共生纳米医疗设备的挑战

应用科学

Review共生纳米结构医疗设备植入的挑战

让‐皮埃尔·阿尔卡拉兹、戈捷·梅纳索尔、热拉尔丁·潘文、雅克·泰吕、萨拉·埃尔·伊奇、阿卜杜勒卡德尔·泽布达、菲利普·桑坎和唐纳德·K·马丁*
格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，格勒诺布尔理工学院，TIMC‐IMAG/SyNaBi（UMR5525），法国格勒诺布尔38000；jean‐pierre.alcaraz@univ‐grenoble‐alpes.fr（J.‐P.A.）；gauthier.menassol@univ‐grenoble‐alpes.fr（G.M.）；geraldinepenven@gmail.com（G.P.）；jacques.thelu@laposte.net（J.T.）；sarra_ichi@yahoo.fr（S.E.I.）；abdelkader.zebda@univ‐grenoble‐alpes.fr（A.Z.）；philippe.cinquin@univ‐grenoble‐alpes.fr（P.C.）*通讯作者：don.martin@univ‐grenoble‐alpes.fr

收稿日期：2020年3月26日；接受日期：2020年4月21日；出版日期：2020年4月23日

摘要

我们探讨了设计具有共生特性的植入式医疗设备的前景。我们的出发点是，所植入的设备是否旨在与身体进行任何双向（“双工”）的能量或物质交换。这种双工通信将生物材料和生物相容性的现有概念扩展为包含这样一个观点：必须考虑植入式医疗设备预期的功能用途。这要求采用仿生方法来设计功能性共生型植入式医疗设备，使其能够更高效地模拟分子和细胞水平上的过程，从而形成稳定的界面，实现植入设备与身体之间分子的自由交换。这种双工通信水平被认为是共生植入式医疗设备的必要特征，此类设备旨在体内长期运行，以恢复和辅助身体功能。我们通过植入功能性酶生物燃料电池的经验来说明这些观点。

关键词 ：共生的；生物相容性；生物启发；纳米生物技术；植入式医疗设备

1. 引言

利用纳米技术进行生物医学系统工程的基础由理查德·齐格蒙迪于1903年开创，当时他首次使用“纳米”这一术语来表征其所制备的金纳米颗粒，并通过超显微镜对其进行了测量[1]。随后，奥托·施密特在1960年代提出“仿生学”概念，激发了生物医学设备工程领域的众多潜在应用[2]。尽管在理查德·费曼著名的演讲文本中并未明确提及纳米技术，但他描述了一个可以构建、控制和操作小型机器的未来。他引用了他的朋友阿尔伯特·R·希布斯的观点，强调了这类机器在医学上的意义，后者提出了微型外科设备以及“可永久植入体内以辅助功能不全器官的小型机器”的构想[3]。齐格蒙迪、施密特、希布斯和费曼提出的这些早期概念，为我们推进关于可植入纳米结构医疗设备的想法奠定了坚实基础。

在这篇简短的综述中，我们提出了“共生纳米结构医疗设备”的概念，因为我们的出发点是植入式设备是否需要与身体进行能量或物质的双向交流。如果预期的应用仅是从医疗设备向身体进行单向通信，例如药物输送，那么挑战在于避免医疗设备的降解或包封。然而，如果植入式医疗设备旨在实现适当的双向交互，则需面对其他一系列挑战。

要与身体整合，就需要模拟移植的活体器官或细胞所需的双向（双工）通信[4]。我们认为这种植入式医疗设备是共生的。此类可植入双工通信系统的示例包括生物燃料电池或开环反馈装置，其中双工通信系统利用来自身体的分子产生不同的物质（例如分子或能量）供身体使用（图1所示）。在工程上设计此类双工通信系统时，显然存在重大的技术组成部分，以确保其在植入体内后具备适当的性能和寿命。然而，这些双工系统的功能依赖于在系统植入体内时维持无阻碍的双向运输通信，或者即使设备位于体外但需与身体保持紧密接触时也是如此。为了实现长期功能性能的设计，必须克服生物相容性方面的挑战，以维持这种无阻碍的双向运输。我们从植入式酶生物燃料电池的角度讨论这两个挑战的相对重要性。我们在提高这种双工共生系统在哺乳动物体内性能方面已有多年经验。

每个设备均采用智能多孔包装进行分离，以实现双工通信。治疗性细胞（A）和（B）需要多孔封装，以避免免疫反应并实现双向保护。这些细胞可以是人类间充质干细胞（MSC）、特化细胞（例如来自朗格汉斯岛的β‐细胞）（A）、其他真核或原核细胞（B）、与电子医疗设备相连的可植入生物燃料电池（IBFC）（C），或用于递送治疗性分子的一般性设备（D）。现有的共生现象（例如微生物群或妊娠）为建立身体与其植入物之间的双工通信提供了生物启发来源（E）。再生医学应采纳这种生物启发概念，以更好地设计和整合植入物，特别是未来的共生机器人。（图 reproduced with permission from[4])

2. 仅依靠技术进步是否足够？

这里，我们以酶生物燃料电池作为共生植入式医疗设备的示例。当前植入式酶生物燃料电池领域面临的主要挑战是提高在身体内运行的生物燃料电池的性能和寿命。通过利用酶级联确保燃料的完全氧化，可以提高能量密度[5]。除了提高酶生物燃料电池能量密度的挑战外，肖等人[6]还总结了为提升酶生物燃料电池性能需要克服的其他主要技术挑战。

为了提高功率密度、操作稳定性和电压输出，细胞需要满足这些要求。为提高功率密度，肖等人[6]提出应增强酶活性，促进电子转移，使用纳米材料，设计更高效的酶‐电极界面，并将酶燃料电池与（超级）电容器结合。为提高稳定性，他们建议采用不同的酶固定化方法，调控酶特性，设计保护基质，以及利用微生物表面展示酶。为提高电压输出，他们提出优化介体、采用串联连接以及使用外部升压转换器电子电路[6]。然而，设备的植入引入了生物相容性这一维度，这可能是需要克服的关键挑战，以延长植入式酶生物燃料电池的寿命。我们在哺乳动物中植入酶生物燃料电池的经验表明，构建生物相容性系统是提升植入式酶生物燃料电池性能和寿命所需解决的主要问题[7]。

3. 生物相容性是共生植入式医疗设备的主要挑战

事实上，自B. 拉特纳、R. 兰格、J.M. 安德森和D. 威廉姆斯等科学家开创现代生物材料和生物相容性问题领域以来，生物相容性问题在很大程度上仍未得到解决[8–14]。当前关于生物材料生物相容性途径的研究已涵盖生物材料组分与身体细胞实际相互作用的方式[15]。威廉姆斯 (2014) 指出，作用于细胞的这些组分可能来源于生物材料本身（例如金属离子、聚合物添加剂、纳米颗粒和污染物）、相互作用的机械和生物物理介质（例如电磁场和结构/流体应力）、内化机制（例如吞噬作用、胞吞作用和胞饮作用），或相互作用的材料介质（化学结构、弹性、形状、体积和形貌）。然而，这些介导组分被认为源自或衍生自生物材料。尽管如此，这种生物相容性概念包含了多种独立现象，使得无法将生物相容性划分为某种量化的等级。此外，即使使用“生物相容性系统”而非“生物相容性材料”这一术语，威廉姆斯仍得出结论认为，“生物相容性系统”这一术语依然不够精确且可能具有误导性 [16]。

我们建议，如果根据植入设备预期的功能特性来定义生物相容性，则可以避免此类不精确性。这一定义意味着，植入设备需要具备与身体进行双工通信的特性，才能成为共生装置，从而具有生物相容性。重新定义“生物相容性系统”框架的意义在于，考虑下一代此类共生设备，其重点是植入系统的长期功能。一种这样的共生装置示例是生物燃料电池，它还可能在其催化反应中产生潜在的刺激性化学物质。酶生物燃料电池需要被设计成包含与身体之间稳定且可渗透的界面。然而，植入式酶生物燃料电池不可避免地会被纤维囊所包裹，这是所有不可降解植入装置都会发生的典型异物反应（FBR），如所有不可降解植入装置[17]的情况所示。纤维囊的形成可能是由炎症蛋白簇的吸附所引发的[18]。然而，该假设并不能完全解释各类生物材料之间在生物相容性上的差异。事实上，同一种材料引发的体内反应可能不仅包括遵循异物反应（FBR）的包封现象[17]。

拉特纳的研究小组发现，植入的非多孔聚（羟乙基甲基丙烯酸酯）水凝胶块通过典型的异物反应（FBR）实现愈合。相比之下，植入的34‐µm多孔聚（羟乙基甲基丙烯酸酯）水凝胶具有额外的特点：其孔隙被细胞为主且轻微纤维化的组织物质所浸润，但植入物仍被纤维囊包围，尽管该纤维囊比包围非多孔植入物的纤维囊更薄且密度更低。对于160‐µm的大孔，孔内存在更大比例的纤维组织[19]。这些观察结果提供了异物反应（FBR）的一个快照，因为不同的水凝胶样品仅被植入了三周。尽管如此，这些结果为进一步探索减少和/或消除纤维囊形成的解决方案指明了几个有趣的方向。

为了维持燃料分子交换的稳定且可渗透的界面，对酶生物燃料电池进行封装。对于更普遍的共生装置植入问题而言，考虑这些方向也很重要，因为需要在设备与身体之间维持一个稳定多孔的界面。拉特纳并未使用“共生”这一术语，但他预见了开发能够通过最小化异物反应囊来实现愈合并整合的生物材料的需求。最小化此类异物反应包裹将有助于改善植入式电极、更持久的植入式生物传感器、实现植入式药物递送系统的持续释放、提升血管假体性能、获得无包膜收缩的乳房植入物，以及避免脑积水分流管和青光眼引流管发生纤维化失效，并推动每年植入人体的数百万种设备取得更多进步[17]。

我们还可以通过参考关于治疗糖尿病植入策略所面临挑战的讨论，进一步了解解决共生设备生物相容性问题的可能途径[20]。该领域的挑战在于植入细胞、组织或整个器官，以实现对葡萄糖‐胰岛素代谢的长期控制，其中主要的生物相容性挑战是保护移植物免受免疫系统攻击。为此，在实体器官胰腺移植或胰岛细胞移植中通常使用强效的免疫抑制药物。尽管免疫抑制可保护移植物免受身体免疫系统的排斥，但其主要副作用问题是导致患者易受感染和发生恶性肿瘤[20]。斯内登等人描述了一种利用半透膜/胶囊来保护移植的β细胞免受患者免疫系统攻击的方法，同时允许足够的物质传递以维持细胞活力，并确保有利的胰岛素分泌动力学。他们还指出，下一代细胞封装装置成功设计的主要挑战在于如何在体内环境与封装的胰岛之间提供有效的免疫保护以及充分的物质传递。一种有前景的应对方法是采用微机电系统（MEMS）技术制造的带有纳米孔的聚合物涂层硅膜[21]。

对于多种类型的植入设备而言，维持与身体之间的物质传输这一尚未解决的需求，导致了一个更为普遍的挑战：共生植入设备生物相容性的实际前沿仍然是设计位于植入设备与身体界面处的膜。这种膜需要保持无阻碍的物质交换，以提高植入式共生装置的寿命和性能[4]。

4. 共生植入式医疗设备的膜选择

我们通过回到酶生物燃料电池的问题来说明这一挑战。该膜需要具备适当的机械性能，对生物“燃料”分子具有选择性渗透性，并且易于构建。这些要求意味着需要使用某种形式的凝胶状聚合物。

最近的例子包括一种复合材料，该材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成，并通过甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）的稳定水凝胶层进行功能化。这种复合凝胶有可能提高医疗设备的长期生物相容性，因为该复合材料对哺乳动物细胞无毒，并能强烈抵抗巨噬细胞附着和细菌定植[22,23]。此外，一种多孔壳聚糖膜涂层结合聚四氟乙烯（PTFE）或全氟磺酸树脂（Nafion）支撑聚合物，在大鼠体内进行了皮下植入，经过100天后，并未增加胶原沉积，但促进了血管生成[24]。在此利用合适聚合物膜的背景下，我们成功地将采用壳聚糖膜封装的酶生物燃料电池和生物电极进行了植入[25–27]。设计壳聚糖膜时一个重要的考虑因素是生物电极所处的环境。例如，使用葡萄糖氧化酶构建的阳极会释放葡萄糖酸，导致pH值下降，从而可能引起壳聚糖的水解。使用交联剂制备壳聚糖膜有助于稳定该膜结构。这样的壳聚糖膜使得生物电极涂层得以优化。壳聚糖膜的薄度（10–15 µm）及其亲水性使生物电极能够快速润湿。这种快速润湿效果有效解决了先前使用醋酸纤维素膜构建的生物电极的水合问题[28,29]。尽管这些壳聚糖膜在长达六个月的植入中取得了成功，但它们可能无法完全解决生物相容性的挑战。

然而，尽管壳聚糖作为植入式酶生物燃料电池的保护膜并非完全理想，我们最近的研究结果表明，壳聚糖具有开放式结构，可允许细胞长入并整合。在体外培养中，细胞能够在三天内迁移进入壳聚糖结构，并附着于壳聚糖的凝胶结构上。这些特性使得壳聚糖可用于未来需要与身体组织整合及具备生物相容性的酶生物燃料电池系统。事实上，先前有报道称，使用低温大气等离子体处理壳聚糖可增强间充质干细胞的渗透和长入，从而应用于骨再生[30]。相较于将致密形态的壳聚糖用作骨科应用中的可生物吸收植入物，利用壳聚糖形成开放式结构以促进细胞渗透和长入的能力是一种全新的应用[31]。

我们还可以进一步考虑几个改进膜的方向，以延长其寿命，再次以提高植入式酶生物燃料电池性能为例。关键方向是制备一种在长期植入后仍能保持稳定的膜。需要注意的是，即使交联壳聚糖在植入后也不能成为完全稳定膜的基础，因为在整个膜表面无法保证实现100%的交联。例如，我们观察到生物阴极可在大鼠体内植入长达六个月。然而，即使壳聚糖膜在宏观上看起来完整，但由于难以确保所有区域都达到100%交联，因此无法完全避免在如此长时间的植入过程中发生降解[32]。

尽管并非直接用于酶生物燃料电池，且仅适用于短期体内应用，但将壳聚糖与海藻酸盐结合形成外层保护膜已被证明可改善在小鼠中用于短期体内传感的葡萄糖生物传感器的响应[33]。一个重要的考虑因素是用于测试膜生物相容性的植入实验的时间进程。在许多报道中，膜材料的植入时间过短，不足以评估其在设计植入式生物燃料电池中的长期应用。例如，一种由羟基磷灰石、海藻酸盐、壳聚糖和岩藻多糖组成的大分子交联生物复合支架，在大鼠体内的植入评估最长仅为八周[34]。另一种通过壳聚糖的烷基交联形成的潜在有趣膜材料，仅在大鼠体内植入七周进行了测试[35]。

另一种方法是使用合成材料来设计生物相容性系统。莱图尔内团队研制了由聚乙烯醇（PVA）制成的血管移植物[36]。他们证明，交联PVA与明胶结合可减缓血小板粘附现象，并改善血管假体的内皮化[37]。受莱图尔内研究结果的启发，我们采用冻融法制备了PVA水凝胶[38]，并将PVA膜根据酶生物燃料电池的需求进行调节。事实上，PVA的半结晶结构允许通过改变生产过程的参数来调节其孔隙率和机械性能。我们将PVA膜调整至满足依赖双工通信功能的酶生物燃料电池的需求。我们分析了PVA的性能，以提供一种优化涂层，该涂层具备以下特性：（i）坚固且易于操作的膜；（ii）为葡萄糖和氧气向生物电极扩散而优化的多孔膜；（iii）能够阻挡比葡萄糖分子更大的蛋白质（葡萄糖需要透过PVA）的保护性膜[38]。

PVA膜在构建生物相容性系统和保持对葡萄糖的渗透性方面具有优势。我们的冻融程序制备出的PVA膜对葡萄糖具有稳定的渗透性，并且类似于化学交联PVA[39]。如上所述，将壳聚糖引入酶生物燃料电池的生物电极中也具有优势，因为其开放式结构有助于固定酶[25,27]，其三维结构有助于细胞的长入。事实上，将多种交联剂与胶原蛋白/壳聚糖凝胶结合使用[40]可能有助于与保护性聚乙烯醇膜结合，用于制造稳定的植入式酶生物燃料电池。

5. 展望

为了实现植入式共生型医疗设备的适当长期稳定功能，必须开发一种包含膜界面的系统，以维持与身体之间的无阻碍物质双工通信；这仍是植入式酶生物燃料电池领域面临的主要挑战。显然，有必要考虑技术性电化学方面，以提高酶生物燃料电池的能量密度、功率密度和电压输出。然而，在将酶生物燃料电池开发为可植入的生物相容性系统时，还必须同时考虑操作稳定性的技术问题。这种用于稳定长期功能的生物相容性系统需要将三维结构生物电极与稳定的多孔保护膜相结合。最有前景的方向是集成利用某种形式交联壳聚糖的三维生物电极，以提供有利于酶稳定的最佳环境，并结合以PVA为基础形成的保护膜。此类方法最有可能优化凝胶状聚合物膜的设计，以最小化植入式酶生物燃料电池的纤维包裹[41]。该方法还可包括使用基于PVA的膜防止生物污染，或通过使用改性壳聚糖或聚电解质涂层来促进细胞粘附，从而实现与身体的整合[42,43]。事实上，诸如多孔硅之类的材料在经过稳定化处理以避免在体内降解后，也可能为生物相容性系统做出贡献[44]。

这种在植入后为实现长期稳定性能而设计酶生物燃料电池的实际经验，为共生植入设备的生物相容性这一普遍挑战提供了方向。此类共生系统将经典的生物相容性概念扩展到包括与身体进行材料连续双向（双工）通信的功能需求。利用这种仿生方法，科学家很可能能够更高效地模拟分子和细胞水平上发生的过程，从而创建一种多孔膜，实现植入设备与身体之间分子的长期交换（见图1）。

秉持这一理念将引导研究进入医用植入物与再生医学之间的新领域，以创建可长期植入的功能性共生装置。