聚苯胺基导电可降解聚合物在组织工程中的研究进展*

刘荣涛，肖天华，庞贻宇，李 达，廖松义，闵永刚

(1. 广东工业大学 材料与能源学院，广州 510006；2. 东莞华南设计创新院，广东 东莞 523808)

0 引 言

生物支架作为组织工程的基础，是细胞附着、生长以及细胞与细胞外基质(ECM)接触和营养物质交换的载体[1，2]，应具备高的比表面积、生物相容性、可生物降解性与合适的力学性能。研究证明，电刺激作用下可促进细胞的生长和新组织的形成[3]。因此，制备合成导电可降解聚合物支架是组织工程的发展趋势。电刺激下控制支架的降解与新组织形成速度的匹配或拟合[4，5]，减少手术的二次伤害、加快伤口愈合。

在众多导电高分子中，聚苯胺因其独特的氧化态和可调的电活性而受到广泛研究。合成的聚苯胺基可降解聚合物支架能够具有多孔性和生物相容性，电刺激下可促进细胞生长，但存在亲水性、溶解性等方面的题。介绍了近年来聚苯胺基导电可降解聚合物研究现状与发展趋势，展望了导电可降解聚合物在组织工程领域中的发展前景。

1 聚苯胺基可降解聚合物

目前以聚苯胺作为导电基体的可降解聚合物，主要通过共混、改变纤维结构和掺杂等方法提高聚合物的导电性和可降解性，研究聚合物支架在有无电刺激下对细胞活性及生长状态的影响。

1.1 聚苯胺与可降解聚合物共混

Li等[6]对PCL纳米纤维进行等离子体处理后，在其表面原位化学聚合PANI，得到PANI-PCL纤维，并观察复合纤维在不同电压刺激下对人脐静脉内皮细胞(HUVECs)细胞生长的影响。结果表明：经等离子体处理后的PCL负载PANI复合纳米纤维表面润湿性好，具有良好的生物相容性，HUVECs能更好地附着、扩散和存活；细胞与支架表面具有良好的亲和力，细胞活性与增殖随电刺激强度增加而增强，特别是在400 mV/cm时具有较强的黏附性和存活能力。

明胶作为一种天然可降解高分子 ，与PCL共混制备纳米纤维，可以增加PCL基质的亲水性，细胞骨架基因表达证明此方法共混的纳米纤维有利于NIH3T3细胞的增殖生长[7]。在此基础之上，Rajzer等[8]通过微图案化法将聚苯胺涂敷在成骨药物改性的PCL和磷酸钙(SG5)改性的明胶(Gel)的纳米纤维表面，得到三层多孔纳米纤维体系(图1)。磷酸钙纳米颗粒和成骨药物的存在能够增强混合支架的生物活性，并且PANI存在并不会影响磷灰石在模拟体液中的形成，从而实现了成骨药物、生物活性颗粒和导电聚合物的3种材料的协同作用，共同促进了成骨细胞的生长分化和支架材料的多功能化。

Chen等[9]采用一种新型的原位聚合热诱导相分离(TIPS)法成功制备了分散性良好，孔隙率高于90%的PANI/PLA导电纳米纤维支架材料，研究了不同PANI含量的导电纳米纤维支架对骨髓间充质干细胞(BMSCs)生长影响。结果表明，PANI含量为5%和10%时纳米支架可以促进细胞生长，超过15%时细胞活力下降；与PLA组相比，复合纤维支架培养的细胞碱性磷酸酶(ALP)水平、骨钙素(Ocn)含量、runt相关转录因子2 (Runx2)分化表达水平都增加数倍，说明导电复合支架能显著促进BMSCs的成骨分化；茜素红染色说明导电复合纳米纤维具有较好的钙沉积作用，尤其是在PANI含量为10%时，支架染色阳性最为显著。

图1 三层多孔纳米纤维的制备[8]Fig 1 Preparation of three layers porous nanofibers

1.2 核壳结构聚苯胺可降解聚合物

导电核壳结构纳米纤维在组织工程等领域具有潜在的应用前景，尤其是当与生长因子、ECM蛋白和其他类型的功能分子被整合到导电聚合物壳内或在其表面偶联，可以进一步增强细胞在纳米纤维的支架上生长[10-11]。因此，许多学者利用核壳结构的导电聚苯胺可降解聚合物支架培养细胞，进行生物学表征。

T.Paula等[12]将十二烷基苯磺酸(DBSA)掺杂的PANI以不同比例与PLA/PEG相互混合，采用同轴静电纺丝得到了核壳结构纳米纤维。PLA/PEG外壳包覆后减少了PANI的释放，降低了复合纤维生物毒性；观察小鼠心肌细胞培养结果表明，5%PANI/PLA/PEG为心肌细胞提供了非常好的附着力，能够调节细胞形状和方向，不会对心肌细胞的搏动和收缩功能的发育产生干扰或阻碍，表现出良好的生物相容性。

Zhang等[13]采用同轴静电纺丝法制备了以神经生长因子(NGF)为核，PANI与聚乳酸共聚己内酯/丝素蛋白混合物的共混体系(PS)为壳的纳米纤维，探讨电刺激与NGF对神经元生长的协同作用。结果表明，随着PANI浓度的增加，纤维直径减小，接触角和杨氏模量降低，电导率增加；从细胞活性和形态学来看，载NGF的PS-PANI纳米纤维可以促进小鼠雪旺细胞增长，引导细胞定向生长，电刺激下可以有效支持大鼠嗜铬细胞瘤12(PC12)神经突的生长，增加神经突承载细胞的比例和中位神经突长度，并且可以增加导电核壳结构纳米纤维中NGF的释放。

1.3 掺杂聚苯胺可降解聚合物

聚苯胺作为生物材料溶解性差、不易降解等局限性，与可降解聚合物共混或复合后的支架在溶解性和导电性方面不尽如人意。采用侧基功能化或酸掺杂可以明显改善PANI的溶解性和导电性，实现聚苯胺基可降解聚合物支架在电刺激下导电性、可降解性和生物相容性相互协调作用。

Min等[14]通过调整苯胺(AN)和甲苯胺酸(MA)两种单体的配比，合成了一系列不同磺化度的聚苯胺(SPAN)。结果表明，随着磺化度增加，电导率下降；SPAN直接与人骨肉瘤(HOS)细胞接触时，显示出良好的生物相容性。在此基础之上，将得到的SPAN制备为交叉电极(图2)，研究在电刺激作用下对HOS细胞的影响[15]。结果表明：SPAN磺化度越高，细胞的跨径电导率越高，可在不受电刺激的情况下促进细胞的附着和生长；在低电压和低频率(800 mV和1 kHz)刺激下，可增强细胞生长；当电压或频率超过一定水平，细胞生长超过最大阈值，会发生明显死亡。进一步地，研究电刺激下SPAN交叉电极对BMSCs和MC3T3-E1细胞相容性和增殖的影响[16]。所制备的SPAN在较广的pH范围下，具有较高导电性和稳定性；采用ALP活性测定法和细胞染色皆证实对两种细胞的矿化程度显著增加，表现出良好的细胞相容性。因此，SPAN可成为体外细胞培养和组织工程应用的潜在支架材料。

图2 SPAN交叉电极制备[15]Fig 2 Preparation of sulfonated polyaniline-based interdigitatedelectrodes[15]

十二烷基苯磺酸(DBSA)是最常用的掺杂剂，能有效提高产品的分散性、溶解性和导电性。Yan等[17]将苯胺单体、乳化剂和掺杂剂DBSA在水中混合，以各种氧化剂进行乳液聚合，形成DBSA-PANI/PLA复合溶液，静电纺丝为复合纳米纤维膜。实验得到的PANI/PLA纤维膜电导率较高，纤维膜的电导率最高达9.1×10-3S/cm，可作为生物材料应用于电刺激生物组织工程领域。

Li等[18]将樟脑磺酸(CPSA)掺杂后的聚苯胺(C-PANI)与明胶共混后静电纺丝纤维，经0.2%的EDC交联后得到了均相的多孔纳米纤维，研究H9c2心肌成肌细胞在聚苯胺/明胶纤维上的黏附和分化。结果表明，CPSA改善了PANI的溶解度，随着C-PANI含量的增加，支架的抗拉强度增加，导电率可提高4倍左右；H9c2细胞在电纺C-PANi/明胶共混纤维支架上呈现出更高的分化度，支持H9c2细胞的附着、迁移和增殖。此外，其他学者[19-20]将不同含量的CPSA掺杂PANI与PCL混合纺丝纤维支架，都可以提高表面电导率可使血清蛋白更有效地吸收和沉积，从而有利于细胞的附着和增殖。

2 苯胺寡聚体可降解聚合物

由于聚苯胺溶解性差，过量使用存在细胞毒性，需要控制其含量或者寻求一种溶解性好、易降解的材料替代。苯胺寡聚体的导电性与聚苯胺相近，具有低分子量、可溶性好等优点，为实现导电可降解性聚合物提供了一种新选择。目前在苯胺寡聚体方面的研究主要是采用嵌段共聚物、侧链接枝和超支化的策略解决导电聚合物溶解性、生物降解性和导电性的问题。

2.1 嵌段共聚物

合成有苯胺寡聚体和可降解部分的多嵌段共聚物，是含羟基封端的导电低聚体与含羧基的可降解聚合物通过缩聚反应得到的[21]。郎乐等[22]以二环己基碳二亚胺(DCC)为缩合剂,将聚乙二醇单甲基醚(mPEG)与苯胺四聚体(AT)反应, 得到有良好的电活性二嵌段共聚物。羟基封端的聚乳酸(PLA)和羧基封端的苯胺五聚物(AP)通过酯化反应缩聚为多嵌段共聚物PLAAP[23](图3)，表现出很好的电活性、溶解性和生物可降解性，在电刺激的下PLAAP可促进PC-12细胞分化。

图3 PLAAP嵌段共聚物合成路线及结构[23]Fig 3 Synthesis route and structure of PLAAP block copolymer

由于缩聚反应需要多步聚合、纯化繁琐、产率低、残留有毒溶剂，使得缩聚反应合成多嵌段导电可降解聚合物有了许多的限制[24]。因此，研究人员引入有机金属基的辛酸亚锡(Sn(Oct)2)催化剂[25-27]和酶催化脂肪酶[28-30]催化剂聚合反应过程中，通过开环聚合(ROP)反应将导电单元与可降解单元以酯基或酰胺基连接得到具有电活性和可降解性的共聚物支架用于组织工程领域。

郭保林团队[31-32]通过开环聚合和氧化偶联两步法合成了一系列嵌段苯胺低聚体可降解共聚物。合成的苯胺五聚体和聚己内酯(PCL)组成的ABA型三嵌段共聚物(图4)[33]，表现出分子量可控、优良的电活性和生物可降解性。按照类似方法，刘四委等[34]合成了双聚己内酯封端苯胺三聚体ABA型三嵌段聚合物，其热稳定性和电化学稳定性均表现良好，且对溶液pH值的响应范围更宽、更灵敏，更适用于体内外支架材料的应用。R. Sarvari等[35]合成了以D-葡萄糖为核的星状聚己内酯-聚苯胺共聚物(S-PCL-PANI),并与PCL共混后静电纺丝得到三维多孔纳米纤维(S-PCL-PANI /PCL)支架。所制备的支架孔隙率高、表面积大，导电性高(0.03 S/cm)，具有较高的生物相容性，可以调节细胞的附着、增殖和分化。

脂肪酶因其无毒环保、反应效率高、反应条件温和、特异性高和反应过程易于控制而被广泛应用[36]。与Sn(Oct)2基催化剂相比，脂肪酶开环聚合得到的导电可降解聚合物分子量集中在较低的水平，易于降解，电活性亦不受影响，具有良好的环境友好性和广阔的应用前景[37]。

2.2 侧链接枝

刘四委等[38]将合成的不同长度苯胺链段接枝到聚甲基丙烯酸类聚合物，发现当苯胺链段达到一定长度时，经质子酸掺杂后的聚合物具有一定的电导性。其中，接枝苯胺八聚体的共聚物经质子酸掺杂后其电导率可以达到10-5S/cm。郎乐等[39]以N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)活化的聚L-谷氨酸的羧基与苯胺四聚体的氨基缩合，得到了以可生物降解的聚谷氨酸为主链，具有电活性的苯胺四聚体为侧链的新型接枝聚合物，接枝后的聚合物表现出良好的电化学活性和生物可降解性。

2.3 超支化

将合成的超支化延性聚乳酸(HPLA)与不同含量的苯胺四聚体(AT)共聚，得到了一系列电活性、延性和可降解的共聚物(HPLAAT)[40]。与HPLA相比，HPLAAT具有较高的电活性，表现出更好的热稳定性和可控的生物降解速率；在肌管形成过程中，能显著提高C2C12成肌细胞的增殖；定量分析肌管数量、长度、直径、成熟指数以及对应的基因表达表明，HPLAAT可极大促进C2C12细胞的成肌分化。B. Massoumi等[41]在之前工作基础上[35]，合成了以聚酯为核的星状超支化聚乳酸-聚苯胺的三元共聚物(S-HAP-PLA-PANI)并与PLA共混后静电纺丝得到S-HAP-PLA-PANI/PLA纳米纤维支架。复合纤维平均直径为70～100 nm，在体外环境12周后支架质量损失45%；导电率为0.05 S/cm，具有良好的生物相容性，可以模仿细胞外基质的自然微环境调节细胞依附、增殖和分化。

图4 三嵌段PCL-EMAP-PCL合成路线[33]Fig 4 Synthesis route ofthree-block PCL-EMAP-PCLcopolymer

3 结 语

聚苯胺基导电可降解聚合物支架因其高电活性、生物相容性和可降解性优势成为组织工程发展的一种趋势，电刺激下并且在可促进细胞生长、迁移、增值和分化。酶催化剂的引入使其制备条件温和、过程可控和环保，基于苯胺寡聚体的超支化的结构设计在满足导电性和可降解性的前提下表现出更好的生物活性和生物相容性。酶催化与超支化分子结构设计的结合将是聚苯胺基导电可降解聚合物研究方向，优异的生物学性能在组织工程领域具有广阔的应用前景。