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华东理工大学刘润辉教授课题组《Adv. Funct. Mater.》综述:解决植入材料异物反应新材料策略及应用进展
2020-10-26  来源:高分子科技

  生物材料和医疗器械在植入体内后会面临机体异物反应的风险,导致植入体被纤维包裹,造成植入体的功能丧失并引发各种并发症。异物反应问题造成病人的痛苦和巨大的经济损失,是临床上卡脖子难题和制约植入材料与医疗器械发展的瓶颈。传统抵制异物反应的方法存在各种缺点,近年来研究者开始用新材料的策略来抵制异物反应并取得诸多潜在优势。因此,发现能够抵制异物反应的新型生物材料并研究其对异物反应的调控机制是重要科学问题,同时具有重要的临床应用和社会经济价值。


  近日,华东理工大学材料学院刘润辉教授课题组撰文总结和评述了抗异物反应的研究进展,重点介绍通过新材料策略来抵制植入异物反应及目前有限的三类抗异物反应材料和应用。该成果以题为“Dealing with the foreign-body response to implanted biomaterials: strategies and applications of new materials” 发表在Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.202007226)。


  该综述总结了数十种植入材料和医疗器械的异物反应实例,剖析了异物反应产生的机制和关键过程(图1)。进一步还总结了传统抗异物反应的三类策略:1)通过改变植入材料的物理性质例如尺寸、形状、硬度、表面拓扑结构等;2)结合抗炎药物或生物制剂来压制炎症反应;3)在植入材料表面修饰生物活性分子来调控异物反应。这些传统策略在一定程度和范围内解决了异物反应问题,然而这些策略都有各自的缺陷。通过优化材料的物理性质虽然能够起到一定作用,但怎样的物理性质能够最大限度的减轻异物反应始终没有一个既定的规则和经验,且不同的植入材料和器械需要特定的物理性质,因此该方法仅在一些特定的条件下适用,不具有普适性。通过结合抗炎药物(例如皮质类激素)或生物制剂(例如抗炎症的蛋白类抑制剂)是抵制炎症和异物反应常用的策略,然而这些药物或生物制剂会带来毒性和副作用的担忧。此外,药物的稳定性问题造成这种策略难以实现长时间抗异物反应功能。生物活性策略同样也不是普适的方法,对于纷繁多样的生物材料,通常需要针对每一种特定用途的植入体或医疗器械的表面进行特定的功能修饰才能满足需求。此外,造成异物反应的源头因素:蛋白的非特异性吸附在传统抗异物反应策略中依然难克服。


图1. 异物反应的机制,三类抗异物反应新材料及应用。


  近年来,抗异物反应新材料出现为这一领域提供了新的策略。该文章重点介绍目前有限的三类抗异物反应新材料,即两性离子聚合物材料、改性的海藻酸材料和氨基酸聚合物材料(聚β-丝氨酸),以及它们各自的特点和优势(图2-4)。两性离子聚合物在材料表面能够形成较强的水化层,其较强的亲水性和生物相容性被广泛用于抗粘附领域。基于其较强的抗粘附功能,羧酸甜菜碱(CBMA)水凝胶首先被报道具有抵制异物反应的功能(Nat. Biotechnol.2013, 31, 553-556)。此后,一些其他的两性离子类材料也被报道能够抵制异物反应,例如磺酸甜菜碱涂层、聚乙烯亚胺/海藻酸水凝胶材料等。第二类抗异物反应材料是修饰的海藻酸凝胶,其中一些含有三唑结构的海藻酸凝胶抗异物反应效果最好(Nat. Biotechnol. 2016, 34, 345-352),因此特定基团对免疫调控具有潜在的影响,研究者可以进一步探索异物反应材料的构效关系。第三类抗异物反应材料是刘润辉教授课题组在今年3月报道报道的蚕丝蛋白启发的聚β-丝氨酸,这类仿生材料结构简单、生物相容性好、具有不受环境电荷影响的特殊优势(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9586-9593)。


图2. 两性离子(羧酸甜菜碱)水凝胶抵制异物反应。


图3. 改性的海藻酸水凝胶抵制异物反应。


图4. 聚β-丝氨酸水凝胶抵制异物反应。


  基于新材料策略,抗异物反应的应用不断被报道,该论文综述了抗异物反应材料的最新应用进展,包括作为植入体本身、传感器涂层和细胞封装治疗等方面的应用。论文概述了抗异物反应材料在人工玻璃体、动态血糖检测涂层和胰岛封装的应用研究。通过抗异物反应新材料的策略,许多植入材料或医疗器械有望突破自身的局限,在未来成为功能优异的大发排列3。


  华东理工大学材料学院博士研究生张东辉是该成果的第一作者,刘润辉教授是通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金委、科技部等基金的资助。


  论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007226

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(责任编辑:xu)
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