新型功能材料导电聚合物在生物医药工业中的应用

邹东恢，梁 敏

(1.齐齐哈尔大学食品学院，黑龙江齐齐哈尔 161006;2.齐齐哈尔大学化学与化工学院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

0 前言

导电聚合物是20世纪70年代末发展起来的新兴产品，自美国MacDiarmid教授、日本Shirakawa教授等［1］发现聚乙炔具有高电导率以来，导电聚合物就引起了科学家的关注，导电聚合物同时具有金属、半导体和绝缘体的某些性质，在合成过程中成本低、制作容易，在电磁屏蔽、微电子、场效应晶体管、光电及发光二极管等［2］领域显示了良好的应用前景。

导电聚合物是同时具有聚合物特征和导电性质的物质，根据材料的组成可以分成复合型导电聚合物材料和本征型导电聚合物材料两大类。常见的导电聚合物有聚乙炔(PA)、聚噻吩(PT)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)及聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)等，经研究发现，某些新型导电聚合物具有良好的生物相容性，在电刺激下可以调节细胞的迁移、贴附、蛋白质的分泌与DNA［3］的合成等过程，从而使其的应用领域延展到生物工程及医疗等行业。

1 导电聚合物的功能特性

导电聚合物的种类较多，易于生产制造，成本低廉，且体积小质量轻，特别是通过对聚合物分子结构的合理设计，还可以控制其各种性能，例如，电气性能、光学性能、力学性能等，具有可加工性和环境稳定性等。

导电聚合物不仅保留了高聚物结构的多样化、可加工性和柔韧的机械性能等特点，同时还兼具了因掺杂而带来的半导体或导体的特性，导电聚合物最重要的性质是它的导电性，其电导率可在10-9～105S/cm，是能够完成形态变化跨度最大的物质，可以实现从绝缘体到半导体、再到导体的变化，此外，导电聚合物还具有光导电性质、掺杂-反掺杂性能、磁性能、非线性光学性质、发光和氧化还原性能等［4-6］。

2 导电聚合物的制备

导电聚合物可以通过化学法或电化学聚合方法合成，种类不同的导电聚合物需要不同的聚合方法，电化学聚合是在电场作用下电解含有单体的溶液，在电极表面获得共轭高分子膜;化学聚合是通过采用氧化剂对单体进行氧化或通过金属有机化合物偶联的方式得到共轭长链分子。

可以通过其单体的电化学聚合来制备聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等多种导电聚合物，电化学聚合已成为研究和开发导电高分子的有效方法。通过聚合条件的优化，可以得到柔韧、光滑、电导率达102S/cm的导电聚吡咯膜，导电聚吡咯的突出优点是在水溶液中进行电化学聚合，阴离子在吡咯聚合过程中不仅参与了吡咯的电化学聚合过程，而且起离子导电作用，同时又是生成导电聚吡咯的掺杂对阴离子［7］。

3 导电聚合物在生物工业中的应用

3.1 导电聚合物在生物传感器中应用

生物传感器是由固定化的生物物质(如酶、抗原、生物膜等)作为敏感元件与适当的化学信号换能器组成的生物电化学分析系统，用导电聚合物聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺等作为传感器的基体材料或选择性包覆材料可制作生物传感器，从1986年开始将葡萄糖氧化酶固定在聚吡咯上制成了聚吡咯葡萄糖传感器后，许多研究者先后开展了相应研究，采用各种导电聚合物作为载体材料制作了微生物传感器、酶传感器、免疫传感器等［8］，其中以生物酶传感器研究最为广泛，具体如表1所示。

表1 导电聚合物生物传感器

酶的固定化为生物传感器制作的关键步骤，固定酶的量可通过酶溶液浓度和聚合物膜厚度来控制，先将导电聚合物聚合在惰性电极上，再利用导电聚合物可逆的掺杂/去掺杂特性以及强吸附性能将酶固定化。

生物传感器具有广阔的应用前景，导电聚合物材料的出现为传感器的设计制作引发了新的思路，利用导电聚合物的优异特性，如何使之实用化是导电聚合物传感器未来的发展方向:①可以采用化学修饰如嵌入、复合来合成性能优良的导电聚合物敏感材料;②应用多样化的检测手段如阻抗技术、SAW技术等，以提高导电聚合物传感器的灵敏度和可靠性;③开展其在环境监测中的应用研究，如:用于水质监测的生物耗氧量、酚类、汞盐等传感器;④导电聚合物生物传感器用于临床医学检测的研究等。

3.2 导电聚合物在组织工程中应用

导电聚合物应用于组织工程领域，是和导电聚合物具备良好的导电性、氧化还原性、三维立体结构及表面形貌等特性密不可分的，但更为关键的是其具备良好的生物相容性，生物相容性是电活性导电聚合物应用于生物组织工程首先要解决的问题，一些研究表明，具有电活性的导电聚合物PPY与生物体之间存在相容性［9］。

聚吡咯是导电聚合物中较早被作为组织工程材料研究的材料，研究表明聚吡咯与细胞和组织有较好的适应性，如早期研究表明用对甲苯磺酸盐掺杂的聚吡咯(PPYTS)与小鼠的神经母细胞瘤细胞和小鼠成纤维细胞有细胞相容性，利用导电聚合物作为细胞生长的机体，其好处在于可以通过加电压和电流的方式使细胞处于电场中，从而诱导其生长行为;以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)做支持物，将透明质酸(HA)掺杂到聚吡咯中合成聚吡咯-HA，在体内起促进血管生成的作用［10］，此外，PPY还能促进组织细胞生长，刺激神经再生，用于细胞工程等领域。

导电聚合物材料的特殊性能正好满足了组织工程的发展需要，生物材料新技术的应用，既能支持组织生长，又能刺激特异性细胞功能，将会成为生物材料领域的主力军。

4 导电聚合物在医药工业中的应用

控制药物释放的最优化方法一直处于不断的探索中，药物的可控释放可克服传统通过口服或注射药物引起的血药浓度波动大等缺点，导电聚合物包裹药物并通过电化学刺激进行可控释放，这种方法由于具备一些优异的特性而引起关注，目前为止，可经导电聚合物包裹并通过电化学刺激实现有控释放的药物包括某些治疗性蛋白质，如有神经营养因子、地塞米松、肝磷脂等［11］。

Subramanian［12］把电活性苯胺低聚物以共价键的方式结合在二氧化硅介孔分子筛中，得到了电活性的有机—无机杂化介孔分子筛，此体系可用于可控生物高分子(如蛋白质、核糖核酸、荷尔蒙等)或药物的储存和释放。

在医学诊断方面，基于导电聚合物制备的生物传感器可以检测血糖、尿素、乳酸及胆固醇等;固定有DNA分子的导电聚合物制备的DNA传感器，可检测一些遗传性疾病、病原菌感染，以及分子生物学实验中的cDNA克隆筛选等［13］。

近年来国外开展较多的治疗方法［14］之一是在体内植入永久性神经电极，通过神经电刺激恢复中枢神经系统损伤后的功能，或者通过神经电调节恢复神经系统功能性紊乱的平衡，由于聚合物的疏松结构具有介于探针硬材料和中枢神经组织软材料之间的力学模量，可在两者间建立力学模量中间过渡层，从而优化了两种材料的界面接触，既能减少由组织和电极的不匹配张力而引起的炎症反应，又可大大地减小异体反应和瘢痕组织的形成，减小了信号损失。

以聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺为代表的电活性导电聚合物已成为生物医药工程领域关注的焦点之一，改进导电聚合物的生物相容性和稳定性，可用于细胞培养、组织工程支架、蛋白质分离、DNA的吸附修复、神经探针等［15］，聚吡咯适合做组织生长支架，可以用于刺激神经细胞、骨细胞再生、血管移植以及体外肝脏的培植等医疗工程领域。

5 前景展望

导电聚合物的研究迄今为止已获得了辉煌的成就，导电聚合物潜在的巨大应用价值成为材料化学领域热点，必将成为功能材料家族中的重要成员，导电聚合物表面功能化的研究及应用，为制备出稳定性高、生物相容性好、特异性强，同时制备简便、成本低廉的生物医学设施提供了广阔的发展空间，将在生物工程和医学领域发挥越来越重要的作用。

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