生物降解高分子材料在骨科的應(yīng)用研究和展望*

錢治禹寶慶*施繼飛*敖榮廣陳帆成

隨著社會(huì)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)的騰飛、生活節(jié)奏的改變，因車禍所致的開放性骨折引起的骨髓炎性骨缺損的病人有增無減。目前，感染性骨缺損與骨腫瘤清除術(shù)后大段骨缺損的治療仍是臨床醫(yī)學(xué)的難題之一[1]。臨床上自體骨與異體骨移植治療骨缺損被認(rèn)為是黃金準(zhǔn)則[2]。因?yàn)樽泽w骨與異體骨移植具有很好的促進(jìn)骨愈合、完全骨融合、易被患者接受等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來一直是骨修復(fù)的主要材料。然而，隨著治療病人的增多，其缺點(diǎn)也逐漸表現(xiàn)出來，如：自體骨數(shù)量不足、供體側(cè)傷口感染、異體骨免疫反應(yīng)及傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)等[3]。為此，科研人員不斷研發(fā)，試圖尋求一種新型的材料來彌補(bǔ)自體及異體骨的不足?；诖?，能降解的生物高分子材料孕育而生，得到了快速的發(fā)展。目前，典型的生物降解高分子人工骨組織工程材料有：殼聚糖為代表的天然高分子材料，聚乳酸為代表的人工高分子材料[4]。理想的生物降解可吸收材料基本特征有：生物相容性；可控降解性；形狀易變性；生物機(jī)械性；易于細(xì)胞的粘附、增殖、分化等[5-7]。隨著材料學(xué)的興起，生物降解高分子材料也得到了快速的發(fā)展。作者選取目前研究最熱的、最具代表性的生物降解高分子材料作簡(jiǎn)要概述。

1 天然高分子材料

天然高分子一般是指存在于自然界動(dòng)物、植物及微生物中的生物大分子[4,8]。主要有多糖類和蛋白質(zhì)類兩類[4,9,10]。多糖類的有：動(dòng)物類透明質(zhì)酸、殼聚糖等，植物類纖維素、淀粉等，微生物類葡聚糖、黃原膠等；蛋白質(zhì)類的有：動(dòng)物類干酪素、血清蛋白等，植物類大豆蛋白、玉米醇溶蛋白等，微生物類膠原蛋白。

1.1 甲殼素（Chitin）

甲殼素又稱甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)、殼蛋白、殼多糖、明角質(zhì)等，是許多低等動(dòng)物特別是節(jié)肢動(dòng)物如蝦、蟹、昆蟲等外殼的重要成分，是一種含氮的多糖物，自身帶正電荷[11]。

Vázquez等人[12]發(fā)現(xiàn)無脊椎動(dòng)物蝦等的廢棄物中含有大量的蛋白、類胡蘿卜素和甲殼素，通過小型的實(shí)驗(yàn)基地對(duì)野生無脊椎動(dòng)物蝦的頭胸部研究發(fā)現(xiàn)，利用甲殼素脫乙?；饔?、蛋白酶的脫蛋白作用等制備殼聚糖，產(chǎn)出率高達(dá)92%。由于甲殼素材料制備簡(jiǎn)單，因此，Duan等[13]使用甲殼素納米纖維微球合成羥基磷灰石（HA）晶體的基質(zhì)。在復(fù)合微球中甲殼素和HA之間通過非共價(jià)鍵發(fā)生緊密的界面粘附，甲殼素和HA的生物相容性促成了骨細(xì)胞粘附和骨傳導(dǎo)，微球支架顯示出優(yōu)異的生物功能和適當(dāng)?shù)纳锝到庑浴u等[14]在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（AIS）手術(shù)中，甲殼素寡糖（COS）改善生化指標(biāo)，降低白細(xì)胞介素（IL）-6和腫瘤壞死因子（TNF） 水平。COS通過改善抗氧化和抗炎活性，減少脊柱融合手術(shù) AIS患者的抗生素劑量和抗生素引起的副作用。由此推測(cè)，甲殼素具有潛在的抑制炎癥作用。

甲殼素具有生物相容性、降解性、無毒性、分子結(jié)構(gòu)獨(dú)特及刺激性小等特點(diǎn)，在生物學(xué)上其功能僅次于蛋白質(zhì)類骨膠。其柔韌性較好，可用于縫合材料和防粘連材料。但是，由于甲殼素缺乏骨誘導(dǎo)能力，單獨(dú)應(yīng)用于骨科材料較少。目前，甲殼素主要應(yīng)用于手術(shù)縫合線、納米微球和骨組織工程支架等復(fù)合材料方面的研究[11,13,14]。

1.2 殼聚糖（Chitosan）

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的甲殼素（chitin）經(jīng)過脫乙酰作用得到的，結(jié)構(gòu)與甲殼素類似。自1859年，法國(guó)人Rouget首先得到殼聚糖后，這種天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等優(yōu)良性能被各行各業(yè)廣泛關(guān)注[4]。

Pang等人[4]通過100%殼聚糖制備骨組織支架，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的氫氧化鈉中和殼聚糖之后制備的支架在承受500g重物時(shí)，形狀瞬間坍塌；而用氨中和殼聚糖后制備的支架在承重時(shí)其形變不明顯，去除壓力后，恢復(fù)原來形狀，通過體內(nèi)和體外測(cè)試，顯示較好的細(xì)胞相容性和骨缺損修復(fù)能力。Morris等[15]使用天然和合成聚合物（殼聚糖和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA））分別制備了混合生物相容性樹脂。在機(jī)械性能、細(xì)胞粘附性方面，發(fā)現(xiàn)1∶7.5的進(jìn)料比是最合適的配方，具有50 m的標(biāo)準(zhǔn)孔徑和約400kPa的彈性模量的相互連通的均勻孔具有最佳的生物相容性。Gladkova等[16]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然生物聚合物殼聚糖附加組分（血漿銅藍(lán)蛋白，L-天冬氨酸和甘油）制備的傷口涂層，雄性大鼠的實(shí)驗(yàn)表明其對(duì)皮膚各層的傷口具有促再生，抗氧化和抗菌作用。優(yōu)化了傷口過程的所有階段，加速了22%～28%的修復(fù)再生，并導(dǎo)致受傷部位的解剖和功能恢復(fù)。由此可見，殼聚糖不但具有促生長(zhǎng)、抗氧化和抗菌作用，而且具有很好的生物相容性。

綜上，殼聚糖是甲殼素的降解產(chǎn)物，具有和甲殼素一樣的生物相容性及生物可降解性，但是，殼聚糖只能溶于酸或酸性水溶液，在生物體內(nèi)其韌性和強(qiáng)度大大減低，故研究中常常將殼聚糖與羥基磷灰石或其他材料按一定比例混合，制備復(fù)合支架來提高其生物性能[4]。目前，殼聚糖和甲殼素一樣，主要應(yīng)用于手術(shù)縫合線和骨組織工程支架方面的研究[4,8]。

1.3 膠原（Collagen）

膠原是細(xì)胞外基質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)蛋白，廣泛存在于人體或生物體的骨組織及軟骨組織，也存在于大豆植物中。膠原既能使鈣質(zhì)與骨細(xì)胞結(jié)合不致流失，又能使骨骼與肌肉相互聯(lián)接[10]。

Huang等[10]將直徑0.8cm的可吸收膠原蛋白海綿/BMP-2埋入12只8周齡的SpragueDawley大鼠，術(shù)后兩天材料開始恢復(fù)和發(fā)生組織結(jié)構(gòu)上的變化，隨后，膠原逐漸降解吸收，與周圍骨質(zhì)融為一體。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可吸收膠原蛋白海綿和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2在骨質(zhì)增生方面有關(guān)聯(lián)，尤其是移植術(shù)后更為明顯。由此推測(cè)，膠原修復(fù)與急性炎癥有關(guān)系。Han等[17]建立了一個(gè)孔徑大小為（82.14±15.70） m 薄雙層膠原蛋白生物支架，體外降解研究表明，碳二亞胺交聯(lián)可有效增強(qiáng)支架的生物穩(wěn)定性。甲基噻唑基四唑法的結(jié)果表明，支架促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。因此，膠原復(fù)合支架可以滿足軟骨組織工程的要求，具有良好的生物相容性。Pan等[18]將承載了吉非替尼的關(guān)節(jié)內(nèi)膠原支架替代丟失的半月板組織，發(fā)現(xiàn)膠原支架不僅促進(jìn)了半月板再生，而且還保護(hù)了關(guān)節(jié)軟骨免受退化。

因此，人體中的膠原組織既能為骨細(xì)胞提供支撐骨架，又能為骨細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)具有促進(jìn)骨細(xì)胞分化、增殖和修復(fù)等作用[5,10]。但是，膠原具有生物活性，不溶于冷水和熱水，不能被蛋白酶利用，在某種程度上也限制了其應(yīng)用。目前，膠原主要用于臨床防粘連和骨缺損填充材料方面的研究。

2 合成高分子材料

人工高分子材料是根據(jù)天然高分子聚合物的生物化學(xué)結(jié)構(gòu)及性能，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)合成工藝，聚合形成的具有穩(wěn)定的生物學(xué)性能、可控的降解速率、良好的生物相容性、較好的促成骨性等特點(diǎn)的生物醫(yī)學(xué)材料[7,9]。目前常見的人工高分子材料有：聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯等[19]。人工高分子材料較天然高分子材料具有明顯的可降解性和生物活性，但在降解時(shí)產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物堆積，也是不容忽視的事實(shí)，需要進(jìn)一步改善工藝加以屏除[20,21]。

2.1 聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）

聚乳酸又稱為聚丙交酯，是乳酸相互聚合或與丙交酯開環(huán)聚合而形成[21]。根據(jù)PLA旋光性的不同，可分為外消旋聚乳酸（PDLLA）、左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）三種異構(gòu)體。聚乳酸是一種重要的可降解材料，在醫(yī)療器械領(lǐng)域尤其是在骨組織工程中逐漸被業(yè)界所認(rèn)識(shí)和開發(fā)[21]。

Tang等[22]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可塑性納米-羥基磷灰石/聚 -羥基丁酸與戊酸酯-聚乙二醇慶大霉素藥物釋放系統(tǒng)具有無毒性，植入體內(nèi)后發(fā)生降解并被骨組織取代。材料與人體骨髓細(xì)胞體外培養(yǎng)見細(xì)胞形態(tài)良好，細(xì)胞增殖正常。具有良好的生物相容性及生物安全性。Sun AX等[23]研究了兩種新材料聚-L-乳酸/聚乙二醇/聚-1-乳酸（PLLA-PEG 1000）和聚-D，l-乳酸/聚乙二醇/聚-d，l-乳酸（PDLLA-PEG 1000），具有生物可降解性和生物相容性（制造后大于80%的生存能力），具有高生理相關(guān)的機(jī)械強(qiáng)度（1500～1800）kPa。生物相關(guān)細(xì)胞密度為20×106個(gè)/mL，靜態(tài)培養(yǎng)條件下，是基于羥脯氨酸和糖胺聚糖含量的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）生產(chǎn)的最有效的細(xì)胞接種密度。并證明 PDLLA-PEG 1000用于治療軟骨缺損點(diǎn)的療效和潛在效用較好。Wu等[24]將負(fù)載阿侖膦酸（AL）的殼聚糖/羥基磷灰石微球納入聚（L-乳酸）/納米羥基磷灰石基質(zhì)，制備用于藥物遞送和骨組織工程應(yīng)用的新型微球-支架混合系統(tǒng)（CM-AL），發(fā)現(xiàn)脂肪干細(xì)胞（ASCs）的成骨分化顯著增強(qiáng)，堿性磷酸鹽（ALP）活性和鈣沉積增加。體內(nèi)研究顯示，在8周內(nèi)完全修復(fù)大尺寸骨缺損的CM-AL（10%）支架具有更好的表現(xiàn)?？梢酝茰y(cè)，CMAL（10%）支架用于藥物遞送和骨組織工程是可行的。

聚乳酸由于脆性大、親水性差、對(duì)水和熱敏感、易降解等缺點(diǎn)，長(zhǎng)期以來未能引起足夠重視，一直處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。近些年，通過改進(jìn)工藝以及納米技術(shù)的不斷成熟，聚乳酸已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如：醫(yī)用敷料、手術(shù)縫合線、微膠囊、微球、埋置劑等緩釋劑的輔料。更廣泛的用途則是以聚乳酸為中心的復(fù)合支架應(yīng)用于骨科內(nèi)固定或修補(bǔ)骨缺損方面[21]。聚乳酸具有良好的組織相容性、可控的降解性及對(duì)人體無害性等物理特性，相信在未來的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)越來越好[25]。

2.2 聚乙醇酸（Polyglycolic Acid,PGA）

聚乙醇酸也稱為聚乙交酯，以金屬化合物或路易斯酸作為催化劑，乙醇作為分子量和反應(yīng)速率控制劑在高溫和低壓力的條件下，使乙交脂的陽離子開環(huán)聚合合成。是一種可被生物降解的脂肪族類聚合物?？杀荒承┨囟ǖ拿杆獬梢掖妓?，最終被降解成水和二氧化碳排出，也有部分乙醇酸隨尿液排出[10,25]。

Zhang等[25]制備的形狀記憶可降解親水性聚乙二醇（PEG)/聚丙交酯-乙交酯共聚物復(fù)合材料，差分掃描量熱法 (DSC)、廣角X-射線衍射 (WXRD) 和窄角X-射線散射 (SAXS)分析表明，材料的兩親性水合作用是由于水合驅(qū)動(dòng)微相態(tài)分離和聚乙二醇（PEG）結(jié)晶化所致。在室溫下材料呈松軟片狀，當(dāng)水溫升高到4℃時(shí)表現(xiàn)出一定的硬度，水溫再升高到55℃時(shí)，復(fù)合材料呈現(xiàn)出立體形狀并且保持硬度不變。利用3D打印技術(shù)構(gòu)建人體脊柱，用這種形狀記憶聚合物材料模擬椎間盤組織，其不但可以完美模擬椎間盤，而且具有強(qiáng)大的支撐椎體的作用。Bach等[26]通過MRI觀察聚乙醇酸制備的可吸收螺釘修復(fù)前交叉韌帶，發(fā)現(xiàn)螺桿在6個(gè)月時(shí)被部分吸收（約三分之一），并在1年時(shí)完全吸收。在沒有周圍炎癥反應(yīng)的情況下，觀察到可以與骨愈合和螺釘置換相關(guān)的隧道內(nèi)容物的增強(qiáng)。觀察骨隧道擴(kuò)大，隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定。同時(shí)，Wang等[27]觀察骨髓濃縮物（BMC）-PGA支架對(duì)骨髓刺激增強(qiáng)和修復(fù)兔關(guān)節(jié)軟骨的影響，發(fā)現(xiàn)BMC-PGA支架植入在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)中既簡(jiǎn)單又有效。因此，聚乙醇酸誘導(dǎo)成骨和軟骨修復(fù)的作用，不容忽視。

聚乙醇酸具有良好的生物相容性、降解性、和良好的加工性，同時(shí)具有記憶功能，是形狀記憶材料研究的重點(diǎn)之一，其物理、機(jī)械和其他屬性可以由PGA的各種分子量及其共聚物實(shí)現(xiàn)。但是，聚乙醇酸水解不穩(wěn)定。研究表明用聚乙醇酸制成的縫合線兩周后損失物質(zhì)強(qiáng)度的一半，四周后損失百分之百，降解速度在體內(nèi)要快于體外。目前主要用于手術(shù)縫線、復(fù)合骨組織支架、可吸收螺釘、涂層抗電解和纖維抗氧化等方面[26]。

2.3 聚己內(nèi)酯（Poly--caprolactone，PCL）

聚己內(nèi)酯是由 -己內(nèi)酯在金屬有機(jī)化合物（如四苯基錫）做催化劑，二羥基或三羥基做引發(fā)劑條件下開環(huán)聚合而成，屬于聚合型聚酯。在體內(nèi)的降解分為兩個(gè)階段，第一階段表現(xiàn)為分子量的下降，但不發(fā)生形變和失重；第二階段表現(xiàn)為分子量降低到一定階段后，材料開始失重，逐漸被機(jī)體吸收排泄[28]。

Ji等[28]采用環(huán)開聚合法用50萬分子量的己內(nèi)酯和丙交酯合成了己內(nèi)酯-丙交酯共聚物（PCxLyA）。進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著己內(nèi)酯的含量的增多，共聚物的彈性逐漸增強(qiáng)，鋼性逐漸減弱，反之亦成立；體內(nèi)植入后，超過八周的實(shí)驗(yàn)期發(fā)現(xiàn)PCxLyA生物相容性良好并逐漸降解。免疫組織化學(xué)特征表明，PCxLyA種植體激起體內(nèi)炎癥反應(yīng)較輕。將該共聚物用作疏水性藥物地塞米松和水溶性藥物地塞米松21-磷酸二鈉鹽的載體植入機(jī)體局部，監(jiān)測(cè)負(fù)載藥物PCxLyA膜的體外和體內(nèi)藥物釋放恒定且超過40天。因此，PCxLyA薄膜可用作可生物降解的彈性藥物載體。Lee等[29]將聚己內(nèi)酯（PCL）通過具有精密擠出沉積（PED）頭的3D打印機(jī)成功地制造了kagome結(jié)構(gòu)支架，其機(jī)械性能優(yōu)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支架，且具有細(xì)胞增殖功能。在體內(nèi)與細(xì)胞相容性很好，細(xì)胞可在其基架上正常生長(zhǎng)，6～12月可完全分解成 CO2和H2O，非常柔軟，具有極大的伸展性。其熔點(diǎn)為60°C～63°C，可在低溫成型。

聚己內(nèi)酯具有細(xì)胞相容性、組織相容性、可降解性和彈性功能，是可吸收材料研究的重點(diǎn)。但是，由于其柔性和彈性過強(qiáng)，不適合骨科內(nèi)固定材料的研發(fā)。目前主要用于手術(shù)縫合線和骨科夾板，以及用作藥物載體治療骨髓炎或骨結(jié)核[28,29]。以后通過表面改性或與其他有機(jī)高分子材料熔融或聚合形成復(fù)合材料，會(huì)拓展其在骨組織工程的使用范圍。

3 結(jié)論

生物降解高分子材料，雖然存在一定的缺陷[3,10,39]，如：熱穩(wěn)定性差、降解速率快、細(xì)微結(jié)構(gòu)不規(guī)則、生物活性不穩(wěn)定、易斷裂、炎癥反應(yīng)、容易形成血栓等[30]，但是隨著化學(xué)制備工藝的更新，復(fù)合材料的發(fā)展，以及納米技術(shù)的成熟[22]，使得傳統(tǒng)材料存在的缺陷逐一被攻克，傳統(tǒng)制備工藝逐漸被改善，新型的復(fù)合型生物醫(yī)學(xué)材料無論在分子結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)象還是在硬度、壓強(qiáng)、韌性及生物相容性方面均得到了明顯提高[31]，也更能適應(yīng)骨組織工程的需求，更好的服務(wù)于臨床骨缺損填充與修復(fù)的病人。隨著人們對(duì)生物材料進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與挖掘，相信在不久的將來，會(huì)有更多、更好、更新的生物可降解高分子材料應(yīng)用于臨床，出現(xiàn)在我們的視野里，也必將有更多的研究者對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)生濃厚的興趣。