查芳雯，陳 煒，于德梅

(1. 西安交通大學 化學學院，西安 710049； 2. 西安交通大學 基礎醫(yī)學院，西安 710049)

0 引 言

靜電紡絲纖維材料由于與天然的細胞外基質(ECM)具有相似性，已經(jīng)成為組織工程應用的一個新興研究課題[1-2]。導電聚合物是一類具有共軛π鍵的高分子，其主鏈上具有高度重疊的共軛π軌道，共軛結構上的電子游離與高分子主鏈及鄰近的鏈間，賦予了高分子導電的能力。近年來，導電聚合物在生物醫(yī)學領域的應用逐漸受到研究者的關注[3-5]。作為一種具有導電性質的材料，導電聚合物最主要的特點是可以直接向細胞傳遞電信號和機械電刺激，對細胞的生命活動產(chǎn)生影響，這在組織工程，特別是與生物電相關的組織，如神經(jīng)、肌肉、心臟等，具有很好的應用價值[6-7]。此外，含有導電聚合物的材料可以為細胞提供可控范圍和可控時間的導電及電刺激，并且具有增強細胞膜極化和電荷傳輸?shù)墓δ?。這種導電聚合物所提供的電刺激主要集中在聚合物周圍，因而能實現(xiàn)對電刺激空間和時間的精準控制，影響細胞的生長、增殖等行為[8]。因此，導電聚合物是設計并制備具有導電特性的組織工程生物材料的理想選擇。通過靜電紡絲法，目前已經(jīng)有多種策略可以將導電聚合物加工成納米纖維。然而，由于導電聚合物固有的剛性和難溶性，直接電紡絲制備成纖維具有很大的困難。從原則上說，通過靜電紡絲直接制備的導電聚合物納米纖維應保持其高導電性和固有的物理化學特性。但是，由于分子量的限制，以及缺少適用的靜電紡絲溶劑，只有一部分導電聚合物，如聚吡咯和聚苯胺，可以通過靜電紡絲直接制成纖維。將導電聚合物與靜電紡絲纖維相結合，制備成具有導電性能的復合纖維材料，是目前研究的主要思路。將導電聚合物與具有良好機械性能、生物相容性的聚合物相結合，既有利于成纖維，又有利于提高導電聚合物纖維的性能。電紡絲納米纖維主要作為基質材料，其具有高表面性和多孔性，可以為細胞的生命活動提供合適的基質。利用電紡絲制備復合纖維的方式有多種，包括共混法，原位聚合法和同軸靜電紡絲法等。不同方法制備的導電聚合物/靜電紡絲復合材料的結構有所差異，對材料的性能和應用都有重要的影響。本文從靜電紡絲纖維入手，分析了靜電紡絲纖維材料的特性，介紹了不同結構的纖維特點。聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺及其衍生物是導電聚合物中較為常見的三類聚合物。在此基礎上，本文主要分三類總結了導電聚合物(聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺)/靜電紡絲纖維復合材料的研究現(xiàn)狀，特別是此類材料在組織工程中的應用進展。

1 靜電紡絲纖維材料及特點

靜電紡絲技術由于其適用材料范圍廣，易于調節(jié)，操作簡易，成本低，可變性強等優(yōu)點，近20年來得以快速發(fā)展。由于靜電紡絲制備的納米纖維材料具有多孔結構，且物理化學性質穩(wěn)定，具有可調節(jié)的機械性能和降解速率等優(yōu)勢，這類材料可以有效地應用于組織工程、藥物緩釋、傷口敷料等生物醫(yī)學領域。靜電紡絲納米纖維是目前組織工程支架材料研究中的一類重要材料，主要是由于其具有以下的幾點特性：(1)靜電紡絲納米纖維薄膜具有較好的多孔結構，高的表面體積比和空間體積。這些特性有利于負載和釋放生物活性分子，例如蛋白質，納米藥物，核酸等。而且，較高的表面積有利于細胞和支架材料的接觸和黏附；(2)采用同樣的靜電紡絲裝置可以制造直徑為幾十微米甚至小到幾納米的纖維。納米級的纖維與天然細胞外基質的有序多層纖維結構類似，作為支架材料可以很好地模擬ECM，有利于細胞在表面的黏附和增殖；(3)單一聚合物或多種的聚合物復合物可以通過靜電紡絲技術制作成納米纖維材料。這些聚合物包括大量的天然聚合物，合成聚合物及兩者的復合物，從而滿足不同的組織工程材料需求。

靜電紡絲纖維結構可分為3類：(1)隨機取向分布纖維；(2)一維取向纖維；(3)核-殼結構纖維。具有取向性納米纖維在組織工程中的應用主要是為了控制細胞的生長方向。取向納米纖維在組織工程中的應用主要是為了控制細胞的生長方向。排列整齊的納米纖維支架可用于用于人造血管[9]、韌帶[10]等組織工程研究。同軸靜電紡絲是靜電紡絲技術的一種改進或延伸，主要區(qū)別是在紡絲過程中使用了復合噴絲頭。兩種組分可以分別通過不同的同軸毛細管通道，并集成到同一根纖維復合中。同軸靜電紡絲的優(yōu)點是可以在不改變生物相容性的情況下控制殼層厚度、整體機械強度和降解性能。功能化的核-殼結構的復合納米纖維可用于控制生長因子或藥物釋放，以及開發(fā)高靈敏度傳感器和組織工程支架復合材料。

2 導電聚合物/靜電紡絲纖維復合材料

導電聚合物/靜電紡絲纖維復合材料主要可分為3大類：聚吡咯/電紡絲纖維復合材料；聚噻吩/電紡絲纖維復合材料以及聚苯胺/電紡絲纖維復合材料。下文將詳細介紹這3類材料及其在組織工程中的研究進展。

2.1 聚吡咯/靜電紡絲纖維復合材料

聚吡咯(PPy)是吡咯單體的高分子聚合物，其制備方法靈活，穩(wěn)定性高，具有較強的化學穩(wěn)定性和離子交換能力。此外，聚吡咯具有良好的生物相容性，可以有效地支持細胞的粘附與生長。Williams[11]最早使用了小鼠成纖維細胞(L929)和神經(jīng)瘤細胞證實了PPy不具有細胞毒性。也有研究報道了PPy和殼聚糖的可生物降解導電復合膜對施旺細胞的影響。研究發(fā)現(xiàn)無論是否施加電刺激，導電PPy殼聚糖支架均能支持細胞粘附和增殖，但電刺激明顯增強了施旺細胞的細胞活性。此外，施加了電刺激PPy-殼聚糖支架顯著增加神經(jīng)生長因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達和分泌[12]。Liu等使用氣相聚合改性電紡絲的方法制備了3D結構的PPy復合支架材料。結果顯示隨機取向的PPy復合電紡絲纖維支架可以為PC12細胞的粘附與增殖提供具有電活性和生物相容性的平臺，具有取向性的PPy復合支架可以有效地引導PC12細胞神經(jīng)突的伸展方向。Kai等[13]成功地將聚吡咯(PPy)與聚己酸內酯(PCL)復合紡絲，在此材料表面成功培養(yǎng)了心肌細胞；PPy和聚乳酸(PLA)的復合材料也在神經(jīng)組織工程領域被廣泛研究[15-16]。有研究報道了原位聚合的PPy/電紡絲纖維素納米纖維[14]。PPy以小顆粒的形式附著在纖維素納米纖維表面(圖1)，其導電性比未復合導電聚合物的纖維素納米纖維提高了105倍。此外， PPy/纖維素納米纖維材料沒有細胞毒性。經(jīng)過人類神經(jīng)母細胞瘤細胞體外培養(yǎng)，SH-SY5Y細胞在分化后15 d內存活率明顯，細胞可以很好地粘附在PPy/纖維素納米纖維上，其表型更接近神經(jīng)元。

圖1 (a)電紡絲纖維素；(b)PPy 0.05/纖維素；(c)PPy0.15/纖維素；(d)PPy 0.45/纖維素納米纖維的SEM圖像[14]Fig 1 SEM images of (a) electrospun cellulose, (b) PPy 0.05/cellulose, (c) PPy 0.15/cellulose and (d) PPy 0.45/cellulose nanofiber

2.2 聚噻吩/電紡絲纖維復合材料

與PPy研究相比，聚噻吩及其衍生物在生物醫(yī)學領域的研究成果較少，應用較晚。在某些情況下，聚噻吩被發(fā)現(xiàn)具有與PPy相似的性質，且更具有優(yōu)勢[17-19]。目前在生物醫(yī)學領域研究較多的聚噻吩類聚合物主要是各種3位取代的聚噻吩衍生物，如聚3-甲基噻吩(PMTh)，聚3-己基噻吩(P3HT)，聚3-十二烷基噻吩(PDDTh)，聚(3，4-乙烯基二氧)噻吩(PEDOT)。Matin等用PEDOT[20]，PEDOT-MeOH[21]，PEDOT/S-EDOT[22]來修飾神經(jīng)微電極，發(fā)現(xiàn)修飾后的電極阻抗很大程度降低，增加了電荷容量，細胞相容性都得到了較大程度的提高；同一個課題組報道了用表面活性劑進行修飾的PEDOT神經(jīng)探針，發(fā)現(xiàn)對比于金電極，PEDOT的阻抗更低[23]。細胞實驗表明SH-SY5Y細胞可以黏附，神經(jīng)細胞很好地伸展在修飾的電極表面；Richardson-Burns在活的細胞[24]和神經(jīng)組織[25]周圍電化學聚合PEDOT，開創(chuàng)了一個新的范例來制備柔軟的，阻抗低的可植入的電極。Morgado[26]等通過細胞毒性測試，證明了P3HT無細胞毒性。Jin等[27-28]將聚噻吩衍生物與合成聚合物制備了復合的納米纖維材料。他們發(fā)現(xiàn)通過加入P3HT使得材料具有很好地光敏性，人體皮膚成纖維細胞(HDFs)可以很好地在此表面生長，光刺激下的細胞增殖情況更好。此外，采用靜電紡絲和原位聚合的方法，有研究制備了具有核-殼結構PEDOT/聚氯乙烯(PVC)納米纖維薄膜(圖2)[29]，發(fā)現(xiàn)此復合材料在光刺激的作用下可以很好地促進脂肪干細胞分化成表皮細胞，對于皮膚重建和修復很有意義。

圖2 PEDOT納米纖維薄膜的制作原理圖，以及PVC，PEDOT靜電紡納米纖維薄膜的光學照片。在EDOT-FeCl3反應體系中，乙醇快速蒸發(fā)，EDOT在PVC納米纖維表面發(fā)生聚合，并沿逐漸下降的納米纖維與溶液的界面形成均勻的PEDOT層，最終形成柔性的PEDOT納米纖維薄膜。[29]Fig 2 Schematic illustration of PEDOT nanofiber mats fabrication, and optical photographs of PVC electrospun nanofiber mats and obtained PEDOT nanofiber mats. The polymerization of EDOT on the surface of the PVC nanofibers occurred as the rapid evaporation of ethanol in the reaction system of EDOT-FeCl3 in ethanol, a uniform PEDOT layer formed along the gradually declining interface between nanofibers and solution, and finally resulted in a flexible PEDOT nanofiber mat

2.3 聚苯胺/電紡絲纖維復合材料

聚苯胺(PANi)的結構具有多樣性，其環(huán)境穩(wěn)定性高，電子易于轉移。與聚吡咯相比，生物相關領域的應用較少，主要的缺陷是其細胞相容性較差。有報道研究了經(jīng)摻雜的PANi和明膠的混合物經(jīng)電紡絲制備的納米纖維在組織工程中的潛在應用。目的是在體內為心臟組織工程制造支架。增加共混物中PANi的濃度，發(fā)現(xiàn)電紡絲纖維的直徑減小了大約一個數(shù)量級，纖維直徑小于100 nm。實驗選用H9c2大鼠心肌成肌細胞在纖維材料上培養(yǎng)。結果表明PANi與明膠納米纖維具有生物相容性，能支持細胞附著和增殖。Huang等[30]以聚乳酸為生物降解段，低分子量苯胺五聚物為電活性段，制備了一種新型電活性可生物降解復合材料。Zhang[31]等以甘氨酸乙酯為側鏈合成了一種新型的導電生物可降解聚磷腈聚合物，并利用施旺細胞對其生物相容性進行了評價。結果表明，該聚合物沒有細胞毒性，適合作為外周神經(jīng)再生或其他需要電活性的生物醫(yī)學設備的支架材料。Huang等[32]通過羥基聚乳酸和苯胺五聚物的縮聚反應合成了一種多嵌段共聚物，該共聚物具有良好的電活性和生物降解性，適合于組織工程應用。

在神經(jīng)體系中，生物電信號在維持生命活動中起到了至關重要的作用。電刺激的信號影響離子跨膜移動的流向，通過細胞內的信號傳導通路來改變膜電勢，被認為是一種具有潛力的提高神經(jīng)組織修復和功能重建的方法[34-35]。在此前提下，具有電場響應和一定導電性能的神經(jīng)組織工程支架是目前研究的新方向。導電聚合物由于其優(yōu)異異的生物相容性和物理化學性質以及一定的電性能，可以制備成具有一定導電性能的神經(jīng)組織支架材料，與電刺激相結合，促進神經(jīng)細胞的生長。Schmidt等[36]最早將PC12細胞培養(yǎng)在氧化的PPy薄膜上，并施加了100 mV，2 h的直流外電場，結果發(fā)現(xiàn)具有明顯的促進細胞生長的效果。有研究將PANi與PCL/明膠納米纖維支架結合用于檢測ES對神經(jīng)干細胞增殖和分化的影響[37]。結果表明，電刺激后的細胞增殖受到促進，神經(jīng)突的長度較未刺激的支架表面細胞更長。Hsu等[38]將神經(jīng)干細胞在電紡絲血清白蛋白納米纖維支架上培養(yǎng)，并使用2 Hz、50 mV/cm電脈沖連續(xù)刺激2 h。結果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過ES處理的血清白蛋白支架具有最長的神經(jīng)突生長和明顯更多的神經(jīng)突分枝。Zhang等[33]制備了具有取向性的含有神經(jīng)生長因子(NGF)的PANi和PLLA-PCL核-殼結構的納米纖維支架，用于培養(yǎng)PC12細胞(圖3)。經(jīng)100 mV/cm，每天刺激1 h后，分化的細胞沿著導電納米纖維的長軸方向生長，且神經(jīng)突的長度增加，數(shù)量增多。

圖3 (A)在電刺激和無電刺激的條件下，PS-PANi-1+NGF納米纖維的NGF累積釋放。PC12細胞在不同培養(yǎng)基中分化3天:(B) RPMI 1640培養(yǎng)基;(C) RPMI 1640培養(yǎng)基含NGF緩釋介質(5天)，無電刺激;(D) RPMI 1640含NGF緩釋介質(5天)，100 mV/cm恒壓電刺激(5天，每天1 h)，標尺=100 μm, n=6[33]Fig 3 (A)Cumulative release of NGF from the PS-PANi-1 + NGF nanofibers with and without electrical stimulation. PC-12 differentiation in different culture media for 3 days: (B) RPMI 1640 medium; (C) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) without electrical stimulation; (D) RPMI 1640 medium containing NGF sustained-release medium (5 days) with electrical stimulation at a constant voltage of 100 mV/cm (5 days, 1 h per day), scale bar=100 μm, n=6[33]

3 結 語

隨著生物材料的不斷發(fā)展，具有導電性能的組織工程支架材料受到了越來越多的關注。導電聚合物的生物相容性、可調導電性、易合成和改性等優(yōu)點使其成為組織工程中極具潛力的材料。靜電紡絲纖維特殊的結構及成本低，易制造等優(yōu)勢，使其成為目前最廣泛的導電纖維支架的制備方式。以導電聚合物為導電物質，為支架提供電性能，以合成聚合物如PCL、PLA、PLGA等聚合物為基質，制備的復合材料在修復骨、肌肉、神經(jīng)、心臟和皮膚組織等領域具有很大的潛力。在導電聚合物/靜電紡絲纖維復合材料上施加電刺激可以增強材料上培養(yǎng)細胞的細胞活性，包括細胞的增殖和分化等。雖然導電聚合物在體外具有良好的生物相容性，導電聚合物/靜電紡絲纖維復合材料的合成和功能化已經(jīng)取得了顯著的進展，但其體內生物相容性和生物降解性仍需要系統(tǒng)的研究。為了保證導電生物材料的無毒性和可降解性，需要進行大量的長期細胞毒性和生物降解的體內實驗。未來，導電聚合物/靜電紡絲纖維復合材料在組織中的應用研究將會更加深入，其性能優(yōu)化和臨床的應用將得到進一步的探索。