血管组织工程相关生长因子的控制释放研究进展

生物医学工程学杂志

J B i om ed Eng　2006;23(4)∶911～914 血管组织工程相关生长因子的控制释放研究进展3

邬丽丽　袁晓燕∃综述　姚康德审校

(天津大学材料学院材料系,天津300072)

摘要　生长因子在细胞的黏附、增殖和组织的再生过程中发挥着重要的作用。将生长因子负载于高分子材料支架上,可以实现对生长因子的控制释放。其释放机制随负载方法的不同而存在着差异。本文总结了共混、凝胶、微球包埋以及化学键合法在血管组织工程中相关生长因子控制释放方面的研究进展,并指出了超细纤维包埋法的应用前景。

关键词　生长因子　血管组织工程　静电纺丝

Research Advances i n the Con trolled Relea se of Growth Factor

Rela ted to Blood Vessel T issue Eng i neer i ng

W u L il i　Y uan X i aoyan　Yao Kangde

(S chool of M a teria l S cience and E ng ineering,T ianj in U n iversity,T ianj in　300072,Ch ina)

Abstract　Grow th facto rs p lay an i m po rtant ro le in cell adhesi on and p ro liferati on as w ell as in tissue regener2 ati on.By inco rpo rating grow th facto rs into po lym er scaffo lds,contro lled release of them can be perfo r m ed.T he release m echanis m is varied w ith the inco rpo rati on m ethods.In th is paper,the latest advances in the contro lled re2 lease of grow th facto rs by blending,hydrogel,m icro sphere em bedding and chem ical bonding are review ed.T he po tential app licati on of ultrafine fibric em bedding in grow th facto r delivery is described as w ell.

Key words　Grow th facto r B lood vessel tissue engineering E lectro sp inning

1　引　言

生长因子是细胞分泌的、具有诱导和刺激细胞增殖、维持细胞存活等生物效应的水溶性蛋白质,对细胞增殖、组织或器官的修复和再生都具有重要的促进作用,是组织工程的重要影响因素之一[1]。一般来讲,生长因子在水中及室温环境下很容易失去活性,因此直接使用生长因子会因为环境因素而失活,达不到预期的生物效应。将药物控释技术引入组织工程,即由适宜的基质材料负载各种生长因子,在准确的时间和部位按一定剂量向种子细胞持续释放,从而促进细胞的生长和分化,能有效地引导组织再生。

在血管组织化过程中,不同的生长因子发挥着不同的作用。血管内皮细胞生长因子(V ascu lar en2

3国家自然科学基金资助项目(50573055)

△通讯作者。E2m ail:yuanxy@ do thelial grow th facto r,V EGF)能促进内皮细胞(Endo thelial cell,EC)的分化、生长、迁移,提高其生存能力和渗透性,诱导血管生成并增加其通透性;血小板衍化生长因子(P latelet2derived grow th facto r, PD GF)能同时促进成纤维细胞(F ib rob last,FB)、平滑肌细胞(Sm oo th m u scle cell,S M C)和EC的分裂和生长。成纤维细胞生长因子(F ib rob last grow th facto r,FGF)不但能促进多种细胞的增殖和分化,还能调节细胞代谢,促进血管生成,从而提高血管的稳定性。生长因子的使用剂量必须适宜,如在体外做细胞培养时,V EGF的最佳使用剂量为1～1.2ng m l;用量低于标准值会使血管过脆,易损坏;高于标准值时会使血管破裂,甚至引起不规则血管的生成[2]。因此在生长因子的控释研究中,解决突释是关键的问题。另外,生长因子在与细胞作用的过程中,亦易因降解而失去活性,因此需要高分子载体的包埋。

生长因子负载于高分子材料支架上的方法有很

多种,其释放机制也不同。本文总结了共混、凝胶、微球包埋及化学键合4种方法的研究现状,以及超细纤维包埋法在这方面的应用前景。

2　生长因子的控释

2.1　共混

将生长因子与高分子原料相混和后,成型为具有多孔结构的三维支架,这是将生长因子负载于支架内的最简单的方法。但是,由于大多数聚合物加工成型都是在高温或有机溶剂的条件下进行的,而生长因子作为一种蛋白质,在这种加工条件下极易失活。如丙交酯和乙交酯的共聚物(Po ly(lactide2co2 glyco lide,PL GA)由于其良好的生物相容性和生物降解性,是血管组织工程中常用的支架材料,但是苛刻的加工条件限制了它在生长因子控释上的应用。Sun等[3]采用气体发泡 盐沥滤的方法制备了载有V EGF的PL GA支架,避免了高温和有机溶剂的作用。其结果表明,V EGF能够持续释放,但是在释放初期的突释现象较为严重,前三天可释放50%,但是随后可缓慢持续释放30d,并且可以显著促进组织的血管化。

简单的共混使生长因子与材料之间没有任何相互作用,仅靠扩散实现生长因子地释放,不易实现对释放速率的控制,极易出现突释的现象。

2.2　凝胶

凝胶是组织工程中常用的支架材料,因为它不但具有良好的亲水性、生物降解性,而且凝胶交联网络的多孔结构利于细胞活性物质的传递和细胞的迁移。将生长因子固定在凝胶的交联网络中,随着交联键的断裂和凝胶支架的水解,生长因子就可以缓慢地释放出来。但是,在交联过程中,生长因子的活性极易损失。聚乙二醇(Po ly(ethylene glyco l,PEG)是药物控释体系常用的一种水凝胶。PEG本身对细胞和蛋白质并没有太强的吸附力,但是如果在PEG 水溶液中加入生长因子,并进行交联使其凝胶化,就可以将生长因子固定在PEG凝胶网络中。E lbert 等[4]采用以丙烯酸封端的PEG与巯基化PEG的酯化反应进行交联。由于丙烯酸基团和巯基在蛋白质中含量极少,交联只发生在载体大分子之间,对生长因子的活性没有任何影响。这样,生长因子只是被包埋在交联网络里,随着酯键的降解,凝胶溶涨,生长因子才释放出来。E lbert直接将固体蛋白质颗粒包埋在PEG凝胶中,生长因子在释放前必须要先溶解于凝胶相,这种溶解速度很慢,为生长因子释放速度提供了更加精确的控制。

海藻酸盐是一种常用的生物医用材料,因为它具有良好的生物相容性,能够延缓蛋白质的降解,提高生长因子的生物活性,而且海藻酸盐凝胶化的发生不需要高温和任何化学交联剂。L ee等[5]将适量的V EGF或FGF加到海藻酸钠的溶液中,搅拌均匀后加入硫酸钙,Ca2+与海藻酸盐中带有负电的羧酸基团发生离子间作用,使体系凝胶化,得到了凝胶支架。在释放初期,释放速率几乎恒定。Ish ihara等[6]用叠氮化合物和乳酸修饰壳聚糖上的部分氨基,制得在紫外光的激发下可以通过叠氮化合物与氨基的作用而发生交联的壳聚糖凝胶。在其中加入V EGF,生长因子被固定在交联网络内,并且随着壳聚糖的降解,交联网络被破坏,生长因子可持续而缓慢的释放出来。

采用凝胶法将生长因子固定在凝胶网络中时,生长因子释放速度受凝胶降解速度的控制。这使材料对生长因子控释的准确度大大提高。但是,在化学交联过程中,生长因子容易被破坏而失去活性。

2.3　微球包埋

将生长因子包埋于聚合物微球中,形成胶囊,是另一种常用的控制释放生长因子的方法。载体多为生物相容性良好且可生物降解的聚合物材料。生长因子凭借扩散作用和聚合物载体的降解而释放,因此其释放速率可由载体的降解速率控制。生长因子在微球内部不受周围环境的影响,可以较好地保持其生物活性。Gu等[7]研究了海藻酸盐微球内包埋V EGF的释放情况。他将海藻酸钠和V EGF的混和溶液以注射器逐滴挤入CaC l2溶液中,Ca2+扩散到液滴中,使每一个液滴成为一个凝胶微球。体系中加入少量N aC l可以提高生长因子的负载率,并且减缓初始释放速度,但是不能从根本上解决突释的问题。壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖,具有很好的生物相容性和生物降解性,因此近年来被广泛应用于组织工程中。L ee等[8]采用乳液交联法将转化生长因子(T ran sfo r m ing grow th facto r,T GF)包埋于壳聚糖微球中,再与壳聚糖多孔支架结合,在7天内T GF 以均一的速度释放。

N o rton等[9]以双乳液法将V EGF负载于PL GA 微球内,在最初的突释后可持续释放15d。再将此载有V EGF的PL GA微球加入到载有小分子抗生素的22羟基甲基丙烯酸酯、乙基吡咯烷酮与PEG的共聚物的体系中,形成凝胶2微球复合体系,V EGF则可以持续释放28d,凝胶中的小分子抗生素则以较快

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