生物降解高分子材料在骨科的应用研究和展望*

钱治禹宝庆*施继飞*敖荣广陈帆成

随着社会的发展、经济的腾飞、生活节奏的改变，因车祸所致的开放性骨折引起的骨髓炎性骨缺损的病人有增无减。目前，感染性骨缺损与骨肿瘤清除术后大段骨缺损的治疗仍是临床医学的难题之一[1]。临床上自体骨与异体骨移植治疗骨缺损被认为是黄金准则[2]。因为自体骨与异体骨移植具有很好的促进骨愈合、完全骨融合、易被患者接受等特点，长期以来一直是骨修复的主要材料。然而，随着治疗病人的增多，其缺点也逐渐表现出来，如：自体骨数量不足、供体侧伤口感染、异体骨免疫反应及传播疾病的风险等[3]。为此，科研人员不断研发，试图寻求一种新型的材料来弥补自体及异体骨的不足。基于此，能降解的生物高分子材料孕育而生，得到了快速的发展。目前，典型的生物降解高分子人工骨组织工程材料有：壳聚糖为代表的天然高分子材料，聚乳酸为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；形状易变性；生物机械性；易于细胞的粘附、增殖、分化等[5-7]。随着材料学的兴起，生物降解高分子材料也得到了快速的发展。作者选取目前研究最热的、最具代表性的生物降解高分子材料作简要概述。

1 天然高分子材料

天然高分子一般是指存在于自然界动物、植物及微生物中的生物大分子[4,8]。主要有多糖类和蛋白质类两类[4,9,10]。多糖类的有：动物类透明质酸、壳聚糖等，植物类纤维素、淀粉等，微生物类葡聚糖、黄原胶等；蛋白质类的有：动物类干酪素、血清蛋白等，植物类大豆蛋白、玉米醇溶蛋白等，微生物类胶原蛋白。

1.1 甲壳素（Chitin）

甲壳素又称甲壳质、几丁质、壳蛋白、壳多糖、明角质等，是许多低等动物特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳的重要成分，是一种含氮的多糖物，自身带正电荷[11]。

Vázquez等人[12]发现无脊椎动物虾等的废弃物中含有大量的蛋白、类胡萝卜素和甲壳素，通过小型的实验基地对野生无脊椎动物虾的头胸部研究发现，利用甲壳素脱乙酰基作用、蛋白酶的脱蛋白作用等制备壳聚糖，产出率高达92%。由于甲壳素材料制备简单，因此，Duan等[13]使用甲壳素纳米纤维微球合成羟基磷灰石（HA）晶体的基质。在复合微球中甲壳素和HA之间通过非共价键发生紧密的界面粘附，甲壳素和HA的生物相容性促成了骨细胞粘附和骨传导，微球支架显示出优异的生物功能和适当的生物降解性。Qu等[14]在青少年特发性脊柱侧凸（AIS）手术中，甲壳素寡糖（COS）改善生化指标，降低白细胞介素（IL）-6和肿瘤坏死因子（TNF） 水平。COS通过改善抗氧化和抗炎活性，减少脊柱融合手术 AIS患者的抗生素剂量和抗生素引起的副作用。由此推测，甲壳素具有潜在的抑制炎症作用。

甲壳素具有生物相容性、降解性、无毒性、分子结构独特及刺激性小等特点，在生物学上其功能仅次于蛋白质类骨胶。其柔韧性较好，可用于缝合材料和防粘连材料。但是，由于甲壳素缺乏骨诱导能力，单独应用于骨科材料较少。目前，甲壳素主要应用于手术缝合线、纳米微球和骨组织工程支架等复合材料方面的研究[11,13,14]。

1.2 壳聚糖（Chitosan）

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的甲壳素（chitin）经过脱乙酰作用得到的，结构与甲壳素类似。自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注[4]。

Pang等人[4]通过100%壳聚糖制备骨组织支架，发现传统的氢氧化钠中和壳聚糖之后制备的支架在承受500g重物时，形状瞬间坍塌；而用氨中和壳聚糖后制备的支架在承重时其形变不明显，去除压力后，恢复原来形状，通过体内和体外测试，显示较好的细胞相容性和骨缺损修复能力。Morris等[15]使用天然和合成聚合物（壳聚糖和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA））分别制备了混合生物相容性树脂。在机械性能、细胞粘附性方面，发现1∶7.5的进料比是最合适的配方，具有50 m的标准孔径和约400kPa的弹性模量的相互连通的均匀孔具有最佳的生物相容性。Gladkova等[16]通过实验发现，天然生物聚合物壳聚糖附加组分（血浆铜蓝蛋白，L-天冬氨酸和甘油）制备的伤口涂层，雄性大鼠的实验表明其对皮肤各层的伤口具有促再生，抗氧化和抗菌作用。优化了伤口过程的所有阶段，加速了22%～28%的修复再生，并导致受伤部位的解剖和功能恢复。由此可见，壳聚糖不但具有促生长、抗氧化和抗菌作用，而且具有很好的生物相容性。

综上，壳聚糖是甲壳素的降解产物，具有和甲壳素一样的生物相容性及生物可降解性，但是，壳聚糖只能溶于酸或酸性水溶液，在生物体内其韧性和强度大大减低，故研究中常常将壳聚糖与羟基磷灰石或其他材料按一定比例混合，制备复合支架来提高其生物性能[4]。目前，壳聚糖和甲壳素一样，主要应用于手术缝合线和骨组织工程支架方面的研究[4,8]。

1.3 胶原（Collagen）

胶原是细胞外基质的一种结构蛋白，广泛存在于人体或生物体的骨组织及软骨组织，也存在于大豆植物中。胶原既能使钙质与骨细胞结合不致流失，又能使骨骼与肌肉相互联接[10]。

Huang等[10]将直径0.8cm的可吸收胶原蛋白海绵/BMP-2埋入12只8周龄的SpragueDawley大鼠，术后两天材料开始恢复和发生组织结构上的变化，随后，胶原逐渐降解吸收，与周围骨质融为一体。实验发现可吸收胶原蛋白海绵和骨形态发生蛋白-2在骨质增生方面有关联，尤其是移植术后更为明显。由此推测，胶原修复与急性炎症有关系。Han等[17]建立了一个孔径大小为（82.14±15.70） m 薄双层胶原蛋白生物支架，体外降解研究表明，碳二亚胺交联可有效增强支架的生物稳定性。甲基噻唑基四唑法的结果表明，支架促进软骨细胞增殖。因此，胶原复合支架可以满足软骨组织工程的要求，具有良好的生物相容性。Pan等[18]将承载了吉非替尼的关节内胶原支架替代丢失的半月板组织，发现胶原支架不仅促进了半月板再生，而且还保护了关节软骨免受退化。

因此，人体中的胶原组织既能为骨细胞提供支撑骨架，又能为骨细胞提供营养，同时具有促进骨细胞分化、增殖和修复等作用[5,10]。但是，胶原具有生物活性，不溶于冷水和热水，不能被蛋白酶利用，在某种程度上也限制了其应用。目前，胶原主要用于临床防粘连和骨缺损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据天然高分子聚合物的生物化学结构及性能，经过复杂的化学合成工艺，聚合形成的具有稳定的生物学性能、可控的降解速率、良好的生物相容性、较好的促成骨性等特点的生物医学材料[7,9]。目前常见的人工高分子材料有：聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等[19]。人工高分子材料较天然高分子材料具有明显的可降解性和生物活性，但在降解时产生的酸性产物堆积，也是不容忽视的事实，需要进一步改善工艺加以屏除[20,21]。

2.1 聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）

聚乳酸又称为聚丙交酯，是乳酸相互聚合或与丙交酯开环聚合而形成[21]。根据PLA旋光性的不同，可分为外消旋聚乳酸（PDLLA）、左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）三种异构体。聚乳酸是一种重要的可降解材料，在医疗器械领域尤其是在骨组织工程中逐渐被业界所认识和开发[21]。

Tang等[22]通过实验发现可塑性纳米-羟基磷灰石/聚 -羟基丁酸与戊酸酯-聚乙二醇庆大霉素药物释放系统具有无毒性，植入体内后发生降解并被骨组织取代。材料与人体骨髓细胞体外培养见细胞形态良好，细胞增殖正常。具有良好的生物相容性及生物安全性。Sun AX等[23]研究了两种新材料聚-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），具有高生理相关的机械强度（1500～1800）kPa。生物相关细胞密度为20×106个/mL，静态培养条件下，是基于羟脯氨酸和糖胺聚糖含量的细胞外基质（ECM）生产的最有效的细胞接种密度。并证明 PDLLA-PEG 1000用于治疗软骨缺损点的疗效和潜在效用较好。Wu等[24]将负载阿仑膦酸（AL）的壳聚糖/羟基磷灰石微球纳入聚（L-乳酸）/纳米羟基磷灰石基质，制备用于药物递送和骨组织工程应用的新型微球-支架混合系统（CM-AL），发现脂肪干细胞（ASCs）的成骨分化显著增强，碱性磷酸盐（ALP）活性和钙沉积增加。体内研究显示，在8周内完全修复大尺寸骨缺损的CM-AL（10%）支架具有更好的表现。可以推测，CMAL（10%）支架用于药物递送和骨组织工程是可行的。

聚乳酸由于脆性大、亲水性差、对水和热敏感、易降解等缺点，长期以来未能引起足够重视，一直处于实验室状态。近些年，通过改进工艺以及纳米技术的不断成熟，聚乳酸已经被广泛应用于医疗领域，如：医用敷料、手术缝合线、微胶囊、微球、埋置剂等缓释剂的辅料。更广泛的用途则是以聚乳酸为中心的复合支架应用于骨科内固定或修补骨缺损方面[21]。聚乳酸具有良好的组织相容性、可控的降解性及对人体无害性等物理特性，相信在未来的发展趋势会越来越好[25]。

2.2 聚乙醇酸（Polyglycolic Acid,PGA）

聚乙醇酸也称为聚乙交酯，以金属化合物或路易斯酸作为催化剂，乙醇作为分子量和反应速率控制剂在高温和低压力的条件下，使乙交脂的阳离子开环聚合合成。是一种可被生物降解的脂肪族类聚合物。可被某些特定的酶水解成乙醇酸，最终被降解成水和二氧化碳排出，也有部分乙醇酸随尿液排出[10,25]。

Zhang等[25]制备的形状记忆可降解亲水性聚乙二醇（PEG)/聚丙交酯-乙交酯共聚物复合材料，差分扫描量热法 (DSC)、广角X-射线衍射 (WXRD) 和窄角X-射线散射 (SAXS)分析表明，材料的两亲性水合作用是由于水合驱动微相态分离和聚乙二醇（PEG）结晶化所致。在室温下材料呈松软片状，当水温升高到4℃时表现出一定的硬度，水温再升高到55℃时，复合材料呈现出立体形状并且保持硬度不变。利用3D打印技术构建人体脊柱，用这种形状记忆聚合物材料模拟椎间盘组织，其不但可以完美模拟椎间盘，而且具有强大的支撑椎体的作用。Bach等[26]通过MRI观察聚乙醇酸制备的可吸收螺钉修复前交叉韧带，发现螺杆在6个月时被部分吸收（约三分之一），并在1年时完全吸收。在没有周围炎症反应的情况下，观察到可以与骨愈合和螺钉置换相关的隧道内容物的增强。观察骨隧道扩大，随着时间的推移保持稳定。同时，Wang等[27]观察骨髓浓缩物（BMC）-PGA支架对骨髓刺激增强和修复兔关节软骨的影响，发现BMC-PGA支架植入在关节软骨修复中既简单又有效。因此，聚乙醇酸诱导成骨和软骨修复的作用，不容忽视。

聚乙醇酸具有良好的生物相容性、降解性、和良好的加工性，同时具有记忆功能，是形状记忆材料研究的重点之一，其物理、机械和其他属性可以由PGA的各种分子量及其共聚物实现。但是，聚乙醇酸水解不稳定。研究表明用聚乙醇酸制成的缝合线两周后损失物质强度的一半，四周后损失百分之百，降解速度在体内要快于体外。目前主要用于手术缝线、复合骨组织支架、可吸收螺钉、涂层抗电解和纤维抗氧化等方面[26]。

2.3 聚己内酯（Poly--caprolactone，PCL）

聚己内酯是由 -己内酯在金属有机化合物（如四苯基锡）做催化剂，二羟基或三羟基做引发剂条件下开环聚合而成，属于聚合型聚酯。在体内的降解分为两个阶段，第一阶段表现为分子量的下降，但不发生形变和失重；第二阶段表现为分子量降低到一定阶段后，材料开始失重，逐渐被机体吸收排泄[28]。

Ji等[28]采用环开聚合法用50万分子量的己内酯和丙交酯合成了己内酯-丙交酯共聚物（PCxLyA）。进行循环拉伸试验，发现随着己内酯的含量的增多，共聚物的弹性逐渐增强，钢性逐渐减弱，反之亦成立；体内植入后，超过八周的实验期发现PCxLyA生物相容性良好并逐渐降解。免疫组织化学特征表明，PCxLyA种植体激起体内炎症反应较轻。将该共聚物用作疏水性药物地塞米松和水溶性药物地塞米松21-磷酸二钠盐的载体植入机体局部，监测负载药物PCxLyA膜的体外和体内药物释放恒定且超过40天。因此，PCxLyA薄膜可用作可生物降解的弹性药物载体。Lee等[29]将聚己内酯（PCL）通过具有精密挤出沉积（PED）头的3D打印机成功地制造了kagome结构支架，其机械性能优于网格结构支架，且具有细胞增殖功能。在体内与细胞相容性很好，细胞可在其基架上正常生长，6～12月可完全分解成 CO2和H2O，非常柔软，具有极大的伸展性。其熔点为60°C～63°C，可在低温成型。

聚己内酯具有细胞相容性、组织相容性、可降解性和弹性功能，是可吸收材料研究的重点。但是，由于其柔性和弹性过强，不适合骨科内固定材料的研发。目前主要用于手术缝合线和骨科夹板，以及用作药物载体治疗骨髓炎或骨结核[28,29]。以后通过表面改性或与其他有机高分子材料熔融或聚合形成复合材料，会拓展其在骨组织工程的使用范围。

3 结论

生物降解高分子材料，虽然存在一定的缺陷[3,10,39]，如：热稳定性差、降解速率快、细微结构不规则、生物活性不稳定、易断裂、炎症反应、容易形成血栓等[30]，但是随着化学制备工艺的更新，复合材料的发展，以及纳米技术的成熟[22]，使得传统材料存在的缺陷逐一被攻克，传统制备工艺逐渐被改善，新型的复合型生物医学材料无论在分子结构、空间构象还是在硬度、压强、韧性及生物相容性方面均得到了明显提高[31]，也更能适应骨组织工程的需求，更好的服务于临床骨缺损填充与修复的病人。随着人们对生物材料进一步的认识与挖掘，相信在不久的将来，会有更多、更好、更新的生物可降解高分子材料应用于临床，出现在我们的视野里，也必将有更多的研究者对生物医学材料产生浓厚的兴趣。