降解材料應(yīng)用于藥控領(lǐng)域，例如聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)作為大分子藥物（蛋白質(zhì)）載體；控制藥物釋放地點生物導(dǎo)彈。80年代：

14、智能釋放（最典型的例子根據(jù)血糖的高低能自動調(diào)節(jié)胰島素的釋放速度）。90年代：組織工程中藥物控制釋放，基因的控制釋放。新世紀(jì)：微芯片技術(shù)在藥物控制釋放中的應(yīng)用。概念概念： 根據(jù)機體需要，通過把藥物包埋或共價鍵合到高分子載體上，控制其釋放速度或地點。研究對象： 載體材料 藥物的制劑形式 釋放控制（平緩釋放、脈沖釋放以及釋放地點的控制） 釋放機理藥物控釋制劑將控釋材料與藥物組合，加工成一定形狀與大小的特定形式，以方便給藥傳統(tǒng)的藥物制劑藥物控釋制劑注射劑片劑膠囊貼劑氣霧劑注射劑 藥物/高分子共軛體 高分子膠束 可注射凝膠片劑膠囊微球貼劑氣霧劑注射劑藥物/水溶性高分子共軛體 在體液環(huán)境中藥物通過與水溶性

15、高分子之間連接鍵的水解而釋放高分子膠束 藥物或者通過共價鍵合到膠束內(nèi)核疏水性鏈段側(cè)基上，或者通過疏水相互作用/靜電相互作用復(fù)合在高分子膠束內(nèi)部可注射凝膠 藥物與聚合物溶液直接注射入皮下或肌肉組織中，聚合物因接觸到人體體液或體溫環(huán)境而凝膠化高分子膠束1984年，Rinsdorf首次提出將高分子膠束應(yīng)用于藥物控制釋放Kataoka與Kabanov提出復(fù)合物膠束的概念拓寬了高分子膠束的應(yīng)用范圍疏水性小分子藥物：聚天東氨酸芐酯-b-聚乙二醇 (PBASP-b-PEG）蛋白質(zhì)藥物：溶菌酶/聚天東氨酸-b-聚乙二醇復(fù)合物膠束基因：DNA/聚賴氨酸-嵌-聚乙二醇（PLL-b-PEG)復(fù)合物膠束高分子膠束穩(wěn)定

16、途徑：內(nèi)核二巰基交聯(lián)高分子膠束穩(wěn)定途徑：外殼交聯(lián)高分子膠束的特殊應(yīng)用腦部給藥：pluronic膠束能通過血腦屏障，從而增加靜脈給藥時腦內(nèi)藥物濃度超聲波響應(yīng)釋藥:用于化療藥物腫瘤部位局部給藥在超聲波作用下，增溶在膠束內(nèi)核的疏水性藥物加速釋放，而無超聲波時，腫瘤周圍的游離藥物仍能包埋于膠束內(nèi)部。從而可以克服這類藥物的毒副作用降低腫瘤組織對化療藥物的抗藥性可注射凝膠溫敏材料光可交聯(lián)材料疏水性生物降解聚合物/有機溶液光可交聯(lián)水凝膠疏水生物降解聚合物/有機溶液PLGA/Glycofurol溶液直接注射到皮下、肌肉等部位，當(dāng)接觸到體液環(huán)境時，體系中的溶劑被萃取出去，PLGA沉淀出來，包埋于其中的藥物通過擴

17、散作用與聚合物的降解在給藥部位逐步釋放控釋微球概念：粒徑在100 nm1 mm的球形粒子，藥物可以包埋在微球內(nèi)部或吸附在其表面，載體材料可以是交聯(lián)的水溶性聚合物或者疏水性生物降解材料。 微球結(jié)構(gòu)：基質(zhì)型 膠囊型控釋微球制備方法乳液聚合懸浮聚合/分散聚合/界面聚合凝聚-相分離法乳液溶劑揮發(fā)法 O/W 乳液溶劑揮發(fā)法 W/O/W乳液溶劑揮發(fā)法聚電解質(zhì)復(fù)合物層層自組裝法無皂乳液聚合制備聚(-腈基丙烯酸酯) 凝聚相分離法制備控釋微球在聚合物良溶液中加入一定量的非溶劑，使其產(chǎn)生相分離，體系變?yōu)榫酆衔锬巯啵ǚ稚⑾啵┡c稀相（連續(xù)相），凝聚相吸附于藥物顆粒表面，往體系中加入大量萃取溶劑，使吸附于藥物表面的凝

18、聚相固化，就得到聚合物微球。乳液-溶劑揮發(fā)法制備控釋微球影響因素微球粒徑：聚合物溶液濃度、PVA濃度、內(nèi)外相比例 以及攪拌速度微球形態(tài)：聚合物溶液濃度以及溶劑揮發(fā)速度藥物種類：油溶性藥物O/W乳液-溶劑揮發(fā)法 水溶性藥物W/O/W乳液-溶劑揮發(fā)法O/W乳液溶劑揮發(fā)法制備微球流程圖聚電解質(zhì)復(fù)合物層層自組裝法控釋微球的發(fā)展LHRH/PLGA微球用于治療婦女子宮內(nèi)膜異位癥已得到美國FDA批準(zhǔn)，在臨床得到應(yīng)用。一次給藥，可以維持療效近一個月左右。近十幾種藥物的控釋微球制劑正在臨床試驗中。控釋微球的特殊應(yīng)用化學(xué)栓塞作用粘膜給藥被動靶向制劑免疫佐劑腦部給藥化學(xué)栓塞作用:使用特定粒徑的微球?qū)⒉≡钪車茏枞?/p>

19、，切斷其營養(yǎng)供應(yīng)；同時包埋于微球中的藥物可以在病灶局部緩慢釋放出來，從而實現(xiàn)栓塞與藥物治療的雙重作用。PVA微球子宮動脈栓塞造影及治療效果粘膜給藥：生物粘附高分子微球例如聚酸酐微球?qū)ξ改c道、鼻腔等表面的粘膜組織有很強的粘附作用，同時還可直接經(jīng)粘膜組織吸收進入體循環(huán)，從而增加藥物特別是一些大分子藥物如蛋白質(zhì)、基因等的生物利用度。被動靶向制劑：利用微球尺寸以及表面特點，使其選擇性地分布于特定組織處，從而實現(xiàn)藥物對病灶的靶向作用。 6-7 m 微球分布于肺部 100 nm 微球分布于網(wǎng)狀 內(nèi)皮系統(tǒng) 100 nm，表面改性 微球可實現(xiàn)全身循環(huán)免疫佐劑：PLGA微球可以增加一些蛋白抗原的免疫反應(yīng)，從而有

20、希望代替目前常用的免疫佐劑如福氏佐劑在免疫接種方面得到應(yīng)用；抗原的釋放行為以及微球的粒徑均影響其免疫反應(yīng)。腦部給藥：部分表面改性的聚合物微球靜脈給藥后可以通過血腦屏障，從而增加藥物在腦中濃度，提高其療效。藥物釋放的控制載體材料的種類以及制劑結(jié)構(gòu)等均影響藥物的釋放行為，因此實現(xiàn)特定藥物的釋放動力學(xué)或定位釋放可通過材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計與制劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 藥物釋放動力學(xué)的控制 藥物釋放地點的控制藥物釋放動力學(xué)的控制理想的藥物釋放動力學(xué)脈沖釋放 智能脈沖釋放 程序脈沖釋放平穩(wěn)釋放智能式脈沖釋放系統(tǒng)光、磁、超聲波響應(yīng)溫度響應(yīng)pH、電場響應(yīng)化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)：葡萄糖、特定抗體或抗原 pH響應(yīng)性釋藥系統(tǒng)pH響應(yīng)

21、性藥物控釋載體的研究源于上世紀(jì)80年代初期。其主要應(yīng)用有：在發(fā)炎、感染、惡性腫瘤等組織的周圍，pH呈酸性（6.0左右），pH響應(yīng)性控釋載體可使藥物有選擇地在病灶部位釋放?？诜o藥：由于胃和腸道的pH值分別呈酸性和中性，利用pH響應(yīng)性控釋載體可使藥物在胃中不釋放而在腸道釋放。最新應(yīng)用： 藥物在進入細(xì)胞的過程中會遇內(nèi)吞作用。內(nèi)涵體為較溫和的酸性環(huán)境（pH5.0-6.5），而溶酶體pH很低。為使藥物在傳遞至酸性細(xì)胞器的過程中不失去活性， 可用pH響應(yīng)性控釋載體實現(xiàn)藥物在內(nèi)涵體中的快速釋放，避免進入溶酶體等消化小體，促進藥物的有效傳遞。 pH響應(yīng)性釋放載體的研究進展一般聚電解質(zhì)水凝膠 可在某一pH范圍

22、內(nèi)溶脹度較小，而當(dāng)pH到達(dá)一定值時溶脹度增大，如PMAA、PAA等。 缺點：這類材料溶脹轉(zhuǎn)變的pH范圍寬 ，很難實現(xiàn)藥物高度敏感的響應(yīng)性釋放。 疏水性聚電解質(zhì)為解決一般聚電解質(zhì)水凝膠溶脹轉(zhuǎn)變pH范圍較寬的缺點，1988年Siegel等人提出用疏水性聚電解質(zhì)作為制備pH響應(yīng)性水凝膠的材料，他們所使用的材料為 n-烷基甲基丙烯酸酯(n-AMA)與（二甲基氨基）乙基丙烯酸共聚物，發(fā)現(xiàn)此類水凝膠的溶脹轉(zhuǎn)變可以在較窄的pH范圍內(nèi)完成 。 缺點：這類材料一般是非生物降解的氫鍵復(fù)合物90年P(guān)eppas等人將PEG接枝到PMAA主鏈上合成了一種接枝型PMAA-g-PEG水凝膠，發(fā)現(xiàn)由于PMAA與PEG的氫鍵復(fù)

23、合作用水凝膠的溶脹度在不同的pH介質(zhì)中有較大的差異，在低pH介質(zhì)中水凝膠溶脹度很小，當(dāng)pH達(dá)到某一臨界值時溶脹度突躍。 缺點：其藥物釋放的pH轉(zhuǎn)變寬，響應(yīng)性不佳。聚陰離子/兩性聚電解質(zhì)復(fù)合物聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、肝素等聚陰離子與明膠或兩性殼聚糖的聚電解質(zhì)復(fù)合物作為pH響應(yīng)藥物控釋載體發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素C和肌紅蛋白等模型藥物從這些復(fù)合物中的釋放具有良好的pH響應(yīng)性。肌紅蛋白從PMAA/明膠復(fù)合物中的釋放pH對牛血清白蛋白從肝素/兩性殼聚糖復(fù)合物中釋放影響兩性殼聚糖結(jié)構(gòu)對BSA在中性條件下從復(fù)合物釋放時間的影響電響應(yīng)智能脈沖釋放系統(tǒng)聚電解質(zhì)水凝膠PMAA/PEOx氫鍵復(fù)合物微芯片技術(shù)在藥物控釋中應(yīng)用

24、微芯片技術(shù)在藥物控釋中應(yīng)用Removal of an anode membrane to initiate release from a reservoir. a, b, Scanning electron micrographs of a gold membrane anode covering a reservoir are shown before (a) and after (b) the application of +1.04 V w.r.t. SCE for several seconds in PBS. (Scale bar, 50mm.)葡萄糖響應(yīng)的胰島素釋藥系統(tǒng)該系統(tǒng)對外部

25、葡萄糖濃度產(chǎn)生響應(yīng)，當(dāng)血糖濃度達(dá)到一定數(shù)值時，釋放出胰島素；當(dāng)血糖濃度恢復(fù)到正常值時，胰島素停止釋放。利用伴刀豆球蛋白對葡萄糖與糖基化胰島素的競爭吸附作用利用葡萄糖經(jīng)其氧化酶作用后產(chǎn)生葡萄糖酸，使聚陽離子水凝膠溶脹度增大，釋放出胰島素葡萄糖 葡萄糖酸 過氧化氫葡萄糖氧化酶利用葡萄糖經(jīng)其氧化酶作用后產(chǎn)生過氧化氫，在過氧化氫的作用下氧化還原聚合物質(zhì)子化，變?yōu)榫坳栯x子水凝膠，溶脹度增大，釋放出包埋在其中的胰島素脲響應(yīng)的智能釋藥系統(tǒng)脲 氫氧化銨 碳酸氫銨 脲酶脲酶藥物聚(甲基乙烯醚-共-馬來酸酐)PMVEMA 抗原或抗體響應(yīng)的智能釋藥系統(tǒng) 該系統(tǒng)能對體內(nèi)的抗原或抗體產(chǎn)生響應(yīng)。當(dāng)特定抗原或抗體濃度增大時

26、，系統(tǒng)釋放出包埋在其中的藥物；當(dāng)抗原或抗體濃度降低時，藥物停止釋放。有望能應(yīng)用于很多疾病的智能式治療。戒毒藥響應(yīng)的智能釋放系統(tǒng)毒品敏感的水解酶程序脈沖釋藥系統(tǒng)我們實驗室的工作Pulsed release profiles of proteins from the laminated device compressed under the conditions described as experiment section. Each protein-loaded layer was compressed with 20 mg of complexes. A: 20 mg of PTSP (50

27、:30:20) as isolating layers with 2.2 mm in thickness (FITC-BSA as model protein), B: 20 mg of PSP (65:35) as isolating layers with 2.2 mm in thickness (Mb as model protein), C: 30mg of PSP (65:35) as isolating layers with 3.2 mm in thickness (Mb as model protein) (n=3).Erosion rate of PTSP, BSA rele

28、ase rate and pH variation of the dissolution fluid for the device comprising of 20 mg of PTSP and 20 mg of PMAA/PEOx complex versus time. PTSP erosion rate was measured by the absorbance of degradation fragments with an UV-Vis spectrophotometer at 420nm, FITC-BSA was detected with a fluorescence spe

29、ctrophotometer and the pH of the dissolution fluid was obtained with a pH meter. The device was compressed under the condition described as experiment section (n=3). 微芯片型程序式脈沖釋放系統(tǒng)Diagram of fabrication process for polymeric microchip device.a. The poly(L-lactic acid) (PLLA) preform is compression-mo

30、ulded on an aluminum die plate at elevated temperature to form reservoirs in the device substrate. The initial compression moulding step at room temperature to form a partly dense, disk-shaped preform is not shown.b. Diagram of device substrate after high-temperature compression-moulding, showing co

31、nical reservoirs.c. Diagram of device substrate after polishing to truncate the conical reservoirs.d. Device substrate after the formation of reservoir membranes by microinjection.e. Device after loading the reservoirs with the chemicals to be released by microinjection, and enlargement of reservoir

32、 showing typical dimensions of reservoir and membrane.f. Device after sealing and completion of the fabrication process.Cumulative percentage of initial 3H-heparin loading released frommicrochip devices in vitro. Each symbol (circle, square or diamond) represents data collected for a different devic

33、e. We again observed that the release times of the chemicals from the reservoirs increased as the molecular mass of the reservoir membrane polymerswas increased, as shown by the arrows indicating the opening of each type of membrane on the devices, and that there was relatively small variation in th

34、e range of release times for reservoirs having a given type of membrane. Experiments were conducted in saline solution at 25 C in vitro.平穩(wěn)釋放在微球制備過程中，多肽蛋白質(zhì)藥物富集于微球表面，導(dǎo)致嚴(yán)重的暴釋。通過加入各種添加劑，使多肽蛋白質(zhì)均勻分布于微球內(nèi)部，從而抑制其暴釋藥物釋放地點的控制 主動靶向 肝組織靶向 結(jié)腸靶向 被動靶向 局部給藥 皮透 粘膜給藥主動靶向：單克隆抗體、糖基或其它能專一識別特定細(xì)胞表面受體的配體分子偶聯(lián)到藥物載體上，實現(xiàn)藥物對某一組織

35、的選擇性分布被動靶向微球、納米微粒以及脂質(zhì)體等：利用其尺寸及表面等物理化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)對特定組織的選擇性分布磁性微球：利用外加磁場將磁性微球?qū)氲讲≡罱M織附近高分子膠束：利用超聲波對膠束的特殊作用，使藥物富集于腫瘤組織部位局部給藥腦部給藥：聚酸酐/卡氮芥圓片用于治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤粘膜給藥：腸粘膜、鼻腔皮透Images of microneedles used for transdermal drug delivery. (a) Solid microneedles (150 Am tall) etched from a silicon wafer were used in the first stud

36、y to demonstrate microneedles for transdermal delivery. (b) Solid microneedles (1000 Am tall) laser-cut from a stainless steel sheet were used to deliver insulin to diabetic rats. (c) Solid microneedles (microprojection array, 330 Am tall) acid-etched from a titanium sheet were coated with protein a

37、ntigen for vaccine delivery in vivo; similar needles were used to deliver oligonucleotides in vivo. (d) Solid microneedles (microenhancer array, 200 Am tall) chemically etched from a silicon wafer were dipped in plasmid DNA solution for vaccine delivery in vivo. (e) Hollow microneedles (500 Am tall)

38、 formed by electrodeposition of metal onto a polymer mold were used for needle insertion and fracture force measurements.微注射針用于皮透給藥肝組織靶向 被動靶向（載體傳輸途徑） 主動靶向（膽酸、半乳糖與甘露糖） 其它途徑（聚陰離子與聚陽離子）肝組織主動靶向膽酸口服肝靶向半乳糖肝靶向甘露糖肝靶向結(jié)腸主動靶向利用結(jié)腸細(xì)胞表面富含果糖、半乳糖等受體，將以上單糖偶聯(lián)到水溶性高分子側(cè)基上，將藥物靶向于結(jié)腸部位利用結(jié)腸腔中富含偶氮還原酶，將藥物包埋于偶聯(lián)鍵交聯(lián)的水凝膠中，當(dāng)水凝膠到達(dá)結(jié)

39、腸部位時，偶氮還原酶將水凝膠降解，釋放出其中的藥物單糖-受體多點作用pH敏感型偶氮交聯(lián)水凝膠pH-sensitiveenzyme-degradable組織工程器官移植自體器官或異體器官移植 器官來源問題 器官排斥問題 細(xì)胞移植 血細(xì)胞：分散細(xì)胞 有些情況下細(xì)胞會在注射部位自己融合成組織直接注射細(xì)胞并不能保證在注射部位形成組織細(xì)胞必須產(chǎn)生自己的細(xì)胞外基質(zhì)并與周圍組織融合最大問題還是免疫排斥問題 細(xì)胞包埋：糖尿病優(yōu)點：利用高分子隔離膜將細(xì)胞包埋，可維持細(xì)胞正常功能，隔離免疫細(xì)胞缺點：不能實現(xiàn)細(xì)胞與周圍組織的融合代表性人物：多倫多大學(xué)A.M.Sun, MaGill大學(xué)C.S.Chang組織工程概念：

40、建立細(xì)胞與生物材料的三維空間復(fù)合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達(dá)到永久性替代組織工程發(fā)展歷史組織工程一詞最早是由美國國家科學(xué)基金會1987年正式提出和確定 一、種子細(xì)胞研究二、組織工程支架的制備 三、組織器官的構(gòu)建 四、組織工程臨床應(yīng)用 組織工程載體材料 生物相容、生物降解 機械性質(zhì) 細(xì)胞親和性 細(xì)胞特異性Incorporation of adhesion factor, e.g., RGD: specific recognitionIncorporation of polyanionic sites that mimic the electrostat

41、ics of biological regulatory polysaccharides: non-specific interactionsIncorporation of cleavage sites for enzyme involved in cell migration: cell responsive degradation 材料制備：生物活性材料合成生物降解材料的功能化：P(LA-co-LYS)Bioactive Materials Prepared by Genetic Engineering: Elastin肝素化表面：血液相容性生物材料陰離子化生物材料細(xì)胞響應(yīng)性水凝膠Con

42、jugating bioadhesive ligands to PEGCrosslinking of PEG with crosslinker which can de degraded in the presence of emzyme excreted during cell proliferation(3) Cell attachment, proliferation and matrix degradation組織工程支架的制備鹽析法（小分子鹽、糖、脂類、冰粒）相分離法W/O乳液-冷凍干燥法微球降解法微球壓制法氣體發(fā)泡-顆粒溶出法冷凍干燥法紡絲法CAD/SFF法鹽析法制備組織工程支架致

43、孔劑小分子鹽碳?xì)浠衔锉６嗫字Ъ苄螒B(tài)A: 以碳?xì)浠衔餅槟０?制備得到多孔支架B: 軟骨細(xì)胞培養(yǎng)一段 時間后形態(tài)相分離法：熱引發(fā)相分離制備得到PLGA多孔支架的掃描電鏡照片相分離制備多孔支架孔隙度與聚合物濃度的關(guān)系W/O乳液-冷凍干燥法制備過程 聚合物溶解于有機溶劑 中，將生長因子水溶液 乳化于聚合物溶液中， 形成油包水乳液 將上述油包水乳液冷凍， 并冷凍干燥，即形成 吸附有生長因子的多孔 支架?？讖椒植糂SA從多孔支架中釋放曲線微球降解法制備過程 將能快速降解的聚合物 制備成微球 將微球與慢速降解的聚合 物混合均勻 將上述混合物模壓成型 在生理環(huán)境，上述支架 中快速降解微球發(fā)生降解， 從而

44、產(chǎn)生孔洞P(CPP:SA) 80:20A: 不含微球B-C: 含20%PLGA (50/50)微球D-F: 含50PLGA (50/50)微球降解4周后支架SEM照片微球壓制法制備過程 溶劑揮發(fā)法制備 生物降解微球 將微球置于模具中， 然后加熱模具 至微球Tg 以上5 oC，使微球之間 粘連 待模具冷卻后， 將相互粘接的微球 脫模，得到多孔支架加熱時間對多孔支架形態(tài)的影響，a: 24 h; b: 72 h孔徑分布曲線支架孔隙率成骨細(xì)胞在支架中粘附骨鈣素染色冷凍干燥法一般冷凍干燥法：制備水凝膠多孔支架凝膠化-萃取-冷凍干燥法：制備纖維狀多孔支架復(fù)合冷凍干燥法：制備復(fù)合支架凝膠化-萃取-冷凍干燥法

45、：適用于結(jié)晶性聚合物制備過程 聚合物溶解于適當(dāng)溶劑中 將上述聚合物溶液在一定溫度下 凝膠化 用水萃取凝膠化聚合物中有機溶劑 將上述萃取后聚合物冷凍干燥， 即得到纖維狀多孔支架鹽析/凝膠化-萃取-冷凍干燥法制備大孔纖維狀多孔支架親水-疏水雜化多孔支架鹽析法制備得到PLGA多孔支架膠原/PLGA雜化多孔支架計算機輔助設(shè)計/固體手劃線制備法CAD/SFFSchematic representation of the process. (a) CAD of the mould possessing the negative shape of the scaffold, (b) CAD file imp

46、lementation in model-maker II and printing of model by controlled droplet deposition of mould and support materials to form a layer, (c) elevator moves down and process repeated to build next layer, (d) completed mould containing support material structures, (e) removal of support material by immers

47、ing into selective solvent, (f) the final mould, (g) casting of collagen dispersion into mould, (h) collagen dispersion frozen at 20oC, (i) dissolving mould away by immersing in ethanol, (j) critical point drying of collagen, (k) a dry collagen scaffold.mouldCollagen scaffold支架表面改性表面化學(xué)成分改性表面接枝改性 化學(xué)接

48、枝/光接枝/輻射接枝/等離子體接枝表面吸附改性表面包埋改性表面共混改性表面層層自組裝表面礦物化表面形貌改性-表面圖案化The reason of surface modification?Opposite effects of integrin ligands. Immobilized ligands act as agonists of the ECM, leading to cell adhesion and cell survivalwhile non-immobilized ligands act as antagonists, leading to cell detachment,

49、a round cell shape, and apoptosis.Surface presenting specific ligands for interacting with cellsLigand clusteringLigand gradientPatterned surfaceRequirement of Surface Modification表面化學(xué)成分改性: Michael Addition Reaction疏水相互作用，例如Pluronic在PLGA表面的吸附靜電相互作用特異吸附表面吸附特異吸附:biotin-avidin表面包埋體內(nèi)礦物化過程中酸性蛋白起到成核點的作用聚陰

50、離子中羧基同樣可以與Ca2+絡(luò)合，進一步形成HA與共混法相比，仿生法制備得到的羥基磷灰石表面具有高界面結(jié)合強度等優(yōu)點表面仿生礦物化：羥基磷灰石PHEMAPLGA表面經(jīng)堿性水解，產(chǎn)生大量的羧基，可與Ca2絡(luò)合，成為HA的成核點HA在未經(jīng)堿處理的PLGA表面生長很慢PLGA未水解PLGA水解PLGA表面圖案化Photo lithographySoft lithography Microcontact printing Microfluidic patterningPhotolithography: 最小結(jié)構(gòu)250 nmHA modification for photolithography Pro

51、cedure of photolithographyOptical imageSEM imageFibroblast attachment to patterned HA surfaceSEM imageAFM imagecellsHA由哈佛大學(xué)化學(xué)系Whitesides及Xia等發(fā)展最小分辨率可達(dá)30 nm除組織工程外，可應(yīng)用到其它很多領(lǐng)域，例如生物傳感器、信息工業(yè)、微電子等都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響Microcontact printing基本原理：類似于圖章的產(chǎn)生過程PDMS: 聚二甲基硅氧烷FN: 粘連蛋白Comb polymer: 類似于印泥Comb polymer: PMMA-g-PEG阻止細(xì)胞粘附促使細(xì)胞粘附類似于印章Substrate: 類似于紙TOF-SIMS：飛行時間次級離子質(zhì)譜儀CLSMAFMTOF-SIMS 將樣品表面用照射量少的一次離子(脈沖)照射后，從樣品表層釋放出碎片離子、分子離子等二次離子。使用飛