生物醫學導電聚合物運用

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1應用于藥物釋放系統

藥物的可控釋放可克服傳統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)、導電聚合物等。其中，導電聚合物包裹藥物并通過電化學刺激進行可控釋放，這種方法由于具備一些優異的特性而引起關注，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、電荷等條件下結構發生變化而釋放，等等。迄今為止，經導電聚合物包裹并通過電化學刺激實現有控釋放的藥物包括治療性蛋白質，主要有神經營養因子［4－6］、地塞米松［7］、肝磷脂［8］等。導電聚合物包裹藥物的方式及包裹藥物的種類現都處于不斷探索及試驗階段，早期的研究多是利用導電聚合物固有的氧化還原作用來包裹藥物并實現藥物的可控釋放［9］，近年來的研究是采用導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，最終PEDOT的電化學特性決定了包裹的藥物可有控釋放出來［10］，如圖2所示［11］。導電聚合物應用于藥物釋放系統的前景應該是廣闊的，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，如大多數導電聚合物的水溶性較差，限制了其在藥物釋放系統中的應用。

2應用于生物效應器

導電聚合物從絕緣態轉變成導電態，需要從其分子鏈中遷移出或導入電子，這種電子遷移的過程稱為“摻雜”。導電聚合物的摻雜、去摻雜與聚合物中的電子和離子的轉移有關。伴隨著離子的摻雜和去摻雜，對應的是導電聚合物的體積改變(膨脹或收縮)，離子摻雜過程會引起導電聚合物的體積增大，離子釋放過程引起導電聚合物的體積縮小。生物效應器是指可產生機械動力的一些生物設備或裝置。導電聚合物在電化學刺激下發生離子的摻雜、去摻雜及引起導電聚合物體積改變的特性，可以應用于生物效應器上，如用于構建人工肌肉［12－14］。人工肌肉的構建原理是:3層復合材料，其中內外兩層為導電聚合物材料，中間層為非導電材料，內外兩層處于相反的離子轉移狀態，如內層處于離子的摻雜狀態，外層則處于去摻雜狀態。這樣，內層的摻雜致使內層的導電聚合物體積增大，同時外層的去摻雜使外層的體積縮小，內外兩層產生的機械力量方向一致，其共同作用使整個3層復合材料向外層彎曲，模擬了生物系統中的肌肉收縮，如圖3所示。導電聚合物構建的人工肌肉具有的特點是:可通過電子轉移控制、驅動電壓低、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，這些優異特性都決定了導電聚合物是構建人工肌肉較理想的材料。目前，聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、PPy-PANI復合材料以及這些導電聚合物與碳納米管組成的復合材料，如PPy-碳納米管復合材料、PANI-碳納米管復合材料及PPy-PANI-碳納米管復合材料等都應用到了人工肌肉的構建中［15－16］。在這些材料構建的人工肌肉中，PPy-PANI復合材料構建的人工肌肉每次循環產生的機械動能最大［17－18］。

3應用于組織工程

導電聚合物應用于組織工程領域，是和導電聚合物具備良好的導電性、氧化還原性、三維立體結構及表面形貌等特性密不可分的，但更為關鍵的是其具備良好的生物相容性。將PC-12細胞培養在聚吡咯(PPy)薄膜上，長時間(達96h)電流(1mA)刺激PPy，沒有觀察到明顯的細胞毒性［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，和培養的神經細胞之間的生物相容性好［7］。目前，導電聚合物應用于組織工程領域主要體現在神經工程領域。神經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，這些電極植入神經組織后，其傳導神經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組織之間的機械模量的巨大差異，神經組織對植入金屬材料的免疫反應產生大量的膠質疤痕，最終使植入電極周圍有功能的神經細胞數量明顯減少。采用導電聚合物包裹或修飾神經電極，對改善神經電極電信號的傳導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電聚合物在堅硬的金屬電極表面和柔軟的神經組織之間建立了一個機械強度的緩沖區域，降低了神經組織的免疫反應，增加了電極的表面面積，降低了電荷傳導的電阻，使神經電信號傳導的信噪比大大增強。另外，穩定的氧化還原特性可以使導電聚合物在修飾神經電極的同時，還能包裹藥物或大分子物質，如地塞米松、細胞黏附分子、神經生長因子等。這些藥物或大分子物質的釋放，無疑能使導電聚合物包裹的電極不僅具有增強神經電信號的檢測和傳導功能，而且還具有抗免疫、促進神經生長和康復的功能［2－3，20－21］。已有的研究表明，應用于神經工程中的導電聚合物主要是PPy和PEDOT。

4應用于生物傳感器

生物傳感器是由固定化的生物物質(如酶、蛋白質、抗原、抗體、生物膜等)作為敏感元件與適當的化學信號換能器組成的生物電化學分析系統。導電聚合物具有良好的導電性能，可作為分子導線，使電子在生物活性分子和電極間直接傳遞，是構成生物傳感器一種較好的材料［22－23］。生物傳感器領域中最常用的導電聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩。目前，采用導電聚合物構建的生物傳感器已廣泛應用于很多領域，如醫療衛生中的醫學診斷、環境監控及食品分析等方面［24］。在醫學診斷方面，基于導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，以及分子生物學實驗中的cDNA克隆篩選等;導電聚合物制備的免疫傳感器可以用來監測有機氯殺蟲劑及除草劑，甚至包括一些細菌。已有相關的綜述闡述了導電聚合物在生物傳感器中的應用［25－26］，在此不再贅述。值得特別一提的是，導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，如將導電聚合物制備的生物傳感器應用于活體生物體液內藥物及機體代謝產物的連續檢測［27］。導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用于生物傳感器，而且可廣泛地應用于傳感、驅動、顯示及信息儲存等方面。綜上所述，導電聚合物在生物醫學工程領域應用廣泛，但不同導電聚合物性質上的差異又決定了它們的應用各有所側重。其中，幾種主要導電聚合物的性質和應用。

5面臨的挑戰及發展趨勢

隨著對導電聚合物材料的深入研究，人們也越來越認識到，導電聚合物在生物醫學工程領域中的應用所面臨的挑戰依然是如何進一步提高導電聚合物的電學和機械性能，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電聚合物應用于組織再生工程中，等等。這些問題的解決，都要依靠導電聚合物材料的表面功能化來實現。導電聚合物的表面功能化按修飾的性質分為物理修飾和化學修飾。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、在水凝膠中合成導電聚合物、將導電聚合物和生物分子進行混雜形成疏松結構等方法，增加導電聚合物表面的粗糙程度。化學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于導電聚合物表面而進行的［30］。導電聚合物的表面功能化，不論是物理修飾還是化學修飾，其目的就是希望修飾后的導電聚合物導電性能增強、電阻降低，在機械模量差距較大的界面上建立機械緩沖區，在生理環境中具有更好的生物相容性和穩定性，等等。因此，導電聚合物的表面功能化是使導電聚合物更深入地應用到生物醫學工程領域的發展趨勢之一。盡管已有的一些研究方法，如制備出可刻蝕的導電聚合物［31］、將導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)偶聯或混雜在一起［32］、構建導電聚合物和生物降解材料的大分子框架結構［33］等，初步實現了導電聚合物既可以控制整個大分子的導電性，又可以控制生物降解速率。但是，如何通過導電聚合物表面功能化將不能自然分解的導電聚合物深入應用于組織再生工程中，將是導電聚合物應用于生物醫學工程領域的發展趨勢之一。同時，導電聚合物表面功能化后，在不同的細胞周期(如在細胞增殖、分化等)過程中，對細胞信號轉導通路的影響也是導電聚合物未來的研究方向和趨勢之一。總之，導電聚合物及導電聚合物表面功能化的研究及應用，為制備出特異性強、穩定性高、生物相容性好、制備方便、經濟適用的生物醫學設備或裝置提供了廣闊的發展空間。