生物降解高分子材料在骨科的應用研究和展望*

錢治禹寶慶*施繼飛*敖榮廣陳帆成

隨著社會的發展、經濟的騰飛、生活節奏的改變，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后大段骨缺損的治療仍是臨床醫學的難題之一[1]。臨床上自體骨與異體骨移植治療骨缺損被認為是黃金準則[2]。因為自體骨與異體骨移植具有很好的促進骨愈合、完全骨融合、易被患者接受等特點，長期以來一直是骨修復的主要材料。然而，隨著治療病人的增多，其缺點也逐漸表現出來，如：自體骨數量不足、供體側傷口感染、異體骨免疫反應及傳播疾病的風險等[3]。為此，科研人員不斷研發，試圖尋求一種新型的材料來彌補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；生物機械性；易于細胞的粘附、增殖、分化等[5-7]。隨著材料學的興起，生物降解高分子材料也得到了快速的發展。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類兩類[4,9,10]。多糖類的有：動物類透明質酸、殼聚糖等，植物類纖維素、淀粉等，微生物類葡聚糖、黃原膠等；蛋白質類的有：動物類干酪素、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、幾丁質、殼蛋白、殼多糖、明角質等，是許多低等動物特別是節肢動物如蝦、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]發現無脊椎動物蝦等的廢棄物中含有大量的蛋白、類胡蘿卜素和甲殼素，通過小型的實驗基地對野生無脊椎動物蝦的頭胸部研究發現，利用甲殼素脫乙?；饔?、蛋白酶的脫蛋白作用等制備殼聚糖，產出率高達92%。由于甲殼素材料制備簡單，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。在復合微球中甲殼素和HA之間通過非共價鍵發生緊密的界面粘附，甲殼素和HA的生物相容性促成了骨細胞粘附和骨傳導，微球支架顯示出優異的生物功能和適當的生物降解性。Qu等[14]在青少年特發性脊柱側凸（AIS）手術中，甲殼素寡糖（COS）改善生化指標，降低白細胞介素（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 AIS患者的抗生素劑量和抗生素引起的副作用。由此推測，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、分子結構獨特及刺激性小等特點，在生物學上其功能僅次于蛋白質類骨膠。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能力，單獨應用于骨科材料較少。目前，甲殼素主要應用于手術縫合線、納米微球和骨組織工程支架等復合材料方面的研究[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）經過脫乙酰作用得到的，結構與甲殼素類似。自1859年，法國人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、微生物降解性等優良性能被各行各業廣泛關注[4]。

Pang等人[4]通過100%殼聚糖制備骨組織支架，發現傳統的氫氧化鈉中和殼聚糖之后制備的支架在承受500g重物時，形狀瞬間坍塌；而用氨中和殼聚糖后制備的支架在承重時其形變不明顯，去除壓力后，恢復原來形狀，通過體內和體外測試，顯示較好的細胞相容性和骨缺損修復能力。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。在機械性能、細胞粘附性方面，發現1∶7.5的進料比是最合適的配方，具有50 m的標準孔徑和約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]通過實驗發現，天然生物聚合物殼聚糖附加組分（血漿銅藍蛋白，L-天冬氨酸和甘油）制備的傷口涂層，雄性大鼠的實驗表明其對皮膚各層的傷口具有促再生，抗氧化和抗菌作用。優化了傷口過程的所有階段，加速了22%～28%的修復再生，并導致受傷部位的解剖和功能恢復。由此可見，殼聚糖不但具有促生長、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，在生物體內其韌性和強度大大減低，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，主要應用于手術縫合線和骨組織工程支架方面的研究[4,8]。

1.3 膠原（Collagen）

膠原是細胞外基質的一種結構蛋白，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。膠原既能使鈣質與骨細胞結合不致流失，又能使骨骼與肌肉相互聯接[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，術后兩天材料開始恢復和發生組織結構上的變化，隨后，膠原逐漸降解吸收，與周圍骨質融為一體。實驗發現可吸收膠原蛋白海綿和骨形態發生蛋白-2在骨質增生方面有關聯，尤其是移植術后更為明顯。由此推測，膠原修復與急性炎癥有關系。Han等[17]建立了一個孔徑大小為（82.14±15.70） m 薄雙層膠原蛋白生物支架，體外降解研究表明，碳二亞胺交聯可有效增強支架的生物穩定性。甲基噻唑基四唑法的結果表明，支架促進軟骨細胞增殖。因此，膠原復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節內膠原支架替代丟失的半月板組織，發現膠原支架不僅促進了半月板再生，而且還保護了關節軟骨免受退化。

因此，人體中的膠原組織既能為骨細胞提供支撐骨架，又能為骨細胞提供營養，同時具有促進骨細胞分化、增殖和修復等作用[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天然高分子聚合物的生物化學結構及性能，經過復雜的化學合成工藝，聚合形成的具有穩定的生物學性能、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的生物醫學材料[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，但在降解時產生的酸性產物堆積，也是不容忽視的事實，需要進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聚合而形成[21]。根據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）三種異構體。聚乳酸是一種重要的可降解材料，在醫療器械領域尤其是在骨組織工程中逐漸被業界所認識和開發[21]。

Tang等[22]通過實驗發現可塑性納米-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具有無毒性，植入體內后發生降解并被骨組織取代。材料與人體骨髓細胞體外培養見細胞形態良好，細胞增殖正常。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），具有高生理相關的機械強度（1500～1800）kPa。生物相關細胞密度為20×106個/mL，靜態培養條件下，是基于羥脯氨酸和糖胺聚糖含量的細胞外基質（ECM）生產的最有效的細胞接種密度。并證明 PDLLA-PEG 1000用于治療軟骨缺損點的療效和潛在效用較好。Wu等[24]將負載阿侖膦酸（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，制備用于藥物遞送和骨組織工程應用的新型微球-支架混合系統（CM-AL），發現脂肪干細胞（ASCs）的成骨分化顯著增強，堿性磷酸鹽（ALP）活性和鈣沉積增加。體內研究顯示，在8周內完全修復大尺寸骨缺損的CM-AL（10%）支架具有更好的表現?？梢酝茰y，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、對水和熱敏感、易降解等缺點，長期以來未能引起足夠重視，一直處于實驗室狀態。近些年，通過改進工藝以及納米技術的不斷成熟，聚乳酸已經被廣泛應用于醫療領域，如：醫用敷料、手術縫合線、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合支架應用于骨科內固定或修補骨缺損方面[21]。聚乳酸具有良好的組織相容性、可控的降解性及對人體無害性等物理特性，相信在未來的發展趨勢會越來越好[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動微相態分離和聚乙二醇（PEG）結晶化所致。在室溫下材料呈松軟片狀，當水溫升高到4℃時表現出一定的硬度，水溫再升高到55℃時，復合材料呈現出立體形狀并且保持硬度不變。利用3D打印技術構建人體脊柱，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前交叉韌帶，發現螺桿在6個月時被部分吸收（約三分之一），并在1年時完全吸收。在沒有周圍炎癥反應的情況下，觀察到可以與骨愈合和螺釘置換相關的隧道內容物的增強。觀察骨隧道擴大，隨著時間的推移保持穩定。同時，Wang等[27]觀察骨髓濃縮物（BMC）-PGA支架對骨髓刺激增強和修復兔關節軟骨的影響，發現BMC-PGA支架植入在關節軟骨修復中既簡單又有效。因此，聚乙醇酸誘導成骨和軟骨修復的作用，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，同時具有記憶功能，是形狀記憶材料研究的重點之一，其物理、機械和其他屬性可以由PGA的各種分子量及其共聚物實現。但是，聚乙醇酸水解不穩定。研究表明用聚乙醇酸制成的縫合線兩周后損失物質強度的一半，四周后損失百分之百，降解速度在體內要快于體外。目前主要用于手術縫線、復合骨組織支架、可吸收螺釘、涂層抗電解和纖維抗氧化等方面[26]。

2.3 聚己內酯（Poly--caprolactone，PCL）

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

Ji等[28]采用環開聚合法用50萬分子量的己內酯和丙交酯合成了己內酯-丙交酯共聚物（PCxLyA）。進行循環拉伸試驗，發現隨著己內酯的含量的增多，共聚物的彈性逐漸增強，鋼性逐漸減弱，反之亦成立；體內植入后，超過八周的實驗期發現PCxLyA生物相容性良好并逐漸降解。免疫組織化學特征表明，PCxLyA種植體激起體內炎癥反應較輕。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體局部，監測負載藥物PCxLyA膜的體外和體內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]將聚己內酯（PCL）通過具有精密擠出沉積（PED）頭的3D打印機成功地制造了kagome結構支架，其機械性能優于網格結構支架，且具有細胞增殖功能。在體內與細胞相容性很好，細胞可在其基架上正常生長，6～12月可完全分解成 CO2和H2O，非常柔軟，具有極大的伸展性。其熔點為60°C～63°C，可在低溫成型。

聚己內酯具有細胞相容性、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。但是，由于其柔性和彈性過強，不適合骨科內固定材料的研發。目前主要用于手術縫合線和骨科夾板，以及用作藥物載體治療骨髓炎或骨結核[28,29]。以后通過表面改性或與其他有機高分子材料熔融或聚合形成復合材料，會拓展其在骨組織工程的使用范圍。

3 結論

生物降解高分子材料，雖然存在一定的缺陷[3,10,39]，如：熱穩定性差、降解速率快、細微結構不規則、生物活性不穩定、易斷裂、炎癥反應、容易形成血栓等[30]，但是隨著化學制備工藝的更新，復合材料的發展，以及納米技術的成熟[22]，使得傳統材料存在的缺陷逐一被攻克，傳統制備工藝逐漸被改善，新型的復合型生物醫學材料無論在分子結構、空間構象還是在硬度、壓強、韌性及生物相容性方面均得到了明顯提高[31]，也更能適應骨組織工程的需求，更好的服務于臨床骨缺損填充與修復的病人。隨著人們對生物材料進一步的認識與挖掘，相信在不久的將來，會有更多、更好、更新的生物可降解高分子材料應用于臨床，出現在我們的視野里，也必將有更多的研究者對生物醫學材料產生濃厚的興趣。