聚乳酸基復(fù)合骨組織修復(fù)材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

韋宗辰，郗悅瑋，2?，翁云宣，2??

（1.北京工商大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，北京 100048；2.塑料衛(wèi)生與安全質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、醫(yī)學(xué)水平的不斷提高，醫(yī)用材料越來(lái)越受到人們的重視。骨是人體重要組織，起到支撐、防護(hù)與運(yùn)動(dòng)功能。疾病、外傷等引起的骨組織缺損嚴(yán)重危及人類健康，給患者造成極大的痛苦。人工骨替代修復(fù)效果有限[1]，盡管手術(shù)技術(shù)、骨移植材料發(fā)展迅速，仍有5%～10%骨折患者因?yàn)槭中g(shù)的延遲和不完善造成殘疾，給社會(huì)和家庭造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2-3]。大多數(shù)組織，如骨組織、韌帶、半月板、軟骨、骨膜和皮膚[4]，是由組成物質(zhì)的兩相結(jié)合形成的，兩相分別是以纖維或顆粒形式存在的增強(qiáng)相和被稱為基質(zhì)的連續(xù)相。以骨骼和牙齒為例，其基本組分構(gòu)成分別是由膠原蛋白（16%）組成的有機(jī)基質(zhì)、由羥基磷灰石（HA）晶體（50%～60%）組成的無(wú)機(jī)增強(qiáng)介質(zhì)、水（22%）以及蛋白質(zhì)、多糖、粘多糖（2%）[5]。骨是一個(gè)高度復(fù)雜、組成多樣的組織，它具有提供機(jī)械支持、支持肌肉收縮、礦物儲(chǔ)存，以及支撐負(fù)荷和保護(hù)內(nèi)部器官等功能[5-7]。

人們?cè)谏a(chǎn)生活或運(yùn)動(dòng)的過程中，很容易因意外造成骨組織缺損，尤其是老年人容易在活動(dòng)中造成一些如骨折、骨裂等創(chuàng)傷；另外有部分患者患有先天性骨骼疾病。為了治療這些患者骨缺陷、骨壞死等疾病，人工骨材料應(yīng)運(yùn)而生，目前已有多種人工骨材料應(yīng)用于外科手術(shù)。人工骨是指代替天然人骨的一種用于修復(fù)骨組織缺損的生物材料。理想的人工骨材料應(yīng)該具有良好的生物相容性，具有仿生的力學(xué)性能及高效的骨骼誘導(dǎo)、傳導(dǎo)性能。另外在誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、促進(jìn)新骨組織生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，還需具備一定的加工性能，易于加工成患者所需的大小、形狀。人工骨的生物相容性和可降解性，既可以減少二次手術(shù)給病人帶來(lái)的傷害，也可以減少患者因二次手術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[8-9]，因此生物相容性好、降解速率可控一直是人工骨材料研究的目標(biāo)和方向。

目前可以將人工骨材料按照材料類型分為以下3類：金屬基、無(wú)機(jī)非金屬基、高分子基骨組織修復(fù)材料。金屬基骨修復(fù)材料也可以認(rèn)為是第一代骨修復(fù)材料，隨著它植入人體，主要為骨缺損處提供一個(gè)力學(xué)支撐，金屬基骨修復(fù)材料的力學(xué)性能良好，有耐磨、耐腐蝕、易加工等諸多性能，但其缺點(diǎn)也十分明顯：金屬基骨修復(fù)材料普遍具有生物惰性，會(huì)引發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)，也不能被細(xì)胞吞噬或當(dāng)做異物排出體外，需要通過二次手術(shù)取出人體。無(wú)機(jī)非金屬基骨修復(fù)材料可以認(rèn)為是第二代骨修復(fù)材料，無(wú)機(jī)非金屬基骨修復(fù)材料與人體的生物相容性很好，無(wú)毒，不容易引起機(jī)體排異反應(yīng)，但是其自身的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：不易加工成患者所需的形狀和大小，成型性能較差。高分子基骨修復(fù)材料的出現(xiàn)很好地解決了上述缺點(diǎn)，高分子基骨修復(fù)材料既可以通過多種成型加工手段滿足患者所需的形狀和尺寸，有些高分子材料又可以被人體吸收降解成CO2和水等排出體外。因此性能優(yōu)良、功能全面的高分子基復(fù)合材料是近些年來(lái)骨組織工程材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

常用的高分子基骨修復(fù)材料主要為PLA基骨修復(fù)材料，PLA的加工性能優(yōu)良，可通過多種加工成型手段按需制作成骨缺損處所需的形狀，且與人體的生物相容性能好，可以在人體內(nèi)分解成CO2和水排出體外，不需要患者面對(duì)二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。因此PLA基骨修復(fù)材料在骨外科手術(shù)上應(yīng)用廣泛。

本文主要綜述了目前由PLA作為基體研究出來(lái)的PLA/有機(jī)復(fù)合材料、PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料、PLA/有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料3種骨修復(fù)材料，它們的制備方法、特點(diǎn)、功能以及使用范圍，PLA基復(fù)合材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可以為PLA基復(fù)合骨修復(fù)材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供參考。

由表1可知，單一的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料都難以完全滿足骨修復(fù)材料的需求，如PLA骨修復(fù)材料，雖有易加工和化學(xué)穩(wěn)定性能，但是缺少了生物活性，依然限制了其在骨組織工程中的應(yīng)用。在骨組織工程材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)建中，如能將無(wú)機(jī)非金屬的生物活性與PLA基材料的易加工性及生物相容性相結(jié)合，同時(shí)具備多種優(yōu)勢(shì)，更適宜廣泛應(yīng)用于骨缺損的治療中。因此復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，復(fù)合材料是由2種或2種以上材料復(fù)合而成的多功能材料，充分利用了不同材料的優(yōu)點(diǎn)從而制成的較單一材料更理想的材料。制備具有仿生結(jié)構(gòu)性能的人工骨，是骨修復(fù)材料領(lǐng)域追求的目標(biāo)。復(fù)合材料可以分為無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料及有機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料，不同性能的材料經(jīng)復(fù)合后可以充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更加全面滿足患者需求。本文概述了多種PLA/有機(jī)骨修復(fù)材料、PLA/無(wú)機(jī)骨修復(fù)材料、PLA/有機(jī)/無(wú)機(jī)骨修復(fù)材料的制備、性能及結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為PLA基復(fù)合骨修復(fù)材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供參考。

表1 常見生物醫(yī)用材料的分類、優(yōu)勢(shì)和缺陷Tab.1 Classification，advantages and disadvantages of common biomedical materials

1 PLA

PLA是一種重要的可降解材料，又稱為聚丙交酯，是乳酸相互聚合或與丙交酯開環(huán)聚合而生成的高分子聚合物[10]。根據(jù)PLA旋光性的不同，可分為外消旋聚乳酸（PDLLA）、左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）3種異構(gòu)體。

PLA的合成主要有2種途徑：一是乳酸直接聚合。另一種是由乳酸預(yù)聚生成低分子量物質(zhì)，其解聚得丙交酯，丙交酯 重結(jié)晶后開環(huán)聚合得到PLA。具體合成過程如圖1所示。

圖1 PLA的合成線路Fig.1 Synthesis of PLA

PLA可使用農(nóng)業(yè)廢料如麥麩、米糠和甘蔗渣[11]等發(fā)酵、聚合生產(chǎn)，目前在骨組織工程中研究日益廣泛。PLA的生物相容性好，成本較為低廉，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如藥物輸運(yùn)系統(tǒng)（DDS）、組織工程等具備極大的應(yīng)用潛力，目前已有多種PLA基產(chǎn)品如手術(shù)縫合線、醫(yī)用敷料、微膠囊微球類藥物緩釋材料等被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床中。

在骨組織修復(fù)材料方面，單一的PLA有生物活性較差等缺點(diǎn)，其功能單一，難以滿足各類患者的不同要求。所以PLA常與其他功能性材料復(fù)合，制備具有生物活性和可控降解性的復(fù)合組織工程支架用于骨內(nèi)固定和骨缺損的修復(fù)。PLA基生物材料可調(diào)控的降解速率、良好的生物相容性和易于加工的性能使其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有極大的研究前景，PLA與其他材料復(fù)合制成的骨修復(fù)材料既具備一定的生物活性，又具備易加工性和良好的生物相容性，在植入體內(nèi)的初期可以填補(bǔ)受損的骨組織，同時(shí)促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、分化、增殖，隨骨細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖，PLA基骨修復(fù)材料可在體內(nèi)緩慢降解，避免了二次手術(shù)取出給患者帶來(lái)痛苦，可以按需調(diào)節(jié)，治療不同部位的骨缺損和骨疾病，因此PLA基復(fù)合材料是近些年研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

2 PLA/有機(jī)復(fù)合材料

PLA成型性能優(yōu)良，可通過多種加工手段制成不同形狀滿足患者需求，但是由于PLA脆性大、親水性差、降解速率不可控，且其生物活性差，不適合單獨(dú)應(yīng)用于組織工程中。與金屬基骨修復(fù)材料和無(wú)機(jī)非金屬基骨修復(fù)材料相比，PLA基骨修復(fù)材料可以和多種材料復(fù)合使用增強(qiáng)其生物活性、調(diào)控其降解速率。PLA與有機(jī)材料的復(fù)合，在滿足生物活性及治療骨疾病、改善PLA基骨修復(fù)材料的生物相容性等多種性能方面均有較大提升。

Wang等[12]用PLA和聚乙二醇（PEG）-聚己內(nèi)酯復(fù)合制備了兩親性聚合物用于骨組織工程。疏水片段增強(qiáng)了聚合物的穩(wěn)定性和生物降解性，親水性PEG片段提高力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)可以調(diào)節(jié)聚合物在體內(nèi)降解速率。嵌段共聚結(jié)合了每種聚合物的優(yōu)勢(shì)，更適合應(yīng)用于骨組織工程。雖然這些嵌段共聚物目前只有少數(shù)被批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床[13]，但其在骨修復(fù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

Wang等使用不同的方法合成兩親性嵌段共聚物后對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，研究證實(shí)不同的聚合方法與技術(shù)手段對(duì)聚合物的性能有較大影響，因此可以通過選擇合適的聚合手段制備具有不同特性的聚合物，合成方法如圖2所示[12]。

圖2 合成兩親性嵌段共聚物Fig.2 Synthesis of amphiphilic block copolymers

Wang等研究證實(shí)PEG片段對(duì)材料特性的影響主要集中在兩親性、自組裝性能、力學(xué)強(qiáng)度和降解性能等方面。如上所述，PEG的長(zhǎng)度和組成對(duì)聚合物的最終性能起到至關(guān)重要的作用。通常情況下，膠束化、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變等表面性質(zhì)會(huì)受到PEG含量的影響，PEG含量越高，親水性越好，接觸角越小，臨界膠束濃度越高，溶脹比越高。同樣，更高的PEG組成也導(dǎo)致更快的降解速率，另外，PEG片段的增加也會(huì)影響材料的力學(xué)性能?；赑EG共軛聚合物的特性，其可應(yīng)用于骨和軟骨的修復(fù)，另外聚合物可作為支架包裹生長(zhǎng)因子和藥物以刺激骨組織再生。但是在兩親性聚合物的設(shè)計(jì)與構(gòu)建中，仍存在一些問題有待系統(tǒng)地解決。例如，理想的親疏水含量比尚未得到充分闡明，炎癥反應(yīng)的產(chǎn)生和復(fù)合支架引起并發(fā)癥的原因仍不明確。此外，即使使用了足夠多種的動(dòng)物模型進(jìn)行長(zhǎng)期研究，動(dòng)物模型研究和人體臨床試驗(yàn)的效率仍存在差異。此外，再生骨和原有骨組織的功能差異也尚不明確。因此，應(yīng)進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)建新型兩親性材料，并對(duì)其促進(jìn)骨缺損修復(fù)的機(jī)理進(jìn)行探索研究，最大限度提升其促進(jìn)缺損組織修復(fù)再生效果。

Gritsch等[14]研究證實(shí)，生物活性玻璃和體液接觸形成磷灰石的過程如圖3所示：首先，生物活性玻璃和體液交換離子（第一～第三階段），鈣和磷酸鹽離子形成一層無(wú)定型磷酸鈣（第四～第五階段），最后層層堆疊，形成磷灰石結(jié)晶（第六階段）。

圖3 在生物活性玻璃和體液接觸的表面形成磷灰石（HCA）Fig.3 HCA on the surface of bioactive glass in contact with body fluids

生物活性納米顆粒的添加不僅促進(jìn)了生物礦化，改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，同時(shí)增加了細(xì)胞與材料之間的相互作用，促進(jìn)了細(xì)胞的黏附。細(xì)胞的刺激是一個(gè)復(fù)雜的課題，其中涉及多種不同的化學(xué)和物理現(xiàn)象[10]。Gritsch等研究證實(shí)通過超順磁性氧化鐵納米粒子磁刺激或通過碳納米管電刺激可以有效增強(qiáng)組織和材料之間的相互作用。另外經(jīng)多種生物活性分子（如生長(zhǎng)因子、重組蛋白）等修飾后，PLA表面具備更多活性基團(tuán)，材料的生物活性顯著提高。Gritsch等研究證實(shí)，摻雜生物活性玻璃（BGs）后，BGs分解產(chǎn)生的堿性物質(zhì)可以有效中和PLA分解時(shí)產(chǎn)生的酸性環(huán)境，使炎癥不易產(chǎn)生。近期有關(guān)BGs的文獻(xiàn)表明，其應(yīng)用不應(yīng)局限于骨組織工程[15-16]。摻雜活性離子后BGs具備調(diào)節(jié)血管生成和基因表達(dá)的性能，因此Gritsch等預(yù)計(jì)未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多關(guān)于PLA/BGs應(yīng)用于軟組織工程的研究。這些用于提高PLA生物活性的材料為PLA基組織工程支架的構(gòu)建與制備打開了新的大門，其可以充分利用PLA的諸多優(yōu)勢(shì)，如成本較低、易于加工等，同時(shí)可使組織和組織工程支架之間的相互作用最大化，促進(jìn)細(xì)胞黏附與增殖，從而促進(jìn)組織的修復(fù)。

利用有機(jī)復(fù)合材料可以改善PLA基材料的性能，起到互補(bǔ)的作用。Xiao等[17]采用溶劑蒸發(fā)法制備了PLA/檸檬酸鈣（CC）多孔復(fù)合支架。所得的多孔復(fù)合支架孔隙分布均勻，孔徑約為100～500 μm。CC的加入提高了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。其壓縮強(qiáng)度為1.76～4.08 MPa，彈性模量為 29.10～49.49 MPa。X射線衍射技術(shù)（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和熱分析結(jié)果證實(shí)，由于CC有機(jī)組分的親脂性，CC在PLA基體中分散均勻。此外，CC的親水性提高了復(fù)合材料的潤(rùn)濕性，檸檬酸鹽降低了PLA與早期磷灰石的界面能，從而具備高礦化活性，引導(dǎo)了磷灰石的形成。此外，CC的引入有效中和了PLA降解帶來(lái)的酸性環(huán)境，防止了酸性產(chǎn)物引起的部分炎癥。PLA/CC復(fù)合材料可能是一種有前途的、可行的、有效的骨修復(fù)材料。

納米復(fù)合生物材料是一種相對(duì)較新的材料，其結(jié)構(gòu)包括高分子聚合物和基質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中基質(zhì)結(jié)構(gòu)是生物可降解且具有生物活性的納米級(jí)填料。Bharadwaz等[18]發(fā)表了關(guān)于天然和合成高分子、納米復(fù)合材料的最新趨勢(shì)，概述了聚己內(nèi)酯（PCL）、聚（乳酸-乙醇酸）（PLGA）、PEG、PLA和聚氨酯（PU）基納米復(fù)合材料近期研究進(jìn)展。引入納米纖維膜的復(fù)合材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，如比表面積大、力學(xué)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性高、細(xì)胞易于黏附、增殖等。此外，納米纖維膜的加入為細(xì)胞構(gòu)建了類細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）結(jié)構(gòu)。Bharadwaz等研究證實(shí)納米材料摻入復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效提高堿性磷酸酶（ALP）活性，Runx-2蛋白活性以及促進(jìn)膠原蛋白（Col）I型基因表達(dá)。這種混雜結(jié)構(gòu)具有最佳的孔隙率和力學(xué)性能，增強(qiáng)了養(yǎng)分和生長(zhǎng)因子在納米復(fù)合支架中的輸運(yùn)，從而促進(jìn)新骨組織的發(fā)育。納米復(fù)合生物材料的性能可通過調(diào)節(jié)聚合物與納米粒子或納米纖維比例以及制備方式等調(diào)控。與普通3D支架相比，水凝膠基聚合物支架具有顯著的優(yōu)勢(shì)，水凝膠基聚合物支架可以作為嵌入納米粒子或納米纖維的可注射支架。以水凝膠納米顆粒為基礎(chǔ)的可注射支架是減少支架植入過程侵入性的理想材料，可廣泛應(yīng)用于顱面缺損的治療。支架的降解性能與聚合物基質(zhì)的交聯(lián)程度密切相關(guān)。在生物相容性和降解性方面，天然聚合物相比合成聚合物具有明顯優(yōu)勢(shì)，而合成聚合物可通過物理、化學(xué)和制備方法等增強(qiáng)材料性能，促進(jìn)細(xì)胞增殖和組織生長(zhǎng)。但是由合成聚合物降解產(chǎn)生的副產(chǎn)物可能會(huì)引起周圍組織中酸的積累等不良反應(yīng)。因此，優(yōu)化聚合物復(fù)合支架，是獲得促進(jìn)骨組織再生的支架材料的關(guān)鍵。由于納米復(fù)合生物材料的細(xì)胞相容性和生物活性增強(qiáng)，可以促進(jìn)骨組織修復(fù)與再生，因此在骨組織再生領(lǐng)域具有重要的研究意義。

仿生骨組織工程支架的構(gòu)建是骨組織工程面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，其具備與骨組織相似的力學(xué)性能和多孔結(jié)構(gòu)。雖然靜電紡絲技術(shù)可用于制備具有類細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，但其形狀和孔徑的限制阻礙了其發(fā)展。在此，Chen等[19]結(jié)合冷凍干燥和交聯(lián)技術(shù)制作了一種新型三維PLA/再生纖維素（RC）支架。由于隨著RC納米纖維的引入，支架的親水性和生物活性得到了提高。檸檬酸作為無(wú)毒交聯(lián)劑參與RC納米纖維的酯化交聯(lián)反應(yīng)，其未反應(yīng)的羧基基團(tuán)也可以賦予三維支架促進(jìn)磷灰石的成核能力，從而進(jìn)一步提高成骨潛力。由此產(chǎn)生的PLA/RC納米纖維重構(gòu)支架具有高吸水率、類細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)。另外，具有大量羥基和羧基的PLA/RC支架在模擬液體（SBF）溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的生物礦化能力。而形成骨狀的磷灰石不僅可以對(duì)PLA酸性降解產(chǎn)物起到中和作用，同時(shí)也有利于促進(jìn)植入支架的骨整合。整個(gè)制備過程安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，能很好地滿足生物醫(yī)用材料的需求，PLA/RC支架在骨組織工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

Deval等[20]使用靜電紡絲法成功制備了以PLA/骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（PLA/BMP2）為核，PLA/?；切苋パ跄懰幔═UDCA）為殼的同軸納米纖維支架用于骨組織支架的應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 PLA同軸納米纖維的制備示意圖Fig.4 Schematic diagram of preparation of PLA coaxial nanofibers

TUDCA和BMP-2在內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞中表現(xiàn)出增強(qiáng)的血管生成和骨生成作用。用人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）對(duì)PLA和同軸納米纖維支架進(jìn)行細(xì)胞相容性測(cè)試，兩者均表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性，但同軸納米纖維支架表現(xiàn)出更優(yōu)異的細(xì)胞相容性。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)hMSCs和HUVECs具有良好的成骨和血管生成活性。組織學(xué)染色圖片顯示，負(fù)載TUDCA/BMP 2同軸纖維支架在骨形成和新血管形成中具有良好的效果。同軸納米纖維支架可以長(zhǎng)期緩釋TUDCA和BMP2用于血管形成和成骨，從而促進(jìn)缺損部位骨組織修復(fù)。因此，負(fù)載TUDCA/BMP2的PLA基同軸納米纖維支架可作為一種有前景且更有效的骨組織工程支架。

骨膜來(lái)源于中胚層的間質(zhì)，由間質(zhì)細(xì)胞和無(wú)定形基質(zhì)組成。在骨骼發(fā)育過程中，間質(zhì)首先集中形成軟骨模型和富含間質(zhì)細(xì)胞的纖維膜，也稱為軟骨膜。隨著軟骨膜的血管化，間質(zhì)細(xì)胞增殖并分化為成骨細(xì)胞，然后包裹在軟骨周圍形成一層原始骨組織，稱為骨領(lǐng)。隨著骨領(lǐng)的形成，軟骨膜逐漸發(fā)育形成骨膜結(jié)構(gòu)[21-22]。隨后，由于骨膜中的血管和成骨細(xì)胞侵入軟骨，軟骨細(xì)胞發(fā)生變性和凋亡，最終軟骨基質(zhì)鈣化，實(shí)現(xiàn)軟骨內(nèi)成骨過程。骨膜成骨細(xì)胞分泌骨基質(zhì)和纖維，逐漸礦化，最終以膜內(nèi)成骨[26]的形式嵌入鈣化基質(zhì)。

骨膜在骨的發(fā)育和損傷愈合過程中起著重要的作用。Wu等[23]制備了一種可持續(xù)釋放血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF的微米/納米纖維仿生骨膜，作為外源性血管化骨膜纖維層，通過膠原自組裝和微溶膠靜電紡絲技術(shù)，誘導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)源性形成層完全再生形成骨膜和骨組織[24]。VEGF是一種廣泛應(yīng)用的生物活性因子，是一種強(qiáng)有力的血管生成蛋白，參與內(nèi)皮祖細(xì)胞的聚集、增殖和分化。此外，它還直接或間接參與膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨[25-26]。然而，由于VEGF的生物半衰期較短，因此VEGF的有效給藥通常依賴于高劑量或多次注射，且存在潛在的副作用[27]。因此，有必要開發(fā)一種局部給藥系統(tǒng)來(lái)持續(xù)釋放VEGF。通過微溶膠靜電紡絲技術(shù)，Wu等成功合成了以溶膠包覆VEGF顆粒為核心，PLA為外殼的核-殼結(jié)構(gòu)。將透明質(zhì)酸在靜電紡絲混合液中分散形成乳狀液，乳狀液中的微滴稱為微溶膠顆粒，這樣的乳液不僅可以在有機(jī)溶劑中形成一個(gè)隔離系統(tǒng)來(lái)保持VEGF的生物活性，還可以起到緩慢釋放VEGF的作用。此外，PLA纖維核心的透明質(zhì)酸是結(jié)締組織細(xì)胞外基質(zhì)的重要成分，具有抗炎、抗菌和成骨作用[28]，因此，選擇透明質(zhì)酸溶液作為VEGF的載體。VEGF在纖維內(nèi)的持久釋放誘導(dǎo)了內(nèi)皮細(xì)胞的成熟，并在早期缺氧環(huán)境中形成血管，帶來(lái)了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)因子和自體血源干細(xì)胞。此外，成熟的內(nèi)皮細(xì)胞還可釋放BMP-2、BMP-4等成骨活性物質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)骨修復(fù)[25-26，28]。

肌腱是束狀纖維結(jié)締組織，通過提供壓力轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定關(guān)節(jié)，在肌肉骨骼活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用[36]。然而，肌腱組織極易受到各種體育鍛煉、肌腱疾病和事故的損傷，其固有的愈合能力較差[29-30]。傳統(tǒng)的臨床治療方法包括自體移植、異體移植和異種移植[31]。自體移植增加了患者的痛苦，異體移植和異種移植存在不良反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)[32-33]。

組織工程（TE）被認(rèn)為是一種很有前景的再生肌腱修復(fù)策略[34-36]。許多研究都強(qiáng)調(diào)了適當(dāng)設(shè)計(jì)纖維支架的重要性[37-38]，其可以模擬天然肌腱細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的纖維微結(jié)構(gòu)和功能特征[29，39-40]。目前，各種纖維制造技術(shù)和紡織工藝已被用于設(shè)計(jì)和構(gòu)建纖維結(jié)構(gòu)[41-42]。通常包括2個(gè)步驟，通過濕紡紗或干紡紗工藝生產(chǎn)微米級(jí)紗線，隨后通過紡織技術(shù)組裝成性能可調(diào)控的2D或3D結(jié)構(gòu)[43-44]。如圖5所示，Wu等[45]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的靜電紡絲裝置[45]。

圖5 混紡紗制備圖Fig.5 Preparation diagram of blended yarn

PLA基醫(yī)用材料也可以通過制備工藝改善其性能，復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建可以增加天然材料的強(qiáng)度與韌性，然而，完全復(fù)制天然結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)架已被證明是困難的。受致密骨的層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，He等[46]使用一種創(chuàng)新的方法，在工業(yè)規(guī)模上構(gòu)建了具備模擬骨結(jié)構(gòu)的PLA支架，其同時(shí)具有超強(qiáng)韌性（90.3 kJ/m2）、高剛度（2.15 GPa）、平衡強(qiáng)度（52.6 MPa）和顯著的抗熱變形性能（在163℃下保持1 h），這些優(yōu)異的性能使其在人工骨和組織支架等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

3 PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料

PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料不僅具備良好的生物活性、生物相容性和合適的降解性，同時(shí)可以提高人工骨材料的力學(xué)性能、物理性能、可加工性能等，另外，無(wú)機(jī)材料的添加可以通過改變無(wú)機(jī)物的種類賦予PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料不同的生物活性，例如：通過摻雜生物活性玻璃，PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料在體內(nèi)降解過程中可以緩慢釋放鈣、磷等元素，為骨生長(zhǎng)提供必要的微量元素，在滿足患者不同骨缺損部位的力學(xué)性能要求的同時(shí)，具備生物活性，可以促進(jìn)骨缺損處骨組織的生長(zhǎng)。

PLA和HA的復(fù)合材料已經(jīng)廣泛運(yùn)用于生物醫(yī)用材料中，Bankole等[47]將PLA與5%和20%磷灰石（cHA）復(fù)合構(gòu)建3D打印支架。通過SEM和能量分散x射線（EDX）技術(shù)對(duì)支架進(jìn)行了表征，證實(shí)HA在支架中分散均勻。通過計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)對(duì)支架進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，以確定粗糙度、孔徑分布的形態(tài)參數(shù)、孔隙率。此外，使用體外和微量分析測(cè)試評(píng)估不同幾何形狀的PLA/cHA支架的生物相容性，以評(píng)估其形貌對(duì)物理化學(xué)和力學(xué)性能的影響。這些結(jié)果和發(fā)現(xiàn)適用于許多生物材料工業(yè)的生物材料的發(fā)展，已與生物系統(tǒng)工程相結(jié)合，以滿足醫(yī)療目的。

Wu等[48]將可降解聚合物PLA和HA的復(fù)合材料用作骨絲。評(píng)估了3種HA含量為5%、10%、15%的PLA/HA復(fù)合配方，并使用這些材料打印了放大的人類骨小梁模型。通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描、壓縮和螺釘軸向拔出力實(shí)驗(yàn)對(duì)打印模型的形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，可以使用熔融沉積（FDM）法將PLA制備骨小梁結(jié)構(gòu)，HA顆粒的加入降低了3D打印精度，但制備所得的支架具備更高的力學(xué)性能。與常用的聚合泡沫合成骨模型（即鋸骨）相比，放大后的模型顯示出了略微增強(qiáng)的強(qiáng)度。通過3D打印的PLA/HA復(fù)合材料制備模擬骨小梁形貌的組織工程支架極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

近些年來(lái)，已有數(shù)種由PLA制成的用于骨折固定的螺釘應(yīng)用于臨床，然而，PLA降解時(shí)間長(zhǎng)且缺乏與骨骼結(jié)構(gòu)的骨整合作用，因此使用降解速度更快的聚合物（如PLA-羥基乙酸共聚物（PLGA））和生物陶瓷來(lái)提高PLA基骨組織工程支架的生物活性是目前研究的熱點(diǎn)。加入生物陶瓷后，PLGA板的熱性能和力學(xué)性能都得到了改善，更適合應(yīng)用于骨組織修復(fù)與重建中。

4 PLA/有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料

PLA/有機(jī)復(fù)合材料可以改善其生物活性和增加生物相容性，針對(duì)性地治療骨骼類疾病等，PLA/無(wú)機(jī)復(fù)合材料主要是在改善骨修復(fù)材料的力學(xué)性能的同時(shí)提供給骨生長(zhǎng)必須的微量元素，促進(jìn)骨缺損處地修復(fù)。而PLA/有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料是在上述2種復(fù)合材料上更進(jìn)一步地使人工骨組織材料性能得以提升的一種材料，PLA/有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料是有機(jī)和無(wú)機(jī)物之間的復(fù)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，其優(yōu)異且全面的生物相容性、可加工性、無(wú)毒性、可控的降解性、生物活性等為理想的骨組織修復(fù)材料提供了更大的發(fā)展空間。

PLA納米填充材料也常常被用來(lái)滿足一些特定的需求，F(xiàn)ahad等[49]采用熔融纖維制備技術(shù)構(gòu)建了磁性和導(dǎo)電填料增強(qiáng)的可生物降解PLA和PLA納米復(fù)合材料，并對(duì)其生物活性和生物降解特性進(jìn)行了研究。熱分析證實(shí)存在約18%的碳納米結(jié)構(gòu)（CNF）和石墨烯納米片（GNP）和～37%的磁性氧化鐵（Fe2O3）顆粒。在體外降解實(shí)驗(yàn)中，在培養(yǎng)基浸泡2周和4周后，支架出現(xiàn)了多孔和斷裂，但質(zhì)量損失可以忽略不計(jì)。與純PLA相比，加入磁性氧化鐵（Fe2O3）顆粒的PLA和加入碳納米結(jié)構(gòu)的PLA降解速率增加。體外細(xì)胞活性研究表明，PLA、PLA/CNF及PLA/Fe2O3均具備良好的細(xì)胞相容性。壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，PLA/CNF和PLA/Fe2O3的剛度分別從680 MPa下降到533 MPa和425 MPa，支架中孔隙的存在，降低了其力學(xué)強(qiáng)度。因此，添加導(dǎo)電填料的PLA納米復(fù)合材料的生物活性更強(qiáng)且生物降解速率更快，在骨組織修復(fù)與再生領(lǐng)域具備極大的潛在價(jià)值。

在生物聚合物中，幾丁質(zhì)是第二大天然聚合物，其不但具備無(wú)毒、良好的生物相容性和生物降解性，同時(shí)也具備促進(jìn)傷口愈合的特性[50-52]。幾丁質(zhì)被廣泛應(yīng)用于食品和農(nóng)業(yè)、紡織、化妝品、廢水處理等許多領(lǐng)域[53-56]。幾丁質(zhì)作為生物材料主要應(yīng)用于傷口敷料和受控藥物釋放材料[57-59]。其他常用于組織再生的可生物降解聚合物包括聚乙醇酸（PGA）、PLA、PGA-PLA共聚物、聚羥基烷酸（PHA）和聚己內(nèi)酯（PCL）[60-64]。PLA是一種線性脂肪族熱塑性聚酯具有廣泛的可用性且易于加工[60，65-67]?；赑LA的生物降解性、生物相容性，其已被廣泛地用于外科植入材料、藥物傳遞系統(tǒng)以及組織工程支架[68-70]領(lǐng)域。PLA具有較高的彈性模量（3.5～3.8 GPa）和拉伸強(qiáng)度（48～110 MPa），然而，聚合物固有的脆性和低韌性限制了其應(yīng)用[65-67]范圍。HA被認(rèn)為是骨的主要無(wú)機(jī)成分，廣泛用于人工骨替代研究[71-72]。商業(yè)化的HA在化學(xué)和結(jié)構(gòu)上都與人骨[73]的無(wú)機(jī)相相似，可以提高多種高分子材料的力學(xué)性能[74-76]。以HA納米粒子為基礎(chǔ)的生物納米復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿77]。HA可以刺激成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，然而，純HA易碎，缺乏柔韌性和硬度，難以形成特定形狀，強(qiáng)度太低，不適于組織替代應(yīng)用[77-79]。基于上述性質(zhì)，共混聚合物是一種有效優(yōu)化材料性能的方法。

Chakravarty等[80]證實(shí)由PLA和HA增強(qiáng)的幾丁質(zhì)具有良好的力學(xué)性能和熱性能，在生物醫(yī)學(xué)方面具有發(fā)展?jié)摿?。以離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸（[C2 mim][OAc]）為溶劑，制備幾丁質(zhì)/PLA/nHA復(fù)合材料，探究聚合物濃度對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響。利用SEM、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等對(duì)其力學(xué)、熱性能和表面形貌進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)價(jià)。當(dāng)PLA在復(fù)合材料中的含量從20%增加到80%時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度提高了77%，斷裂伸長(zhǎng)率和韌性顯著下降。HA的加入可以使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高140%，斷裂伸長(zhǎng)率提高465%。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，復(fù)合材料利于骨細(xì)胞OCY454的生長(zhǎng)和增殖，這些材料對(duì)骨細(xì)胞基因表達(dá)沒有影響，而且具有最小的細(xì)胞毒性和適合的生物降解性。這些結(jié)果表明，相比于純幾丁質(zhì)等材料，復(fù)合材料更合適應(yīng)用于骨再生。PLA和HA的加入顯著提高了材料的力學(xué)性能和生物活性，有助于骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖，是骨再生的理想材料，具有廣闊的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

PLA具備優(yōu)異的細(xì)胞相容性、良好的生物降解性、易于加工等優(yōu)勢(shì)，但其脆性較大、無(wú)生物活性等缺陷限制了其在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用，因此PLA改性、復(fù)合支架的研究是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，設(shè)計(jì)構(gòu)建具備生物活性、合適力學(xué)性能及降解性能的PLA基復(fù)合支架具有重要的意義?？偨Y(jié)了近些年來(lái)PLA基復(fù)合支架在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)PLA支架力學(xué)、生物學(xué)性能的影響因素進(jìn)行了分析與討論，為PLA基復(fù)合支架的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)。通過與有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的復(fù)合，PLA基復(fù)合支架在具備易加工、可降解等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)可具備多種生物活性：藥物的添加可治療骨骼類疾病；生長(zhǎng)因子的添加可促進(jìn)細(xì)胞分化、血管生成，從而促進(jìn)骨組織的修復(fù)與再生；生物活性玻璃的添加可以緩慢釋放骨組織生長(zhǎng)所需的微量元素。因此，PLA基復(fù)合支架通過個(gè)性化的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多種骨骼類疾病的治療、骨缺損部位的快速修復(fù)。另外PLA基復(fù)合支架可在體內(nèi)降解，患者不需進(jìn)行二次手術(shù)，減少了患者身心痛苦及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。PLA基復(fù)合材料具有巨大的發(fā)展前景，隨著科技進(jìn)步，個(gè)性化設(shè)計(jì)的PLA基復(fù)合材料將會(huì)更多地應(yīng)用于骨外科手術(shù)中。