生物醫(yī)學(xué)導(dǎo)電聚合物運用

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1應(yīng)用于藥物釋放系統(tǒng)

藥物的可控釋放可克服傳統(tǒng)通過口服或注射藥物引起的血藥濃度波動大等缺點，因此，控制藥物釋放的最優(yōu)化方法一直處于不斷的探索中。目前，常見的藥物載體通常選用生物相容性和安全性都較好的聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、導(dǎo)電聚合物等。其中，導(dǎo)電聚合物包裹藥物并通過電化學(xué)刺激進行可控釋放，這種方法由于具備一些優(yōu)異的特性而引起關(guān)注，如制備相對簡單、藥物釋放可控，藥物可隨聚合物在不同的pH、溫度、電荷等條件下結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而釋放，等等。迄今為止，經(jīng)導(dǎo)電聚合物包裹并通過電化學(xué)刺激實現(xiàn)有控釋放的藥物包括治療性蛋白質(zhì)，主要有神經(jīng)營養(yǎng)因子［4－6］、地塞米松［7］、肝磷脂［8］等。導(dǎo)電聚合物包裹藥物的方式及包裹藥物的種類現(xiàn)都處于不斷探索及試驗階段，早期的研究多是利用導(dǎo)電聚合物固有的氧化還原作用來包裹藥物并實現(xiàn)藥物的可控釋放［9］，近年來的研究是采用導(dǎo)電聚合物納米管來控制藥物釋放，先采用生物可降解的高分子材料聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)納米纖維包裹藥物(如地塞米松等)，然后在包裹有藥物的PLGA納米纖維的外層聚合生成PEDOT納米管，隨PLGA納米纖維的生物降解，PLGA包裹的藥物仍在PEDOT納米管內(nèi)，最終PEDOT的電化學(xué)特性決定了包裹的藥物可有控釋放出來［10］，如圖2所示［11］。導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于藥物釋放系統(tǒng)的前景應(yīng)該是廣闊的，有望在腫瘤及心腦血管疾病治療中起到重要的作用。但目前仍存在一些不利因素，如大多數(shù)導(dǎo)電聚合物的水溶性較差，限制了其在藥物釋放系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2應(yīng)用于生物效應(yīng)器

導(dǎo)電聚合物從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)，需要從其分子鏈中遷移出或?qū)腚娮?，這種電子遷移的過程稱為“摻雜”。導(dǎo)電聚合物的摻雜、去摻雜與聚合物中的電子和離子的轉(zhuǎn)移有關(guān)。伴隨著離子的摻雜和去摻雜，對應(yīng)的是導(dǎo)電聚合物的體積改變(膨脹或收縮)，離子摻雜過程會引起導(dǎo)電聚合物的體積增大，離子釋放過程引起導(dǎo)電聚合物的體積縮小。生物效應(yīng)器是指可產(chǎn)生機械動力的一些生物設(shè)備或裝置。導(dǎo)電聚合物在電化學(xué)刺激下發(fā)生離子的摻雜、去摻雜及引起導(dǎo)電聚合物體積改變的特性，可以應(yīng)用于生物效應(yīng)器上，如用于構(gòu)建人工肌肉［12－14］。人工肌肉的構(gòu)建原理是:3層復(fù)合材料，其中內(nèi)外兩層為導(dǎo)電聚合物材料，中間層為非導(dǎo)電材料，內(nèi)外兩層處于相反的離子轉(zhuǎn)移狀態(tài)，如內(nèi)層處于離子的摻雜狀態(tài)，外層則處于去摻雜狀態(tài)。這樣，內(nèi)層的摻雜致使內(nèi)層的導(dǎo)電聚合物體積增大，同時外層的去摻雜使外層的體積縮小，內(nèi)外兩層產(chǎn)生的機械力量方向一致，其共同作用使整個3層復(fù)合材料向外層彎曲，模擬了生物系統(tǒng)中的肌肉收縮，如圖3所示。導(dǎo)電聚合物構(gòu)建的人工肌肉具有的特點是:可通過電子轉(zhuǎn)移控制、驅(qū)動電壓低、伸縮率大、伸縮率可控、對溫度沒有特別要求，可以在室溫或人體生理溫度下進行、易于合成、重量輕、可在溶液或體液中進行，等等，這些優(yōu)異特性都決定了導(dǎo)電聚合物是構(gòu)建人工肌肉較理想的材料。目前，聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、PPy-PANI復(fù)合材料以及這些導(dǎo)電聚合物與碳納米管組成的復(fù)合材料，如PPy-碳納米管復(fù)合材料、PANI-碳納米管復(fù)合材料及PPy-PANI-碳納米管復(fù)合材料等都應(yīng)用到了人工肌肉的構(gòu)建中［15－16］。在這些材料構(gòu)建的人工肌肉中，PPy-PANI復(fù)合材料構(gòu)建的人工肌肉每次循環(huán)產(chǎn)生的機械動能最大［17－18］。

3應(yīng)用于組織工程

導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，是和導(dǎo)電聚合物具備良好的導(dǎo)電性、氧化還原性、三維立體結(jié)構(gòu)及表面形貌等特性密不可分的，但更為關(guān)鍵的是其具備良好的生物相容性。將PC-12細(xì)胞培養(yǎng)在聚吡咯(PPy)薄膜上，長時間(達(dá)96h)電流(1mA)刺激PPy，沒有觀察到明顯的細(xì)胞毒性［19］。最近的研究進一步表明，PPy和PEDOT不論是薄膜還是納米管形貌，和培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞之間的生物相容性好［7］。目前，導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域主要體現(xiàn)在神經(jīng)工程領(lǐng)域。神經(jīng)工程中的電極通常是由金、鉑等金屬材料或鍍金、鍍鉑的硅基材料做成的，這些電極植入神經(jīng)組織后，其傳導(dǎo)神經(jīng)電信號的功能將逐漸消退，甚至完全喪失。究其原因，是因為堅硬的金屬材料和柔軟的神經(jīng)組織之間的機械模量的巨大差異，神經(jīng)組織對植入金屬材料的免疫反應(yīng)產(chǎn)生大量的膠質(zhì)疤痕，最終使植入電極周圍有功能的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量明顯減少。采用導(dǎo)電聚合物包裹或修飾神經(jīng)電極，對改善神經(jīng)電極電信號的傳導(dǎo)功能起到了重要作用。其作用的機理是:生物相容性較好的導(dǎo)電聚合物在堅硬的金屬電極表面和柔軟的神經(jīng)組織之間建立了一個機械強度的緩沖區(qū)域，降低了神經(jīng)組織的免疫反應(yīng)，增加了電極的表面面積，降低了電荷傳導(dǎo)的電阻，使神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的信噪比大大增強。另外，穩(wěn)定的氧化還原特性可以使導(dǎo)電聚合物在修飾神經(jīng)電極的同時，還能包裹藥物或大分子物質(zhì)，如地塞米松、細(xì)胞黏附分子、神經(jīng)生長因子等。這些藥物或大分子物質(zhì)的釋放，無疑能使導(dǎo)電聚合物包裹的電極不僅具有增強神經(jīng)電信號的檢測和傳導(dǎo)功能，而且還具有抗免疫、促進神經(jīng)生長和康復(fù)的功能［2－3，20－21］。已有的研究表明，應(yīng)用于神經(jīng)工程中的導(dǎo)電聚合物主要是PPy和PEDOT。

4應(yīng)用于生物傳感器

生物傳感器是由固定化的生物物質(zhì)(如酶、蛋白質(zhì)、抗原、抗體、生物膜等)作為敏感元件與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)信號換能器組成的生物電化學(xué)分析系統(tǒng)。導(dǎo)電聚合物具有良好的導(dǎo)電性能，可作為分子導(dǎo)線，使電子在生物活性分子和電極間直接傳遞，是構(gòu)成生物傳感器一種較好的材料［22－23］。生物傳感器領(lǐng)域中最常用的導(dǎo)電聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩。目前，采用導(dǎo)電聚合物構(gòu)建的生物傳感器已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如醫(yī)療衛(wèi)生中的醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)控及食品分析等方面［24］。在醫(yī)學(xué)診斷方面，基于導(dǎo)電聚合物制備的生物傳感器可以檢測血糖、尿素、乳酸及膽固醇等;固定有DNA分子的導(dǎo)電聚合物制備的DNA傳感器，可檢測一些遺傳性疾病、病原菌感染，以及分子生物學(xué)實驗中的cDNA克隆篩選等;導(dǎo)電聚合物制備的免疫傳感器可以用來監(jiān)測有機氯殺蟲劑及除草劑，甚至包括一些細(xì)菌。已有相關(guān)的綜述闡述了導(dǎo)電聚合物在生物傳感器中的應(yīng)用［25－26］，在此不再贅述。值得特別一提的是，導(dǎo)電聚合物因具備良好的生物相容性，因此特別適合在活體條件下進行生物傳感，如將導(dǎo)電聚合物制備的生物傳感器應(yīng)用于活體生物體液內(nèi)藥物及機體代謝產(chǎn)物的連續(xù)檢測［27］。導(dǎo)電聚合物屬于智能材料體系，不但可以作為智能器件材料應(yīng)用于生物傳感器，而且可廣泛地應(yīng)用于傳感、驅(qū)動、顯示及信息儲存等方面。綜上所述，導(dǎo)電聚合物在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但不同導(dǎo)電聚合物性質(zhì)上的差異又決定了它們的應(yīng)用各有所側(cè)重。其中，幾種主要導(dǎo)電聚合物的性質(zhì)和應(yīng)用。

5面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

隨著對導(dǎo)電聚合物材料的深入研究，人們也越來越認(rèn)識到，導(dǎo)電聚合物在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)依然是如何進一步提高導(dǎo)電聚合物的電學(xué)和機械性能，如何更有效地控制生物活性分子的運動、濃度和形貌，如何將不能自然分解的導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于組織再生工程中，等等。這些問題的解決，都要依靠導(dǎo)電聚合物材料的表面功能化來實現(xiàn)。導(dǎo)電聚合物的表面功能化按修飾的性質(zhì)分為物理修飾和化學(xué)修飾。物理修飾［28－29］是通過物理手段，如用聚苯乙烯小球模板制備微孔膜、在水凝膠中合成導(dǎo)電聚合物、將導(dǎo)電聚合物和生物分子進行混雜形成疏松結(jié)構(gòu)等方法，增加導(dǎo)電聚合物表面的粗糙程度?；瘜W(xué)修飾作為最常見的一種修飾方法，通常是將生物分子作為摻雜劑或偶聯(lián)于導(dǎo)電聚合物表面而進行的［30］。導(dǎo)電聚合物的表面功能化，不論是物理修飾還是化學(xué)修飾，其目的就是希望修飾后的導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電性能增強、電阻降低，在機械模量差距較大的界面上建立機械緩沖區(qū)，在生理環(huán)境中具有更好的生物相容性和穩(wěn)定性，等等。因此，導(dǎo)電聚合物的表面功能化是使導(dǎo)電聚合物更深入地應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。盡管已有的一些研究方法，如制備出可刻蝕的導(dǎo)電聚合物［31］、將導(dǎo)電聚合物和可生物降解的材料(如聚酯、聚乙二醇或它們的共聚物)偶聯(lián)或混雜在一起［32］、構(gòu)建導(dǎo)電聚合物和生物降解材料的大分子框架結(jié)構(gòu)［33］等，初步實現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物既可以控制整個大分子的導(dǎo)電性，又可以控制生物降解速率。但是，如何通過導(dǎo)電聚合物表面功能化將不能自然分解的導(dǎo)電聚合物深入應(yīng)用于組織再生工程中，將是導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。同時，導(dǎo)電聚合物表面功能化后，在不同的細(xì)胞周期(如在細(xì)胞增殖、分化等)過程中，對細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的影響也是導(dǎo)電聚合物未來的研究方向和趨勢之一?？傊瑢?dǎo)電聚合物及導(dǎo)電聚合物表面功能化的研究及應(yīng)用，為制備出特異性強、穩(wěn)定性高、生物相容性好、制備方便、經(jīng)濟適用的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備或裝置提供了廣闊的發(fā)展空間。