基于聚電解質(zhì)的生物醫(yī)用材料表面自組裝技術(shù)

基于聚電解質(zhì)的生物醫(yī)用材料表面自組裝技術(shù)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們越來越意識到生物體系中不同復(fù)雜和精致的功能是通過生物分子之間的各種弱相互作用的協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)的。一些生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸等,其復(fù)雜的功能也是基于他們特定的三級結(jié)構(gòu),通過分子片斷間的各種弱相互作用,自發(fā)的組裝、堆積形成多層次的空間結(jié)構(gòu),并實現(xiàn)其功能,即分子聚集體的功能是蘊含于特定結(jié)構(gòu)的分子組織中。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超分子化學(xué),則是研究分子基于弱相互作用地組裝、自組裝和自組織行為,并研究這些行為可能帶來的結(jié)構(gòu)和功能的改變,以期建立結(jié)構(gòu)和功能間的關(guān)系。在對各種分子組裝體系的研究中,自組裝超薄膜由于其結(jié)構(gòu)簡單、制備相對容易等特點而引起了人們廣泛的研究興趣。1991年,Decher等在L-B膜的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種基于陰陽離子靜電相互作用作為推動力的制備多層膜的方法。從此,自組裝多層膜的研究引起了各不同領(lǐng)域的科學(xué)家的興趣,層層自組裝技術(shù)也因此被應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。層層自組裝技術(shù)(Layer-by-Layerself-assembletechnique,LbL)是基于聚電解質(zhì)陰陽離子所帶正負電荷間相互作用的一種自組裝超分子技術(shù)。該技術(shù)的主要特點是在表面荷電的基材表面通過靜電相互作用交替地吸附上帶相反電荷的聚電解質(zhì)陰陽離子。因此,它具有一系列優(yōu)點,如:組裝分子的選擇范圍廣泛,可以為合成的聚電解質(zhì),也可以是蛋白質(zhì)、多糖、DNA等荷電的生物活性大分子;其制備工藝簡單,通過簡單的交替浸涂技術(shù)可實現(xiàn)在材料表面組裝分子在納米、亞微米尺度的有規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計;制備條件溫和,可在常溫水溶液中進行,可以保證生物分子具有維持生物活性的天然構(gòu)像;此外,該方法適用的基體材料種類多,對基體材料的體型結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強,并可在具有復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)的裝置和材料上實現(xiàn)。因此,該技術(shù)在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文就近年來層層自組裝技術(shù)在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進展作一綜述。1回血劑表面形成血栓的方法合成材料要作為生物醫(yī)用材料植入人體內(nèi)與血液接觸,首先要滿足的就是具有血液相容性。根據(jù)凝血機理,要防止血液在高分子材料表面形成血栓,有兩條基本途徑。其一是盡量減少高分子材料表面和血液中各種成分的相互作用,即制備和血液成份相互作用很小的“生物惰性材料”。其二是控制高分子材料表面和血液的相互作用。為此,人們將某種生物活性物質(zhì)通過適當方式固定于材料表面,制成所謂的負載生物活性物質(zhì)的抗凝血材料,利用材料表面生物活性物質(zhì)和血液成分的相互作用來實現(xiàn)所需的抗凝血功能。1.1層組分質(zhì)模型制備已有研究表明聚合物材料表面吸附的白蛋白層可進一步抑制血液其它成分蛋白的吸附和變性,從而抑止凝血的發(fā)生,具有良好的生物惰性。然而,盡管白蛋白是血液中含量最高的蛋白質(zhì),但白蛋白吸附受到血液中其它高吸附活性蛋白質(zhì)的競爭,導(dǎo)致其吸附的低選擇性,并導(dǎo)致最終凝血。層層自組裝技術(shù)由于能在溫和條件下負載多種生物分子并保持生物分子的天然構(gòu)像而在構(gòu)建生物惰性表面中得到廣泛應(yīng)用。如采用聚陽離子聚乙烯基亞胺(Polyethyleneimine,PEI)和白蛋白的層層自組裝,可在多種材料上形成穩(wěn)定的白蛋白層,從而形成生物惰性表面。1.2多層膜表面修飾多種生物活性物質(zhì),如天然聚多糖等,都具有較高的抗凝血活性,因此在高分子材料表面負載上一些具有抗凝血活性的生物活性物質(zhì)以制得所謂的生物活性抗凝血材料是最近幾年研究的新熱點。而層層自組裝溫和的組裝條件,對生物分子和基材的廣泛適用性為負載生物活性物質(zhì)表面設(shè)計提供了良好的選擇。天然聚陰離子肝素,可通過催化血液中凝血因子和抗凝血因子的復(fù)合而有效地阻抗凝血過程,是臨床中使用最廣泛的抗凝血藥物。因此,在醫(yī)用支架材料,如聚氯乙烯或醫(yī)用不銹鋼表面通過肝素和聚陽離子的層層自組裝修飾,獲得了穩(wěn)定的抗凝血涂層。而聚電解質(zhì)的種類,組裝條件等則可以影響層層自組裝膜的生物活性。如Houska利用抗凝血活性的肝素和生物惰性的白蛋白層層自組裝,獲得了具有復(fù)合抗凝血功能的涂層。即當采用肝素為最外層時,可顯著增加抗凝血因子Ⅲ的黏附;而當采用白蛋白為最外層時,涂層可有效降低血纖維蛋白原、球蛋白和血小板的黏附。Akashi則以抗凝血的肝素類似物磺化葡聚糖作為陰離子,凝血性的殼聚糖為聚陽離子,研究了在不同鹽濃度條件下采用層層自組裝方法構(gòu)建得到的具有凝血-抗凝血交替變化的表面,研究表明組裝膜的厚度隨溶液中鹽濃度升高而增加。只有在鹽濃度高于某一臨界值時才可能獲得凝血和抗凝血交替變化的表面。而在相同條件下肝素和殼聚糖的層層自組裝表面則呈現(xiàn)不同的生物活性,即使當殼聚糖為最外層表面時,表面依然呈現(xiàn)出高的抗凝血活性。Thierry等則在金屬支架表面通過靜電自組裝構(gòu)建了透明質(zhì)酸(Hyaluronicacid,HA)/殼聚糖(Chitosan,CS)的聚電解質(zhì)多層膜表面。血小板粘附實驗表明多層膜修飾后,金屬支架的血小板粘附量減少了38%,若在多層膜中負載藥物硝普鈉(sodiumnitropusside,SNP),血小板的粘附量進一步減少,與未修飾的支架相比粘附量減少達40%。這種利用層層自組裝構(gòu)建的天然聚多糖納米涂層由于可有效阻抗血栓形成,可用于血管修復(fù)等領(lǐng)域。2物醫(yī)用材料的研究隨著組織工程的發(fā)展,組裝工程材料表面的細胞相容性的改善已成為生物醫(yī)用材料研究的一個關(guān)鍵問題。而層層自組裝由于具有溫和的組裝條件,對生物分子和基材的廣泛適應(yīng)性及其能在納米和亞微米尺度設(shè)計的可調(diào)性等優(yōu)點,已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于組織工程材料的表面改性中。2.1殼聚糖的生長和產(chǎn)酶學(xué)性能通過層層自組裝技術(shù)把細胞外基質(zhì)組分直接固定在材料表面,從而在材料表面覆蓋一層細胞外基質(zhì),使材料的細胞相容性明顯提高,這類研究已成為細胞相容性材料研究中的熱點。采用人為的方式形成材料-細胞外基質(zhì)復(fù)合層,可通過選擇特定細胞外基質(zhì)(如促細胞黏附的透明質(zhì)酸,纖維粘連蛋白、膠原等)或類細胞外基質(zhì),改善細胞在材料表面的吸附及生長性能,是一種簡單有效的方法。透明質(zhì)酸是一種很重要的糖胺多糖,在生理環(huán)境中多為陰離子形式存在,是構(gòu)成細胞外基質(zhì)組分的重要物質(zhì)之一。Picart等通過激光共聚焦顯微鏡觀察熒光染色的聚賴氨酸和透明質(zhì)酸交替組裝多層膜,發(fā)現(xiàn)聚賴氨酸可以在層間交換生長,而透明質(zhì)酸則始終保持固定的層狀結(jié)構(gòu),這種聚電解質(zhì)層的生長方式使得多層膜的厚度呈現(xiàn)出指數(shù)增長的性質(zhì)。殼聚糖是一種直鏈多糖。它由β-(1,4)糖苷單元連接組成,這些糖苷單元上還隨機地帶有N-乙?；Y(jié)構(gòu),因而它具有糖胺多糖和透明質(zhì)酸的部分特點。Ji等通過在PEI活化的聚乳酸基材表面層層交替組裝上海藻酸鈉(Alginate)/PLL、PEI/明膠、CS/Alginate及PEI/Alginate等不同的聚陰陽離子對,構(gòu)建了一系列類細胞外基質(zhì)組分的表面。通過紫外光譜分析及接觸角等的結(jié)果顯示聚電解質(zhì)和類細胞外基質(zhì)可以層層自組裝在胺解的聚乳酸組織工程材料表面,且類細胞外基質(zhì)分子的含量隨組裝層數(shù)的增加而增加。在生理環(huán)境條件下,該層層組裝的聚電解質(zhì)多層膜具有良好的穩(wěn)定性,并且具有顯著地促進軟骨細胞和骨細胞的吸附和生長。2.2涂層材料的利用方法在利用層層自組裝技術(shù)構(gòu)建細胞相容性界面的研究中,人們除了在多層膜中負載細胞外基質(zhì)分子得到促細胞粘附生長的表面外,還基于聚電解質(zhì)多層膜的溶脹特性進行了材料表面上構(gòu)建細胞惰性的聚電解質(zhì)多層膜的研究。Rubner等采用聚烯丙基胺和聚丙烯酸的層層自組裝的類水凝膠涂層同樣實現(xiàn)可有效阻抗纖維細胞的黏附。進一步采用聚烯丙基胺和其它聚陰離子的層層自組裝研究表明,涂層和細胞的相互作用和聚陰離子的選擇密切相關(guān),采用強聚電解質(zhì)的聚陰離子和聚烯丙基胺組裝可粘附成纖維細胞,而采用弱電解質(zhì)的聚陰離子和聚烯丙基胺組裝的涂層,由于在生理條件下高度溶脹形成高含水量的類水凝膠表面,可有效阻抗成纖維細胞的粘附。這種利用聚電解質(zhì)多層膜修飾構(gòu)建得到的生物惰性表面,通過聚合物-聚合物堆積方法負載細胞生長因子而使表面圖案化從而誘導(dǎo)細胞的定向的規(guī)整粘附生長,具有很大的運用前景。Hubbell等在模擬人體組織的細胞外基質(zhì)涂層表面,采用陰離子性海藻酸鈉和陽離子性的聚賴氨酸交替涂敷,在人體下構(gòu)建了層層自組裝涂層。研究發(fā)現(xiàn)當組裝2雙層的聚賴氨酸/海藻酸鈉后開始直到組裝15雙層,材料表面粘附的細胞數(shù)很少,且粘附的細胞形態(tài)都為非鋪展狀態(tài)。而未經(jīng)聚電解質(zhì)多層膜修飾的TCPS表面的細胞相容性卻很好。該涂層具有聚陽離子和聚陰離子締合的水凝膠結(jié)構(gòu),當最外層為海藻酸鈉時,高度親水的類水凝膠結(jié)構(gòu)涂層可通過體積和靜電排斥作用有效地阻抗蛋白質(zhì)的吸附和變性。該層層自組裝涂層不僅是生物惰性,而且可有效隔離細胞外基質(zhì)涂層和細胞的相互作用,可應(yīng)用于外科手術(shù)后的防止組織粘連和促進愈合。2.3多層膜的生物學(xué)特性在多層膜組裝時,其組裝條件,組裝膜表面的荷電情況,親疏水性及交聯(lián)情況等對細胞的粘附行為有很大影響。根據(jù)材料的具體應(yīng)用要求,可以通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)來調(diào)節(jié)材料的細胞相容性。Rubner等研究發(fā)現(xiàn):在高鹽濃度下組裝的多層膜具有明顯的促細胞粘附性質(zhì),而在低鹽濃度下得到的多層膜則是抗細胞粘附的。而在低pH條件下(pH為2.0/2.0)組裝得到的聚烯丙基胺鹽酸鹽/聚丙烯酸(PAH/PAA)多層膜呈現(xiàn)完全的細胞惰性。Picart也研究了透明質(zhì)酸和殼聚糖在不同組裝條件下形成的多層膜的生物學(xué)特性。實驗發(fā)現(xiàn)在高的鹽濃度下,當組裝到10雙層時,用原子力顯微鏡(AFM)發(fā)現(xiàn)所得到的膜表面已經(jīng)非常均一平整;而在低的鹽濃度下,組裝到50雙層時也未能得到均一平整的膜表面。這歸咎于在高鹽濃度下,多層膜是以指數(shù)增長的方式增長的。軟骨細胞粘附實驗結(jié)果表明在高鹽濃度下,當組裝5雙層時已具有顯著的抗細胞粘附性質(zhì),且隨組裝層數(shù)的增加,其抗細胞粘附性質(zhì)越明顯。這說明通過調(diào)節(jié)pH及離子強度可調(diào)控細胞的粘附行為。Schlenolf等研究發(fā)現(xiàn)疏水的多層膜表面比親水的表面有更好的細胞相容性。平滑肌細胞培養(yǎng)顯示:在疏水表面,細胞的粘附,鋪展情況良好,而運動性較弱;而在親水表面上則相反。利用聚合物-聚合物沖壓技術(shù)(polymer-polymerstamptechnique)使這些表面微圖案化,則可以有效地控制平滑肌細胞的粘附及其它行為。Picart等則研究了多層膜在交聯(lián)前后及組裝溶液的鹽濃度對細胞行為的影響。如聚賴氨酸(Poly_L_lysine,PLL)和透明質(zhì)酸組裝體系在交聯(lián)前后細胞的粘附特性。研究發(fā)現(xiàn)PLL/HA在未交聯(lián)條件下,不管是以PLL,還是以HA為最外層,多層膜體系都是抗細胞粘附性質(zhì)的。而用EDC[1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodimide]及Sulfo-NHS(N-hydrosulfosuccinimide)交聯(lián)后,細胞在多層膜上的粘附及鋪展狀況良好。這是由于交聯(lián)前高度溶脹的水凝膠結(jié)構(gòu)有效地排斥了細胞的粘附,而交聯(lián)后多層膜的剛性大大增加,從而使得細胞能有效地在其上粘附鋪展。3在藥物釋放過程中的應(yīng)用隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展,微創(chuàng)性的介入治療已經(jīng)應(yīng)用于各臨床學(xué)科。醫(yī)用植入體及介入治療的表面藥物控釋涂層可以形成長效、靶向的藥物傳遞體系,局部的高濃度藥物可以提高治療的有效性,降低系統(tǒng)毒性。層層自組裝涂層表面規(guī)整的層狀水凝膠結(jié)構(gòu)同時也為藥物控釋涂層設(shè)計提供了良好的手段。Lvov等利用層層自組裝技術(shù)在藥物微晶利尿磺胺表面先組裝了2-6雙層的明膠/PSS,然后繼續(xù)組裝上數(shù)層的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)/PSS,形成納米微膠囊,在pH=1.4及7.4條件下研究了該體系的釋放行為,發(fā)現(xiàn)微膠囊中的藥物的釋放速度比涂覆前減慢了50~300倍。Rubner等研究了PAH和PAA層層自組裝涂層的載藥和釋放能力,研究采用亞甲基藍染料為指示劑和模型藥物。研究表明在pH=2.5條件下組裝的PAA/PAH多層膜可有效負載甲基藍染料,其組裝含量隨多層膜層數(shù)的增加而增加;組裝時,鹽離子的存在可加強多層膜的溶脹,甲基藍染料的負載量和負載速度均會增加。對其緩釋速度研究顯示,低的pH和緩沖溶液均會增加釋放速度。且在pH=2.5條件下組裝幾層PAH/PAA多層膜后,再在pH=6.5條件下組裝幾層PAH/PAA多層膜將有利于控制釋放的速度。Pal等針對小分子染料組裝過程脫落的問題,將帶負電荷的小分子物質(zhì)和聚陽離子在溶液中締合后再進行聚電解質(zhì)的組裝,獲得了良好的效果。Kataoka等采用反應(yīng)性層層自組裝技術(shù),將一種具有聚乳酸“核”、聚氧化乙烯“殼”、末端為醛基的反應(yīng)性膠束通過醛基和PAH上的氨基的反應(yīng),層層組裝在聚乳酸材料表面。這種包含可降解聚乳酸核的特殊層狀結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于負載疏水性藥物,將可降解兩親膠束藥物微粒的設(shè)計思想成功應(yīng)用到藥物緩釋涂層的設(shè)計中。Schaaf等則在聚電解質(zhì)多層膜中包埋空心磷脂微膠囊,這種裝置將在藥物控釋領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。Barrett等研究了PAH/HA涂層中的可溶性藥物的負載及釋放能力,采用吲哚藍和鉻變素-2R作為模型藥物。研究發(fā)現(xiàn)藥物分子的負載及釋放與膜的溶脹度,藥物分子與膜上酸-堿基團的相互作用等有關(guān),即具有pH敏感性。通過調(diào)整pH,不僅可以得到較高的負載量,而且可以控制釋放速度及釋放的量。Picart等研究了由細胞外基質(zhì)組分透明質(zhì)酸和殼聚糖組裝的多層膜在各種酶及在生理環(huán)境條件下的降解特性。研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)交聯(lián)前,HA/CS多層膜在溶菌酶,淀粉酶存在條件下快速被降解,而經(jīng)過交聯(lián)后多層膜的抗降解能力大大提高。在小鼠口腔中的體內(nèi)降解實驗發(fā)現(xiàn),交聯(lián)后的多層膜在3天后仍有60%的剩余。這表明,由天然聚多糖形成的聚電解質(zhì)多層膜在口腔治療的藥物緩釋系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用前景。利用層層自組裝技術(shù)除了能實現(xiàn)普通藥物的控釋和緩釋外,也可以實現(xiàn)基因藥物的控釋和緩釋。目前,采用DNA分子和聚陽離子在溶液中締合形成非病毒基因載體已經(jīng)成為基因藥物研究的一個熱點。而DNA分子和聚陽離子層層自組裝的研究也開始倍受關(guān)注。Yang等采用PDDA與DNA通過靜電自組裝形成規(guī)則的聚電解質(zhì)多層膜,這類負載有生物活性的DNA分子表面將在基因傳遞體系的研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。4復(fù)合納米粒子作為抗菌劑的應(yīng)用Picart等在研究不同鹽濃度下HA/CS體系的抗細胞粘附性質(zhì)的同時,也研究了該體系的抗菌行為。細菌粘附實驗結(jié)果表面:在高鹽濃度下組裝10雙層聚電解質(zhì)修飾的表面與玻璃基底相比,細菌粘附量降低了80%;而在低鹽濃度下組裝20雙層的HA/CS,當CS為最