盤點生物降解性高分子靜電紡絲材料在生物醫用領域的應用

2020-11-23 紡織導報

盤點生物降解性高分子靜電紡絲材料在生物醫用領域的應用

發表時間：2016/5/23

在生物材料中，合成高分子材料因其良好的物理性能，一定的生物相容性及易加工成型性、生產重複性好等特點，在生物醫用領域佔絕對優勢。其中，生物可降解材料最引人注目。目前在生物醫學領域應用佔絕對優勢的是生物降解性高分子，通過靜電紡絲製備成納米纖維，可用於組織工程支架材料、新型藥物釋放載體以及納米模板材料等領域。


1.聚羥基乙酸（PGA）

PGA又稱聚乙醇酸，是一種最簡單的脂肪族聚酯，在微生物或生物體內酶或酸、鹼的促進下水解形成二氧化碳和水，同時有很好的組織相容性。作為結構最簡單的線型脂肪族聚酯，PGA 是體內可吸收高分子最早商品化的一個品種，早在1970年，PGA 醫用縫合線已經商品化（商品名Dexon）。目前已經商品化的PGA纖維都是採用熔融擠出的方法獲得，利用靜電紡絲來製備PGA 納米纖維有兩個困難，首先PGA的熔點較高和熱可降解性，使其難以採用熔體靜電紡絲方法製得；其次PGA不溶於常規的有機溶劑，溶液的紡絲溶劑可選擇範圍窄，難以尋找到合適的溶劑。目前，已有研究通過採用特殊的溶劑，如六氟異丙醇，以及其他方法解決了這兩大問題。


PGA縫紉線

2.聚乳酸（PLA）

聚乳酸是一種聚羥基酸，可由玉米、甜菜等經發酵、蒸餾獲得，具有很好的生物降解、生物相容性、可吸收性，抗熱性高，是研究和應用最廣泛的生物降解材料。PLA存在4種不同形態，即PLLA、PDLA、D,L -PLA（又稱PDLLA）和meso-PLA。其中PLLA和PDLA由於較好的力學強度而常用作醫用縫合線，無定形高分子D,L-PLA 常用於藥物控釋載體，meso-PLA的應用較少。


PLLA修複流失的膠原質

 

D,L-PLA 用於藥物控釋載體

由於PLA具有良好的生物學特性，PLA 納米纖維在組織工程和藥物控釋等領域的應用引起了研究者廣泛的興趣。研究人員已經通過經典紡絲製備出了可生物吸收的無紡布納米纖維膜、組織工程支架材料、有利於皮膚與大氣交換空氣和水分的皮膚貼膜和皮膚保護膜藥物控制釋放等。靜電紡絲法製備聚乳酸納米纖維還面臨一些問題：電動力學及其與聚合物流體的關係尚不明確，需要深入研究；產量很低；得到的纖維力學強度不夠；有待進一步提高。

3.聚己內酯（PCL）

PCL 作為一種潛在的生物降解材料也已被廣泛研究，是由有機金屬化合物催化環狀單體ε-己內酯開環聚合而得到的完全可生物降解的聚酯之一。PCL降解速度比PLA更慢，可以在生理條件下通過水解機制降解。PCL 具有良好溶解性，在大部分有機溶劑中都表現出良好的溶解性，因此其加工性能很好，近年來利用靜電紡絲技術進行了不少相關研究。

 

用PCL製成的納米球（a,b）、納米纖維（c,d）、泡沫材料（e,f）、針織物（g-i）、選擇性雷射燒結支架（j-o）、熔融沉積模擬支架（p-u）

4.聚丁二酸酯（PBS）

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）由丁二酸和丁二醇經縮合聚合合成，易被自然界的多種微生物或動植物體內的酶分解、代謝，最終分解為二氧化碳和水，是典型的可全降解聚合物材料，具有良好的生物相容性和生物可吸收性。具有代表性的產品如日本昭和公司生產的商品名為BionolleTM的PBS基聚酯，熔點在110～120℃，有較好的耐熱性。

 

BionolleTM的降解性能

5.聚β-羥基丁酸酯（PHB）

聚羥基烷基酯（PHA）是一系列廣泛存在於微生物細胞中的天然高分子，由於具有優良的生物相容性和生物降解性，使其在生物醫學領域的應用受到越來越多學者的重視。但是，該材料體內降解很慢，完全吸收要數年時間。因此，應用更多的是它與β-羥基戊酸酯的共聚物PHBV。

 

PHBV納米纖維

PHBV由於具有較低的結晶、高柔軟性並易於加工，應用價值很高。目前對於靜電紡絲法制PHB基納米纖維的研究主要集中在PHB和添加物混合紡絲、PHB共聚物PHBV紡絲、PHB和聚合物共紡等方面。PHB作為生物可降解材料有廣泛的應用前景，尤其是在生物醫學方面。PHB基納米纖維今後的發展應主要在兩個方面：（1）PHB與其生物可降解材料複合電紡，如PHB/PLA等；（2）PHB與功能性納米粒子複合電紡。

6.聚氨酯（PU）

聚氨酯通常是由多元醇和異氰酸酯進行加成反應，再加擴鏈劑擴鏈製得的一類含有氨基甲酸酯基團的高分子材料。從分子結構看，聚氨酯是一種由柔性的軟段和剛性的硬段交替共聚的聚合物，通過聚氨酯軟段及硬段的分子設計可得到各種不同力學強度和降解性能的聚氨酯材料。嵌段聚氨酯彈性體具有獨特的力學性能和優異的生物相容性，作為生物材料使用已經有幾十年的時間，主要用於組織工程支架材料、血管替代物、皮膚創傷敷料等。可降解型聚氨酯由於具有很好的生物相容性及可降解性而成為一種重要的組織工程材料。此外，聚氨酯具有較強的分子結構可設計性，易於加工成型，力學性能優異等優點。

 

生物可降解血管支架

結語

靜電紡絲作為一種簡便高效的生產高分子納米纖維的新型加工技術，用於製備低模量、高柔順性、高強度的可降解高分子纖維材料是一個重要的科學課題。這類材料研究成功後可用於製作高柔韌性單絲手術縫線，也可用於製備組織工程支架等，這將極大推動醫學和生物學的發展與進步。因此未來加強需要以下研究方向的研究：利用靜電紡原理，通過改進裝置、控制參數，得到連續、尺寸均一、缺陷可控及排列規則的高分子納米纖維；在了解靜電紡過程和靜電紡高分子納米纖維性能的基礎上，開發出具有降解速度可控、力學性能和生物相容性良好的高分子納米纖維，實現納米纖維的實用化；製成強度在體內能保持較長時間，並在傷口癒合後短時間內可吸收的縫線材料，也是一個重要的研究方向。

（來源：靜電紡絲進展）

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