聚癸二酸丙三醇酯静电纺丝支架的制备及其在组织工程中的应用

张晓明 李文博

咸宁市中心医院口腔科，咸宁 437100

聚癸二酸丙三醇酯（poly-glycerol sebacate，PGS）作为一种新型可生物降解的非线性三维网状聚酯弹性体，于2002年由美国麻省理工大学Langer R研究组首次合成[1]。PGS具有优良的生物相容性、力学性能和可降解性，在生物工程和生物医药材料领域得到了广泛的运用[2-5]。尽管线性聚酯材料，如聚乙交酯、聚丙交酯已经应用于硬组织的修复和再生[6-9]，但由于其高弹性模量和不可塑性，无法用于受损组织器官的修复。非线性高分子弹性聚酯材料的制备和应用研究得到了人们的密切关注，本文就其中具有代表性的PGS的静电纺丝支架的制备和应用研究进行综述。

1 PGS静电纺丝支架的制备

1.1 静电纺丝

支架材料在组织工程中扮演了一个重要角色，比如模拟细胞外基质，引导细胞黏附和繁殖，以及保持正常的组织形态[10]。与制孔技术、微成形剥脱技术[11-12]等制备组织工程支架材料的方法相比，静电纺丝是一种方便简洁、成本低廉的技术。应用静电纺丝制备出的支架对细胞外基质有较好的模拟并且结构可控，具有超高的孔隙率和比表面积，而且能够促进细胞的黏附、生长和分化，是当今组织工程支架制备的热门选择。

1.2 PGS静电纺丝支架的制备

作为一种新型的热固性弹性体，PGS有许多优点，但也存在机械强度不足、初始降解速率较快等缺点[13-15]。人体不同组织结构的细胞形态和大小差异巨大，如骨组织工程支架需100～250 μm的孔径，而软骨组织工程只需20～100 μm的孔径。Lim等[16]也发现不同的静电纺丝纳米纤维复合体结构可影响到人类骨髓间充质干细胞的细胞重新编程。为了要满足不同组织工程的需要，研究者多将PGS与其他物质共纺，取长补短，合理调控溶液浓度、溶剂性质、电压、接收距离以及溶液的浓度和流速，制备出机械性能和孔隙状态等各项指标都优异的组织工程支架。

聚乳酸是一种被广泛应用于组织工程及其他生物医学领域并且最早获得了美国食品和药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）认证的生物安全材料。PGS和左旋聚乳酸（poly-L-lactide，PLLA）两种材料各有优缺点：PLLA虽然具有较高的机械强度，但因结构中缺乏亲水性基团而严重地影响了其与细胞的亲和性；PGS具有优良的生物相容性和可纺性，但机械强度较差。采用PGS和PLLA共混进行静电纺丝，将两种材料的优点整合，通过PLLA使支架的力学性能提高，通过PGS使支架材料的模量降低，断裂伸长率提高，改善材料延展性及亲水性能，从而获得综合性能优异的支架材料。

2 PGS组织工程支架的应用研究

PGS静电纺丝支架已被广泛应用在心脏、血管、骨、神经、角膜、皮肤和韧带等组织工程的研究领域[17-20]。

2.1 心脏组织工程的应用

心血管疾病是发达国家人民的主要死因[21]，发病率居高不下的心肌梗死更使得心肌组织缺乏再生性，最终导致心力衰竭。虽然组织工程技术还没有创造出与正常心脏组织完全一致的功能性人工心脏，但已经在多方面取得了成绩。

Ravichandran等[17]应用同轴共纺技术制备出PGS短纤维，将其作为强心剂的药物载体，其在同等情况下与PLLA支架相比，辅肌动蛋白、肌钙蛋白、肌球蛋白的重链和连接蛋白43表达更多。这表明，PGS短纤维所营造的生物环境为功能性心肌组织再生创造了有利的条件。Park等[22]制备了带有气孔微体系结构的多层次PGS支架，结合心肌细胞在不同大小的灌注压下共培养。在220～290 kPa时表现出最大的拉伸强度，极限强度也比正常成年大鼠左心室心肌组织高出许多，细胞凋亡减少，连接蛋白-43、基质金属蛋白酶-2、肌钙蛋白-1表达增多，表明带有气孔微体系结构的多层次PGS支架能适应一定的压强，表现出良好的力学性能和生物学性能，为心脏损伤后再修复提供了基础支持。澳大利亚莫纳什大学（Monash University）材料工程系制备的携带人类胚胎干细胞的PGS弹性体补丁，经培养液预处理6 d，包裹明胶后，这种复合的PGS补丁被缝合在大鼠的左心室壁上，保持完整性时间超过2周，且没有表现出对心脏的功能有任何的毒副作用[23]。这不仅表明，PGS是适宜人类胚胎干细胞（human embryonic stem cells，hESCs）生存再生的生物材料，而且这种心脏修复补丁具有良好的力学性能和活跃的植入收缩性。

2.2 血管组织工程的应用

人造血管携带生长因子可以增强招募宿主细胞的能力，其中，基质细胞衍生因子就是这种能诱导宿主细胞迁徙和黏附的生长因子，这种能力却因其较短的半衰期而受到限制。Sun等[24]合成了包含肝素和聚合阳离子凝聚层的PGS支架，凝聚层形成均匀的支架涂层，不仅使支架保持基质细胞衍生因子（stromal-derived factor-1alpha，SDF-1α）的高负载率，而且在静态和生理活动水平下保持了SDF-1α的释放率。将PGS材料制备成细小的人造血管，应用聚己内酯进行表面改性后，植入大鼠的腹主动脉；1年后进行表征测定时发现，肉眼观上人造血管已经和原来的腹主动脉无异，都是由连续的内皮细胞、血管中层和外膜层构成，80%的人造血管未出现明显的狭窄、扩大和钙化，且再生层含有神经和大量成熟的弹性蛋白。尽管组织排列上与真实血管存在差异，但是二者的动态机械顺应性相似。

2.3 骨组织的应用

以前的研究多是关于软骨组织工程，表明PGS支架能够截留营养成分，促进软骨组织细胞的生长繁殖[25]。最近，Deng等[26]将micro-RNA-31修饰改性的骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells，BMSCs）植入PGS支架来修复8 mm的大鼠颅骨极限缺损，结果显示，micro-RNA-31修饰改性组成骨基因在mRNA和蛋白质水平的表达显著增强，且观察到健康新骨和富含高密度矿物质的陈骨。更重要的是，在生物体内PGS携带micro-RNA-31修饰改性的BMSCs展现了优异的生物相容性和60%的高再生率。Zaky等[27]进行了兔子尺骨极限缺损的实验，应用PGS支架结合BMSCs修复缺损部位，8周后使用计算机断层扫描观察到大量优质的再生骨组织。Bodakhe等[21]应用均质化程序使纳米羟磷灰石和PGS发生光敏交联，制造出纳米复合体。优化的纳米复合材料在体外表现出优异的细胞附着、增殖能力和诱导大鼠骨髓间充质细胞的分化性能，且机械性能增强，极限强度达到8 MPa。在大鼠颅顶骨缺损的生物体模型中，复合体材料也展现出较高的碱性磷酸酶活性和骨再生能力。这种生物相容性、生物活性和机械性能均佳的复合体适宜作为载荷骨再生装置应用于微创外科手术。以上研究均表明，对于骨缺损，PGS弹性体是一种适宜引导骨再生的支架材料。

2.4 其他方面的应用

PGS制成的手术缝合线既能在伤口愈合后自动降解并被生物体吸收，免除患者二次拆线的痛苦，同时可减少空气或液体感染所引发的疾病，避免传统肠线及纤维蛋白、胶原蛋白缝线可能导致血源性病毒污染的担忧，有效促进伤口愈合[28-29]。

PGS作为组织再生膜，应用到腹膜创伤等各种组织伤病和缺损，不仅防止了干燥、缺血、术后粘连等临床并发症，限制了手术切口的收缩、撕裂和腐蚀，还可促使术后腹膜底层组织修复能力增强，减少纤维蛋白的沉积，即使沉积也多被纤维素酶降解[30]。如果纤维蛋白堆积且不能得到及时清除，仍然保持其黏性及与附近组织的粘连，即有可能恶化手术结局，情况严重者需要进行二次手术。将乳酸加入PGS得到共聚物，将其作为外科密封剂，与传统的纤维和胶原密封剂相比，虽然不能更好地促进伤口愈合，但是有效地降低了血液病毒感染的危险。从这方面讲，PGS和乳酸共聚物充当外科密封剂是一种更好的选择。

药物缓释载体体系是指药物能按一定的速度在指定时间内释放到指定的位置，且能够控制药物在体内的持续释放速率，确保药物在体内达到有效浓度，减小不良反应。与传统不可降解的药物缓释体系相比，可生物降解聚合物体系由载体的降解速率控制缓释速率，药物性质对其影响较小，包裹药物量和包裹形状有更大的选择空间，释放速率更加稳定，能满足自身不稳定药物的释放要求。PGS作为药物载体的研究[31-32]已有很多。Sun等[32]将掺杂质量分数为2%的5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）在不同的温度和时间下缩聚，随着温度和时间的增加，5-FU PGS的弹性模量和硬度增加，质量损失率和5-FU释放速度降低。Sundback等[23]针对慢性耳部感染，应用鼓膜造孔术，放置插座型PGS材料，与血管组织接触过程中，PGS支持细胞迁移和酶促降解反应，促进了炎症的消除。

2.5 对其他组织工程支架的改性

PGS材料因具有优异的力学性能以及良好的生物相容性，赋予了其能改善其他物质性能的能力。

纳米二氧化硅（nanosilica）与PGS进行原位聚合反应和表面改性，通过高分子相互作用和纳米二氧化硅的分子网络，每20 phr拉伸强度从0.9 MPa增加到5.3 MPa[30]。Celli等[33]应用静电纺丝技术，将聚羟基丁酸戊酯与 PLLA按照7︰3质量比的混合物和不同比例的PGS混合物纺丝，发现与不添加PGS的样品相比，添加PGS的细胞黏附性更好。聚丁烯内加入不同比例的PGS合成新型多聚物，强度更佳，且在长期紫外线照射下不易老化。

3 结论

综上所述，静电纺丝技术制备PGS支架的方法已经趋近于成熟，且已成功应用于心脏、血管和颅骨等体内非承力或承受较小力部位的组织工程，应用于关节区等承力部位组织重建的研究较少。Hagandora等[34]将山羊颞下颌关节盘纤维软骨细胞和PGS共培养，以3种细胞密度植入，培养24 h、2周、4周。结果表明，第4周时组织学染色发现大量的胶原和糖胺聚糖，且所有组别的细胞含量均显著增加。4周时PGS支架的正切模量显著高于24 h时。在行使功能的过程中，受力关节不断地受到力学刺激，组织工程支架除了必须满足一般组织工程对支架材料的生物相容性、降解性能、孔隙率等的要求外，还必须满足纤维软骨的生物力学要求。

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