聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

馬喜峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

前 言

近年來，我國生物醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展如火如荼，且取得了令人矚目的成果。期間，聚乳酸復(fù)合材料快速地進入了人們的視野，以驚人的優(yōu)勢入駐生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進步和革新提供了無限動力和支持，受到了不少業(yè)內(nèi)人士的好評。

聚乳酸（PLA）是以木薯、玉米等農(nóng)作物為原材料，經(jīng)微生物發(fā)酵、提煉為乳酸，再經(jīng)過精制、脫水低聚等流程生成的聚合物。通常對聚乳酸進行親水改性、pH相應(yīng)改性、分支結(jié)構(gòu)改性等，生成聚乳酸復(fù)合材料，可以滿足對聚乳酸熱穩(wěn)定性、機械強度等個性化的應(yīng)用需求。依托自身較強的可生物降解性能，聚乳酸復(fù)合材料成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“寵兒”，骨釘、血管移植、工程支架等方面都可以見到聚乳酸復(fù)合材料的“身影”。正確與全面認知聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，有助于挖掘聚乳酸更多潛力，從而造福更多患者，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 聚乳酸復(fù)合材料的優(yōu)勢

聚乳酸復(fù)合材料作為生物科技不斷發(fā)展情況下的復(fù)合產(chǎn)物，具有較多優(yōu)勢，受到了人們的一致認可，這也是其成功融入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要緣由。探索聚乳酸復(fù)合材料的優(yōu)勢，有助于其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域充分、全面地應(yīng)用。有關(guān)聚乳酸復(fù)合材料的優(yōu)勢，可從以下內(nèi)容進行了解。

1.1 環(huán)保優(yōu)勢

聚乳酸是一種生物降解材料，使用原材料為木薯、玉米等常見農(nóng)作物，由農(nóng)作物的淀粉原料得到葡萄糖，在葡萄糖和一定菌種發(fā)酵的條件下，提煉出高純度乳酸，再經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，最終形成聚乳酸[1-3]。為了擴大聚乳酸的應(yīng)用范圍，通常以聚乳酸為基體，使用各種纖維或無機納米材料等與之復(fù)合，得到聚乳酸復(fù)合材料。由于聚乳酸復(fù)合材料的主體材料仍然為聚乳酸，因此聚乳酸的各種自有性能在其復(fù)合材料中可得以充分表現(xiàn)。聚乳酸具有良好的生物可降解性，將其使用在各行各業(yè)，不用擔心降解問題，降解產(chǎn)物即是水和二氧化碳，不會對生態(tài)環(huán)境造成威脅和影響，對我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有較大益處。目前，聚乳酸及其復(fù)合材料已經(jīng)成為世界公認的環(huán)保材料，其降解在土壤等自然環(huán)境中即可完成，無須過多的能源干涉，避免了溫室效應(yīng)的進一步加劇。

1.2 機械性能和物理性能令人滿意

聚乳酸復(fù)合材料加工簡單且便捷，適用于吹塑、熱塑等加工方法，也使得該材料有廣泛的應(yīng)用空間。從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，遍布聚乳酸復(fù)合材料的應(yīng)用，如農(nóng)用織品、抹布、保健織物、帳篷布、地墊等，且未來有較大的開發(fā)空間。

1.3 相容性、可降解性良好

聚乳酸復(fù)合材料在醫(yī)療領(lǐng)域中有較大程度的應(yīng)用，像一次性輸液用具、免拆型手術(shù)縫合線等，都用到了聚乳酸復(fù)合材料，且低分子聚乳酸復(fù)合材料還可作為藥物緩釋包裝劑使用，備受市場認可。

1.4 較強抗拉強度及延展度

聚乳酸復(fù)合材料可以滿足各式各樣的加工方式，包括吹膜成型、射出成型等等，與常見的聚合物在成型上有一定相似性[4～6]。另外，它具備與傳統(tǒng)薄膜相同的印刷性能，也正因如此，才使得聚乳酸復(fù)合材料得以滿足不同行業(yè)的不同生產(chǎn)需求，可保障產(chǎn)品多種多樣。

1.5 透氣性、透氧性、透二氧化碳性較佳

這意味著聚乳酸復(fù)合材料可以有效地阻隔氣味、抑菌和抗霉，可安全、放心地使用，可發(fā)揮其他材料不能企及的效果，便于現(xiàn)實問題較好地解決。

1.6 安全性能較強

雖然聚乳酸復(fù)合材料不需要焚燒來消除，但即使在焚燒中，也不會向外釋放氮化物、硫化物等有害毒氣。將其進行改性后，可向無毒、無污染、無腐蝕的環(huán)保方向發(fā)展[7]。

2 聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

聚乳酸復(fù)合材料是一種人工合成的、由微生物充分降解的熱塑性脂肪族聚酯，其自身具備環(huán)保特性，無毒無害、可再生和良好的生物相容性，使得聚乳酸順利融入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并為其服務(wù)。有關(guān)于聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，可重點歸納為以下幾點。

2.1 外科手術(shù)縫合線

聚乳酸與其共聚物，都是最早的外科手術(shù)縫合線，至今，依舊在延用。透過熔融紡絲和溶液紡絲，可將聚乳酸制成手術(shù)需要的縫合線，強度、細度和韌性都滿足縫合線標準，可以縫合傷口并與機體融為一體，省去了拆線的麻煩，患者接受率和好評度均較高[8]。這種縫合線，好處是不用拆線、不用二次手術(shù)，不足是聚乳酸復(fù)合材料如何在快速愈合傷口、摻入抑菌消炎藥物等方面發(fā)揮更大優(yōu)勢，還存在較多阻礙和不足，需要花費較多精力去摸索。

李學(xué)兆[9]研究聚乳酸羥基乙酸手術(shù)縫合線用于食管癌切除后消化道重建吻合，實驗組與對照組比較，平均吻合時間從18min降至13min，吻合口潰瘍發(fā)生率從9.1%降低至2.39%，吻合口狹窄從11.3%降至4.39%，胃液返流從8.3%降至3.39%，兩組吻合口瘺發(fā)生率相近（分別為1.1%、2.34%），可見吸收縫線逢合安全，簡便，可靠，省時。美國強生公司，早在2002年就將PLA與乙醇酸（GA）按一定比例共聚，制得抗菌可吸收醫(yī)用縫合線“薇喬抗菌縫線”[10]，并將其商品化。

2.2 藥物控制釋放

控制釋放，可以理解為將藥物或其他生物活性物質(zhì)和基材結(jié)合，使得藥物通過擴散等方式，在一定期限內(nèi)以某一速率釋放在環(huán)境中。理想的藥物控釋體系需要具備以下幾項特質(zhì)：①具備控制釋放功能，保障血藥濃度維持在合理區(qū)間內(nèi)；②具備靶向釋放功能，保障藥物可以精準輸送到指定部位；③補藥量較少；④毒副作用低；⑤服用便捷，患者接受度較高；⑥具備化學(xué)和物理雙重穩(wěn)定性。

藥物控釋材料，即是保障藥物以恒定速度于一定時間內(nèi)從材料中脫離并達到指定部位發(fā)揮藥性的材料，可以保障藥物在血液中維持對疾病治療所需的最低濃度，則可避免濃度偏高造成的藥物中毒問題的產(chǎn)生，也解決了濃度偏低形成的治療無效問題[11]。一般而言，藥物載體會盡可能采用高分子材料，選用聚乳酸復(fù)合材料也未嘗不可。在聚乳酸材料替代普通高分子材料后，可在患者體內(nèi)生物降解，預(yù)期共聚物的結(jié)構(gòu)會發(fā)生緊湊、疏松的持續(xù)變化，可有效控制藥物釋放速率，生物降解高分子載體結(jié)構(gòu)的變動幅度也會被控制，對減少藥物溶解、擴散阻力有較為突出的成效，便可保障藥物的持續(xù)、穩(wěn)定釋放[12-13]。

韓永濤[14]采用乳化-溶劑揮發(fā)法，以聚乳酸為載體，制備了阿奇霉素聚乳酸微球，結(jié)果表明，微球粒徑范圍窄,分散性好,包封率較高且具有緩釋效果。馬喜峰[15]以聚乳酸為載體，加入多柔比星和納米Fe3O4制成了聚乳酸/納米Fe3O4載多柔比星緩釋微球，結(jié)果表明，微球包覆效果高、釋藥緩慢而持久，可滿足臨床應(yīng)用要求。

目前，聚乳酸已經(jīng)被應(yīng)用到多種藥物的控制釋放中，包括抗癌物、抗生素、麻醉劑、避孕藥等，在醫(yī)療市場中占據(jù)較大比重。

2.3 組織工程支架材料

組織工程，可理解為對人體器官的組織和修復(fù)，是生物醫(yī)學(xué)中的重要工程，也是生物醫(yī)學(xué)的追求目標。在組織工程不斷發(fā)展的過程中，聚乳酸復(fù)合材料受到了極大關(guān)注，且對組織工程有著重要應(yīng)用意義。

具體說來，應(yīng)用于人體的組織工程支架材料，必須具備極佳的生物相容性和無毒性，這是支架材料生產(chǎn)、應(yīng)用的基本要求，方可更安全、放心地于臨床中應(yīng)用[16]。聚乳酸復(fù)合材料，除了本身的無毒性，其生物相容性也有目共睹，從而使得聚乳酸成為組織工程支架材料的首選，且在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)該材料的操作靈活性較高，已經(jīng)可以滿足臨床中的不同需求。

當前制造業(yè)，可以輕松生產(chǎn)出包覆纖維和多空海綿體的醫(yī)療材料，可以與組織細胞融合，并可植入生物體內(nèi)為細胞提供氣體交換、獲取營養(yǎng)等必要場所，協(xié)助生物形成新的形態(tài)、新的功能、新的組織器官，便于患者重獲新生[17]。與此同時，聚乳酸復(fù)合材料有較強親水性，可為組織工程提供必要支持。

郭紅延[18]等將兔牙乳頭作為種子細胞接種至支架材料聚乳酸羥基乙酸共聚物輔以海藻酸鈉中，采用裸鼠體內(nèi)移植方法進行組織工程牙根的構(gòu)建，8周后，聚乳酸羥基乙酸大部分降解，已接近自然生長的牙根組織，獲得了具有牙本質(zhì)特性及正常牙根形態(tài)的組織工程牙根，為進一步進行復(fù)合牙周膜的功能性牙根的組織工程構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

2.4 骨折內(nèi)固定材料

早在20世紀70年代，就已有學(xué)者研究將聚乳酸作為骨折內(nèi)固定材料，為當前聚乳酸復(fù)合材料成為骨折內(nèi)固定材料做出了不可小覷的貢獻[19]。當前，以聚乳酸式的骨釘、骨固定板較為常見，在骨折治療中起到了關(guān)鍵性作用，讓患者的恢復(fù)進程加快，大大減輕了患者的痛苦，且術(shù)后無須取出，避免了二次手術(shù)。

從以往來看，骨折內(nèi)固定材料多為不銹鋼、鈦及合金構(gòu)成，這類固定材料不能隨著人體骨骼的恢復(fù)、成長而有所變化，與人的骨骼有著較大差異，不能較好地在患者體內(nèi)保持正確的骨骼生長位置。不可忽略的是，它也在影響和破壞患者原有骨骼的應(yīng)力分布環(huán)境，容易出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、骨萎縮等問題。而相較于這類材料，聚乳酸，明顯更加人性化，且安全系數(shù)較高，它與人體骨骼有較強的相容性，可以更好地適配當前骨折患者的醫(yī)治環(huán)境[20]。將聚乳酸材料置入患者骨折部位，患者不會產(chǎn)生不適、也不會產(chǎn)生排異反應(yīng)，會逐漸契合患者體內(nèi)的骨骼生長環(huán)境。值得一提的是，這類材料也會按照病愈時間調(diào)整骨折內(nèi)固定器降解速率，因此，適用于當前大多數(shù)骨折患者，可確保骨折患者更快、更好地康復(fù)。

李力等[21]采用溶液澆鑄技術(shù)制備β－磷酸三鈣/聚乳酸復(fù)合材料，對手術(shù)造成的白兔右股骨髁部直徑8mm腔洞狀骨缺損進行修復(fù)實驗，結(jié)果表明，實驗8周后新生骨痂將缺損修復(fù)，16周后骨痂塑性良好，術(shù)后8周和16周材料降解率分別是30.3%和52.2%。結(jié)論：以聚乳酸、β－磷酸三鈣制備的骨修復(fù)材料對骨缺損具有良好的修復(fù)作用、緩釋作用，可滿足骨折內(nèi)固定的要求。

廖立等[22]采用“兩步模壓法”制備β-偏磷酸鈣（β-CMP）/聚乳酸（PLLA）復(fù)合骨折內(nèi)固定材料,經(jīng)過細胞安全性研究表明，β-CMP/PLLA復(fù)合材料對成骨細胞黏附、生長沒有抑制作用，反而有利于成骨細胞的增殖，復(fù)合材料具有良好的細胞相容性，可以滿足骨折內(nèi)固定的要求。

其實，聚乳酸材料與其他金屬材料在治療骨折中起到的效果無太大差別，只要結(jié)合實際加以選擇即可，但是在安全性上和治療成本上，建議多選用聚乳酸式的骨折內(nèi)固定材料，日后將成為替代金屬材料首選，有較大開發(fā)與應(yīng)用空間[23]。

2.5 基因治療載體

聚乳酸也可為基因治療提供服務(wù)，屬于最新研究成果?；蛑委熗枰高^病毒載體、非病毒載體和基因墻三種途徑將目的基因?qū)虢M織細胞中，由于聚乳酸材料具有較強穩(wěn)定性且化學(xué)結(jié)構(gòu)和粒度大小合適，因此，成為基因治療載體的不二之選，可以為基因治療提供必要的支持和協(xié)助，且基于聚乳酸材料的載體可以較好地控制基因的釋放速度，優(yōu)越性顯而易見[24]。

DNA將以物理形式存在于微球中，可保持自身活性，采用聚乳酸材料的微球儲存DNA，可以直接靶向作用于吞噬細胞，使細胞死亡，則可達成治療目的，目前市場上已存有這類治療藥物，今后開發(fā)將備受期待。

杜懷棟等[25]利用GDNF(膠質(zhì)神經(jīng)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子)基因轉(zhuǎn)染的雪旺氏細胞和PLGA(聚乳酸/聚乙醇酸共聚物)管共同培養(yǎng)構(gòu)建神經(jīng)導(dǎo)管復(fù)合體，結(jié)果表明，GDNF基因轉(zhuǎn)染的雪旺氏細胞可與PLGA管共同構(gòu)建神經(jīng)導(dǎo)管復(fù)合體，有利于神經(jīng)的再生。

王湛等[26]研究聚乙二醇（PEG）/骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）-2納米基因復(fù)合物及載基因仿生骨與骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）對骨缺損修復(fù)的共同作用，結(jié)果表明，PEG-BMP-2-PLA/PCL可以實現(xiàn)基因的體內(nèi)緩慢表達，對骨缺損修復(fù)具有良好的效果。

2.6 眼科植入材料

視網(wǎng)膜脫落是非常嚴重的疾病，很容易致盲，在手術(shù)治療中有非常大的操作難度，傳統(tǒng)手術(shù)顯然在治療視網(wǎng)膜脫落疾病中存在較大局限性[27]。當前，出現(xiàn)一類新的治療手段，即將聚乳酸材料的填充物取代傳統(tǒng)手術(shù)中的硅橡膠或硅橡膠海綿填充物，植入患者眼部，則可憑借自身的生物降解性和生物相容性較好地滿足視網(wǎng)膜脫落疾病的材料應(yīng)用需求，排異問題將大大減少、減輕，術(shù)后患者將不會出現(xiàn)強烈的不適反應(yīng)。

將聚乳酸材料應(yīng)用于眼科視網(wǎng)膜脫落手術(shù)中，具備多重優(yōu)勢，除了本身的密度和粘度性能較好，還具備較為優(yōu)良的拉伸強度和斷裂伸長率，彈性模量甚至可以高達3000～4000MPa，彎曲模量也可達到100～150MPa，這些性能保障了聚乳酸材料具備驚人的熱穩(wěn)定性和抗溶劑性，憑借于此，使得聚乳酸材料成為視網(wǎng)膜脫落手術(shù)中的不二之選[28]。同時，聚乳酸材料的強悍抗異性，也深受患者滿意，為今后眼科大量、頻繁地應(yīng)用聚乳酸材料奠定基礎(chǔ)。

陳鵬飛等[29]研究玻璃體腔注射塞來昔布-聚乳酸羥基醋酸共聚物緩釋微（CEL-PLGA-MS）對視網(wǎng)膜的安全性，與對照組塞來昔布（celecoxib）相比，CEL-PLGA-MS組內(nèi)網(wǎng)狀層微絲排列紊亂、微管擴張、線粒體少許空泡化，而celecoxib組細胞超微結(jié)構(gòu)變化輕微，表明玻璃體腔注射CEL-PLGA-MS對視網(wǎng)膜安全性優(yōu)于玻璃體腔注射celecoxib。

當然，除了可以采用聚乳酸材料于眼部植入解決視網(wǎng)膜脫落問題，還可解決青光眼、白內(nèi)障等眼科問題，未來發(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U。

3 聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景

在環(huán)境污染嚴重、資源面臨枯竭問題的嚴峻現(xiàn)狀面前，想要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必然依托更環(huán)保、更具功能性的新材料，這意味著聚乳酸材料未來的發(fā)展空間較大，可以緩解現(xiàn)代科技造成的環(huán)境污染問題和資源枯竭問題，同時，也為綠色發(fā)展帶去新的希望，其應(yīng)用和發(fā)展具有極其重要的社會和經(jīng)濟意義[30]。當前時代是追求節(jié)能環(huán)保的時代，聚乳酸憑借其自身的超強生物降解性，可在未來成為各國關(guān)注的生產(chǎn)材料，為市場產(chǎn)品多樣化帶去支持和輔助力量。

有專家預(yù)言，未來全球聚乳酸聚合物和纖維的生產(chǎn)規(guī)模將繼續(xù)擴大，擴大規(guī)模甚至?xí)_到不可想象的高度，在聚乳酸原料生產(chǎn)成本降低的視域下，可以想象其價值會趨向PET纖維發(fā)展，使用途徑會更加廣泛，經(jīng)濟效益將逐漸顯露。日本尤尼奇卡公司已經(jīng)與豐田工業(yè)大學(xué)展開合作，致力于研究尼龍納米復(fù)合材料和聚乳酸樹脂技術(shù)，已取得部分成果，如注塑機聚乳酸納米復(fù)合材料新產(chǎn)品[31]。

今后，相信會看到更多的綠色高分子材料的蓬勃發(fā)展，相信會給我們帶來解決環(huán)境污染問題的全新希望，聚乳酸的未來發(fā)展依舊可期，我們也將在先進的科技面前享受到更貼心、更便利、更人性化的服務(wù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，聚乳酸復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用，透過此次研究，我們看到了聚乳酸復(fù)合材料身上的潛力和優(yōu)勢，也讓我們對其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展更為期待。不置可否的是，聚乳酸復(fù)合材料會在未來發(fā)展過程中，會有更大進步、有更多突破，必將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域“大展拳腳”。也希望此次研究對聚乳酸復(fù)合材料今后深入、全面滲透生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供助力。