首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 口腔科论文 > 口腔疾病论文 > 聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球在骨组织工程中的应用

聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球在骨组织工程中的应用

2020-09-29 496 上传者：管理员

摘要：聚乳酸-羟基乙酸共聚物作为一种复合材料,具有生物相容性、低毒性以及作为载体能够包封及保护生物因子的能力。本文以聚乳酸-羟基乙酸共聚物的理化性质为基础,对聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球的合成及其在骨组织工程中的应用进展作一综述,为该材料在骨组织工程中的应用提供借鉴。

关键词：
口腔医学
微球
羟基乙酸共聚物微球
骨组织工程
加入收藏

通常情况下,微球因其体积以及表面积,使得他们能够成为运输药物、生长因子以及基因的载体[1]。天然聚合物(如胶原、蛋白质等)以及人工合成聚合物(如聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物等)等都能合成具有生物相容性并作为载体的微球。在众多人工合成聚合物中聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolicacid),PLGA]因其毒性小以及具有生物降解性等优势,在骨组织工程中的到广泛的应用。本文将介绍聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球在骨组织工程中的应用,为该材料在骨组织工程中的应用以及今后的研究提供借鉴。

1、PLGA的理化性质

PLGA是由两种单体即乳酸(LA)和羟基乙酸(GA)随机聚合形成的一种可降解的高分子线性聚合物,不同比例的单体聚合形成不同类型的PLGA,例如PLGA50∶50(即聚合物由50%乳酸和50%羟基乙酸组成),PLGA75∶25,PLGA80∶20。PLGA的机械强度、膨胀行为、抗水解能力和生物降解率由其结晶度以及聚合物链中单体的类型和比例决定[2]。PLGA能够溶解于大多数的有机溶剂中,如氯仿、丙酮、二氯甲烷和乙酸乙酯等。但二氯甲烷可能导致被包裹的蛋白变性,所以现在推荐使用乙酸乙酯。Meng等[3]通过比较二氯甲烷和乙酸乙酯在不同方法中对所包封蛋白活性的影响中发现使用乙酸乙酯可以使初乳液更加稳定,并且包封率更高。PLGA在水中通过水解其酯键进行降解,聚乳酸(PLA)中甲基的存在使其与聚羟基乙酸(PGA)相比疏水性更强,吸收的水分更少,降解更慢。通过改变聚合物的分子量,乳酸和羟基乙酸的比例等因素可以获得理想的降解速度[4]。Raghuvanshi等[5]利用PLGA包封抗体时发现高分子量的PLGA比低分子量的包封率低,并且释放更慢。通过将羟基端进行改性也可以降低PLGA的降解速度[6]。PLGA在体内经过水解作用,分解成可生物降解的代谢单体,即乳酸和羟基乙酸。机体能有效的将这两种代谢产物处理,因此PLGA具有非常小的毒性。

2、PLGA微球的合成方法

在众多的合成方法中最常使用复乳溶剂挥发法。复乳法作为乳化-溶剂挥发法的改进,可用于包裹亲水性药物,如肽类、蛋白类和核酸类等。首先将PLGA溶解于有机溶剂中形成油相。在水中加入合适的稳定剂形成水相,较常用的稳定剂如聚乙烯醇(PVA)和聚氧乙烯的衍生物(如泊洛沙姆),还有天然的表面活性剂(如磷脂质)。通过超声乳化或机械搅拌等方法将水相及油相制成乳剂。在缓慢搅拌下,油相中的有机溶剂不断向外扩散至液面并挥发,使得载体材料析出并形成包裹药物的微球(图1)[7]。微球的尺寸是一个非常重要的影响因素,它能够直接影响物理稳定性、细胞摄取、生物分布和药物释放。Sanna等[8]通过在合成过程中添加壳聚糖制作壳聚糖修饰的PLGA微球,发现包封率及尺寸明显增加,释放时间延长,减少了最初的突释。Kolte等[9]发现在PLGA中加入聚乙烯亚胺(PEI)可以使微球的尺寸减小并且可减少突释。虽然复乳法其所使用的设备工艺简单,可调控性高,但是该方法也存在一定问题,比如包裹的蛋白质在水油界面以及剪切力下不稳定,导致蛋白质变性[10]。使用牛血清白蛋白(BSA)[11]、糖[12]和聚乙二醇(PEG)[13]等赋形剂可以稳定乳液中PLGA微球中的蛋白质;另一方面复乳法对尺寸无法做到精准调控,制作的微球存在尺寸分布不均匀、载药率不精准或者无法预测释放规律等问题[14],而微流体技术可以有效改善这些问题[15]。

图1PLGA微球复乳溶剂挥发法合成示意图

PLGA溶于有机溶剂中形成油相,与需要包封的物质在冰浴下通过机械作用形成初乳液,然后倒入稳定剂中在冰浴下通过机械作用形成复乳液,倒入稳定剂中磁力搅拌,离心收集冻干。

3、PLGA微球在骨组织工程中的应用

3.1作为蛋白载体

骨形成是多种因素共同作用的结果。在骨形成过程中,受到许多的蛋白因子调控,以BMP-2和BMP-7为代表的骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticproteins,BMPs)家族最为重要。生长因子直接应用,在体内微环境中容易被酶降解而导致其丧失生物活性。因此,利用微球负载细胞因子,能保持其生物活性,达到持续释放,有利于发挥其促成骨效果。PLGA微球呈粉末状没有固定形态无法完美充填骨缺损,不能为组织再生提供必要的力学支撑,因此可以将载有生长因子的微球与高分子支架复合制备出具有生物活性并达到生物力学要求的骨修复材料。Wang等[16]利用双乳化法制备载BMP-2的PLGA微球与PLLA/PLGA/PCL纳米纤维支架复合。与成骨细胞共培养发现支架可促进成骨细胞的粘附和增殖,并且诱导成骨细胞向支架内生长;动物实验结果表明该支架具有诱导成骨细胞分化,形成矿化基质,修复原位骨缺损及异位成骨的能力。Chen等[17]制备BMP-7/PLGA缓释微球,将微球与软骨分化培养基混合后,培养兔骨髓间充质干细胞(BMSCs),免疫组织化学染色结果显示微球组中BMSCs分泌Ⅱ型胶原和糖胺多糖等软骨细胞特异蛋白的能力更持续,BMSCs向软骨细胞分化的趋势更明显,说明BMP-7/PLGA微球在体外具有促进兔BMSCs增殖和向软骨细胞分化的能力。张轲[18]制备载有BMP-2以及BMP-7的PLGA微球并将其与PLGA支架复合。扫描电子显微镜观察发现PLGA支架的微观结构为典型的海绵多孔状,孔形状不规则,大小不均,大量的微孔结构,有利于微球附着。体外实验显示,BMP-2和BMP-7微球的加入没有实质性地改变其微观结构,人BMSCs在不同支架上短期接触细胞数量和活性并没有差异,但长期观察发现负载生长因子的支架更有利于细胞的粘附,更好地促进人BMSCs增殖及成骨分化。

3.2作为基因载体

人工制备的生长因子作为一种外源性生长因子,其半衰期短且价格昂贵,在体内易迅速失活而难以持续发挥作用,需反复应用,浓度过高还可造成严重的临床并发症。核酸能够通过携带一个不表达或者低表达的基因进入细胞并增加该基因表达。核酸分子量大并带有负电荷使其转染效率低下,聚合物微球能够克服这些限制。核酸可被包入聚合物微球,或者利用表面活性剂通过静电相互作用吸附在微球的表面[19,20],避免核酸在运输过程中被降解,增加其转染效率。在Qiao等[21]的研究中,合成载BMP-2质粒的PLGA微球,微球在没有最初突释的情况下连续释放了35d。体外实验中微球能够转染目标细胞,产生功能性蛋白。在动物实验中,将载有BMP-2质粒的PLGA微球明胶海绵植入颅骨极限骨缺损中,在第8周时可以观察到缺损的边缘有新骨生成。Sezlev等[22]通过制备载有PEI∶RANKsiRNA的PLGA微球,在动物实验中可以使RANKmRNA的表达明显降低,破骨细胞前体分化受到明显抑制并且减少了破骨细胞的活性,从而减少破骨作用。

3.3作为药物载体

辛伐他汀作为可以促进骨形成的药物,口服利用率低并具有全身毒性,长期大量服用不良反应尤为明显,能够缓释的载辛伐他汀工程骨,可降低不良反应的发生。Zhang等[23]制备载辛伐他汀/PLGA/磷酸钙人工骨可持续释放药物21d,具有理想的机械强度。体外实验证实该材料生物相容性良好,其缓释的辛伐他汀可促进干细胞的增殖以及成骨分化。动物实验结果显示实验组新生骨密度以及骨覆盖率均优于对照组,12周时实验组骨缺损处已经完全愈合,和周围正常骨组织无明显界限,说明该材料具有良好的生物相容性和促成骨作用,可有效增强骨缺损的修复。骨髓炎等炎症性疾病造成的骨缺损进行修复的同时需控制炎症发展,传统方法需要全身应用抗生素并通过手术彻底清除病变的组织,但全身应用抗生素毒性大,彻底的手术清创可造成巨大的骨缺损同时还要预防二次感染。邱晓明等[24]通过复乳溶剂挥发法制备负载万古霉素(VAN)的PLGA微球,并与β-磷酸三钙(TCP)支架复合。载药率为(17.40±1.87)%,释药平稳。体外药物释放实验及抑菌实验均表明:24d时微球支架仍有良好的药物释放率和抑菌能力。通过构建兔胫骨骨髓炎模型,将材料植入模型,结果显示此材料能够在病灶内控制感染;同时还可以起到填充骨缺损,诱导成骨,加快骨组织重建的作用。

3.4支撑细胞粘附生长

利用微球制成具有三维多孔结构的支架,同时具有药物包载、缓释以及支撑细胞粘附生长的作用。屈墨羱等[25]制备了表面孔隙孔径更大的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)微球,通过细胞增殖及粘附实验发现软骨细胞能够通过大孔进入PLGA微球内部,增加了细胞的增殖效率;与小孔径微球相比,可表现出更佳的成软骨活性。体内实验中显示大孔PLGA微球组促进软骨缺损愈合效果更好。Zhang等[26]通过Pickering乳液法制备了表面修饰微量三价铁离子的微球,再将微球烧结成三维多孔微球支架后,在微球支架表面负载rhBMP-2,将微球支架与小鼠骨髓间充质干细胞在体外进行共培养,结果显示支架具有良好的生物相容性,并且能够显著性促进BMSCs增殖。将微球支架植入新西兰兔股骨缺损模型处,实验组结果显示连续、较为完整的新生骨组织主要分布在支架内部孔隙处。

4、小结

PLGA作为一种可以装载药物、蛋白和基因的载体,能够以一种可控的形式释放的转运载体已经被广泛研究。因良好的生物降解性以及生物相容性已经被FDA批准进行临床应用。其可控释放并保持生物活性,能定向到目标细胞的能力,使其能在骨组织工程中发挥重要的作用。随着对该材料的研究,未来可设计出更多具有良好性能的材料,以满足临床的各种特殊需求。

参考文献：

[18]张轲.骨形态发生蛋白2,7-聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架的制备及其细胞成骨能力研究[D].泸州:西南医科大学,2016.

[24]邱晓明.β-磷酸三钙支架负载万古霉素/PLGA微球治疗感染性骨缺损的实验研究[D].兰州:兰州大学,2018.

[25]屈墨羱.大孔聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)微球修复软骨缺损[A].中华口腔医学会颞下颌关节病学及牙合学专业委员会.中华口腔医学会第十五次全国颞下颌关节病学及牙合学学术研讨会论文汇编[C].中华口腔医学会颞下颌关节病学及牙合学专业委员会:中华口腔医学会,2018:1.

王健群,张斌.聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球在骨组织工程中的应用[J].口腔医学研究,2020,36(09):817-820.