导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料在组织工程中的应用进展*

查芳雯，陈 炜，于德梅

(1. 西安交通大学 化学学院，西安 710049； 2. 西安交通大学 基础医学院，西安 710049)

0 引 言

静电纺丝纤维材料由于与天然的细胞外基质(ECM)具有相似性，已经成为组织工程应用的一个新兴研究课题[1-2]。导电聚合物是一类具有共轭π键的高分子，其主链上具有高度重叠的共轭π轨道，共轭结构上的电子游离与高分子主链及邻近的链间，赋予了高分子导电的能力。近年来，导电聚合物在生物医学领域的应用逐渐受到研究者的关注[3-5]。作为一种具有导电性质的材料，导电聚合物最主要的特点是可以直接向细胞传递电信号和机械电刺激，对细胞的生命活动产生影响，这在组织工程，特别是与生物电相关的组织，如神经、肌肉、心脏等，具有很好的应用价值[6-7]。此外，含有导电聚合物的材料可以为细胞提供可控范围和可控时间的导电及电刺激，并且具有增强细胞膜极化和电荷传输的功能。这种导电聚合物所提供的电刺激主要集中在聚合物周围，因而能实现对电刺激空间和时间的精准控制，影响细胞的生长、增殖等行为[8]。因此，导电聚合物是设计并制备具有导电特性的组织工程生物材料的理想选择。通过静电纺丝法，目前已经有多种策略可以将导电聚合物加工成纳米纤维。然而，由于导电聚合物固有的刚性和难溶性，直接电纺丝制备成纤维具有很大的困难。从原则上说，通过静电纺丝直接制备的导电聚合物纳米纤维应保持其高导电性和固有的物理化学特性。但是，由于分子量的限制，以及缺少适用的静电纺丝溶剂，只有一部分导电聚合物，如聚吡咯和聚苯胺，可以通过静电纺丝直接制成纤维。将导电聚合物与静电纺丝纤维相结合，制备成具有导电性能的复合纤维材料，是目前研究的主要思路。将导电聚合物与具有良好机械性能、生物相容性的聚合物相结合，既有利于成纤维，又有利于提高导电聚合物纤维的性能。电纺丝纳米纤维主要作为基质材料，其具有高表面性和多孔性，可以为细胞的生命活动提供合适的基质。利用电纺丝制备复合纤维的方式有多种，包括共混法，原位聚合法和同轴静电纺丝法等。不同方法制备的导电聚合物/静电纺丝复合材料的结构有所差异，对材料的性能和应用都有重要的影响。本文从静电纺丝纤维入手，分析了静电纺丝纤维材料的特性，介绍了不同结构的纤维特点。聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺及其衍生物是导电聚合物中较为常见的三类聚合物。在此基础上，本文主要分三类总结了导电聚合物(聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺)/静电纺丝纤维复合材料的研究现状，特别是此类材料在组织工程中的应用进展。

1 静电纺丝纤维材料及特点

静电纺丝技术由于其适用材料范围广，易于调节，操作简易，成本低，可变性强等优点，近20年来得以快速发展。由于静电纺丝制备的纳米纤维材料具有多孔结构，且物理化学性质稳定，具有可调节的机械性能和降解速率等优势，这类材料可以有效地应用于组织工程、药物缓释、伤口敷料等生物医学领域。静电纺丝纳米纤维是目前组织工程支架材料研究中的一类重要材料，主要是由于其具有以下的几点特性：(1)静电纺丝纳米纤维薄膜具有较好的多孔结构，高的表面体积比和空间体积。这些特性有利于负载和释放生物活性分子，例如蛋白质，纳米药物，核酸等。而且，较高的表面积有利于细胞和支架材料的接触和黏附；(2)采用同样的静电纺丝装置可以制造直径为几十微米甚至小到几纳米的纤维。纳米级的纤维与天然细胞外基质的有序多层纤维结构类似，作为支架材料可以很好地模拟ECM，有利于细胞在表面的黏附和增殖；(3)单一聚合物或多种的聚合物复合物可以通过静电纺丝技术制作成纳米纤维材料。这些聚合物包括大量的天然聚合物，合成聚合物及两者的复合物，从而满足不同的组织工程材料需求。

静电纺丝纤维结构可分为3类：(1)随机取向分布纤维；(2)一维取向纤维；(3)核-壳结构纤维。具有取向性纳米纤维在组织工程中的应用主要是为了控制细胞的生长方向。取向纳米纤维在组织工程中的应用主要是为了控制细胞的生长方向。排列整齐的纳米纤维支架可用于用于人造血管[9]、韧带[10]等组织工程研究。同轴静电纺丝是静电纺丝技术的一种改进或延伸，主要区别是在纺丝过程中使用了复合喷丝头。两种组分可以分别通过不同的同轴毛细管通道，并集成到同一根纤维复合中。同轴静电纺丝的优点是可以在不改变生物相容性的情况下控制壳层厚度、整体机械强度和降解性能。功能化的核-壳结构的复合纳米纤维可用于控制生长因子或药物释放，以及开发高灵敏度传感器和组织工程支架复合材料。

2 导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料

导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料主要可分为3大类：聚吡咯/电纺丝纤维复合材料；聚噻吩/电纺丝纤维复合材料以及聚苯胺/电纺丝纤维复合材料。下文将详细介绍这3类材料及其在组织工程中的研究进展。

2.1 聚吡咯/静电纺丝纤维复合材料

聚吡咯(PPy)是吡咯单体的高分子聚合物，其制备方法灵活，稳定性高，具有较强的化学稳定性和离子交换能力。此外，聚吡咯具有良好的生物相容性，可以有效地支持细胞的粘附与生长。Williams[11]最早使用了小鼠成纤维细胞(L929)和神经瘤细胞证实了PPy不具有细胞毒性。也有研究报道了PPy和壳聚糖的可生物降解导电复合膜对施旺细胞的影响。研究发现无论是否施加电刺激，导电PPy壳聚糖支架均能支持细胞粘附和增殖，但电刺激明显增强了施旺细胞的细胞活性。此外，施加了电刺激PPy-壳聚糖支架显著增加神经生长因子、脑源性神经营养因子的表达和分泌[12]。Liu等使用气相聚合改性电纺丝的方法制备了3D结构的PPy复合支架材料。结果显示随机取向的PPy复合电纺丝纤维支架可以为PC12细胞的粘附与增殖提供具有电活性和生物相容性的平台，具有取向性的PPy复合支架可以有效地引导PC12细胞神经突的伸展方向。Kai等[13]成功地将聚吡咯(PPy)与聚己酸内酯(PCL)复合纺丝，在此材料表面成功培养了心肌细胞；PPy和聚乳酸(PLA)的复合材料也在神经组织工程领域被广泛研究[15-16]。有研究报道了原位聚合的PPy/电纺丝纤维素纳米纤维[14]。PPy以小颗粒的形式附着在纤维素纳米纤维表面(图1)，其导电性比未复合导电聚合物的纤维素纳米纤维提高了105倍。此外， PPy/纤维素纳米纤维材料没有细胞毒性。经过人类神经母细胞瘤细胞体外培养，SH-SY5Y细胞在分化后15 d内存活率明显，细胞可以很好地粘附在PPy/纤维素纳米纤维上，其表型更接近神经元。

图1 (a)电纺丝纤维素；(b)PPy 0.05/纤维素；(c)PPy0.15/纤维素；(d)PPy 0.45/纤维素纳米纤维的SEM图像[14]Fig 1 SEM images of (a) electrospun cellulose, (b) PPy 0.05/cellulose, (c) PPy 0.15/cellulose and (d) PPy 0.45/cellulose nanofiber

2.2 聚噻吩/电纺丝纤维复合材料

与PPy研究相比，聚噻吩及其衍生物在生物医学领域的研究成果较少，应用较晚。在某些情况下，聚噻吩被发现具有与PPy相似的性质，且更具有优势[17-19]。目前在生物医学领域研究较多的聚噻吩类聚合物主要是各种3位取代的聚噻吩衍生物，如聚3-甲基噻吩(PMTh)，聚3-己基噻吩(P3HT)，聚3-十二烷基噻吩(PDDTh)，聚(3，4-乙烯基二氧)噻吩(PEDOT)。Matin等用PEDOT[20]，PEDOT-MeOH[21]，PEDOT/S-EDOT[22]来修饰神经微电极，发现修饰后的电极阻抗很大程度降低，增加了电荷容量，细胞相容性都得到了较大程度的提高；同一个课题组报道了用表面活性剂进行修饰的PEDOT神经探针，发现对比于金电极，PEDOT的阻抗更低[23]。细胞实验表明SH-SY5Y细胞可以黏附，神经细胞很好地伸展在修饰的电极表面；Richardson-Burns在活的细胞[24]和神经组织[25]周围电化学聚合PEDOT，开创了一个新的范例来制备柔软的，阻抗低的可植入的电极。Morgado[26]等通过细胞毒性测试，证明了P3HT无细胞毒性。Jin等[27-28]将聚噻吩衍生物与合成聚合物制备了复合的纳米纤维材料。他们发现通过加入P3HT使得材料具有很好地光敏性，人体皮肤成纤维细胞(HDFs)可以很好地在此表面生长，光刺激下的细胞增殖情况更好。此外，采用静电纺丝和原位聚合的方法，有研究制备了具有核-壳结构PEDOT/聚氯乙烯(PVC)纳米纤维薄膜(图2)[29]，发现此复合材料在光刺激的作用下可以很好地促进脂肪干细胞分化成表皮细胞，对于皮肤重建和修复很有意义。

图2 PEDOT纳米纤维薄膜的制作原理图，以及PVC，PEDOT静电纺纳米纤维薄膜的光学照片。在EDOT-FeCl3反应体系中，乙醇快速蒸发，EDOT在PVC纳米纤维表面发生聚合，并沿逐渐下降的纳米纤维与溶液的界面形成均匀的PEDOT层，最终形成柔性的PEDOT纳米纤维薄膜。[29]Fig 2 Schematic illustration of PEDOT nanofiber mats fabrication, and optical photographs of PVC electrospun nanofiber mats and obtained PEDOT nanofiber mats. The polymerization of EDOT on the surface of the PVC nanofibers occurred as the rapid evaporation of ethanol in the reaction system of EDOT-FeCl3 in ethanol, a uniform PEDOT layer formed along the gradually declining interface between nanofibers and solution, and finally resulted in a flexible PEDOT nanofiber mat

2.3 聚苯胺/电纺丝纤维复合材料

聚苯胺(PANi)的结构具有多样性，其环境稳定性高，电子易于转移。与聚吡咯相比，生物相关领域的应用较少，主要的缺陷是其细胞相容性较差。有报道研究了经掺杂的PANi和明胶的混合物经电纺丝制备的纳米纤维在组织工程中的潜在应用。目的是在体内为心脏组织工程制造支架。增加共混物中PANi的浓度，发现电纺丝纤维的直径减小了大约一个数量级，纤维直径小于100 nm。实验选用H9c2大鼠心肌成肌细胞在纤维材料上培养。结果表明PANi与明胶纳米纤维具有生物相容性，能支持细胞附着和增殖。Huang等[30]以聚乳酸为生物降解段，低分子量苯胺五聚物为电活性段，制备了一种新型电活性可生物降解复合材料。Zhang[31]等以甘氨酸乙酯为侧链合成了一种新型的导电生物可降解聚磷腈聚合物，并利用施旺细胞对其生物相容性进行了评价。结果表明，该聚合物没有细胞毒性，适合作为外周神经再生或其他需要电活性的生物医学设备的支架材料。Huang等[32]通过羟基聚乳酸和苯胺五聚物的缩聚反应合成了一种多嵌段共聚物，该共聚物具有良好的电活性和生物降解性，适合于组织工程应用。

在神经体系中，生物电信号在维持生命活动中起到了至关重要的作用。电刺激的信号影响离子跨膜移动的流向，通过细胞内的信号传导通路来改变膜电势，被认为是一种具有潜力的提高神经组织修复和功能重建的方法[34-35]。在此前提下，具有电场响应和一定导电性能的神经组织工程支架是目前研究的新方向。导电聚合物由于其优异异的生物相容性和物理化学性质以及一定的电性能，可以制备成具有一定导电性能的神经组织支架材料，与电刺激相结合，促进神经细胞的生长。Schmidt等[36]最早将PC12细胞培养在氧化的PPy薄膜上，并施加了100 mV，2 h的直流外电场，结果发现具有明显的促进细胞生长的效果。有研究将PANi与PCL/明胶纳米纤维支架结合用于检测ES对神经干细胞增殖和分化的影响[37]。结果表明，电刺激后的细胞增殖受到促进，神经突的长度较未刺激的支架表面细胞更长。Hsu等[38]将神经干细胞在电纺丝血清白蛋白纳米纤维支架上培养，并使用2 Hz、50 mV/cm电脉冲连续刺激2 h。结果发现，经过ES处理的血清白蛋白支架具有最长的神经突生长和明显更多的神经突分枝。Zhang等[33]制备了具有取向性的含有神经生长因子(NGF)的PANi和PLLA-PCL核-壳结构的纳米纤维支架，用于培养PC12细胞(图3)。经100 mV/cm，每天刺激1 h后，分化的细胞沿着导电纳米纤维的长轴方向生长，且神经突的长度增加，数量增多。

图3 (A)在电刺激和无电刺激的条件下，PS-PANi-1+NGF纳米纤维的NGF累积释放。PC12细胞在不同培养基中分化3天:(B) RPMI 1640培养基;(C) RPMI 1640培养基含NGF缓释介质(5天)，无电刺激;(D) RPMI 1640含NGF缓释介质(5天)，100 mV/cm恒压电刺激(5天，每天1 h)，标尺=100 μm, n=6[33]Fig 3 (A)Cumulative release of NGF from the PS-PANi-1 + NGF nanofibers with and without electrical stimulation. PC-12 differentiation in different culture media for 3 days: (B) RPMI 1640 medium; (C) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) without electrical stimulation; (D) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) with electrical stimulation at a constant voltage of 100 mV/cm (5 days, 1 h per day), scale bar=100 μm, n=6[33]

3 结 语

随着生物材料的不断发展，具有导电性能的组织工程支架材料受到了越来越多的关注。导电聚合物的生物相容性、可调导电性、易合成和改性等优点使其成为组织工程中极具潜力的材料。静电纺丝纤维特殊的结构及成本低，易制造等优势，使其成为目前最广泛的导电纤维支架的制备方式。以导电聚合物为导电物质，为支架提供电性能，以合成聚合物如PCL、PLA、PLGA等聚合物为基质，制备的复合材料在修复骨、肌肉、神经、心脏和皮肤组织等领域具有很大的潜力。在导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料上施加电刺激可以增强材料上培养细胞的细胞活性，包括细胞的增殖和分化等。虽然导电聚合物在体外具有良好的生物相容性，导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料的合成和功能化已经取得了显著的进展，但其体内生物相容性和生物降解性仍需要系统的研究。为了保证导电生物材料的无毒性和可降解性，需要进行大量的长期细胞毒性和生物降解的体内实验。未来，导电聚合物/静电纺丝纤维复合材料在组织中的应用研究将会更加深入，其性能优化和临床的应用将得到进一步的探索。