不同材料制備內(nèi)植物在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用研究綜述

解笑宸 韋良臣 辛 風(fēng)

內(nèi)植物的進(jìn)步是近代骨科學(xué)發(fā)展的重要組成部分之一。用于制備內(nèi)植物的材料必須具有生物相容性，即在體內(nèi)不引起局部或全身的不良反應(yīng)。要有很好的抗侵蝕和抗化學(xué)降解性能，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承載從骨骼傳遞來的較強(qiáng)的力；在關(guān)節(jié)置換中作為負(fù)重關(guān)節(jié)面的材料必須能夠承受數(shù)千萬次的循環(huán)使用；另外必須能在相對較低的成本下制造高質(zhì)量的產(chǎn)品。本文就目前幾種常見制備內(nèi)植物的材料的研究和發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 生物可吸收內(nèi)植物

近半個世紀(jì)以來，世界各國的生物材料學(xué)家及臨床醫(yī)學(xué)家一直在進(jìn)行可吸收生物材料的研究，以期將其應(yīng)用于臨床。1966年Kulkami首次提出，由外消旋DL型乳酸或左旋L乳酸制備的聚-DL-乳酸或聚-L-乳酸可制作體內(nèi)埋植物，特別是骨折內(nèi)固定物，從此，揭開了骨折內(nèi)固定領(lǐng)域新紀(jì)元；隨著對材料的認(rèn)識逐漸提高與深入，材料研究、動物實(shí)驗(yàn)及臨床研究的成果與日劇新。生物可吸收內(nèi)植物是一種在生物環(huán)境里能降解的生物材料，其降解產(chǎn)物參與機(jī)體正常細(xì)胞生理和生化過程。這些內(nèi)植物及其產(chǎn)物具有良好的生物相容性，無免疫排斥反應(yīng)或致畸作用。這些新的生物可吸收材料最主要的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供各類骨愈合初期和中期所需的足夠穩(wěn)定性，在生物固定形成后，逐漸被機(jī)體降解吸收。因?yàn)榻到膺^程逐漸進(jìn)行，應(yīng)力負(fù)荷也是逐漸轉(zhuǎn)移至愈合骨的[1]。

到目前為止，文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了若干種可吸收的合成聚合物（可吸收或可生物降解），其中最具代表性并在臨床上實(shí)際應(yīng)用的是聚乙醇酸類材料、聚乳酸類材料及其混聚物，它們具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、良好的成型性能和骨引導(dǎo)能力，可為新骨的形成提供良好的骨支架，對人體無毒副作用，抗生素釋放與其降解相關(guān)[2]。通常人們最關(guān)心的是材料的強(qiáng)度與生物相容性，聚合物的強(qiáng)度與相對分子質(zhì)量、結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度越高或相對分子量越大，其強(qiáng)度就越高。但是臨床研究和生物安全性研究表明，結(jié)晶度的高低與材料的生物相容性、降解率、吸收率呈相反的量性關(guān)系。例如PLLA為晶體性聚合物，結(jié)晶度為37%，強(qiáng)度比非結(jié)晶聚合物（PDLLA）高，但是PLLA的晶體部分難以被人體降解和吸收；而PDLLA是一種完全非晶體結(jié)構(gòu)的聚合物，大量研究發(fā)現(xiàn)PDLLA 的生物相容性極好，可以100%被人體降解吸收。因此，PDLLA獲得了FDA的批準(zhǔn)，并被USP收載。

2 金屬合金內(nèi)植物

金屬合金由金屬和非金屬元素組成，材料具有強(qiáng)度高、韌性高、抗腐蝕性強(qiáng)和生物相容性好的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)符合全關(guān)節(jié)置換的內(nèi)植物負(fù)載的需求。有3種常用的合金：不銹鋼、鈷-鉻合金和鈦合金。這些合金并不是專門因矯形外科而發(fā)展起來的，它們最先出現(xiàn)在航空、航海和其他工業(yè)領(lǐng)域中并表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，使其應(yīng)用范圍后來拓展至內(nèi)植物領(lǐng)域。由于制造工藝簡單，可用范圍廣，使鈷-鉻合金材料廣泛地應(yīng)用于矯形外科，可作為所有關(guān)節(jié)置換假體的金屬部件。盡管這種合金在組合假體的連接處的抗腐蝕能力和抗裂紋腐蝕能力受到質(zhì)疑，但其抗裂紋腐蝕性優(yōu)于不銹鋼。長期的臨床使用證實(shí)：盡管產(chǎn)生于負(fù)重面的磨屑會造成骨溶解，金屬和蛋白質(zhì)的黏合能造成在組織中的沉積，但是鈷-鉻合金仍是生物相容性非常好的材料[3,4]。

3 陶瓷類內(nèi)植物

陶瓷材料是無機(jī)化合物，由金屬和非金屬元素通過離子或共價鍵結(jié)合在一起。陶瓷有緊密的原子結(jié)構(gòu)。陶瓷材料很硬也很脆。它們不可溶解，提純過程中表現(xiàn)出惰性的化學(xué)性質(zhì)，有很好的生物相容性、抗磨損的超高硬度及親水性表面。研究最多的羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）陶瓷，它們在組成結(jié)構(gòu)上與天然骨鹽大體一致，有極好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性與骨結(jié)合能力，無毒副作用，故廣泛應(yīng)用骨填充材料的生理支架，但它們本身無骨誘導(dǎo)作用，為克服這一缺陷，將有骨誘導(dǎo)作用的物質(zhì)，如BMP、骨髓等加入制備成復(fù)合人工骨。但羥基磷灰石則在生物強(qiáng)度及融合性方面存在缺陷。Stevenson[5]及Wang等[6]制成的復(fù)合人工骨經(jīng)動物實(shí)驗(yàn)都具有良好的生物相容性和骨誘導(dǎo)作用。20世紀(jì)90年代起納米人工骨的研究逐漸成為熱點(diǎn)，該材料通過生物礦化技術(shù)模仿天然骨的成分及結(jié)構(gòu)特征制造的，主要成分為Ⅰ型膠原蛋白和磷酸鈣，并在臨床應(yīng)用中表明具有無炎癥排斥反應(yīng)之優(yōu)點(diǎn)。Syente等[7]在1989年將羥基磷灰石（HA）應(yīng)用于臨床，發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石與自體骨融合率無顯著性差異。由于頸椎手術(shù)危險性大，一旦失敗后果嚴(yán)重，而且骨的相容性不確切，故大多數(shù)人在臨床上未使用人工骨。

4 骨水泥

20世紀(jì)70年代，Charnley將骨水泥引用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，從此聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）就應(yīng)用于固定關(guān)節(jié)置換術(shù)的內(nèi)植入物。通常骨水泥有兩種使用形式，即裝在密閉的玻璃容器中的液態(tài)單體與裝在袋中的粉末狀聚合體。液態(tài)單體是甲基丙烯酸鹽，其中添加了少量對苯二酚以抑制液態(tài)單體在保存期內(nèi)的自動聚合，當(dāng)液體與粉末混合，聚合反應(yīng)開始，添加的二甲基甲苯胺可以抵消對苯二酚的作用，加速聚合。骨水泥的聚合過程中產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。一些因素可以控制隨之發(fā)生的溫度升高，包括骨水泥的量及其鄰近的內(nèi)植入物和生物結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)率。溫度升高所產(chǎn)生的組織壞死也備受關(guān)注，但是骨水泥假體的遠(yuǎn)期療效研究證實(shí)熱壞死并未對假體的整體表現(xiàn)產(chǎn)生不良影響。

5 載抗生素內(nèi)植物

載抗生素骨科內(nèi)植入物是指在不改變普通內(nèi)植入物原有物理性能、化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，將抗生素與生物材料如聚甲基丙烯酸甲酯聚合后噴涂在內(nèi)植入物表面使用，或?qū)⒖股嘏c內(nèi)植入物如骨水泥聚合后使用，從而使普通內(nèi)植入物具有了抗菌性能，此種抗菌性能可以采用緩釋系統(tǒng)逐漸將抗生素釋放出來，當(dāng)有細(xì)菌侵入或者發(fā)生感染時，釋放出來的抗生素就會殺滅細(xì)菌，從而起到抗菌的作用。

為讓載抗生素骨科內(nèi)植入物在人體植入部位持續(xù)地釋放抗生素，獲得較全身大劑量使用抗生素更有效的濃度，解決常規(guī)用藥方式效率不高且毒性較大這一問題，近30年來在一系列新的生物相容性較好的無機(jī)材料和有機(jī)高分子材料基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來一種新型局部給藥方式——抗生素緩釋系統(tǒng)等。1970年Buchholz等[8]最早提出了把抗生素加入PMMA的概念，用于預(yù)防和治療全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)中可能伴隨的深度感染。Vidal等[9]最早把抗生素復(fù)合PMMA塊置于清創(chuàng)腔用于治療骨髓炎，因?yàn)楣撬嘣隗w內(nèi)有一個放熱反應(yīng)，有助于滅菌和抗生素的持續(xù)擴(kuò)散，在局部形成較高的抗生素濃度。

目前，尋找更佳性能的生物材料，探索可用于特殊用途的材料特性的研究仍在進(jìn)行中，大量的資金投入到新材料的研發(fā)、嚴(yán)格的測試盒臨床試驗(yàn)上，以證明其安全性和有效性。同時還值得注意的是，提高骨科內(nèi)植物置換的成功率，不僅需要依靠于生物材料學(xué)的不斷發(fā)展，還取決于是否能通過合理的設(shè)計(jì)原則將新材料與矯形外科醫(yī)生的需求結(jié)合起來。

[1]Ciccone WJ,Motz C,Bentley C,et al. Bioabsorbable implants in orthopaedics:new developments and clinical applications [J]. J Am Acad Orthop Surg,2001,9(5):280-288.

[2]Athanasian KA,Singhal AR,Agrawal CM,et al. Degradation and release characteristics of biodegradable implants containing trypsin inhibitor[J].Clin Orthop,1995,315(6):272-281.

[3]HaUab NJ,Jacobs JJ,Skipor A,et al.Systemic metal-protein binding associated with total joint replacement arthroplasty[J].J Biomed Mater Res,2000, 49(3):353-361.

[4]Jacobs JJ,Skipor AK,Patterson LM,et al.Metal release in patients who have had a primary total hip arthroplasty:a prospective,cont rolled,longitudinal study[J].J Bone Joint Surg (Am),1998,80(10):l447-1458.

[5]Stevenson S,Cunningham N,Toth J,et al.The effect of osteogenin(a bone morphogenetiec protein) on the formation of bone in orthotopic segmental defects in rats[J].Bone Joint Surg,1994,76A(11):676-687.

[6]Wang D, Hu YY. Assessment of heterotopivc osteogenin of BTCP/rh Bmp-2 cornosite [J].Traumatol (Eng Ed),1999,2(1):13-16.

[7]Senter HJ,Kortyna R,Kemp WR,et al.Anterior cervical discectomy with hydroxyapatite fusion [J].Neurosurgery,1989,25(1):39-43.

[8]Buchholz HW,Engelbrecht H.Depot effects of various antibiotics mixed with palaces resins[J].Chirurg,1970,41(11):51l-515.

[9]Vidal J,Allieu Y.Utilisation de metacrylate de methyle pour comblerles cavites d‘bsteite entendue desmembers[J].Rev Chir Orthop,1969,55(6):158.