聚乳酸基生物医用复合材料研究进展

李亚儒，陈 康

(南京林业大学 理学院,江苏 南京 210037)

生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官，或増进其功能的，植入活体系统内或与生物活体系统相结合而不与生物体产生药理反应或毒理效应的一类髙技术新型材料，在提高患者生命健康质量、避免二次手术、降低医疗成本方面有重要作用[1]。

生物医用复合材料由两种或两种以上的不同材料复合而成，一般要求具有良好的生物相容性、生物稳定性、一定的强度和韧性以及良好的抑菌性能[2]。聚乳酸具有良好的生物相容性和安全性、可生物降解，被美国FDA批准作为生物降解医用材料，广泛应用于外科手术缝合线、骨科固定材料、体内植入材料、药用控制系统等领域，被全球公认为新世纪最有前途的生物医用材料[3]。

纯的聚乳酸的力学性能不足；流动性、热稳定性较差；大分子链中没有可反应的活性基团，亲水性较差、细胞在材料表面的黏附力低[4]。对聚乳酸进行复合改性，制作成聚乳酸复合材料可以克服纯的聚乳酸的一些不足，在生物医用材料领域有更好的发展和应用。

1 无机非金属/聚乳酸复合材料

聚乳酸( PLA)作为生物医用高分子材料具有良好的生物相容性、适宜的生物降解性、优良的力学性能和可加工性，弹性模量比金属更接近骨组织的弹性模量，有利于骨折处愈合，且随着骨质的愈合逐渐降解，不需二次手术取出。但由于该材料降解后的酸性产物不利于骨细胞生长、不与骨骼发生键合、缺乏生物活性等缺点，常用无机非金属材料如羟基磷灰石、硅灰石、碳纤维等和聚乳酸制成复合材料使用。

1.1 硅灰石

硅灰石是一种新型的骨修复材料，不仅具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性，而且硬度高，具有良好的抗磨损和抗压性能。硅灰石作为无机非金属材料也存在韧性差的缺点，通过和聚乳酸复合可以得到具有较好的力学性能、生物活性及生物相容性的医用复合材料[5]。

徐梁等[6]采用共沉淀法制备得到不同硅灰石含量的聚乳酸基复合材料，然后通过热压成型制备得到复合物样品，进行了力学性能和降解性能的表征与测试。研究发现，当在聚乳酸基体中引入硅灰石粒子质量分数为10%时，复合物材料的拉伸强度达到一个最大值( 58. 4 MPa)，略微高于纯 PDLLA 的拉伸强度( 55. 8 MPa) ，其他比例的复合物材料的拉伸强度均有一定程度的下降。

这是由于溶剂共沉淀法制备得到的硅灰石-聚乳酸复合材料两相间通过物理方式结合，界面结合力弱，且硅灰石粒子团聚、聚乳酸自身长链相互缠绕，硅灰石粒子在材料中分散度低，受到应力时容易发生界面脱附而未能引起周围基体的屈服，增大了材料的缺陷，造成材料力学强度的下降。由此可见，提高无机刚性粒子和聚合物间的界面作用力是改善复合材料力学性能的关键所在。

1.2 羟基磷灰石

羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)在组成上和人体骨基质成分相似，因而有良好的生物相容性、骨传导和骨诱导作用，但是羟基磷灰石的脆性大，不能单独制成骨修复材料。

在聚乳酸的复合材料中，羟基磷灰石颗粒与聚乳酸基质间物理性结合，界面相容性差，因而力学强度不足。为了提高两相的界面相容性，将PLLA以化学键合的方式修饰在纳米羟基磷灰石颗粒表面的羟基上，再把修饰后的颗粒与PLLA混合制成PLLA/PLLA-gHAP复合材料[7]。这种方法有效地提高了羟基磷灰石和聚乳酸的界面相容性，改善了材料的力学性能。加入羟基磷灰石后，羟基磷灰石可降解产生弱碱性物质，中和聚乳酸降解产物的弱酸性，更有利于成骨细胞的生长。羟基磷灰石降解过程中产生的Ca2+可以促进成骨细胞的黏附，并和成骨细胞分泌的钙基质共同形成钙化结节，使材料界面和细胞结合的更加紧密[8]。

中北大学课题组[9]研制出一种可以生物降解并提高PLLA的亲水性、韧性和结晶性能的改性剂JMXRJ，与多种常用溶剂有良好的相容性。范丽园[9]将JMXRJ和PLLA、羟基磷灰石分别以一定比例在二氯甲烷中混合，然后使二氯甲烷全部挥发，JMXRJ作为良好的增塑剂，增加了PLLA链段的活动性，使其更容易结晶。通过改性，羟基磷灰石和PLLA的界面相容性增强。

1.3 碳纤维

聚乳酸/羟基磷灰石复合材料已基本满足骨修复材料的要求，但对于大块骨的固定其机械强度尚不够理想。碳纤维具有超优良的力学性能，且碳纤维的加入既不影响受损骨的生长，还可以在材料降解过程中保持支架作用，医学研究表明碳纤维存在骨组织中不产生排异现象，可避免二次手术带来的危害[10]。

浙江大学的乔飞[11]进一步用碳纤维增强聚乳酸/羟基磷灰石复合材料，通过溶液共混法制备碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸三元复合生物材料。其中，碳纤维经过浓硝酸氧化，表面粗糙度增加，提高了纤维与聚合物基体的界面结合力，得到的复合材料具有优异的力学性能。CF/HA/PLA复合材料在PBS模拟体液中浸泡3个月后，浸泡液的pH值基本不变，弯曲强度和弯曲模量分别下降到初始值的30%和36%，剪切强度维持在190MPa左右。该三元复合体系，将碳纤维的高强度、聚乳酸的生物降解性和羟基磷灰石的生物活性有机地结合起来，得到既具有生物活性、又具有可吸收性和降解性的高强度骨折内固定材料。

2 镁合金/聚乳酸复合材料

镁和镁合金的密度和弹性模量和人骨最为接近，可以缓解应力遮挡效应。镁在人体内以离子的形式存在，可促进骨细胞的形成、加速骨的愈合，过量的镁可通过尿液排出体外，在适当代谢下不会对人体产生危害，有着广阔的应用前景[12]。但镁合金的化学性质过于活泼，使用过程中易腐蚀，不利于骨质的生长愈合，可将镁合金与聚乳酸制成复合材料可以减缓镁合金的腐蚀过程、增强聚乳酸的力学性能。

刘德宝等[13]为了中和聚乳酸降解在人体内产生的酸性环境，通过注塑造粒在聚乳酸中混入镁颗粒，发现材料的拉伸强度略有下降，弯曲强度略有升高，这是由于镁和聚乳酸之间弱的界面作用引起的，但降解后环境的酸性得到一定程度的缓解。

董连军等[14]通过环氧氯丙烷-丙酮混合液在镁的表面制备了PLLA涂层，再以MgO、 Mg(OH)2为增强相，制备了 PLLA基复合涂层，在体外降解实验中，材料的降解防护能力提高，溶液酸性环境得到中和。

韦雅玲[15]采用热压法制备镁合金聚乳酸复合材料，在溶于二氯甲烷中的聚乳酸中混入微弧氧化后定向排列的镁合金丝，得到镁合金丝增强的聚乳酸薄片，然后通过烘箱热压成型，得到镁合金聚乳酸复合材料。镁合金的表面处理可以显著改善复合材料的界面结合性能，微弧氧化处理镁合金表面后，表面形成多孔结构的氧化膜，可以和聚乳酸基体产生机械锁合作用，提高了界面结合力，复合材料两相界面平均剪切强度提高300%以上，此时界面断裂面发生在聚乳酸内部。表面处理使复合材料的力学性能大幅提高，其中化学转化镁合金/聚乳酸复合材料的抗拉强度、弯曲强度和冲击韧性分别提高2.22、1.45和11.67倍。

另外，陈伟等[16]以萃取法和油浴法制备了镁增强的聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合材料，研究了不同镁含量的复合材料的性能，发现降解过程环境的pH正常，不影响骨骼生长，且可以根据修复骨的位置和特点有效调控材料的强度和降解速度。

3 壳聚糖/聚乳酸复合材料

高分子材料是目前应用于骨组织修复的一大类材料，包括聚乳酸、聚羟基乙酸以及它们的共聚物等。但这些高分子材料存在亲水性差、对细胞粘附力弱、降解产物呈酸性等不利于细胞生长的缺陷[17]。壳聚糖是一种碱性多糖，具有无毒、无刺激、生物降解性和生物相容性的生物医用材料，含有较多的羟基和氨基，可形成分子内和分子间氢键，在发生水解时可以抑制水的渗透和扩散，使聚乳酸的降解速率降低；且壳聚糖的降解产物呈碱性，可以中和聚乳酸降解产物的酸性[18]。

李立华等[19]以壳聚糖和聚乳酸复合制备成用作骨修复的复合材料，在保留两者良好的生物相容性、生物活性和力学性能的同时改善了材料的加工性能。复合材料的亲水性明显提高，材料的降解速率降低，酸性环境得到中和，且复合材料在降解过程中仍能保持较好的力学性能。复合材料接种细胞悬液后，细胞迅速均匀地扩散到支架空隙内，这表明复合材料具有较好的亲水性和细胞亲和性，且对细胞增殖无抑制作用、组织相容性良好、炎症反应低、降解速度缓慢且能保持一定的形状和强度[20]。

吕洪磊等[21]则通过原位生成法和溶液共混法制备了羟基磷灰石、壳聚糖和聚乳酸三元纳米复合支架材料，其具有丰富的孔隙率、良好的生物相容性和力学性能，可以通过调节三者的用量实现材料降解速率的调控。其中，羟基磷灰石起到骨传导、骨诱导、与骨组织骨性结合的作用，聚乳酸起到高韧性、可加工性的作用，壳聚糖起到促进细胞黏附、增殖和细胞矿化成骨的作用。

4 小结与展望

聚乳酸基复合材料克服了聚乳酸的缺点，将不同材料的优良性能结合在一起，在生物医用材料领域有重大意义。目前，聚乳酸基复合材料在生物医用材料的领域的开发和研究尚处于起步阶段，用于临床的复合材料逐年增多。此类材料可根据材料植入部位的特殊要求对材料的力学强度、降解速率进行调控设计，在骨修复领域有着良好的应用前景。确定不同力学性能、降解速率下聚乳酸基复合材料各部分的组成，以适用于不同类型的骨骼修复，进一步完善制备工艺生产出性能稳定的复合材料是未来发展的目标和方向。