李娜，李進，王娟，張正濤，何榮祥，陳勇，張瑋瑩*，曹一平

（1.江漢大學交叉學科研究院；2.江漢大學光電化學材料與器件省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430056）

多功能SMPs在生物醫(yī)學領域的研究進展

李娜1，2，李進1，王娟1，張正濤1，何榮祥1，陳勇1，張瑋瑩*1，曹一平1，2

（1.江漢大學交叉學科研究院；2.江漢大學光電化學材料與器件省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430056）

形狀記憶聚合物（SMPs）是一種可以感知—響應外界刺激，并調整自身力學參數，從而回復預先設定形狀的智能材料，在自動化、包裝材料、微-納米電子機械等領域具有良好的使用價值。為了進一步拓展形狀記憶材料的實際應用范圍，滿足一些特殊領域（如航空航天、生物醫(yī)學）的功能化要求，彌補材料單一形狀記憶功能所造成的不足，多功能SMPs越來越受到科學家的廣泛關注。概述了多功能SMPs的研究進展，綜述了多功能SMPs在生物醫(yī)學工程上的應用，并展望其發(fā)展前景。

形狀記憶聚合物（SMPs）；生物醫(yī)學應用；智能材料

0 引言

智能材料是指可通過自身的感知而獲得有關外界環(huán)境條件及其改變的信息，之后再進行判斷、處理并發(fā)出命令，繼而使自身結構和功能發(fā)生變化以與外界相適應的一類材料。其中，形狀記憶材料是指可感知外界環(huán)境變化（如：溫度、溶劑、壓力等）并對其刺激進行響應，從而調整自身力學參數以使其恢復到預先設定狀態(tài)的一類智能材料。形狀記憶聚合物（SMPs）由于具有結構特殊、制作簡單、原料充足及對刺激具有積極的響應性等特點,已在航空航天、異徑管結合材料、生物醫(yī)學、微-納米電子機械等領域進行了應用［1］。日常生活中與SMPs相關的產品深受消費者喜愛，目前人們不再滿足于單一功能的SMPs，迫切需要在分子水平上將形狀記憶功能和其他功能結合在一起，從而滿足實際應用。因此，多功能SMPs材料改性及復合技術的研究和開發(fā)方興未艾，成為國內外材料研究和開發(fā)的熱點［2］。

1 多功能SMPs的合成進展

在SMPs的模塊構筑上，人們通過多種不同的硬段與軟段結合得到了不同種類的SMPs；在SMPs的形態(tài)學上，結晶的、無定形的、或者液晶的各種巧妙組合使得SMPs具有可調節(jié)的形狀記憶改變溫度；在SMPs的三維空間圖像上，支狀的、體型的、星型的等各種分子形狀的SMPs也均有報道。在形狀記憶效應的各種指標上，通過分子整合技術及材料復合技術，人們已經開發(fā)了各種具有優(yōu)良綜合形狀記憶效應的聚合物。這些SMPs有的具有可控的形變溫度，有的具有三形變甚至多形變記憶效應，有的具有很高的回復應力、回復速率及回復精度。而自雙程記憶效應的SMPs被發(fā)現以來，更是引發(fā)了研究者的極大熱情。在形狀記憶效應的驅動方式上，已經從傳統(tǒng)的熱驅動，發(fā)展到現在的光（包括可見光、紅外、紫外、微波）、電、磁、溶液、濕氣、分子刺激、壓力、聲等驅動。為了進一步拓展SMPs在實際應用中的多重需求，在尋求SMPs自身形狀記憶功能的完善之外，人們開始在SMPs基礎上增加其他功能，已經問世的多功能SMPs包括優(yōu)良力學性能的SMPs（高強度、高剛度、高彈性），光學功能SMPs（透明性、顏色改變性能、光傳導功能），電磁活性SMPs（高電導性、磁導性），生物多功能SMPs（生物可降解性、生物相容性、低毒性、低免疫性），以及自修復多功能SMPs。

2 多功能SMPs在生物醫(yī)學領域的研究進展

2.1 醫(yī)療器件

生物多功能SMPs在生物醫(yī)學上最大的應用莫過于各種醫(yī)療設備智能控制系統(tǒng)［3］，如矯形材料（牙科、骨科）、血管內異物套管器械（心臟瓣膜、血管支架、血栓清除器）、內鏡檢查穩(wěn)定器、活體組織切片檢查鉗、人工腎臟系統(tǒng)器件、節(jié)育器及其配套裝置等。

SMPs在頭與頸部的應用主要是神經治療，SHARP等［4］報道了利用SMPs做成的神經電極元件。他們將附帶封閉導體的SMPs微驅動器插入腦組織中，軟化的SMPs可以與腦組織微觀機制匹配，達到神經傳遞的作用。

SMPs在眼科的應用主要是為了改善眼內壓力，SHADDUCK等［5］發(fā)明了具有降低眼內壓的形狀記憶植入管，主要是利用SMPs的一些特殊形狀減少眼內壓，同時植入物可通過兩種方法改善眼內壓力流散渠道，一是通過類似支架的外部渠道，二是通過改善軟骨組織的特性。

在外科其他方面，BETTUCHI等［6］發(fā)明了SMPs自緊打結線醫(yī)療器件。利用SMPs線程的能力，可以輕松地形成自緊結。GORALTCHOUK等［7］報道了SMPs自動定位線，利用SMPs線伸出呈穗狀，在沒有需要打結的情況下?？吭诮M織周圍，從而維持傷口穩(wěn)定。LENDLEIN等［8］報道了SMPs手術扣件。生物可降解或者生物穩(wěn)定性的SMPs探針，刺入非SMPs設備并植入組織后，在溫度誘導下，SMPs探針回復成彎曲或螺旋的永久形狀，從而保證了設備對組織的安全性。

生物多功能SMPs在泌尿科也有一些應用。TEAGUE［9］報道了SMPs檢索設備醫(yī)療器件。利用不同永久形狀的光活化SMPs設備（筐、開瓶器）可以捕捉到腎臟、胰臟或膽囊腔的結核，達到檢索功能。JORDAN等［10］報道了形狀記憶腔內假體支架器件。用作腔內假體的中空徑向膨脹SMPs設備，該設備具有不同結構與材料的多重排尿路徑，包括根據應用而定的具有生物可降解和生物穩(wěn)定性的SMPs。

ORTEGA等［11］報道了利用SMPs制備的透析針器件。其原理為：用于血管內沉積并且?guī)в蠸MPs管道的透析針；在透析中，SMPs的展開形狀（較大的遠端直徑）減少了動靜脈血管血液壓力以及可能導致的移植失敗。根據文獻［10］，其原理為：利用SMPs的漏斗狀結構設備，可以提高細胞的收集數量，并且通過打開血管壁的接觸來降低閉塞的風險。

在其他內科應用方面，YAKACKI等［12］報道了韌帶或肌腱修復醫(yī)療器件。將SMPs制成薄片狀或小塊狀植入受損部位后，加熱到形變溫度，通過形變使其達到所需形狀大小，此時植入物相當于一個支架，使膠原纖維組織長入，逐漸形成再生的結締組織。

SMPs在畸形矯正學上也有應用，尤其是畸齒矯正方面。JUNG等［13］報道了畸形牙矯正器件。其原理為：帶有多支架吊帶的SMPs不對齊牙齒矯正線在形狀回復時創(chuàng)造的應力，足以推動牙齒矯正到所需的位置。

此外，SMPs在減肥方面也有一些應用。LENDLEIN等［14］研制了肥胖癥胃填充物醫(yī)療器件。其原理為：SMPs設備在以折疊形狀放置到胃中，然后脹大為不折疊形狀，以此填充胃的空白體積。這樣就可以減少超重患者的食量，從而達到減肥效果。

2.2 組織工程

脂肪族聚酯類多功能SMPs不僅生物相容性好、降解速率慢而且具有優(yōu)異的可控熱機械性能，能夠滿足組織工程手術過程中對實際材料的多功能性要求。目前，SMPs在組織工程上的應用主要為骨、軟骨、韌帶、平滑肌等。NEUSS等［15］報道了生物多功能的形狀記憶聚己內酯二甲基丙烯酸酯網絡（PCLD?MA）骨組織支架。實驗證明，PCLDMA生物功能優(yōu)良，對各種生物體細胞都有很好的生物相容性。并且，PCLDMA形變回復率極大（高達93%），形變轉變溫度（54℃）比體溫高，這樣就可以保證手術順利進行，避免手術中體溫溫度驅動回復，植入變形所造成的不必要麻煩。

隨著SMPs在組織工程應用上的深入開展，高分子材料學家將原有方法結合現代納米技術、靜電絲紡等工藝制備出眾多的生物多功能SMPs支架材料［16］。這些支架材料因具備眾多優(yōu)點如促進細胞生長和血管化、降解速率可調、可控制釋放生長因子速率等，因此可以應用于組織工程化骨、韌帶、平滑肌及心血管等的構建，特別是促進合成正?；|從而構建軟骨，因而在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。

RABANI等［17］制備了生物可降解且降解速率可控的PCL/聚碳酸酯支架。實驗證明，這種多功能支架可以促進軟骨基質的形成。此后，GANTA等［18］報道了以蔗糖為軟段、甲苯二異氰酸酯（TDI）為硬段的SMPs。這種SMPs支架孔徑在100～300 μm之間，通過改變熱機械性能，調節(jié)孔隙率，以及孔間距（可以在10～2 000μm范圍內進行調整），可獲得適用于軟骨等多種組織構建的支架。此外還證實，多功能支架的降解產物是安全無毒的。

2.3 藥物控制釋放體系

高分子材料科學與現代醫(yī)藥學的相互滲透，使得多功能SMPs作為藥物控制釋放載體在生物醫(yī)學領域成為最熱門的研究方向之一。

NAGAHAMA等［19］報道了以己二異氰酸酯與交聯星形支化的聚己內酯為原料制備的生物多功能SMPs網絡。該聚合物材料具有良好的藥物釋放功能，在磷酸緩沖液（pH值為7.4）中可以持續(xù)釋放茶堿，時間長達1個月左右。此外實驗證實，在低溫下該網絡就可以快速響應，而且在一個狹小范圍內（37～39℃），形狀回復率達到90%。42℃下，10 s內形變回復率達到100%。這說明該網絡自身的形狀記憶性能及生物功能性良好。

XIAO等［20］用溶液鑄膜法合成了一種生物多功能形狀記憶交聯聚己內酯藥物載體。實驗表明，負載聚癸二酸酐后的PCL的形狀記憶性能基本不變，而且材料本身具有生物可降解性且降解速率是可調的。

WISCHKE等［21］比較了SMPs不同功能對藥物負載及釋放效應的影響。實驗發(fā)現，一系列來自聚己內酯乙交酯二甲基丙烯酸酯（PCLGCDMA）的前驅體，通過一定的技術負載藥物后基本對材料的降解行為、形狀記憶效應無不良影響。其明顯不同在于：藥物釋放性能取決于藥物負載的技術。由于SMPs結構以及組成的不同，沒有必要得到一個關于藥物負載技術的普遍適用結論。藥物釋放具有兩大傾向：①溶脹可以導致低藥物負荷量。而大的突釋或隨后高的釋放速率，則取決于藥物的理化性能。這種初始突釋可以給藥物提供廣泛的治療途徑，例如當藥物植入人體后可以達到高初始劑量的理想釋放。②在材料交聯過程之前，允許藥物有效載荷的一個簡單變動，但是這樣可能導致低的突釋以及隨后高的藥物負載速率。當治療所需要的模板藥物改變時，在交聯過程中是不允許藥物改變的，這是由每一個化合物在藥物負載時的狀態(tài)所決定的。

然而，生物多功能SMPs在藥物釋放中也面臨著諸多問題［22］，如：①藥物負載中，如何實現最大的藥物負載量；②如何實現生物降解—形狀回復—藥物釋放這3種過程中的功能及時間協(xié)調，即在形狀回復的過程中，材料降解的速率對藥物釋放的速率、數量的影響；③控釋、緩釋的過程中，如何在保證生物可降解SMPs恒定釋放的同時，確保材料的有效釋藥面積，以免SMPs降解過快而產生爆釋效應。④體內釋放過程中，人體生理環(huán)境對藥物釋放速率的影響。

生物多功能SMPs作為藥物控釋載體除了可以用于病痛治療外，還可以用在避孕方面。將避孕藥物與生物可降解高分子材料結合起來，制成相應的劑型，使藥物能夠充分地被人體吸收，減少藥物對腸胃的毒副作用［23］。

2.4 其他專業(yè)方面

通過分子結構設計合成的生物多功能SMPs可用于其他諸多生物醫(yī)學工程領域，如手術縫合線、神經元探測器、基因治療、內窺鏡手術、生物微米-納米電子機械、光治療等。

2.4.1 光治療基于腔內和間質的光治療對患者具有重要意義。多功能SMPs可以制成發(fā)光器件，能夠通過針、導管或內窺鏡傳遞光，用在諸如熱激光療法和光動力治療等方面。SMALL等［24］報道了以這種技術構建的高擴散性能的SMPs設備，設備的電源指示燈通過圓柱型的擴壓器連接到光纖，可以用于光治療。該設備的光熱驅動還用到SMPs栓塞泡沫和支架設備，調整設備的某個特定應用程序，SMPs剛度能力就能快速改變，屬于一種新型功能。

2.4.2 冷休眠彈性記憶技術該技術采用兩種結構作為載體：一是聚合物泡沫結構；二是以SMPs泡沫芯與高分子復合殼做成的三明治結構［25］。新開發(fā)的SMPs泡沫，運用冷蟄伏彈性記憶（CHEM）技術，可以進一步擴大其生物醫(yī)學應用。CHEM泡沫與形狀記憶功能相結合，可以研制出包括寬范圍孔隙度、重量輕、高體積比和高精確形狀恢復的SMPs，這些優(yōu)點都有望使SMPs用作臨床的功能設備及展開元素材料。CHEM泡沫的潛在血管用途還包括清除血凝塊（血栓）的動脈網。METCALFE等［27］對其可行性進行研究，并初步在體外進行證實，結果表明其研究前景是樂觀的。血管內顱內動脈瘤的異常脊可導致中風，但是目前治療的方法有重要的缺點，如治療不徹底，在動脈瘤頸部留有復發(fā)的隱患。因此，必須尋找新的更有效的方法清除動脈瘤囊生長。CHEM發(fā)泡材料可以作為栓塞劑和填充材料，以閉塞動脈瘤，達到治療目的。

3 結論與展望

正是多功能SMPs的諸多優(yōu)異性能：如可收回、重量輕、成本低、易加工性和非常高的恢復應力，使得多功能SMPs成為許多潛在應用的候選材料。近年來SMPs基礎研究進展迅速，未來更多的關注將集中在生物多功能SMPs的臨床應用上，特別是支架技術，有可能成為SMPs最深入研究的領域之一。就美國2009年在這個市場的經濟意義來說，支架的投入大概在4億～5億美元［27］，SMPs在未來醫(yī)療的重要領域中占據顯要位置，潛在的研究方向應當包括SMPs血管支架［28］。這些支架可能用在以下領域：藥物控制釋放體系、智能外科縫合、合成蛋白與聚合物結合支架、激光刺激用于祛除血凝塊的SMPs柔性執(zhí)行器、血管微創(chuàng)手術植入物，智能醫(yī)療設備的具有優(yōu)良生物相容性或生物調降性并具有可調降解速率的生物多功能SMPs。未來，將生物學功能與形狀記憶功能結合得到的多功能生物材料的應用，將會打開醫(yī)療設備、組織工程、藥物釋放領域以外更多的生物醫(yī)學市場。

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（責任編輯：葉冰）

Research and Application of Multifunctional SMPs in Biomedical Field

LI Na1，2，LI Jin1，WANG Juan1，ZHANG Zhengtao1，HE Rongxiang1，CHEN Yong1，ZHANG Weiying*1，CAO Yiping1，2
（1.Institute for Interdisciplinary Research，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；2.Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

The shape memory polymers（SMPs）belong to a class of smart polymers，they have the ability to respond to the external stimuli，and adjust their own mechanics parameter，then recover to the predefined shape.The SMPs have the applying value in the field of automation，packing material and microelectromechanical.To further extend the application of shape-memory materials and satis?fy the demand of special domains（such as aerospace and biomedicine），make up the defect of sin?gle shape memory function，multifunction SMPs attract more and more attention of scientists.Re?views the research progress of multifunction SMPs and their application in biomedical engineering，prospects their future development。

shape memory polymers（SMPs）；application in biomedicine；intelligent materials

O631；TQ323.8

：A

：1673-0143（2014）05-0019-06

2014-08-13

武漢市科技攻關計劃資助項目（201250499145-10，2013011001010483）

李娜（1992—），女，碩士生，研究方向：納米生物醫(yī)學工程。

*通訊作者：張瑋瑩（1982—），女，助理研究員，博士，研究方向：腫瘤標志物檢測。E-mail：ZWY2428@163.com