聚乳酸/石墨烯基抗菌复合材料在骨修复领域的研究进展*

刘菲菲，王香云，邱淑银，石海峰，周佳盼，郭 哲

(昌吉学院化学与化工学院，新疆 昌吉 831100)

引言

由于交通、意外等引起的骨缺损已经成为了威胁人类的健康的问题之一。骨是一种活跃的组织，具有一定的自我修复能力。但当受到大面积损伤时，无法进行自我修复。自体骨和异体骨移植最为常见的治疗方法，但存在供体少、免疫排斥反应等问题。尤其是对于高龄人口，骨组织相比于年轻人来说，要脆弱许多，在活动中跟更容易造成骨组织损伤。随着科技和人类生物医学的发展，骨移植材料的不断更新，人对身体健康的重视，使得骨移植材料的选择成为了关注点。

目前最常用的的骨移植材料是有自体骨和异体骨，自体骨是指将人体的某一处的骨组织移到另一处，因此有着本身骨细胞，生长因子以及本身的骨膜，能够更好的使细胞增殖和分化，有着很好的生物相容性，因此被称作治疗骨缺损的黄金标准[1]，但是自体骨也有着很多不足，它在使用中有着也多的并发症，例如提供自体骨的区域痛疼痛，切口处的感染，并且其骨量紧缺的不足[2-3]；异体骨结构与自体骨相似，由于其来源充足，有着良好的性能，使其成为了骨修复材料的备用之一，然而其存在易发生免疫排斥反应，甚至导致疾病传播等问题。为了解决这些移植物的局限性，在过去的几十年里，研究者们将研究重点转向了组成、结构和功能与天然骨相似的仿生人工骨材料。为了提高人工骨材料的广泛应用，理想人工骨应具备良好的生物相容性、力学性能，植入人体后可以促进细胞增殖、新骨生长及优异的抗菌性等特性。

1 人工骨

1.1 人工骨材料需满足的特性

人工骨材料作为骨骼缺损的修复材料必须具有如下生物学特征：生物学相容性，指将人工骨材料移植到人体后，并没有造成生物学方面的免疫排斥；良好的可降解性，人工骨材料可以在人体中降解，不需要二次取出，并不会对病人新骨生成有负面影响，同时也可以通过体内自行吸收和排除体外产物；具有合适的孔隙率与表面特征，这可以使仿生人工骨材料与骨的成份、构造与特点更契合，同时生物学骨骼结构上一定的孔径和孔隙率也更加便于物质转移；骨传导和骨诱导特点，这样可以利于相邻骨生长和引导相邻组织骨髓干细胞分解为成骨细胞等[4-5]；抗菌性，良好的抗菌性是植入成功的关键，因为细菌感染可能会导致身体出现炎症甚至有更大的影响等；所以，具有生物相容性、降解性能、力学性能、抗菌性能等性能的人工骨材料是目前骨修复材料的研发热点，将进一步在临床应用发挥其更大的作用。

1.2 人工骨材料的分类

人工骨材料可以分为以下四种，包括金属材料、无机非金属基材料、无机高分子材料和复合材料[6]。最早研究的人工骨修复材料是金属，它能够满足人体重要负重部位的骨缺损填充以及力学支撑，具有优异的力学特点，抗腐蚀、耐磨损性能好、易加工等特性，其材料主要是做为人工关节以及植入体固件等[7-8]。但同时也存在着一些弊端，由于其材料大多以金属为主，所以会导致身体的炎症反应。由于不具有生物降解性能，必须进行二次手术，从而可能加重患者心理负担和经济负担。相对于金属，无机非金属材料具有优异的生物相容性、骨整合能力和良好的骨传导性能。由于其具有高生物相容性，所以不会出现免疫排斥反应，同时还可以促使骨缺损处组织重生。不同的材质组分有不同的的结构特点。例如：生物玻璃植入人体后与体液发生一系列离子反应，与骨组织形成更为牢固的化学键合；生物陶瓷，其物质成分与天然的人骨骼的无机成分相同，具有良好的骨传导能力。但是无机非金属材料不易直接加工为所需样品。然而，高分子材料的出现，在很大程度的克服了上述问题，因为高分子材料来源广泛，并且很容易按照临床需要调整理化特性和生物力学特性，同时还具有良好降解性能和机械性能、以及生物相容性，而且加工更方便，甚至可以达到人工骨的效果需要[9-10]。高分子材料包括聚乳酸(PLLA)、聚乙烯、聚丙烯等，其中，以PLLA为基底材料应用较为广泛。因为PLLA有着高分子基复合材料的很多优点：易于加工、较好生物相容性、较高的力学强度和不错的耐磨损性质。然而，高分子材料也有许多的缺点，它的亲水性差、降解速率不可控，亲水性差会影响细胞的增殖，从而影响新骨的生长，降解速率不可控会使得新骨的增长速率与降解速率之间不平衡，并且降解后的酸性降解产物极大可能会引起无菌性炎症反应[11]。复合骨材料，是指无机与有机材料按照不同配比复合，使其兼具各组成材料的特点，同时也有机会形成新的各组成不具备的特点，同时利用不同种材料的复合，使新材料具有优异的可降解性、超高机械强度、生物相容性、易于加工处理等优势[12]。对比于其他材料而言，PLLA高分子基复合材料由于具有综合优异的性能成为了近年来骨组织材料领域重要的研究对象。

聚乳酸，也称为聚丙交酯，它主要是采用乳酸为主体原材料采用聚合的方法加工获得的聚酯类高分子，也是一种新型的生物降解材料。其具备生物降解性能和生物相容，并且其制备工艺简单，原料也便于得到，其原料为淀粉，所以其成本较低，并且其单体为乳酸，容易分解，分解产物H2O和CO2，对自然环境和人类没有污染，是公认的环境友好型材料，因为它良好的性能，可用于人体骨修复，人工支架，骨钉，以及免拆出的手术缝合线[13]。但是PLLA也有许多的不足，由于其机械性能差，功能单一以及抗菌性不足等原因，使得其在临床医学骨修复中受到了很大的限制。因为在进行临床治疗的骨修复植入物，其最主要的隐患就是手术区骨骼形成的感染，因为骨骼形成的感染可能会使得手术失败的危险性增加，甚至有可能导致病人截肢的危险性，而骨形成感染也往往是由细菌侵染所导致的，因此，骨骼形成修复的临床应用学者们也开始致力于研发添加抗菌制剂以此来增强PLLA的抗菌活性，使得它在临床研究上有着越来越广阔的使用前景。

2 抗菌

任何外科手术干预，尤其是骨生物材料的植入，都有生物材料相关感染或假体周围关节感染的风险，给人们健康带来伤害。抗菌剂具有抑菌和杀菌的作用，能有有效的防止有害微生物的产生，由此可见，制备具有抗菌性能的抗菌材料在临床骨修复领域十分重要。随着近几年全球疫情的影响，人们对于抗菌方面有了新层次的认识，如何同时满足抗菌药物的长效性、稳定性、持久性、化学稳定性以及成本较低、工艺与制备路线简便，是今后抗菌新药的重点研发方向。抗菌剂按照抗菌方式可以分为化学抗菌和物理抗菌。

2.1 化学抗菌

化学抗菌性主要通过抗生素来防止感染，但各种抗生素都已被证明可用作在人类骨骼手术中，面向骨感染缺损的缓释用药。例如四环素类药物就有对抗微生物、抗胶原酶以及形成细胞纤维的功能，而Martin[14]等人研究得到，添加胶原、米诺怀素和柠檬盐羟基磷灰石纳米颗粒的3D打印PLLA人工骨架对金黄色葡萄球菌有抗菌作用。Semyari[15]等研究通过化学共沉淀技术，生产含有10%强力霉素的羟基磷灰石纳米颗粒，并将之加入在胶原溶液中，最后采用冷冻浇铸工艺生产成余孔的人造骨骼支架。通过将骨架做体外实验，也证明了，这种支架对金黄黄葡萄球菌和铜绿假单胞菌都有作用。万古霉素同时也是防治耐甲氧西林葡萄球菌(MRSA)的首选药，Zhou[16]等用将含有万古霉素的多孔二氧化硅纳米粒子组装在明胶多孔支架，并发现能控制金黄色葡萄球菌生长发育。并且，复合支架对骨细胞的生长与分化也很显然有益，表明了其具备优异的生物相容性能力。还有喹诺酮类药物也是防治骨质感染的的有效抗生素，且对敏感性较低，常被用作抗菌骨架中[17]，Sreeja[18]等利用表面磷化的苯二甲酸乙二醇酯(P-PET)纤维制备基质所制备出的一个全新骨组织工程支架，在这个支架上涂覆环丙沙星，他们的试验结果表明了这个复合支架还是具备了对骨诱导和抗菌的能力。并且，实验结果表明该支架对金黄黄葡萄球虫和肠道菌株有着良好的生物抗菌功能。

2.2 物理抗菌

抗生素的加入可以很好地提高抗菌抗感染性，可以使得骨缺损部位的感染率降低并加快组织修复，但是抗生素的使用存在一些固有缺点。首先，抗生素会对肝脏和肾脏等器官产生毒性，这种现象称为全身毒性。第二，在感染发生后才使用抗生素，在治疗开始时，可能已经形成了生物膜，这意味着需要更高剂量的抗生素才能消除感染。第三，也是最重要的是，细菌能够突变并产生对抗生素的抗性。这意味着抗生素变得无效，这需要不断开发新的抗生素。新抗生素的引入是昂贵且缓慢的过程，而且，这只是暂时的解决方案，直到细菌对新化合物产生耐药性为止[19-21]。为了解决这个问题，我们将焦点也就转向了物理抗菌方面，物理抗菌不同与化学抗菌，它是利用以共价键和小纤维分子相互接枝的方法，依靠其所形成的微电场力灭抑了病菌，伴随着物理抗霉科技的诞生，更有效的帮到了人体对抗有害细菌的入侵。

2.2.1 石墨烯

在过去的几十年中，在各种碳纳米粒子中，石墨烯因其独特的性质而成为研究最广泛的纳米材料之一。石墨烯是二维(2D)纳米粒子，其包含填充在具有sp2杂化的蜂窝晶格中的单层碳原子。石墨烯及衍生的纳米粒子具有优异的机械、电、热和化学特性，引起了人们对开发石墨烯基生物材料的浓厚兴趣，其中包括药物和基因传递、成像和组织工程等方面的应用[22]。由于它拥有着很好的生物相容性，不会对组织细胞有生物应激反应。其次，可以对其进行改性，使其的亲水性和抗菌性得到提高，以满足我们的需求，并且在此过程中不会添加其他表面活性剂，进而导致保证其不会对人体有其他的危害，使其成为多种复合材料的重要组成部分，成了材料科学领域的研究热门。

通过研究发现，由于石墨烯及其衍生物既具有天然的抗菌活性，又具有自身的抗菌机理[23-24]。从抗菌机理上分析，石墨烯可以通过用物理和化学的二个方法消毒、抗菌。石墨烯抗菌机理有三个机制[25]：石墨烯的纳米片会对细菌的膜造成物理损伤；氧化应激：石墨烯产生的活性氧(ROS)对细菌的脂质和蛋白质有害，在脂质和蛋白质失活后，细菌不能再增殖；电子转移：可以通过将电子从微生物膜转移到石墨烯表面而产生抗菌活性，而不是来自ROS介导的损伤。由于石墨烯具有的比表面积很大，所以经常被作为抗菌复合物载体，并和金属氧化物等抗菌材料结合，从而避免了物料团聚问题的出现，达到了协同抗菌效果。

2.2.2 石墨烯衍生物

石墨烯包括很多的衍生物，GO是由Graphene为原材料，通过Hummers技术[26]提取GO，在进一步使用超声波剥离获得GO，GO与Graphene相比，有含氧基团，可以作为活性反应的位点，石墨烯非常的稳定，而GO的化学性质较为的活泼，因此我们用其制取有特殊性能的功能性石墨烯。还原氧化石墨烯(rGO)是由GO派生而来，但是由于二者之间的化学构造存在着明显的不同，GO的充氧官能团浓度要高于rGO，所以，GO的结晶质量也要比rGO的质量要差一些。另外，二者也由于其化学构造差异的原因使得它们具有着不同的理化特性。比如，rGO的光吸收率高，电导率要比GO的好[27]。氟化石墨烯(fluorinated graphene，FG)FG是通过用GO进行氟化反应而得到，这是一种全新的石墨烯衍生物，不仅在保持了石墨烯它原本的优点，并且在随着氟分的加入，有了石墨烯原本没有的优点，比如：更为良好的疏水性，以及表面能降低等[28]。

3 聚乳酸/石墨烯基复合材料的制备和应用

随着石墨烯基复合材料(Graphene composites)进入到人们视野中，研究者开始试着通过将石墨烯与其他材料进行结合，进而得到各种不同性能的复合材料。随着不断研究发现，由于石墨烯独特的性能，通过不同的方法，将聚乳酸和石墨烯及其衍生物复合材料的性能也有着显著且不同的提升，不仅满足了在不同的应用中的需求，且得到的新的复合材料将其在医学骨修复方面的应用范围扩大，使其摆脱了在骨修复手术中骨材料的供给问题以及术后感染问题，极大程度避免了二次手术的风险和不利影响等。

Hu[29]等发现在含有大肠杆菌的培养基中加入GO或者RGO，培养皿中的大肠杆菌的新陈代谢能力会下降。Liu[30]等揭示了GO的衍生物会贴附于细菌的表面，进而破坏其细胞膜。Tu[31]等深入研究发现Graphene或GO能够插入大肠杆菌细胞膜的磷脂双层，进一步抽取大肠杆菌的细胞器以及细胞质进而导致细菌死亡。Akhavan O[32]等人的研究也表明表明GO具有抗菌性。因此，用GO做抗菌剂来制成抗菌PLLA/GO复合材料是可行的。

林雪梅[33]通过运用溶液混合法将GO和PLLA结合，发现合成的复合材料生物相容性良好，并且能够极大的促进细胞的成骨分化，也对细胞的增殖与迁移起到了促进作用。

Arriagada P[34]等人研究表明，与原始聚乳酸相比，PLLA//GO复合材料和PLLA/热还原氧化石墨烯(TrGO)复合材料表面更亲水。与PLLA相比，在氧化石墨烯质量分数为5%时，氧化石墨烯抑制了细菌的增殖，提高了40%的细胞粘附，无细胞毒性作用。此外，通过电刺激，PLLA/TrGO复合材料的抗菌行为显著增强。PLLA//TrGO复合材料的细胞粘附性与PLLA无显著性差异。因此，本研究显示了PLLA/石墨烯衍生物复合材料在生物医学应用中的良好效果。

Pal N[35]等人在PLLA中通过溶剂浇筑法结合了了纤维素纳米晶(CNCS)和还原石墨烯氧化物(RGO)，研究发现，制备得到的PLLA / CNC / rGO纳米复合膜对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性大肠杆菌具有独特的抗菌功效。此外，体外细胞毒性试验显示，在纳米复合膜处理成纤维细胞株(NIH-3T3)时，细胞毒性可以忽略不计。

HuangY[36]等人将负载ZnO纳米颗粒的氧化石墨烯(GO-ZnO)通过溶液共混法与PLA混合，紫外-可见光谱和抗菌测试结果表明，制备的PLLA / GO-ZnO纳米复合膜在极低的负载下具有较强的抗紫外线能力和抗菌能力。

Gu X[37]等人通过静电纺丝成功制备了不同GO含量的聚乳酸(PLLA)/聚(碳酸丁二酯)(PBC)/氧化石墨烯(GO)纳米纤维膜。结果表明，PLLA/PBC/GO复合纳米纤维薄膜的抗菌活性远高于纯PLLA/PBC纳米纤维薄膜。同时，对金黄色葡萄球菌的抗菌活性也略高于大肠杆菌。

Athanasoulia I[38]等人通过熔融挤出制备GO / PLLA纳米复合材料，避免了对生物医学应用的有机溶剂潜在残留的毒性。掺入0.8 wt%的GO的PLLA复合材料具有良好的热机械性能并有效地抑制了大肠杆菌细菌附着和增殖。在模拟的阳光照射下，此效果比在黑暗中更显着。

An X[39]等人通过静电纺丝工艺制备PLLA / PU / GO复合纤维，制备的材料具有良好的生物相容性，GO的添加不会破坏正常细胞的增殖和分化。具有良好的抗菌活性和生物相容性的PLLA / PU / GO复合材料使其对环境和临床应用具有吸引力，也为组织工程的未来应用提供了候选。

4 结论

近几十年以来，人工骨材料PLLA因为具有良好的可生物降解性且降解产物无毒，避免二次取出麻烦等优点成为了科研人员在骨缺损修复材料领域的研究热点。然而，PLLA由于抗菌性和亲水性差等限制了其临床应用。石墨烯及其衍生物优异的生物相容性、亲水性能和抗菌性，引起了人们对开发石墨烯基生物材料的浓厚兴趣。因此，研究者们致力于将PLLA和石墨烯基材料结合起来进而改善PLLA抗菌性不足等问题，使其在骨缺损修复方面的实用范围更广泛，为PLLA/石墨烯基抗菌复合材料在临床上的应用奠定一定的基础。