生物材料和醫(yī)療器械在植入體內(nèi)后會面臨機體異物反應的風險，導致植入體被纖維包裹，造成植入體的功能喪失并引發(fā)各種并發(fā)癥。異物反應問題造成病人的痛苦和巨大的經(jīng)濟損失，是臨床上卡脖子難題和制約植入材料與醫(yī)療器械發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)抵制異物反應的方法存在各種缺點，近年來研究者開始用新材料的策略來抵制異物反應并取得諸多潛在優(yōu)勢。因此，發(fā)現(xiàn)能夠抵制異物反應的新型生物材料并研究其對異物反應的調(diào)控機制是重要科學問題，同時具有重要的臨床應用和社會經(jīng)濟價值。
近日，華東理工大學材料學院劉潤輝教授課題組撰文總結(jié)和評述了抗異物反應的研究進展，重點介紹通過新材料策略來抵制植入異物反應及目前有限的三類抗異物反應材料和應用。該成果以題為“Dealing with the foreign-body response to implanted biomaterials: strategies and applications of new materials” 發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.202007226)。
該綜述總結(jié)了數(shù)十種植入材料和醫(yī)療器械的異物反應實例，剖析了異物反應產(chǎn)生的機制和關鍵過程（圖1）。進一步還總結(jié)了傳統(tǒng)抗異物反應的三類策略：1）通過改變植入材料的物理性質(zhì)例如尺寸、形狀、硬度、表面拓撲結(jié)構(gòu)等；2）結(jié)合抗炎藥物或生物制劑來壓制炎癥反應；3）在植入材料表面修飾生物活性分子來調(diào)控異物反應。這些傳統(tǒng)策略在一定程度和范圍內(nèi)解決了異物反應問題，然而這些策略都有各自的缺陷。通過優(yōu)化材料的物理性質(zhì)雖然能夠起到一定作用，但怎樣的物理性質(zhì)能夠最大限度的減輕異物反應始終沒有一個既定的規(guī)則和經(jīng)驗，且不同的植入材料和器械需要特定的物理性質(zhì)，因此該方法僅在一些特定的條件下適用，不具有普適性。通過結(jié)合抗炎藥物（例如皮質(zhì)類激素）或生物制劑（例如抗炎癥的蛋白類抑制劑）是抵制炎癥和異物反應常用的策略，然而這些藥物或生物制劑會帶來毒性和副作用的擔憂。此外，藥物的穩(wěn)定性問題造成這種策略難以實現(xiàn)長時間抗異物反應功能。生物活性策略同樣也不是普適的方法，對于紛繁多樣的生物材料，通常需要針對每一種特定用途的植入體或醫(yī)療器械的表面進行特定的功能修飾才能滿足需求。此外，造成異物反應的源頭因素：蛋白的非特異性吸附在傳統(tǒng)抗異物反應策略中依然難克服。
圖1. 異物反應的機制，三類抗異物反應新材料及應用。
近年來，抗異物反應新材料出現(xiàn)為這一領域提供了新的策略。該文章重點介紹目前有限的三類抗異物反應新材料，即兩性離子聚合物材料、改性的海藻酸材料和氨基酸聚合物材料（聚β-絲氨酸），以及它們各自的特點和優(yōu)勢（圖2-4）。兩性離子聚合物在材料表面能夠形成較強的水化層，其較強的親水性和生物相容性被廣泛用于抗粘附領域；谄漭^強的抗粘附功能，羧酸甜菜堿（CBMA）水凝膠首先被報道具有抵制異物反應的功能（Nat. Biotechnol.2013, 31, 553-556）。此后，一些其他的兩性離子類材料也被報道能夠抵制異物反應，例如磺酸甜菜堿涂層、聚乙烯亞胺/海藻酸水凝膠材料等。第二類抗異物反應材料是修飾的海藻酸凝膠，其中一些含有三唑結(jié)構(gòu)的海藻酸凝膠抗異物反應效果最好（Nat. Biotechnol. 2016, 34, 345-352），因此特定基團對免疫調(diào)控具有潛在的影響，研究者可以進一步探索異物反應材料的構(gòu)效關系。第三類抗異物反應材料是劉潤輝教授課題組在今年3月報道報道的蠶絲蛋白啟發(fā)的聚β-絲氨酸，這類仿生材料結(jié)構(gòu)簡單、生物相容性好、具有不受環(huán)境電荷影響的特殊優(yōu)勢（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9586-9593）。
圖2. 兩性離子（羧酸甜菜堿）水凝膠抵制異物反應。
圖3. 改性的海藻酸水凝膠抵制異物反應。
圖4. 聚β-絲氨酸水凝膠抵制異物反應。
基于新材料策略，抗異物反應的應用不斷被報道，該論文綜述了抗異物反應材料的最新應用進展，包括作為植入體本身、傳感器涂層和細胞封裝治療等方面的應用。論文概述了抗異物反應材料在人工玻璃體、動態(tài)血糖檢測涂層和胰島封裝的應用研究。通過抗異物反應新材料的策略，許多植入材料或醫(yī)療器械有望突破自身的局限，在未來成為功能優(yōu)異的產(chǎn)品。
華東理工大學材料學院博士研究生張東輝是該成果的第一作者，劉潤輝教授是通訊作者。該成果得到了國家自然科學基金委、科技部等基金的資助。
論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007226
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