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编号:10282335
医用聚乙烯醇及其智能改性物的细胞相容相性比较研究*
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 1999年第1期
     作者:李亦文 陈 捷 薛 淼 宁 丽 孟爱英 刘 俊

    单位:李亦文 薛 淼 宁 丽 孟爱英 刘 俊(上海第二医科大学 附属九院,上海生物材料研究测试中心,上海 200023);陈 捷(上海大学 射线应用研究所,上海 201800)

    关键词:智能水凝胶;生物材料;细胞相容性;辐射接枝

    生物医学工程学杂志990102 内容摘要 医用聚乙烯醇(PVA)是具有良好生物相容性的水凝胶类生物材料。在其表面辐射接枝N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm),进行改性,赋予其智能特性。在制成此类复合智能水凝胶生物材料试样的基础上,着重比较了智能化改性前后的两种材料,即PVA和PVA-g-NIPAAm的细胞相对增殖度值和对细胞形态学的影响,从细胞相容性的角度肯定了对PVA进行智能化改性,以形成新型生物材料的可行性,并为其应用研究提供了初步的生物相容性依据。
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    A Comparative Study on Cytocompatibility of Medical PVA

    and Intelligent PVA-g-NIPAAm Hydrogels

    Li Yiwen1 Chen Jie2 Xue Miao1 Ning Li1 Meng Aiying1 Liu Jun1

    1 (Shanghai Biomaterial Research and Test Center, Shanghai Second Medical University, Shanghai 200023)

    2 (Shanghai Applied Radiation Institute, Shanghai University,Shanghai 201800)
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    Abstract "Intelligent" Polymers which resonse with large property changes to small physical or chemical stimuli are attracting more and more attention in the field of medical science. One trend in the area is to modify some conventional medical polymers to form intelligent biomaterials. This investigation was designed to evaluate and compare in vitro cytocompatibility of PVA hydrogel, which could be used as a kind of solid support with good biomcompatibility, and PVA-g-NIPAAm, which was produced by irradiation grafting of NIPAAm onto the said PVA hydrogel support.
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    Cytotoxicity test was carried out with a modified Cell Relative Growth Rate test (RGR test). On the day 2, day 4 and day 7, the RGRs of the PVA hydrogel were 82%, 90% and 102% respectively while the RGRs of the PVA-g-NIPAAm were 77%, 86% and 100%. The grades of the cytotoxicity of the PVA and PVA-g-NIPAAm hydrogels were 0, so they had no cytotoxicity as judged by our tests. After 24 hours, cells in direct contact with the two kinds of samples were observed morphologically through the Olympus inverted microscope and had a normal development. The conclusion suggests that irradiation grafting is a good way to modify conventional medical polymers to produce intelligent biomaterials.
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    Key words Intelligent hydrogels Biomaterials Cytocompatibility Irradiation grafting

    1 前言

    水凝胶类材料在物理性质方面比其它任何人工合成材料更像活体组织,在医学应用方面有两个明显优点,首先是其扩展特性和对水分子等的透过性,这使得其生物相容性优良;其次,其橡胶般的密度能够减少对周围细胞和组织的机械刺激,即力学相容性良好。聚乙烯醇(PVA)是由聚醋酸乙烯酯水解而成的一种水溶性聚合物,交联的PVA水凝胶具有许多生物医学用途。其薄膜和多孔材料可广泛用于烧伤或创伤治疗,整形手术,导管移植和血管手术等[1,2]。在种植材料和皮下埋置剂迅速发展的今天,其表面还可固定或附着生物活性分子,在药物缓释系统方面已有越来越多的应用[3]

    但随着高技术的迅猛发展,现代医学对生物材料提出了越来越高的要求。智能型生物材料将是主要的方向之一。智能化生物材料一般指能模仿生命系统,同时具有感知、反馈、响应等要素的功能材料。智能材料的最显著特点是赋予材料新的性能,使无生命的材料具有越来越多的生物特性,以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)类均聚物及共聚物为例,当温度升高到其最低临界温度(LCST)以上时,会发生从溶胀的软透明状态到消胀的硬不透明状态的变化,其体积变化在很小的范围内可达几十倍,并能快速吸收和释放水而体现出开关性能[4]。但此类聚合物因其自身强度较差。在实际应用中,可将其接枝于机械强度较好的医用聚合物基底上(如PVA表面),以改善机械强度,而其对物理刺激的响应性并不受影响,反而因其涂层很薄,反应速度比本体水凝胶更快。通过控制温度或pH值来调节聚合物的溶胀和消胀,就可使得此复合材料制成的载体具有控释药物的开关功能。另外,此类智能型生物材料还可用于新型传感器、诊断和免疫等方面[5]
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    然而,众所周知,生物材料的生物相容性是其医学应用的前提。国外尽管对智能聚合物研究得较早,但对其生物安全性的研究却较少有专门报导,特别是对常规医用聚合物智能化改性后的产物更是如此。本研究在医用PVA表面接枝NIPAAm类单体以形成复合智能性生物材料的基础之上,着重比较研究了智能化处理前后的细胞相容性指标,为生物安全性提供一定依据。

    2 材料与方法

    2.1 薄膜试样的制备及测试

    将PVA膜剪成小方块,利用范德格拉夫静电加速器空气预辐照后移入小试管中。加入过量NIPAAm(Eastman Kodak)水溶液,抽真空,封好试管,放入水浴中若干小时取出,放在自来水下搓洗,再放入蒸馏水中浸泡以除去均聚物。

    准确称取一定量烘干恒重的智能化水凝胶W1,放入盛有蒸馏水的恒温容器内,在室温下使其充分溶胀后,称重(W2),溶胀比(Rt)=W2/W1×100%。利用示差扫描量热法(DSC)测定其ICST。
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    将所制备的薄膜切成数个直径6 mm的试样,用紫外光消毒24 h以上以备细胞实俭使用。同时将未经智能化处理的常规PVA薄膜同样制成细胞实验试样。

    2.2 细胞毒性研究[6]

    细胞株为L-929小鼠成纤维细胞,本试验用传代第4天生长旺盛的细胞。

    培养基为Eagle's MEM,并加入10%小牛血清和1%L-谷氨酰胺。

    试验过程为:将新鲜培养液按一定比例加入放有试样的试管中,37℃下浸渍24 h。

    使用传代4天的细胞制成一定浓度的细胞悬液,分注入试管内(1 ml/管),分为阳性对照组,阴性对照组,PVA组和智能材料组,每组18支试管37℃培养24 h。

    每管舍弃原培养液,阴性对照组用新鲜培养液交换,PVA和智能材料组用50%的溶出液加50%新鲜培养液进行交换,使阳性对照组的培养液内含0.64%的苯酚,分别于2,4,7天将对照组及实验组进行细胞固定及染色,并抽提染色液,待全部完成之后,利用MPS-2000多功能分光光度计测定各组的吸光度,再按以下公式测算出细胞相对增殖度(RGR)。
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    细胞相对增殖度=试样溶液吸光度/阴性对照液吸光度×100%。

    2.3 细胞形态学试验[7]

    所取材料同相对增殖度细胞试验,制圆试片,并洗净滤干,消毒,将各组试片分别置于24孔方形培养盒孔中。

    利用传代第4天生长旺盛的L-929细胞制一定浓度细胞悬液,分别吸取2ml细胞悬液于放有材料试片的各孔中以及阴性、阳性孔中,阳性孔内为含0.64%苯酚的培养液。

    将培养盒置于CO2培养箱中培养24 h,利用Olympus倒置显微镜对同试片接触的细胞进行形态学观察并摄影。

    3 研究结果

    此智能材料薄膜(PVA-g-NIPAAm)的溶胀比为300%,LCST为32℃。
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    在细胞相对增殖度实验中,通过PVA及智能薄膜所制成染色液的紫外吸光度测算出的细胞相对增殖度见表1。

    表1 PVA及PVA-g-NIPAAm的细胞相对增殖度比较(%)

    Table 1 RGR of PVA and PVA-g-NIPAAm films(%) Groups

    Day 2

    (x±s)

    Day 4

    (x±s)

    Day 7

    (x±s)

    Cytotoxicity
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    rate

    PVA

    82

    ±4

    90

    ±2

    102

    ±4*

    0

    PVA-g-NIPAAm

    77

    ±3

    86
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    ±3

    100

    ±2*

    0

    Positive control

    44

    ±2

    30

    ±1

    18

    ±1

    4

    * P<0.01, when compared with control group
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    从总体评价,PVA改性前后的细胞毒性级别皆为0级,无细胞毒性。

    细胞形态学试验的结果分别如图1、图2所示。图3、图4分别为阴性对照、阳性对照。从图中可见,PVA周围的L-929细胞生长状况良好,可见细胞核,生长状况仍良好,较致密。细胞同智能材料接触第24 h时,材料周围的L-929细胞生长状况良好,可见细胞核,有些细胞突开始伸展,呈梭形。而阳性对照的细胞圆缩、死亡。参照阴性对照,可认为PVA和智能化材料的细胞毒性为同一级别,智能化改性前后的材料皆无细胞毒性。

    图1 PVA试验组细胞形态(右上角为PVA试样)

    Fig 1 Cytomorphology of PVA group(The upper right is PVA hydrogel film)
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    图2 PVA-g-NIPAAm的试验组细胞形态(右上角为PVA-g-NIPAAm试样)

    Fig 2 Cytomorphology of PVA-g-NIPAAm group(The upper right is PVA-g-NIPAAm hydrogel film)

    图3 阴性对照 图4 阳性对照

    Fig 3 Negative control Fig 4 Positive control

    4 讨论

    医用聚合物材料一般要同体液相接触,聚合物中的易溶出物质是引起炎症和组织反应的主要原因,易溶出物质一般包括残留的原料单体,低分子聚合物,催化剂和其它添加剂等等[8]。水凝胶类PVA生物材料因其具有较好的通透性,在加工过程中和临床用前可尽可能除去易溶出物质,因而一般比致密性聚合物材料具有更好的生物相容性。本研究利用辐照加工技术对PVA进行表面改性,此举既可减少或省去一般化学合成时所需的交联剂、催化剂等添加剂,这是其细胞相容性基本同PVA一致的原因之一,同时又可减少昂贵的智能聚合物原料单体的用量[9]
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    要用动物试验来定量地考察聚合物溶出物对生物的影响是相当困难的,但可用体外细胞培养来评价,因其敏感性较高,既可减少在哺乳动物身上进行的聚合物材料模拟实验的昂贵费用,又避免了动物来源的影响,可设想聚合物体外毒性程度可能与体内生物相容性有关,因而可用体外组织培养法来评价聚合物中可能存在的低分子量物质及聚合物中可滤出物的细胞毒性影响。细胞试验可以设法进行定量研究,因而可作为生物学试验部分的重点[10]

    细胞相对增殖度试验对医用材料毒性的检定敏感性较高,对保证安全性也较有效,是一种较好的预筛法。为达到定量研究的效果,本研究运用分光光度计对抽提后所得染色液进行最大吸收峰处的吸光度测定,进而换算成细胞相对增殖率,这不仅克服了人工计数易于造成的误差,而且大大加速了测试分析速度。

    细胞毒性试验的整个过程都必须贯彻精确和定量分析概念,为提高可比性,必须强调细胞的同源,同代以及试验的同时性,且必须在相同系统误差的情况下进行。另外,每组试验重复次数增加一倍,提高了精确度。
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    在细胞形态学试验中,材料试验同细胞悬液直接接触,而不是同材料的浸渍液接触,因而更加直观。

    5 结论

    本研究中智能水凝胶PVA-g-NIPAAm薄膜同常规PVA薄膜皆具有良好的细胞相容性,从而从生物相容性方面初步肯定了对常规医用聚合物进行辐照接枝智能化改性的可操作性,同时说明智能化改性PVA生物材料具有临床应用潜力。

    * 国家自然科学基金资助项目 (39700034)

    参考文献

    [1] Ratner BD, Hoffman AS. Synthetic hydrogels for biomedical application In: Andrade ed. Hydrogels for Medical and Related Applications, ACS Symp Ser No31, Washington, 1976, Washington DC:American Chemical Society, 1976:1
, http://www.100md.com
    [2] Chen GH, Hoffman AS. Graft copolymers that exhibit temperature-induced phase transitions over a wide range of pH. Nature, 1995;373∶49

    [3] 唐明扬.医用高分子材料.见:曾汉民主编.高技术新材料要览.北京:中国科学技术出版社,1993∶424-428

    [4] Hoffman AS. "Intelligent" polymers in medicine and biotechnology. Artificial Organs, 1995; 19(5)∶458

    [5] Ikada Y. Surface modification of polymers for medical applications. Biomaterials, 1994; 15(10)∶725
, 百拇医药
    [6] 薛 淼,纪再思,徐大年等.医用生物材料(非直接接触血液)生物学性能评价.上海生物医学工程通讯,1988∶28

    [7] Smetana K. Cell biology of hydrogels. Biomaterials, 1993, 14(14)∶1046

    [8] 张彩霞,孙 皎,孟爱英.紫外分光光度仪测量不同含铜银汞合金细胞毒性的新方法.中华口腔医学杂志,1990;25∶216

    [9] 吴振球.高分子化合物的毒性和保护.第2版,北京:人民卫生出版社,1985∶14-17

    [10] Rosiak J. Fast reaction of irradiated polymers. I. Crosslinking and degradation of PVP. Radiat Phys Chem, 1990; 36∶747

    (收稿:1997-06-13 修回:1998-08-31), http://www.100md.com