聚ε-己内酯(poly(ε-caprolactone),PCL)是一种广泛应用的半结晶生物可降解聚合物,常在室温和体温下呈橡胶态,具备优良的柔韧性、机械性能及易加工性。这些特性使得PCL区别于其他常用的生物降解支架材料,如聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)【1】。
PCL被广泛应用于制造纳米纤维支架,并在多种组织工程中发挥重要作用。作为一种热塑性塑料,PCL的熔点(Tm)为60 ℃,玻璃化温度(Tg)为-60 ℃,在37°C时则展现出半结晶的橡胶态特性,赋予其优异的柔韧性及弹性记忆,尤其适合用作医用导管和软硬组织修复材料。此外,未改性的PCL在2-3年内能完全降解,这使其能用于与心肌长期整合且最小瘢痕的细胞装载贴片。PCL还表现出低免疫原性和良好的体内生物相容性,但其降解速率较慢,因此由PCL制成的支架在促进血管组织再生方面显示出巨大潜力。在相关研究中,L929小鼠的成纤维细胞在PCL膜上短期培养显示出优异的粘附、生长及存活率【2】。
尽管PCL有诸多优点,但其固有的局限性也不容忽视。比如,与其他有机聚合物相比,PCL的生物降解速率明显偏低,通常需要2-4年。此外,其低生物活性及疏水性限制了细胞活性的提升,不利于细胞粘附和增殖。为了解决这些问题,研究者们通常会对PCL进行表面改性、微结构设计或采用共混、共聚等方式,以改善其亲水性、机械性能、生物性能及降解性能,进一步促进细胞的粘附与生长,从而引导或诱导血管组织的再生。
成功的人造组织支架需通过促进细胞组织及提供适当的机械与生物功能来支持再生。在微观形貌向可生物降解的聚己内酯(PCL)薄膜过渡的过程中,为将细胞化的微纹理支架层叠到三维组织结构中,2008年,波士顿大学生物医学工程系的DesaiTA和WongJY制备了一种具有微米级凹槽微结构的层叠PCL支架。通过表面改性技术将光反应性丙烯酸酯基团附着于PCL支架表面,使聚乙二醇-丙烯酸酯凝胶(PEG-DA)能够在其上进行光聚合,形成高度有序且结构稳定的分层3-D复合结构,这种结构能够诱导平滑肌细胞定向生长和细胞外基质的排列。这一精确制备的3D组织模型能够系统性地测试细胞取向对组织工程血管的功能及机械性能的影响【3】。
在微观结构方面,通过聚合物支架内部的仿生血管通道进行图案化有望诱导血管新生,允许制造大型工程结构。2010年,德国慕尼黑工业大学的SchantzJT等针对细胞支架结构的血管化及灌注不足问题,利用计算机辅助设计(CAD)和熔融沉积建模(FDM)技术,对来自脑膜中动脉前支的血管通道网络进行了建模,并制备了一种聚己内酯(PCL)支架,能有效引导血管生成。他们将骨髓来源的间充质干细胞(MSCs)接种到支架上,并在大鼠模型中进行植入,结果显示,在插入动静脉束的三周后,支架内形成了丰富的毛细血管和结缔组织【4】。
2020年,郑州大学的LiQ等研发了一种结合环保超临界CO2微孔发泡与聚合物浸出的方法,以制备小直径血管组织工程支架。他们将PCL与水溶性PEO按不同比例溶解于氯仿中,经过超临界CO2处理后,再用蒸馏水浸出PEO,获得多孔血管支架。研究结果显示,随着PEO含量的增加,孔径减小而孔密度增加,形成高度互连的多孔结构,从而为制备小直径多孔组织工程血管支架提供了理论依据和数据支持【5】。
2022年,南开大学的孔德领等针对血管移植物的机械强度不足问题,借鉴隧道施工中钢纤维混凝土的设计理念,通过熔融纺丝与热处理制备了聚己内酯(PCL)纤维骨架(PS)。该骨架在植入体内后能诱导宿主细胞及细胞外基质的组装,从而获得增强生物性的新型生物管(PB)。经过多项体外力学测试及在大鼠模型中植入评估后,热处理的中纤维角PB(hMPB)表现出优异的性能,显示出良好的临床应用前景【6】。
其他研究也指出,当PCL作为血管组织工程的基材料时,能够提供有效的机械支撑并减少血小板聚集与血栓形成的风险。例如,Bao等人设计了一种三层支架结构,模拟动脉的天然结构,将内层由PCL构成,与血流方向一致,以有效抑制血小板形成。综合这些研究,PCL因其独特性能逐渐成为血管组织工程支架的热门选择,但其力学性能与降解性能的调节仍有限,未来可通过聚合形成PLA、PGA等共聚物,从而拓展其在血管组织工程及再生修复材料中的应用前景。未来的研究将持续推动这方面的进展,尤其是与生物医用材料相关的创新,将为临床应用提供新的可能性。
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