可吸收高分子材料在骨科中的应用

付佳男

（天津市蓟州区人民医院骨一科，天津 301900）

可吸收高分子材料是指在一定条件及时间内，可被生物环境降解并吸收的材料，现已被广泛应用于医疗领域中[1]。近年来，随着骨科对可吸收生物材料的应用与研究，越来越多的报道证实，可吸收材料在骨折内固定、骨组织工程支架以及药物缓释载体等装置的应用中可发挥重要的作用，有效避免了取出操作造成的二次手术，同时可利用该材料的降解速率完成药物的缓释治疗方案，且安全无毒，对患者临床疗效及预后质量的改善均具有积极的应用价值[2-4]。现阶段，骨科常用的可吸收高分子材料主要包括天然高分子材料与人工高分子材料，天然材料包括胶原蛋白、壳聚糖等，而人工材料则主要集中在脂肪族聚酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚酰胺、聚氨酯、聚磷腈以及聚氨基酸等方面，此类材料的出现是医学与生物学领域的一大进展，随着材料科学技术的不断发展与更新，可吸收高分子材料在骨科领域的应用前景也将更为广阔[5]。本文主要对当前可吸收高分子材料的生物特性及骨科应用进展做一综述，以供临床参考。

1 天然高分子材料

1.1 壳聚糖 壳聚糖是甲壳素脱乙酰化反应的主要产物，可兼具动物胶原与植物纤维两种生物功能，具有较高的生物相容性及降解性，且免疫反应少、抗菌性能佳，是临床常用的天然高分子聚合材料[6]。此外，壳聚糖与骨基质的主要成分糖胺聚糖结构相似，且具有一定的骨诱导性，可促进成骨细胞与间充质干细胞的大量增殖，同时刺激新生血管、增强细胞黏附，进而诱导骨组织功能性重建[7]。刘超等[8]对该材料在骨组织修复中的应用可行性进行了探究，其结果显示，壳聚糖材料在兔骨质疏松性腰椎骨缺损的修复治疗中，具有良好的生物相容性与安全性，可促进受损组织的骨形成与骨吸收，其修复效果佳，对腰椎生物力学功能的改善具有积极的应用价值。由此可见，壳聚糖材料在骨组织缺损的修复中具有较高的可行性及有效性。

1.2 胶原蛋白 胶原蛋白是动物结缔组织的主要成分，其中Ⅰ型胶原蛋白的分布最为广泛。作为骨基质的主要成分，Ⅰ型胶原蛋白可诱导骨髓间质干细胞（bone mesenchymal stem cells，BMSC）分化为成骨细胞，进而促进骨组织的修复，是临床常用的骨修复材料，现已被广泛应用于引导性骨组织再生、引导性牙周组织再生等骨组织工程修复中[9]。郭道瑞等[10]对接受Ⅰ型胶原蛋白材料治疗的12 例剥脱性骨软骨炎患者进行了研究调查，其结果发现，所有患者的移植软骨均恢复良好，且均未出现移植物脱落及水肿现象，提示胶原蛋白材料安全可行。

2 人工高分子材料

2.1 脂肪族聚酯 脂肪族聚酯是当前较为常用的骨科可吸收高分子材料，其相关研究多，且种类丰富，临床应用实践相对成熟。

2.1.1 聚乙醇酸 聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）又名聚乙交酯，是结构最为简单的脂肪族聚酯材料，其生物相容性高，且降解性好，可水解为甘氨酸，最终转化为二氧化碳与水经尿液排出[11]。此外，PGA 材料的成纤性较好，且生物活性及力学性能优良，现多用于伤口缝合线、骨组织工程支架以及可吸收螺钉等方面[12]。但据相关研究指出[13]，PGA 材料存在一定的排异反应与继发感染情况，且该材料在1～2 个月内的力学性能会逐渐降低，易导致固定失效等问题，不建议使用在承重骨的固定治疗中。

2.1.2 聚乳酸 聚乳酸（polylactic acid，PLA）又名聚丙交酯，相较于PGA，该材料亲水性及结晶度均相对更低，且降解速率大，力学性能及抗冲击强度高，应用更为广泛。根据旋光性的不同，PLA 可分为左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）与外消旋聚乳酸（PDLLA）3 种异构体[14]，前2 种为半结晶聚合物，其机械强度好、降解速度慢，是外科整形、手术缝合以及内植材料的理想选择；而PDLLA 则属于非晶态共聚物，其拉伸强度低、降解速率快，适用于药物运输载体及低强度的组织再生支架中，在骨折愈合、骨缺损修复、骨结核治疗等的方面具有良好的应用前景。此外，PLA 材质环保，无气味，且模型不易卷边，适用于3D 打印的外科建模中[15]。

2.1.3 聚己内酯 聚己内酯（polycaprolactone，PCL）是一种半结晶线性聚酯材料，其拉伸强度小（23 MPa），熔点（55 ℃～60 ℃）及玻璃化转变温度（60 ℃）低，且断裂伸长率高（700%），易溶于多种有机溶剂，具有良好的热塑性及成型加工性[16]。同时，PCL 可与多种高分子共聚，其细胞相容性、组织相容性以及弹性功能均较为理想，适用于手术缝合线与骨科夹板的制作。此外，PCL的降解过程较为缓慢，其在人体内的降解周期约为2～3 年，可用于药物控释载药系统，在骨髓炎及骨结核等疾病领域具有积极的应用价值[17]。

2.1.4 聚对二氧环己酮 聚对二氧环己酮（polydioxanone，PDO）是由对二氧环己酮开环聚合而成的高分子聚合材料，其柔韧性好、纤维强度高、降解时间长，是制备医用纤维及缝合线的理想材料[18]。而在骨科领域，PDO 材料可用于颅骨等非负重部位骨折的内固定治疗中。

2.2 聚酰胺 聚酰胺（polyamide，PA）结构特性类似于胶原，且相较于其他人工材料，PA 更接近人体骨骼，其抗凝性、稳定性以及生物相容性均较为理想。此外，PA 分子链结构中，酰胺基团与亚甲基团呈重复交替分布，由此可利用亚甲基团对酰胺的释放作用，保证该材质的韧性、耐热性、耐磨性以及耐化学腐蚀性。目前，PA 材料多用于骨内固定物及药物载体的研究中，且该材质制备的椎间融合器现已成功应用于椎体间融合治疗中（颈椎、胸椎、腰椎等）[19]，在颈椎病、胸腰椎结核以及腰椎退行性疾病领域具有广阔的发展前景。

2.3 聚乙二醇 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）是环氧乙烷水解产物的聚合物，由羟基末端与聚醚主链构成，且耐热性佳，柔顺性高，是制备高溶胀性水凝胶的理想材料。在骨科领域的应用主要包括以下方面：①创面修复：PEG 材料的生物相容性好，对蛋白质吸附及酶促反应均具有一定的抵抗作用，同时可负载生长因子，多用于创面缺损部位的填充治疗。目前，PEG-硫酸改性HA 原位凝胶、星形PEG-肝素水凝胶等均是临床较为常见的PEG 水凝胶复合物，可控释生长因子、清除炎性趋化因子，同时具有一定的抗凝血活性，适用于各种骨科皮肤创面的修复治疗；②改善组织工程支架性能：PEG 可改善其他聚合物的理化性质，包括柔韧性、机械强度以及延伸性等，进而提高组织工程支架等装置的应用性能；③药物载体：近年来，PEG 药物载体在骨组织恶性肿瘤中的应用研究逐渐增多。据吴林波等[20]研究结果显示，PEG 化重组人粒细胞刺激因子（PEGrhG-CSF）在骨组织恶性肿瘤患者的临床应用中具有良好的安全性与耐受性，可有效抑制骨肉瘤患者化疗后的白细胞减少情况，且应用效果明显优于单纯的人粒细胞刺激因子。郗艳丽等[21]的实验研究表明，PEG 修饰制得的齐墩果酸脂质体对大鼠骨质疏松的改善具有良好的效果，且相较于原始的齐墩果酸脂质体，其粒径小、包封率高，疗效更为理想。

2.4 聚乙烯醇 聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是医疗领域常用的合成类可吸收高分子材料，其水解作用可高达89%～99%[22]。同时生物相容性及亲水性均较高，易形成水凝胶，多与其他聚合物复合使用，以此促进其物理及生物性能的改善[23]。近年来，临床关于PVA 复合支架在骨科中的应用报道逐渐增多，包括PVA 复合水凝胶管、PVA 复合支架等，多集中在骨缺损修复及骨细胞生长等组织工程领域[24]，但该材料的生产原料不可再生，大大限制了PVA的应用发展。

2.5 聚氨酯 聚氨酯（polyurethane，PU）全名为聚氨基甲酸酯，该材料质地柔软、透气性佳、生物相容性高[25]。此外，PU 可通过聚酯多元醇的人为调节，控制其生物降解性，且无细胞毒性及黏附性，是医疗领域最受欢迎的可吸收生物材料之一，目前多用于骨组织工程研究以及血管支架、皮肤支架的替代品等方面[26]。

2.6 聚磷腈 聚磷腈（polyphosphazenes）是由氮磷原子单、双键主链构成的高分子材料，其化学结构较为“易变”，可通过主链及侧链引入性能各异的有机基团，进而获得不同理化性质的高分子材料[27]。因此，通过侧基种类与取代基比例的控制，可调控该材料药物控释载体的定向识别能力；同时，利用聚磷腈侧链的亲水性与疏水性设计，可控制其药物载体的降解速率与缓释特性[28]。基于以上特点，聚磷腈在组织工程支架材料的改性、构建以及药物控释载体等方面具有良好的应用前景。但该材料在合成技术与中间体的稳定存放中存在一定难度，尚待相关研究的进一步解决。

2.7 聚氨基酸 聚氨基酸（polyaminoacid，PAA）是氨基酸分子以氨基及羧基聚合而成的高分子材料，其主链两侧基因可提供一定的药物交联剂，以此促进悬浮基团结合位点的调节，现多用于组织工程支架材料的制备中，包括骨缺损、骨结核、骨肿瘤、深静脉血栓等疾病的医疗应用[29]。此外，PAA 主链在裂解过程中可释放大量的天然氨基酸组分，其降解产物均无毒性，在药物控释等领域具有一定的应用价值[30]。目前，PAA 作为药物控释材料的实验研究已相对成熟，但真正用于临床的报道仍然较为缺乏，单纯的实验室参数尚无法充分验证其在临床中的医用价值。

3 总结

可吸收高分子材料在人体内可逐渐降解进而被吸收，现已被广泛应用于骨科领域中，包括伤口缝合线、内固定材料、椎间融合器、人工血管以及药物缓释载体等装置的制备。近年来，随着生物学、医学、材料学的交叉融合发展，可吸收高分子材料在医疗领域中的应用研究也获得了迅速发展，包括天然高分子材料与人工高分子材料。其中，脂肪族聚酯是最早被美国食品和药物管理局（FDA）批准用于临床的人工高分子材料，其研究广泛，且应用相对成熟。同时，聚乙二醇、聚乙烯醇、聚酰胺、聚氨酯、聚磷腈以及聚氨基酸等也是当前颇受关注的人工高分子材料，其材质特性存在一定差异，在骨科领域中具有积极的应用价值，发展前景值得期待。