PCLA-PEG-PCLA溫致水凝膠的合成、多肽包裹與修飾及其醫(yī)學應用.pdf

1、可注射性水凝膠材料在再生醫(yī)學領域有良好的應用前景。水凝膠的含水量和模量等基本性質(zhì)與人體的軟組織接近,而且它們注射使用的植入方式能與“微創(chuàng)”技術(shù)結(jié)合,有利于減輕病患痛苦和加快術(shù)后愈合。其中,由聚乙二醇和可降解聚酯組成的嵌段聚合物水凝膠材料,由于其可降解吸收性和溫致凝膠化的特點近年來受到研究者較多的關注;由于材料凝膠化過程不涉及化學反應,且其高分子嵌段的基本組成是FDA所批準過的醫(yī)用材料,因此有望具備良好的生物相容性和安全性,使其更有希望獲

2、得臨床應用。近年來有研究報道將聚乙二醇和聚酯所組成的嵌段聚合物溫致水凝膠作為藥物緩釋載體,但其作為組織修復材料的研究還相對很少。后者還需要考慮細胞在材料上的黏附、降解產(chǎn)物對創(chuàng)面愈合的影響等更為復雜的問題。
　　本博士論文針對聚醚一聚酯嵌段共聚物溫致物理水凝膠體系在可注射性組織工程材料方面的潛在應用開展了高分子材料方面的基礎研究,在此過程中我們還嘗試了該材料在防止術(shù)后粘連方面的應用。論文試圖將高分子科學、合成化學、生物醫(yī)用材料與臨床

3、醫(yī)學交叉融合,工作涉及了從材料制備到醫(yī)學應用前期工作的多個方面。
　　論文以親水的聚乙二醇(PEG)和疏水的可降解聚酯(PCLA)所組成的三嵌段共聚物(PCLA-PEG-PCLA)作為主要的高分子研究對象,研究內(nèi)容包括聚合物和多肽的合成、水凝膠制備、溶膠一凝膠轉(zhuǎn)變性能的調(diào)控、凝膠材料的生物相容性和體內(nèi)外降解行為的評價、多肽生物活性分子的包裹與修飾、以及在預防術(shù)后腸粘連和作為可注射性組織工程材料這兩個方面的潛在醫(yī)學應用等部分。本論文

4、的主要創(chuàng)新性工作包括以下幾方面:
　　1.合成了降解產(chǎn)物酸性相對較低的、可物理凝膠化的無定形PCLA-PEG-PCLA嵌段共聚物。本論文通過開環(huán)聚合,合成了一系列中間為聚乙二醇、兩端為疏水聚酯的三嵌段聚合物。通過調(diào)整疏水聚酯鏈段的長度等,將聚合物水溶液的凝膠轉(zhuǎn)變溫度控制在室溫和體溫之間,使其呈現(xiàn)“室溫溶膠、體溫凝膠”的可注射凝膠特性,為未來臨床應用帶來了便利。通過己內(nèi)酯(CL)與丙交酯(LA)的無規(guī)共聚,一方面降低了單純使用PLA

5、作為疏水嵌段而導致的使用過程中酸性降解產(chǎn)物的副作用,另一方面也避免了僅使用PCL作為疏水嵌段所引起的材料由結(jié)晶而導致的儲存過程中提前物理凝膠化的問題。
　　2.驗證了所合成聚合物的體內(nèi)外生物相容性、并發(fā)現(xiàn)相應的物理水凝膠具有良好的凝膠保持特性和適宜的可降解性。為了研究材料基本的生物相容性和生物安全性能,我們按照國家標準“醫(yī)療器械生物學評價”的相關要求設計了體外的細胞毒性實驗,證實材料對細胞黏附和增殖無顯著影響;通過相關的動物實驗證

6、實了材料在使用時不會引起明顯的溶血和熱原反應;同時對體內(nèi)植入部位的組織進行切片染色和組織學分析,證實了材料在體內(nèi)良好的生物相容性,沒有出現(xiàn)可見的組織病變和嚴重的炎癥反應。通過體外模擬生理條件,研究了材料的降解行為,發(fā)現(xiàn)凝膠在體外能維持近12周,分子量呈線性下降,不同于聚酯材料通常所見的自催化所導致的指數(shù)下降特性;將材料埋植于新西蘭兔皮下,發(fā)現(xiàn)材料在動物體內(nèi)降解加快,可能是體內(nèi)的一些酶的參與加速了聚酯的降解,但是體內(nèi)存在時間仍然可達到6周

7、,比Pluronic等傳統(tǒng)的物理水凝膠的保持時間(通常1天左右)長一個數(shù)量級以上。
　　3.首次嘗試PCLA-PEG-PCLA溫致物理水凝膠在術(shù)后防粘連方面的應用,并在動物實驗中獲得成功。外科手術(shù)中的組織粘連是一個十分普遍的問題,防止術(shù)后粘連十分重要。由兩親性嵌段聚合物膠束自組裝而形成的該物理凝膠,其表面富集了大量的親水的PEG鏈段。PEG能有效抵抗蛋白和細胞的黏附,因此,我們推測,該聚合物有望作為一種防粘連材料,并且我們的溫敏凝

8、膠可以通過注射的方式植入體內(nèi),能與腹腔鏡、關節(jié)鏡等微創(chuàng)醫(yī)療手段相結(jié)合。通過合作研究,我們利用新西蘭兔的腹壁和盲腸損傷模型,將水凝膠注射植入創(chuàng)面,起到了隔離作用。動物實驗結(jié)果證明:水凝膠在使用便利性和預防組織粘連上的效果上都明顯優(yōu)于市售的PLA膜材料,并且凝膠良好的生物相容性不會影響術(shù)后創(chuàng)面的愈合。這樣,我們首次將該嵌段共聚物物理凝膠嘗試用于防止術(shù)后粘連,并且在方便操作的同時,起到了良好的動物實驗效果。
　　4.發(fā)現(xiàn)在水凝膠中包裹促

9、進細胞黏附的多肽不僅不會妨礙術(shù)后粘連,還會顯著增強術(shù)后防粘連的效果。本文還利用了水凝膠對小分子的緩釋特性,將具有與細胞特異性相互作用的多肽cyclo(-RGDfK-)包裹其中,發(fā)現(xiàn)可實現(xiàn)一周左右的持續(xù)釋放;而在術(shù)后粘連發(fā)生的過程中,炎癥細胞的遷移和黏附是粘連組織形成的重要步驟,其發(fā)生的時間一般集中在術(shù)后一周內(nèi)。動物實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),我們的水凝膠緩釋多肽分子能進一步抑制術(shù)后組織粘連的發(fā)生;水凝膠釋放RGD多肽的實驗組與單純使用凝膠或多肽相比,

10、在預防粘連上的效果更好。RGD多肽固定于材料表面能夠促進細胞向材料黏附,但未固定的RGD分子能在釋放以后與材料外部的細胞上的整合素結(jié)合,占據(jù)細胞上整合素結(jié)合位點,反而抑制了這些細胞向材料的黏附。
　　5.首次對于PCLA-PEG-PCLA的不同嵌段平行進行多肽修飾、并發(fā)現(xiàn)嵌段共聚物的多肽修飾具有顯著的位置效應。上述水凝膠的另外一個潛在應用方向為組織工程材料,這類溫致物理凝膠化的現(xiàn)象提供了極好的可注射性材料的特性?？墒亲鳛橐环N組織工

11、程材料,細胞黏附性不佳是其瓶頸;與防粘連材料中包裹游離多肽不同,這里需要將多肽共價連接到嵌段聚合物中,就涉及到如何連接以及到底向那個嵌段連接更好的問題。為此我們通過Fmoc保護法固相合成一種能與細胞膜上的整合素發(fā)生特異結(jié)合的活性多肽分子cyclo(-RGDfK-),并且為了進一步將多肽化學固定在水凝膠上,我們又合成了一種非對稱的光敏偶聯(lián)分子,其一端的疊氮基團能通過紫外光引發(fā)與聚合物中的PEG發(fā)生插入反應,另一端羧基經(jīng)NHS活化后,能與多

12、肽的氨基發(fā)生偶合反應。在建立上述合成基礎平臺的基礎上,本博士論文在國際上首次平行地將多肽分子化學連接到兩親性聚合物的親水嵌段和疏水嵌段。我們還進一步比較了兩種不同連接方式所制備的聚合物材料與細胞相互作用時的效果差異。研究證明,對于兩親性嵌段聚合物而言,生物活性分子固定在親水鏈段能更好地起到促進細胞黏附的作用。上述工作在提供了醫(yī)用高分子的修飾技術(shù)的同時,也部分揭示了醫(yī)用高分子修飾的設計原理。
　　除了可注射性材料以外,博士論文期間還