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骨科學(xué)的發(fā)展與材料學(xué)的發(fā)展息息相關(guān),從各種類型的金屬釘、板的研制,到可吸收材料的研發(fā),近年來(lái)骨科內(nèi)植物相關(guān)研究獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。可吸收材料在人體內(nèi)能自行降解,不需二次手術(shù)取出,減輕了病人痛苦。本文就人工合成可吸收高分子材料在骨科的應(yīng)用研究進(jìn)展綜述如下。
[關(guān)鍵詞] 高分子材料;可吸收;骨科;研究進(jìn)展
1 脂肪族聚酯
在骨科可吸收高分子材料的研究中,脂肪族聚酯 的相關(guān)研究較多、應(yīng)用較早而廣泛,包括聚乙交酯、聚 丙交酯、聚己內(nèi)酯、聚對(duì)二氧環(huán)己酮等。
1.1 聚乙交酯(PolyglycolicAcid,PGA)
1.1.1 材料特點(diǎn)
PGA 也稱 為 聚 乙 醇 酸,是 一 種 最 簡(jiǎn)單的脂肪聚酯,在人體中 PGA 水解為甘氨酸,最終 形成二氧 化 碳 和 水,經(jīng) 尿 液 排 出 體 外。通 常 PGA 在 1~2個(gè)月內(nèi)力學(xué)性能降低,在6~12個(gè)月內(nèi)質(zhì)量丟失。 PGA 已經(jīng)成功應(yīng)用于 臨 床,但 存 在 排 異 反 應(yīng)、繼 發(fā) 感 染以及強(qiáng)度低、固定易失效等問(wèn)題。
1.1.2 骨科應(yīng)用
1)手術(shù)刀口(傷口)縫合線:由于其 成纖性優(yōu)良,PGA 最早用于制作可吸收縫合線。
2)骨組織工程實(shí)驗(yàn)研究:基于優(yōu)良的力學(xué)性能、生 物活性、可降解性,PGA 廣泛應(yīng)用于組織工程支架研 究,作為藥物載體,用于治療骨結(jié)核、骨質(zhì)疏松等慢性 疾病,以及修復(fù)骨及軟骨缺損[1-6]。 3)骨折內(nèi)固定器的實(shí)驗(yàn)及臨床研究:很久以來(lái),大 量的文 獻(xiàn) 報(bào) 道,用 PGA 制 作 的 可 吸 收 螺 紋 釘、棒、板 等內(nèi)固定系統(tǒng),成功用于非(低)承重骨骨折治療。
1.2 聚丙交酯(PolylacticAcid,PLA)
1.2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
聚丙交酯也稱為聚乳酸。與 PGA相比,PLA有一個(gè)甲基,親水性、結(jié)晶度較低,降解 速率更大。PLA 有兩種異構(gòu)體、四種不同形態(tài)的聚合物,即 PLLA;PDLA;D,L-PLA;meso-PLA。PLA 具 有 良好的生 物 相 容 性、可 降 解 性、力 學(xué) 性 能 和 抗 沖 擊 強(qiáng) 度[7-9]。
1.2.2 骨科應(yīng)用
1)手術(shù)刀口(傷口)縫合線:PLLA 和 PDLA 是半結(jié) 晶 狀 高 分 子,機(jī) 械 強(qiáng) 度 好,很 早 即 成 功用于制作縫合線。 2)骨組織工 程 實(shí) 驗(yàn) 研 究:近 三 年 來(lái),PLA 作 為 一 種公認(rèn)的良好載體,在骨折愈合和骨缺損修復(fù)[10-14]、坐 骨神經(jīng)損傷[3,15-16]、骨 結(jié) 核[1,17-18]、骨 腫 瘤[19]等 的 研 究 方面,均獲得長(zhǎng)足發(fā)展。
3)骨折內(nèi)固定:聚左旋丙交酯具有較高的拉伸彈性 模量、拉伸強(qiáng)度,適用于醫(yī)用承重材料,是研制骨折內(nèi)固 定器的首選可吸收材料[20-26],例如,芬蘭 Bioretec公司 生產(chǎn)的可生物降解釘、棒,日本 Gunze公 司 生 產(chǎn) 的“剛 子”可生物降解夾板及螺釘,成都迪康公司及長(zhǎng)春圣博 瑪公司生產(chǎn)的可生物降解骨折內(nèi)固定釘、板系統(tǒng)。 4)3D打印材料[27-29]:PLA 是一種環(huán)保材料,在印 刷過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氣味,模型不易卷邊,適合于臺(tái)式熔 融沉積打印的外科建模應(yīng)用。
1.3 聚己內(nèi)酯(Polycaprolactone,PCL)
1.3.1 材料 特 點(diǎn)
PCL 是一種半結(jié)晶線性聚酯,由 相對(duì)便宜的單體ε-己內(nèi)酯(ε-CL)直接通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合得 到。PCL 的 可 加 工 性 好,易 溶 于 很 多 有 機(jī) 溶 劑,具 有 較低的 Tm(55~60℃)和 Tg(60℃)。PCL的拉伸強(qiáng) 度很低(23 MPa),斷裂伸長(zhǎng)率 很 高(700%)。PCL 在 人體內(nèi)的降解周期約為2~3年。
1.3.2 骨科 應(yīng) 用
PCL 降 解 過(guò) 程 緩 慢,作 為 藥 物 控 釋載藥系統(tǒng),已經(jīng)獲得美國(guó) FDA 的批準(zhǔn)。近三年來(lái), PCL在骨組織工程研究方面的報(bào)道較多,如皮膚創(chuàng)面 修復(fù)、神 經(jīng) 纖 維 修 復(fù)、血 管 修 復(fù) 或 再 造 等。PCL 常 被 用來(lái)與羥 基 磷 灰 石[30-31]、磷 酸 鈣[32-33]、殼 聚 糖[30,33-34]、 聚乳酸[10]、聚乙二醇[35]等構(gòu)成復(fù)合骨組織支架,從而 改善 PCL支架的表面親水性,提升骨支架的生物相容 性、細(xì)胞增殖活性。
1.4 聚對(duì)二氧環(huán)己酮(Polydioxanone,PDO)
1.4.1 材 料 特 點(diǎn)
PDO 又 稱 聚 對(duì) 二 氧 六 環(huán) 酮 (PDS),是由對(duì)二氧環(huán)己酮開(kāi)環(huán)聚合成的高分子聚合 物,其大分子鏈上含有醚鍵,有非常好的柔韌性;其纖 維強(qiáng)度較高,在體內(nèi)的降解時(shí)間較長(zhǎng),適宜制成各種規(guī) 格的單絲縫合線和高質(zhì)量的醫(yī)用纖維。
1.4.2 骨科應(yīng)用
PDO在骨科的應(yīng)用較早,作為骨折 內(nèi)固定物,PDO 產(chǎn)品的強(qiáng)度能支持非負(fù)重部位骨折的 內(nèi)固定(如顱骨)。1970年70年代,美國(guó)的PDO縫合線 即已成功應(yīng)用于臨床。PDO縫合線的一個(gè)重要特點(diǎn)是 表面摩擦力小,易于穿過(guò)組織。但其缺點(diǎn)是形狀記憶特 性,總是保持卷曲的形狀,因而打結(jié)困難且易開(kāi)結(jié)。近3 年來(lái),研究熱點(diǎn)主要集中在整形美容領(lǐng)域[36-37]。
2 聚酰胺(Polyamide,PA)
聚酰胺具有良好的韌性、耐熱性、耐磨性、加工成 型性,近年來(lái)在骨內(nèi)固定物及藥物載體等方面的應(yīng)用 研究較多。
2.1 材料特點(diǎn)
PA 結(jié)構(gòu)類似膠原,接近于人體骨骼,具有良好的 抗凝性、穩(wěn)定性和生物相容性。在 PA 的分子鏈上,酰 胺基團(tuán)相隔一定的長(zhǎng)度亞甲基團(tuán)重復(fù)分布,亞甲基團(tuán) 相當(dāng)于酰胺基的釋放劑。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了 PA 的 許多優(yōu)良特 性:韌 性、耐 熱 性、耐 磨 性、耐 化 學(xué) 腐 蝕 性 好,拉伸強(qiáng)度高,冷拉伸時(shí)易取向,加工成型性能好。
2.2 骨科應(yīng)用
2.2.1 骨組織工程實(shí)驗(yàn)研究
1)骨內(nèi)固定物[38-39]; 2)藥物載體[40]。 2.2.2 臨床應(yīng)用 目前,可吸收聚酰胺椎間融合器已 成功應(yīng)用于頸椎[41-43]、胸椎、腰椎椎體間融合[44-49],治 療頸 椎 病[41-43]、胸 腰 椎 結(jié) 核[44-45]和 化 膿 性 骨 髓 炎[46]、 腰椎退行性疾病[48-49]。
3 聚氨酯(Polyurethane,PU)
聚氨酯的生物降解可人為調(diào)控,目前在骨科的應(yīng) 用主要集中 在 骨 組 織 工 程 研 究 領(lǐng) 域,用 于 促 進(jìn) 骨、血 管、皮膚等組織再生以及感染創(chuàng)面修復(fù)。
3.1 材料特點(diǎn)
PU 是主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的大分子化 合物。優(yōu)點(diǎn)有:質(zhì)地柔軟,透氣性、生物相容性好,具有 可滅菌、無(wú)黏附性、無(wú)過(guò)敏性、無(wú)細(xì)胞毒性等特點(diǎn)。通過(guò) 調(diào)節(jié)聚酯多元醇的組成,聚氨酯生物降解性可在很大范 圍人為調(diào)控,是最受歡迎的醫(yī)用生物材料之一[50]。
3.2 骨科應(yīng)用
目前PU 在骨科的應(yīng)用主要集中在骨組織工程研 究領(lǐng)域,負(fù)載羥基磷灰石[51]、成骨細(xì)胞[52]、骨髓間充質(zhì) 干細(xì)胞[53]、抗菌素[54]等,以及血管支架、皮膚支架替代 品[55-57]。電紡PU 纖維直徑達(dá)到納米級(jí)后,比表面積很高,藥物承載能力隨之顯 著提高,是 良 好 的 傷 口 敷 料[57]。
4 聚乙烯醇(PolyvinylAlcohol,PVA)
聚乙烯醇具有良好的生物降解性,但其生產(chǎn)原料 不可再生,因而發(fā)展受到限制。近年來(lái)的研究報(bào)道主 要集中在組織工程領(lǐng)域,用于骨缺損修復(fù)及骨細(xì)胞 生長(zhǎng)。
4.1 材料特點(diǎn)
PVA 是常用的合成可吸收高分子材料,具有良好 的生物相 容 性 和 親 水 性,無(wú) 細(xì) 胞 毒 性[58]。PVA 水 解 作用可高達(dá)89%~99%,易形成水凝膠[59],常與其它 聚合物復(fù)合以改善物理和生物性能。PVA-天然 聚 合 物混合水凝膠可提高 PVA 水凝膠的吸水性和半滲透 性,尤其是與殼聚糖及其衍生物、葡聚糖等混合后,還 能顯著提高其生物活性[60]。PVA 的生產(chǎn)原料不可再 生,因而其發(fā)展受到限制。
4.2 骨科應(yīng)用
近幾年關(guān)于 PVA 復(fù)合支架的報(bào)道較多,如:凹凸 棒石/Ⅰ型 膠 原/聚乙烯醇復(fù)合支架材料[61]、鹿 角 粉/ 聚乙 烯 醇 支 架[62]、同 軸 電 紡 P3HB4HB/聚 乙 烯 醇 復(fù) 合支架[63]、細(xì)菌納米纖維素/復(fù)合管[64]羥基磷灰石/絲 素蛋白-聚乙烯醇復(fù)合材料[65],等等。
5 聚乙二醇(PolyethyleneGlycol,PEG)
聚乙二醇常用于改善其他聚合物的理化性質(zhì),如 改善組織工程支架的性能,作為藥物載體,用于修復(fù)創(chuàng) 面、治療骨質(zhì)疏松、惡性腫瘤等。
5.1 材料特點(diǎn)
PEG由羥基末端和聚醚主鏈組成,其分子鏈的耐 熱性、柔順性好,可制備高溶脹性水凝膠,常用于改善其 他聚合物的理化性質(zhì),如機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性和延伸性等。
5.2 骨科應(yīng)用
5.2.1 改善組織工 程
支 架 性 能 例 如,聚 己 內(nèi) 酯-聚 乙二醇-聚己內(nèi)酯靜電紡絲支架具有良好的理化性能、 生物 學(xué) 性 能 與 成 骨 性 能[39]、包 裹 羅 哌 卡 因 的 聚 乙 二 醇/聚乳酸微球具有良好的動(dòng)物體內(nèi)緩釋性能與組織 相容性[17]。
5.2.2 修復(fù)皮膚創(chuàng)面
PEG 的生物相容性好,能 抗 蛋白質(zhì)吸附和抗酶促反應(yīng),可負(fù)載生長(zhǎng)因子,直接填充 在創(chuàng) 面 缺 損 部 位。常 見(jiàn) 的 PEG 水 凝 膠 復(fù) 合 物 包 括: PEG-硫酸改性 HA 原位凝膠,可遞送和維持脂肪肝細(xì) 胞活力達(dá)3周[66];星形聚乙二醇(starPEG)-脫硫肝素 衍生物水凝膠,可 控 釋 VEGF,有 抗 凝 血 活 性[67];star PEG-肝 素 水 凝 膠,可 控 釋 IL-4 長(zhǎng) 達(dá) 2 周[68];star PEG-GAG 肝素的衍 生 物 水 凝 膠,能 有 效 清 除 創(chuàng) 面 滲 出液中的炎癥趨化因子[69];PEG、原硅酸四甲酯、殼聚 糖、葡萄糖制成的水凝膠玻璃復(fù)合物,可 控 釋 一 氧 化氮[70]。因此,PEG 水凝膠復(fù)合物適用于各種骨科皮膚 創(chuàng)面的治療。
5.2.3 治療骨質(zhì)疏松癥
郗艷麗等[71]的實(shí)驗(yàn)研究表 明,利用 PEG 修飾制得的齊墩果酸脂質(zhì)體,粒徑小、包 封率高,對(duì)大鼠骨質(zhì)疏松的改善有一定效果,可用于骨 質(zhì)疏松癥的治療。
5.2.4 治療骨組織惡性腫瘤
近3年來(lái),PEG 藥 物 載體治療骨組織惡性腫瘤的報(bào)道較多。吳林波等[72]、 黃真 等[73]、李 惠 平 等[74]、蔡 智 慧 等[75]的 研 究 結(jié) 果 表 明,PEG 化重組人粒細(xì)胞刺激因子,在 臨 床 使 用 中 具 有良好的安全性和耐受性,對(duì)于骨肉瘤化療后白細(xì)胞 減少,有明顯的抑制作用,強(qiáng)于單純應(yīng)用人粒細(xì)胞刺激 因子。宋振國(guó)等[76]的研究結(jié)果表明,臨床應(yīng)用異環(huán)磷 酰胺、順鉑、PEG 脂質(zhì)體多柔比星方案聯(lián)合手術(shù)治療 骨肉瘤療效確切、不良反應(yīng)較輕。
6 聚磷腈(Polyphosphazenes)
聚磷腈的化學(xué)結(jié)構(gòu)“易變”,通過(guò)側(cè)基和取代基,可 以調(diào)控其藥物載體的定向識(shí)別、藥物釋放速率,改變藥 物作用時(shí)間,但是聚磷腈的合成技術(shù)和中間體的穩(wěn)定 存放有一定 的 難 度,是今后研究中需要解決的問(wèn) 題。 近年來(lái),聚磷腈在藥物控釋載體以及組織工程等方面 的研究報(bào)道較多。
6.1 材料特點(diǎn)
聚磷腈是一族由氮磷原子以交替的單鍵、雙鍵構(gòu) 成主鏈的高分子,其主鏈兩側(cè)很容易引入不同的功能 集團(tuán),通過(guò)側(cè)鏈衍生化引入性能各異的有機(jī)基團(tuán),可以 得到理化性質(zhì)變化范圍很廣的高分子材料。聚磷腈?zhèn)?鏈集團(tuán)的親、疏水性設(shè)計(jì),導(dǎo)致不同的降解速率和緩釋 特性[77]。
通過(guò)側(cè)基種類及多種取代基取代比例的控 制,可以調(diào)控聚磷腈藥物控釋載體的定向識(shí)別、藥物釋 放速率,改變藥物作用時(shí)間。然而,聚磷腈的合成技術(shù) 和中間體的穩(wěn)定存放有一定的難度,是今后研究中需 要解決的問(wèn)題。
6.2 骨科應(yīng)用
6.2.1 藥物控釋載體
由于聚磷腈獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及其 側(cè)基多樣性,聚磷腈在藥物控制釋放載體方面具有很 大的應(yīng)用前景[78],可以在骨結(jié)核、骨髓炎、骨腫瘤等骨 科慢性病、疑難雜癥的治療中發(fā)揮重要作用。
6.2.2 骨組織工程研究
任博等[79]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果 顯示,應(yīng)用不同氨基酸取代比例設(shè)計(jì)的聚磷腈微球具 有良好的生物相容性,微球表面利于細(xì)胞粘附,其搭載 生長(zhǎng)因子的緩釋功能在體外實(shí)驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證,尤 其時(shí)間調(diào)控緩釋在組織工程支架材料改性、構(gòu)建等研 究中具有良好前景。
7 聚氨基酸(PolyaminoAcid)
聚氨基酸在裂解過(guò)程中釋放出天然氨基酸組分,降解產(chǎn)物無(wú)毒性,是其優(yōu)點(diǎn)。但目前研究主要停留在 實(shí)驗(yàn)階段,真正應(yīng)用于臨床的還比較少。近年來(lái)報(bào)道 較多的是作 為 組 織 工 程 支 架,用 于 治 療 骨 缺 損、骨 結(jié) 核、骨腫瘤、深靜脈血栓等。
7.1 材料特點(diǎn) 聚氨基酸優(yōu)點(diǎn)是:1)由多種氨基酸可制備得到一 系列均聚物和共聚物,主鏈兩側(cè)基團(tuán)提供了藥物交聯(lián) 劑,用于調(diào)節(jié)其性能的懸浮基團(tuán)結(jié)合位點(diǎn)。2)聚氨基 酸主鏈裂解過(guò)程中釋放出天然氨基酸組分,降解產(chǎn)物 無(wú)毒性。聚氨基酸作為藥物控釋材料的實(shí)驗(yàn)研究目前 已經(jīng)相當(dāng)深入,但真正應(yīng)用于臨床的還比較少,要達(dá)到 工業(yè)化大批量生產(chǎn),需要一系列復(fù)雜的制造工藝,并非 依靠單純的實(shí)驗(yàn)室參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)。
7.2 骨科應(yīng)用
近三年來(lái),在骨科組織工程實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域,關(guān)于聚氨基酸的報(bào)道集中在以下幾個(gè)方面。
7.2.1 骨缺損
可注射聚氨基酸/硫酸鈣復(fù)合骨水泥 能在體內(nèi)完全降解,在修復(fù)椎體骨缺損時(shí)表現(xiàn)出較單 純硫酸鈣骨水泥有更好的成骨活性[80]。
7.2.2 骨結(jié)核
王騫等[81]的研究表明,在兔脊柱結(jié) 核模型病椎缺損處植入載三聯(lián)抗癆藥硫酸鈣/聚氨基 酸人工緩釋 材 料 后,3 種抗癆藥物均可持續(xù)、緩 慢 釋 放,局部藥物濃度及持續(xù)時(shí)間均高于全身血液中的濃 度和持續(xù)時(shí)間。
7.2.3 骨腫瘤
張靜等[82]設(shè)計(jì)并合成了一種具有腫 瘤靶向及電荷翻轉(zhuǎn)功能的聚氨基酸前體藥物,該前藥 在弱酸條件下具有電荷翻轉(zhuǎn)的能力,在木瓜蛋白酶的 作用下具有較高的藥物釋放效率。
7.2.4 抗凝
路德待等[83]制備了一種具有抗凝血活 性的磺 酸 酯 化 聚(L-酪 氨 酸-co-L-谷 氨 酸)(PTG-SO_ 3),具有良好的生物降解性、低細(xì)胞毒性、良好的抗凝 血性能和血液相容性。該聚合物有望應(yīng)用于骨科常見(jiàn) 并發(fā)癥-深靜脈血栓及致死性肺栓塞的防治。
醫(yī)藥論文投稿刊物:中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)是我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)歷史最長(zhǎng)的技術(shù)刊物,重點(diǎn)報(bào)道我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)和科技的成果和經(jīng)驗(yàn),及時(shí)介紹國(guó)際上制藥新技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向,為提高生產(chǎn)科技水平和促進(jìn)醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展服務(wù)。讀者對(duì)象為醫(yī)藥、生物技術(shù)、化工等行業(yè)的生產(chǎn)、科研、教學(xué)、臨床、經(jīng)營(yíng)管理人員。本刊在國(guó)際上入選CA、BA和AA等著名檢索系統(tǒng),在CA上的收摘率在我國(guó)醫(yī)藥期刊中位于前列。
綜上所述,近年來(lái),在骨科領(lǐng)域,可吸收高分子材 料的應(yīng)用范圍包括:刀口(傷口)縫合線、內(nèi)固定器具、 椎間融合器、人工血管、神經(jīng)導(dǎo)管、防組織粘連隔離膜、 藥物(生物活性物質(zhì))緩釋載體等等。其中,脂肪族聚 酯最早被 FDA 批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床,相關(guān)研究廣泛、應(yīng)用 最多。脂肪族聚酯具有良好的生物相容性和降解性, 其降解機(jī)制為“本體溶蝕”,降解模式的特征為內(nèi)外同 時(shí)、隨機(jī)進(jìn)行,作為藥物控釋材料,對(duì)藥物的釋放速度 不易控制。
除了上述的脂肪族聚酯以及聚酰胺、聚氨 酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚磷腈、聚氨基酸以外,還有 聚酸酐、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚磷酸酯等“表面溶蝕” 材料,其降解速度可控,無(wú)突釋效應(yīng),尤其適用于藥物 控釋載體,對(duì) 一 些 慢 性、難 治 性 傷 病,如 骨 髓 炎、骨 結(jié)核、骨腫瘤等,有值得期待的應(yīng)用前景。 隨著材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉融合發(fā)展,可吸 收醫(yī)用高分子材料的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。一方面, 相關(guān)的基礎(chǔ)研究十分活躍;另一方面,部分產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng) 用或即將應(yīng)用于臨床。未來(lái)10~20年將是可吸收醫(yī) 用高分子材料從基礎(chǔ)到轉(zhuǎn)化應(yīng)用的關(guān)鍵發(fā)展階段[84]。
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作者:聶真1 隋顯玉2 李晏樂(lè)2 聶偉志2△
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ISSN:0169-4332
刊期:進(jìn)入查看
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ISSN:0960-7412
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