可吸收及部分可吸收材料的研究進(jìn)展

1、可吸收及部分可吸收材料的研究進(jìn)展【關(guān)鍵詞】生物相容性材料；生物降解；綜述文獻(xiàn)【中分類號(hào)】R68【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1008-0287(2000)01-0066-03Current concepts on absorbable and partially absorbable materialsXin Jingyi，Zhang Tieliang，Wan Yizhao，Zhao Xin【Key words】biocompatible materials; biodegradation;review literature可吸收（或稱可生物降解）高分子材料的研究始于本世紀(jì)60年代。1965年人

2、們開(kāi)始嘗試用可吸收材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料作為骨折內(nèi)固定裝置，但由于強(qiáng)度不夠不能滿足臨床要求。直到80年代，隨著高分子聚合技術(shù)和塑料加工技術(shù)的發(fā)展尤其是纖維增強(qiáng)技術(shù)的引進(jìn)，才使其應(yīng)用于臨床成為可能1。90年代后可吸收材料已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用25。由于部分可吸收材料6(如碳纖維增強(qiáng)可吸收聚合物復(fù)合材料)是生物相容的，因此，同完全可吸收材料一樣，骨折愈合后也不必二次手術(shù)取出，而且在機(jī)械性能及降解速率方面似乎更具有優(yōu)勢(shì)，尤其是在治療負(fù)重骨和長(zhǎng)管狀骨方面更具有發(fā)展前途。1機(jī)械強(qiáng)度及降解速率的研究足夠的強(qiáng)度和適度的降解速率是生物降解內(nèi)固定物必備的基本條件。聚左旋乳酸（PLLA）是一種完全可吸收的生物降解

3、材料，已研究的PLLA的強(qiáng)度范圍為57145 MPa，剪切強(qiáng)度為5361 MPa7。Leenslag研制的多孔PLLA其初始斷裂強(qiáng)度為6875 MPa，8周時(shí)強(qiáng)度下降10%，12周時(shí)下降40%。因此PLLA只能適用于網(wǎng)狀骨和非承載骨的骨折內(nèi)固定中。Yamamuro等2應(yīng)用PLLA螺釘治療關(guān)節(jié)內(nèi)松質(zhì)骨骨折和用于植骨塊固定，釘斷裂12例，占8%。Suuronen等8研制的SR-（PGA/PLA）自身增強(qiáng)可吸收復(fù)合材料纖維和基質(zhì)是一種聚合物，其初始強(qiáng)度為250 MPa,是網(wǎng)狀骨的20倍，而未增強(qiáng)的PGA/PLA強(qiáng)度雖可達(dá)到150 MPa,但脆性大，而SR-(PGA/PLA)韌性卻很強(qiáng)。為了降低SR-

4、PGA復(fù)合材料的降解率，提高其強(qiáng)度的保持性能，采用表面涂一層緩慢降解聚合物的方法已獲成功。在進(jìn)行了廣泛的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后，SR-PGA可獲得極高的強(qiáng)度，由燒結(jié)法和拉拔技術(shù)得到的SR-PGA強(qiáng)度可達(dá)405 MPa。由SR-PGA制成的內(nèi)固定板已用于人體踝骨、脛骨、髕骨、肱骨、橈骨、鷹嘴和股骨頭等骨折的內(nèi)固定2，4，9。半聚合復(fù)合材料是研究最廣泛的一類可完全吸收的復(fù)合材料之一，Ibnabddjalil等10研究使用CAP纖維表面等離子噴涂來(lái)提高CAP/PLLA界面剪切強(qiáng)度，結(jié)果表明，等離子噴涂使CAP纖維的拉伸強(qiáng)度從375 MPa48.27 MPa提高到432 MPa51.5 MPa，界面剪切強(qiáng)度提高3

5、0%。CAP纖維的降解速度降低，界面的吸水作用減弱，但噴涂沒(méi)有影響CAP纖維的降解特性。碳纖維增強(qiáng)可吸收聚合物復(fù)合材料又稱為部分可吸收的復(fù)合材料。Zimmerman等使用長(zhǎng)碳纖維，使之45交叉排列，并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，制備出C/PLA復(fù)合材料。無(wú)孔的C/PLA板的強(qiáng)度和模量分別為402 MPa和124GPa，與純PLA（109 MPa和61 GPa）相比強(qiáng)度提高了3倍。體外降解試驗(yàn)表明，機(jī)加工螺孔的復(fù)合材料板4周時(shí)，彈性模量降低了9%，這是由于機(jī)加工使纖維與體的界面露于降解介質(zhì)中，使界面的吸水作用增強(qiáng)所至。界面是影響復(fù)合材料韌性和對(duì)生理環(huán)境響應(yīng)特性的主要因素，因此對(duì)碳纖維聚合物復(fù)合材料表

6、面進(jìn)行涂覆可降低復(fù)合材料的降解速度。C/環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的生物相容性。Williams等比較了相同形狀的不銹鋼（彈性模量為210 GPa）與C/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（彈性模量為65GPa）板在固定股骨8個(gè)月后，通過(guò)顯微光密度計(jì)法觀察了骨質(zhì)疏松的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)不銹鋼板下骨礦物質(zhì)大量丟失，而復(fù)合材料所引起的骨礦物質(zhì)丟失要少得多。體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，AO板即不銹鋼和鈦合金板組（133例前臂骨折中）板斷裂3%，松動(dòng)6%，骨不連5%。而C/環(huán)氧樹(shù)脂固定組（40例前臂骨折中）所有骨折均愈合。因此，Pemberton等11曾使用C/環(huán)氧樹(shù)脂治療疑難骨折，取得了良好效果。2生物相容性及伴發(fā)感染的研究可吸收及部分可吸

7、收物的生物相容性是能否在臨床應(yīng)用的重要根據(jù)。不同材料炎癥的反映程度不同，Bostman等121992年報(bào)道使用聚內(nèi)交酯接骨板、螺釘固定踝部骨折19例，術(shù)后9例（47%）發(fā)生了炎性反映，而使用聚乙二醇酸或聚乙二醇酸與聚丙醇酸共聚材料制成的內(nèi)固定物感染率為1.7%，7.9%晚期發(fā)生非感染性組織反應(yīng)。由于PGA聚羥乙酸水性聚合物可增強(qiáng)植入物隧道內(nèi)的滲透壓，使骨內(nèi)壓進(jìn)一步增高，因而發(fā)生骨質(zhì)溶解。而PLA豐富的甲基團(tuán)使其具備疏水性，所以很少發(fā)生骨質(zhì)溶解癥13。炎癥反應(yīng)大多發(fā)生在可吸收材料的部位，但其發(fā)生率隨著植入的解剖部位不同而有所差異。橈骨遠(yuǎn)端和舟骨發(fā)生率最高為25%，踝部最低為4%8%，可能與局部組

8、織耐受性和骨的清除能力有關(guān)。也有人認(rèn)為與異體反應(yīng)關(guān)系不大，可能是其他理化因素引起。此外，降解速率也是決定炎性反應(yīng)和程度的重要因素。相似的材料當(dāng)降解速率過(guò)快、降解產(chǎn)物濃度過(guò)高時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出炎性反應(yīng)；濃度降低時(shí)，則表現(xiàn)出良好的生物相容性。PLA降解后最終轉(zhuǎn)歸和PGA相同，但降解速度比PGA更慢。強(qiáng)度保持時(shí)間是PGA的310倍，遲發(fā)性無(wú)菌性炎癥反應(yīng)、竇道形成和骨質(zhì)溶解等并發(fā)癥也顯著減少。體內(nèi)降解的研究發(fā)現(xiàn)，PLA的異體聚左旋乳酸（PLLA）降解更慢，在32周4年之間。在超微結(jié)構(gòu)觀察中發(fā)現(xiàn)降解產(chǎn)物對(duì)炎性細(xì)胞有趨化作用，從植入體上脫落，隨即被巨噬細(xì)胞的吞噬活動(dòng)或后期被巨細(xì)胞的溶解活動(dòng)所消除，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)急性

9、和慢性的炎癥反應(yīng)。因此適當(dāng)降低生物內(nèi)固定物的降解速率能防止炎癥反應(yīng)的發(fā)生14。1995年Bostman用PLLA治療51例踝部骨折患者，隨訪52個(gè)月，50例愈合，1例22個(gè)月后發(fā)生輕度暫時(shí)性皮下腫脹，均無(wú)竇道。可吸收及部分可吸收材料生物相容性和伴發(fā)感染的因素除了化學(xué)成分、降解速率外，還包括異物反應(yīng)和材料的表面自由能、表面電荷、空隙、植入位置以及植入體形狀等等。一般認(rèn)為，傷口感染的發(fā)生取決于傷口的性質(zhì)、手術(shù)時(shí)的消毒和宿主的抵抗能力。異物的影響一直未受重視，隨著對(duì)生物材料的研究深入，特別是部分可吸收材料的臨床應(yīng)用，異物對(duì)傷口感染的影響就顯得更為重要，異物的存在影響宿主的免疫機(jī)制，同時(shí)也影響誘發(fā)感染

10、的最低細(xì)菌數(shù)量。動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有異物存在時(shí)，濃度為102 cfu的金黃色葡萄球菌就會(huì)引起感染，而無(wú)異物存在時(shí)，濃度達(dá)106 cfu的金黃色葡萄球菌也不會(huì)引起感染15。細(xì)菌在生物材料表面的粘附首先受生物材料的影響。Gristina等16在對(duì)金屬和聚合物的體外細(xì)菌試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，凝固酶陰性球菌優(yōu)先在聚合物表面粘附、繁殖，而凝固酶陽(yáng)性球菌優(yōu)先在金屬材料表面粘附、繁殖。因此，凝固酶陰性球菌是聚合物細(xì)菌感染的主要原因。Harkes等人的研究表明，具有正電位且表面帶正電荷的聚甲基丙烯酸酯表面粘附的大腸桿菌數(shù)量比具有負(fù)電位表面帶負(fù)電荷或不帶電的聚甲基丙烯酸酯表面粘附的細(xì)菌數(shù)量要多，并指出靜電作用是影響細(xì)菌粘附

11、的重要因素。Hunt等17認(rèn)為生物材料的表面形貌對(duì)細(xì)菌的粘附亦有影響，粗糙的表面可增強(qiáng)細(xì)菌的粘附數(shù)量。與生物材料相似，不同的細(xì)菌由于具有不同的分子結(jié)構(gòu)（如膜的糖蛋白粘附素、菌毛和受體等）和不同的表面特性（如電位、表面電荷、親水性等），其在材料表面的粘附行為也不相同。Verran等研究了8種細(xì)菌，指出細(xì)菌本身的疏水性影響細(xì)菌的粘附性能，高疏水性細(xì)菌的粘附數(shù)量高于低疏水性的細(xì)菌。細(xì)菌的粘附性還與細(xì)菌的細(xì)胞外粘液有關(guān)，粘液促成的粘附過(guò)程被認(rèn)為是表皮球菌引發(fā)感染的關(guān)鍵所在。總之在設(shè)計(jì)內(nèi)固定生物材料時(shí)，不僅要考慮材料的生物相容性、可吸收性、遮擋效應(yīng)等，更要考慮材料的細(xì)菌粘附能力，也可稱之為細(xì)菌相容性18

12、，并應(yīng)把細(xì)菌相容性作為生物相容性的一個(gè)重要內(nèi)容。在預(yù)防感染方面，除了凈化手術(shù)室的空氣、使用紫外線消毒、術(shù)前術(shù)中使用抗生素外，在內(nèi)植物材料內(nèi)加入已滅菌的藥物（如青霉素、棕櫚酸新霉素、氨磺酰）和消毒劑（如氯化碘乙酯和碘）也取得了一定的效果，但遠(yuǎn)不能令人滿意，主要原因是由于其療效短且殺菌范圍窄。近年來(lái)許多學(xué)者利用銀及其化合物制作抗菌粘附生物材料（即在生物材料表面涂覆一層結(jié)合良好的銀涂層）是預(yù)防感染的有效方法19。到目前為止尚無(wú)更為有效的防止感染方法，有人設(shè)想利用原生細(xì)菌來(lái)抑制致病菌的生長(zhǎng)和繁殖，驅(qū)動(dòng)有效的免疫反應(yīng)以抑制或防止感染發(fā)生，或設(shè)計(jì)能與可降解生物材料共存的藥物釋放體系等，人們正期待著新一代可

13、降解內(nèi)固定材料的誕生。作者簡(jiǎn)介：辛景義(1956-)，男， 副主任醫(yī)師，科主任。 研究方向：創(chuàng)傷骨科張鐵良(1937-)，男， 主任醫(yī)師，副院長(zhǎng)。研究方向：創(chuàng)傷作者單位: 辛景義（天津醫(yī)院骨科，天津300211）張鐵良（天津醫(yī)院骨科，天津300211）萬(wàn)怡兆（天津醫(yī)院骨科，天津300211）趙欣（天津醫(yī)院骨科，天津300211）參考文獻(xiàn)1，Bostman OM. Absorbable implants for the fixation of fracturesJ.J Bone Joint Surg Am,1991;73(1):1481532，Yamamuro T,Matsusue Y, Uch

14、ida A et al. Bioabsorbable osteosyntheic implants of ultra high strength poly-L-lactideJ. Int Orthop,1994;18（6）:3323403，劉永輝，趙金福，魏威 等. 可吸收內(nèi)固定物治療關(guān)節(jié)內(nèi)骨折J.骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，1997；12（6）：3474，Claes LE,Ignatius AA,Rehm KE et al.New bioresorbable pin for the reduction of small bony fragments:design,mechanical properti

15、es and in vitro degradationJ.Biomaterials,1996；17(16)：1 6211 6265，顧小華，印心青.可吸收內(nèi)固定物與關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的應(yīng)用J.骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，1997；12（6）：3486，Slivka MA，Chu CC.Fiber-matrix interface studies on biosorable composite materials for internal fixation of bone fractuers.II.A new method using laser scanning confocal microscopyJ.J B

16、iomed Mater Res,1997；37（3）:3523627，Matsususe Y, Nakamara T,Suzuki S et al. Biodegradable pin fixation of osteochondral fragments of the kneeJ. Clin Orthop,1996;(322):1661738，Suuronen R,Pohjonen T,Taurio R et al. Strength retention of self-reinforced poly-L-Lactide screws and plates;an vivo and in vi

17、tro studyJ.J Mater Sci Mater Med,1992;26(3):4264319，Rokkanen P,bostrman O,Hirvensalo E.Absorbable implants in the fixation of fractures,osteomies,arthrodesses and ligamentsJ.Acta Orthop Scand,1994;65(Suppl 260):192010，Ibnabddjalil M,Loh IH,Chu CC et al.Effect of surface plasma treatment on the chemi

18、cal,physical, morphological,and mechanical properties of totally absorbable bone internal fixation devicesJ.J Biomed Mater Res,1994；28(3):28930111，Pemberton DJ,McKibbin B,Savage R et al. Carbon-feber reinforced plates for problem fracturesJ. J Bone Joint Surg Br,1992；74(1):889212，Bostman O,Paivarint

19、a U,Partio E et al.Degradaton and tissue replacement of an absorbable polyglycolide screw in the fixation of rabbit femoral osteotomiesJ.J Bone Joint Surg Am,1992;74(7):1 0211 03113，郭曉東.可吸收內(nèi)固定材料的新進(jìn)展J.骨與關(guān)節(jié)損傷雜志， 1997；12（6）: 37437614，Paivarinta U,Bostman O,Majola A et al.Intraosseom cellular response to biodegradable fracture fixation screws made of polyglycolide or polylactideJ.Arch Orthop Trauma Surg,1993;112（2）:717415，Hefzy MS， Singh SP.Comparison between two technigues for modeling interface conditions in a porous coated hip endoprosthesisJ. Med Eng Phys,1997;19:506216，Gristina AG,Naylor