综述：用于生物医学应用的可生物降解与生物相容性功能聚合物

《Advanced Functional Materials》：Biodegradable and Biocompatible Functional Polymers for Biomedical Applications

　　

由于可调谐的力学性能、降解动力学以及与生物环境固有的相容性，可生物降解聚合物对生物界面技术产生了显著影响。通过将赋予电学、物理化学及生物学响应性的活性分子基元进行合理整合，这类材料已超越被动的结构角色，演变为能够在生理条件下实现信号转导、自适应力学行为、可控制造及治疗干预的多功能平台。本综述全面概述了近期可生物降解和/或生物相容性功能聚合物的研究进展，重点关注五类代表性材料体系：导电聚合物（Conductive Polymers）、形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymers）、自修复聚合物（Self-Healing Polymers）、光固化聚合物（Photocurable Polymers）及粘合聚合物（Adhesive Polymers）。针对每一类组分，研究人员讨论了材料设计策略、结构-性能关系及广泛的生物医学应用，并阐述了将这些材料转化为临床相关的瞬态（transient）、生物可吸收平台技术以用于下一代生物医学与生物电子系统的挑战及未来方向。

1 引言

研究人员指出，可生物降解材料是一类新兴材料，旨在完成预期功能后分解为良性副产物，与传统永久性材料形成根本区别。通过实现“临时存在”，此类材料在生物医学应用（尤其是植入式器械）中消除了器械取出或二次手术的需求，从而解决了材料持久性导致的临床并发症关键难题。在广泛材料类别中，可生物降解聚合物因优异的结构可调性、加工性及生物环境相容性占据关键地位。聚脂、聚酸酐、聚碳酸酯及多糖基体系等聚合物家族已被广泛研究，因为通过分子设计可精确调控降解动力学、力学性能及理化特性。其在可吸收缝线、药物洗脱基质、组织工程支架及临时植入物中的成功应用，凸显了在现代医疗技术中的关键作用。除结构与被动角色外，大量研究表明，兼具特定功能的可生物降解聚合物通过与电学/光学组件、粘合剂、自修复元件、形状记忆材料或生物活性界面整合，将技术影响拓展至传感器、执行器及治疗刺激领域。此类工程化产品实现了实时生理监测、按需给药及闭环治疗控制等复杂任务。

实现上述进展的关键在于同时满足三个必要标准的理性设计：（i）可生物降解性；（ii）生物相容性；（iii）功能性。可生物降解性可通过合成或天然聚合物平台实现。合成可生物降解聚合物通常依赖水解或酶敏骨干，如脂肪族酯、碳酸酯或氨基甲酸酯；天然来源聚合物（明胶、壳聚糖、海藻酸盐、纤维素）则表现出固有生物降解性（即酶解）。生物相容性要求聚合物基质及其降解副产物避免不良细胞或组织反应。功能性作为第三设计轴，使可生物降解聚合物在操作周期内主动发挥电学、力学、光学或粘合功能，通常通过主链/侧链修饰及功能基团引入实现分子工程。平衡这些特征往往需要精确控制分子量、化学组成及交联密度，这对材料可靠性、降解动力学及器件级性能具有关键影响。本综述将近期进展分为五类关键材料体系，并讨论剩余挑战与未来机遇。

2 可生物降解/生物相容性功能聚合物

2.1 导电聚合物

导电聚合物因递送电信号及调控细胞活性的能力，在组织工程、生物传感器及植入式器械中成为通用材料。现有组分常存在不可降解、细胞毒性副产物及长期稳定性问题。近期生物可吸收、生物相容导电聚合物通过提供良性副产物及在生物环境中主动/被动溶解动力学应对上述问题。代表性实例为无掺杂导电聚氨酯弹性体（DCPU），其通过一锅聚合法合成：聚己内酯（PCL，Mn 2000 g/mol）为水解降解段，苯胺三聚体为电荷传输短链共轭单元，二羟甲基丙酸（DMPA）为共价结合质子供体，均通过六亚甲基二异氰酸酯（HDI）交联。所有功能组分的共价整合消除了对移动掺杂剂的依赖，确保生理条件下稳定电化学性能。DCPU拉伸强度9.6至12.6 MPa，弹性模量3.0至5.2 MPa，断裂伸长率695%至825%，瞬时恢复≥99%；其中DCPU-0.3/1可承受>1000次弯曲（半径3 mm）或打结无断裂。降解曲线可通过调节单体摩尔比广泛调制，湿态电导率从~4.4×10^-7 S/cm至~4.7×10^-3 S/cm，酶解14天内下降不足一个数量级。体内皮下模型显示DCPU-0.3/1支架支持细胞浸润与组织整合，无显著炎症。另一策略是将导电段引入可降解聚酯链，如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-共-聚(D,L-乳酸)（PEDOT-co-PDLLA）共聚物，其电容达~7.3 mF/cm²，电荷转移电阻~4.2 Ω，增加PEDOT比例使电导率从~4×10^-8升至~5×10^-5 S/cm，同时加速酶解。完全侵蚀性实例如羧酸化聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT-COOH），引入悬垂─COOH促水解断链，pH 7.4的PBS中薄膜(~200 nm)初始电导率~1.8 S/cm，25天降至~0.2 S/cm；基于此的可充电锌电池面容量1.05 mAh/cm²，100次循环保持90%容量，体内8周无病理异常。

2.2 形状记忆聚合物

形状记忆聚合物（SMPs）能响应光、温度、湿度或pH恢复预设形状，源于分子段及网络结构。半结晶SMP由PCL二醇与多亚甲基二异氰酸酯（PHDI）交联剂反应制备，结晶诱导临时形状固定与恢复分别由冷至结晶温度（T_c）下及热至熔融温度（T_m）上触发。该SMP橡胶态拉伸应变575%±75%，模量0.82±0.15 MPa；动态力学分析显示玻璃态模量~80 MPa，橡胶态~0.82 MPa，T_m 36.5°C接近生理温，形状固定率99.9%、恢复率99.4%。水生微型机器人以聚酰亚胺（PI）/铂（Pt）层催化过氧化氢产氧推进，SMP基底使平面转为涡轮状，速度由1.1 mm/s提至1.6 mm/s。Lim等报道可生物降解自粘形状变形聚(L-乳酸-共-ε-己内酯)（BSS-PLCL），引入7-羟基-4-甲基香豆素（HMC），UV 365 nm使HMC二聚交联，拉伸诱导结晶，~38°C熔化触发变形；DSC证实UV后T_m降、T_c升，程序膜2–5 s内弯曲，集成的无线神经刺激器以镁电极/线圈经热形变包裹人工神经。Ni等开发非降解但生物相容4D打印形状记忆水凝胶，丙烯酰胺（AAc）/N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）体系，室温编程、90°C固定，25°C水扩散控恢复，延迟10–1440 min，MRI显示结合水变化，血管模型内支架延时恢复部署。

2.3 自修复聚合物

植入生物电子与支架受生理机械疲劳易微裂，自修复聚合物通过非共价（氢键、金属-酚配位、π–π堆积）或动态共价键（二硫交换、亚胺）自主修复。自适应自修复电子神经外膜（A-SEE）以自修复聚合物（SHP）/PDMS-双脲基层及银 flakes-SHP复合电极构成多层，应力松弛匹配神经模量，TUNEL证实较PDMS少损伤，6周纤维化薄，神经记录CAP稳定。吸湿性随机超支化聚合物（HRHP）由N,N′-亚甲基二丙烯酰胺（MBA）与1,4-丁二胺（BDA）迈克尔加成合成，结合双相镓铟（bGaIn）电路，5分钟室温自愈，心电图（ECG）信噪比损后复原。Jang等双重网络：自修复聚乳酸-共-ε-己内酯（SH-PLCL）以二硫交换愈合并聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）导电复合（SH-CC）以氢键自愈；层间界面粘附~160 kPa，电子网植入膀胱测压/肌电，切断5 s功能恢复。

2.4 光固化聚合物

传统生物聚合物加工损伤大，光固化引入丙烯酰/甲基丙烯酰/富马酰基元实现低温空间交联。聚醋酸乙烯-g-聚(L-乳酸)丙烯酰（PVAc-g-PLLA acrylate）经RAFT、水解、环开聚合及丙烯酰氯修饰，DLP打印复杂物件；含2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）提强模，2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）增延，PBS中8周失重9–15%，细胞活性>90%。聚三亚甲基碳酸酯富马酸酯（PTMCFs）以分子量为0.5k、1k、2k的PTMC二醇与富马酰氯成链，交联模量由990 kPa降至90 kPa，2年失重34–56%，大鼠股骨缺损中0.5k硬支架促新骨。生物电子-组织界面材料（BTIM）为聚乙二醇-x-乳酸-双丙烯酸酯（PEG-xLA-DA）/藻酸钠紫外固化，模量~30 kPa，降解由乳酸含量调~20天至数月，小鼠皮下光疗器件无缝粘附无毒性。

2.5 粘合聚合物

氢键为基础粘合广用但湿界受限，儿茶酚化学引入多重作用。PVA-多巴胺（DOPA）@PLGA-聚多巴胺（PDA）-葡聚糖膜中PVA-DOPA以碳二亚胺偶联，儿茶酚氧化喹宁与黏膜共价，搭接剪切~39 kPa，溃疡8日愈90%。胃肠（GI）贴为聚丙烯酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯/聚乙烯醇（PAA-NHS/PVA）层，氢键初粘与酰胺键久粘，结肠剪切>80 kPa，爆压>40 kPa。电压胶（Voltaglue）为芳基二吖丙因接枝聚酰胺胺（PAMAM）树枝状，电激(1–3 mA)产卡宾交联粘组织，ePATCH血管内密封胜商用。应变适应纤维互锁电子（SAFIE）贴为儿茶酚藻酸（Alg-CA）水凝胶与自愈合PDMS弹性网络（E-SHN）嵌EGaIn，心表ECG四通道信噪比20–30 dB持4周。

3 结论与展望

研究人员总结五类功能聚合物体系：导电聚合物无掺杂/可蚀解共轭；SMP半结晶/光编程/扩散水凝胶；自修复动态键自主复能；光固化低温精密成型；粘合剂多价湿粘与刺激触发。共同挑战为降解、力学及功能解耦困难，拟用触发自毁、时态编程及系统级封装解决。导电聚合物需本征无掺杂及全脊可切；SMP需多刺激局部驱动；自修复需分级非共价/共价平衡；光固化需可见/近红外及无引发剂；粘合剂需按需脱离及非儿茶酚化学拓展。