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行业动态

盘点生物降解性高分子静电纺丝材料在生物医用领域的应用

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、生产重复性好等特点,在生物医用领域占绝对优势。其中,生物可降解材料最引人注目。目前在生物医学领域应用占绝对优势的是生物降解性高分子,通过静电纺丝制备成纳米纤维,可用于组织工程支架材料、新型药物释放载体以及纳米模板材料等领域。

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1.聚羟基乙酸(PGA)

PGA又称聚乙醇酸,是一种最简单的脂肪族聚酯,在微生物或生物体内酶或酸、碱的促进下水解形成二氧化碳和水,同时有很好的组织相容性。作为结构最简单的线型脂肪族聚酯,PGA 是体内可吸收高分子最早商品化的一个品种,早在1970年,PGA 医用缝合线已经商品化(商品名Dexon)。目前已经商品化的PGA纤维都是采用熔融挤出的方法获得,利用静电纺丝来制备PGA 纳米纤维有两个困难,首先PGA的熔点较高和热可降解性,使其难以采用熔体静电纺丝方法制得;其次PGA不溶于常规的有机溶剂,溶液的纺丝溶剂可选择范围窄,难以寻找到合适的溶剂。目前,已有研究通过采用特殊的溶剂,如六氟异丙醇,以及其他方法解决了这两大问题。

PGA缝纫线

 

PGA缝纫线

2.聚乳酸(PLA)

聚乳酸是一种聚羟基酸,可由玉米、甜菜等经发酵、蒸馏获得,具有很好的生物降解、生物相容性、可吸收性,抗热性高,是研究和应用最广泛的生物降解材料。PLA存在4种不同形态,即PLLA、PDLA、D,L -PLA(又称PDLLA)和meso-PLA。其中PLLA和PDLA由于较好的力学强度而常用作医用缝合线,无定形高分子D,L-PLA 常用于药物控释载体,meso-PLA的应用较少。

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PLLA修复流失的胶原质

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D,L-PLA 用于药物控释载体

由于PLA具有良好的生物学特性,PLA 纳米纤维在组织工程和药物控释等领域的应用引起了研究者广泛的兴趣。研究人员已经通过经典纺丝制备出了可生物吸收的无纺布纳米纤维膜、组织工程支架材料、有利于皮肤与大气交换空气和水分的皮肤贴膜和皮肤保护膜药物控制释放等。静电纺丝法制备聚乳酸纳米纤维还面临一些问题:电动力学及其与聚合物流体的关系尚不明确,需要深入研究;产量很低;得到的纤维力学强度不够;有待进一步提高。

3.聚己内酯(PCL)

PCL 作为一种潜在的生物降解材料也已被广泛研究,是由有机金属化合物催化环状单体ε-己内酯开环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,可以在生理条件下通过水解机制降解。PCL 具有良好溶解性,在大部分有机溶剂中都表现出良好的溶解性,因此其加工性能很好,近年来利用静电纺丝技术进行了不少相关研究。

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用PCL制成的纳米球(a,b)、纳米纤维(c,d)、泡沫材料(e,f)、针织物(g-i)、选择性激光烧结支架(j-o)、熔融沉积模拟支架(p-u)

4.聚丁二酸酯(PBS)

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)由丁二酸和丁二醇经缩合聚合合成,易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢,最终分解为二氧化碳和水,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。具有代表性的产品如日本昭和公司生产的商品名为BionolleTM的PBS基聚酯,熔点在110~120℃,有较好的耐热性。

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BionolleTM的降解性能

5.聚β-羟基丁酸酯(PHB)

聚羟基烷基酯(PHA)是一系列广泛存在于微生物细胞中的天然高分子,由于具有优良的生物相容性和生物降解性,使其在生物医学领域的应用受到越来越多学者的重视。但是,该材料体内降解很慢,完全吸收要数年时间。因此,应用更多的是它与β-羟基戊酸酯的共聚物PHBV。

PHBV纳米纤维

PHBV纳米纤维

PHBV由于具有较低的结晶、高柔软性并易于加工,应用价值很高。目前对于静电纺丝法制PHB基纳米纤维的研究主要集中在PHB和添加物混合纺丝、PHB共聚物PHBV纺丝、PHB和聚合物共纺等方面。PHB作为生物可降解材料有广泛的应用前景,尤其是在生物医学方面。PHB基纳米纤维今后的发展应主要在两个方面:(1)PHB与其生物可降解材料复合电纺,如PHB/PLA等;(2)PHB与功能性纳米粒子复合电纺。

6.聚氨酯(PU)

聚氨酯通常是由多元醇和异氰酸酯进行加成反应,再加扩链剂扩链制得的一类含有氨基甲酸酯基团的高分子材料。从分子结构看,聚氨酯是一种由柔性的软段和刚性的硬段交替共聚的聚合物,通过聚氨酯软段及硬段的分子设计可得到各种不同力学强度和降解性能的聚氨酯材料。嵌段聚氨酯弹性体具有独特的力学性能和优异的生物相容性,作为生物材料使用已经有几十年的时间,主要用于组织工程支架材料、血管替代物、皮肤创伤敷料等。可降解型聚氨酯由于具有很好的生物相容性及可降解性而成为一种重要的组织工程材料。此外,聚氨酯具有较强的分子结构可设计性,易于加工成型,力学性能优异等优点。

生物可降解血管支架

生物可降解血管支架

结语

静电纺丝作为一种简便高效的生产高分子纳米纤维的新型加工技术,用于制备低模量、高柔顺性、高强度的可降解高分子纤维材料是一个重要的科学课题。这类材料研究成功后可用于制作高柔韧性单丝手术缝线,也可用于制备组织工程支架等,这将极大推动医学和生物学的发展与进步。因此未来加强需要以下研究方向的研究:利用静电纺原理,通过改进装置、控制参数,得到连续、尺寸均一、缺陷可控及排列规则的高分子纳米纤维;在了解静电纺过程和静电纺高分子纳米纤维性能的基础上,开发出具有降解速度可控、力学性能和生物相容性良好的高分子纳米纤维,实现纳米纤维的实用化;制成强度在体内能保持较长时间,并在伤口愈合后短时间内可吸收的缝线材料,也是一个重要的研究方向。

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点击次数:  更新时间:2018-01-16  【打印此页】  【关闭