可吸收高分子材料在骨科中的應(yīng)用

付佳男

（天津市薊州區(qū)人民醫(yī)院骨一科，天津 301900）

可吸收高分子材料是指在一定條件及時間內(nèi)，可被生物環(huán)境降解并吸收的材料，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中[1]。近年來，隨著骨科對可吸收生物材料的應(yīng)用與研究，越來越多的報道證實(shí)，可吸收材料在骨折內(nèi)固定、骨組織工程支架以及藥物緩釋載體等裝置的應(yīng)用中可發(fā)揮重要的作用，有效避免了取出操作造成的二次手術(shù)，同時可利用該材料的降解速率完成藥物的緩釋治療方案，且安全無毒，對患者臨床療效及預(yù)后質(zhì)量的改善均具有積極的應(yīng)用價值[2-4]?，F(xiàn)階段，骨科常用的可吸收高分子材料主要包括天然高分子材料與人工高分子材料，天然材料包括膠原蛋白、殼聚糖等，而人工材料則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，此類材料的出現(xiàn)是醫(yī)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的一大進(jìn)展，隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，可吸收高分子材料在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將更為廣闊[5]。本文主要對當(dāng)前可吸收高分子材料的生物特性及骨科應(yīng)用進(jìn)展做一綜述，以供臨床參考。

1 天然高分子材料

1.1 殼聚糖 殼聚糖是甲殼素脫乙?；磻?yīng)的主要產(chǎn)物，可兼具動物膠原與植物纖維兩種生物功能，具有較高的生物相容性及降解性，且免疫反應(yīng)少、抗菌性能佳，是臨床常用的天然高分子聚合材料[6]。此外，殼聚糖與骨基質(zhì)的主要成分糖胺聚糖結(jié)構(gòu)相似，且具有一定的骨誘導(dǎo)性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞的大量增殖，同時刺激新生血管、增強(qiáng)細(xì)胞黏附，進(jìn)而誘導(dǎo)骨組織功能性重建[7]。劉超等[8]對該材料在骨組織修復(fù)中的應(yīng)用可行性進(jìn)行了探究，其結(jié)果顯示，殼聚糖材料在兔骨質(zhì)疏松性腰椎骨缺損的修復(fù)治療中，具有良好的生物相容性與安全性，可促進(jìn)受損組織的骨形成與骨吸收，其修復(fù)效果佳，對腰椎生物力學(xué)功能的改善具有積極的應(yīng)用價值。由此可見，殼聚糖材料在骨組織缺損的修復(fù)中具有較高的可行性及有效性。

1.2 膠原蛋白 膠原蛋白是動物結(jié)締組織的主要成分，其中Ⅰ型膠原蛋白的分布最為廣泛。作為骨基質(zhì)的主要成分，Ⅰ型膠原蛋白可誘導(dǎo)骨髓間質(zhì)干細(xì)胞（bone mesenchymal stem cells，BMSC）分化為成骨細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)骨組織的修復(fù)，是臨床常用的骨修復(fù)材料，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于引導(dǎo)性骨組織再生、引導(dǎo)性牙周組織再生等骨組織工程修復(fù)中[9]。郭道瑞等[10]對接受Ⅰ型膠原蛋白材料治療的12 例剝脫性骨軟骨炎患者進(jìn)行了研究調(diào)查，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有患者的移植軟骨均恢復(fù)良好，且均未出現(xiàn)移植物脫落及水腫現(xiàn)象，提示膠原蛋白材料安全可行。

2 人工高分子材料

2.1 脂肪族聚酯 脂肪族聚酯是當(dāng)前較為常用的骨科可吸收高分子材料，其相關(guān)研究多，且種類豐富，臨床應(yīng)用實(shí)踐相對成熟。

2.1.1 聚乙醇酸 聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）又名聚乙交酯，是結(jié)構(gòu)最為簡單的脂肪族聚酯材料，其生物相容性高，且降解性好，可水解為甘氨酸，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳與水經(jīng)尿液排出[11]。此外，PGA 材料的成纖性較好，且生物活性及力學(xué)性能優(yōu)良，現(xiàn)多用于傷口縫合線、骨組織工程支架以及可吸收螺釘?shù)确矫鎇12]。但據(jù)相關(guān)研究指出[13]，PGA 材料存在一定的排異反應(yīng)與繼發(fā)感染情況，且該材料在1～2 個月內(nèi)的力學(xué)性能會逐漸降低，易導(dǎo)致固定失效等問題，不建議使用在承重骨的固定治療中。

2.1.2 聚乳酸 聚乳酸（polylactic acid，PLA）又名聚丙交酯，相較于PGA，該材料親水性及結(jié)晶度均相對更低，且降解速率大，力學(xué)性能及抗沖擊強(qiáng)度高，應(yīng)用更為廣泛。根據(jù)旋光性的不同，PLA 可分為左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）與外消旋聚乳酸（PDLLA）3 種異構(gòu)體[14]，前2 種為半結(jié)晶聚合物，其機(jī)械強(qiáng)度好、降解速度慢，是外科整形、手術(shù)縫合以及內(nèi)植材料的理想選擇；而PDLLA 則屬于非晶態(tài)共聚物，其拉伸強(qiáng)度低、降解速率快，適用于藥物運(yùn)輸載體及低強(qiáng)度的組織再生支架中，在骨折愈合、骨缺損修復(fù)、骨結(jié)核治療等的方面具有良好的應(yīng)用前景。此外，PLA 材質(zhì)環(huán)保，無氣味，且模型不易卷邊，適用于3D 打印的外科建模中[15]。

2.1.3 聚己內(nèi)酯 聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）是一種半結(jié)晶線性聚酯材料，其拉伸強(qiáng)度?。?3 MPa），熔點(diǎn)（55 ℃～60 ℃）及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（60 ℃）低，且斷裂伸長率高（700%），易溶于多種有機(jī)溶劑，具有良好的熱塑性及成型加工性[16]。同時，PCL 可與多種高分子共聚，其細(xì)胞相容性、組織相容性以及彈性功能均較為理想，適用于手術(shù)縫合線與骨科夾板的制作。此外，PCL的降解過程較為緩慢，其在人體內(nèi)的降解周期約為2～3 年，可用于藥物控釋載藥系統(tǒng)，在骨髓炎及骨結(jié)核等疾病領(lǐng)域具有積極的應(yīng)用價值[17]。

2.1.4 聚對二氧環(huán)己酮 聚對二氧環(huán)己酮（polydioxanone，PDO）是由對二氧環(huán)己酮開環(huán)聚合而成的高分子聚合材料，其柔韌性好、纖維強(qiáng)度高、降解時間長，是制備醫(yī)用纖維及縫合線的理想材料[18]。而在骨科領(lǐng)域，PDO 材料可用于顱骨等非負(fù)重部位骨折的內(nèi)固定治療中。

2.2 聚酰胺 聚酰胺（polyamide，PA）結(jié)構(gòu)特性類似于膠原，且相較于其他人工材料，PA 更接近人體骨骼，其抗凝性、穩(wěn)定性以及生物相容性均較為理想。此外，PA 分子鏈結(jié)構(gòu)中，酰胺基團(tuán)與亞甲基團(tuán)呈重復(fù)交替分布，由此可利用亞甲基團(tuán)對酰胺的釋放作用，保證該材質(zhì)的韌性、耐熱性、耐磨性以及耐化學(xué)腐蝕性。目前，PA 材料多用于骨內(nèi)固定物及藥物載體的研究中，且該材質(zhì)制備的椎間融合器現(xiàn)已成功應(yīng)用于椎體間融合治療中（頸椎、胸椎、腰椎等）[19]，在頸椎病、胸腰椎結(jié)核以及腰椎退行性疾病領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

2.3 聚乙二醇 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）是環(huán)氧乙烷水解產(chǎn)物的聚合物，由羥基末端與聚醚主鏈構(gòu)成，且耐熱性佳，柔順性高，是制備高溶脹性水凝膠的理想材料。在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下方面：①創(chuàng)面修復(fù)：PEG 材料的生物相容性好，對蛋白質(zhì)吸附及酶促反應(yīng)均具有一定的抵抗作用，同時可負(fù)載生長因子，多用于創(chuàng)面缺損部位的填充治療。目前，PEG-硫酸改性HA 原位凝膠、星形PEG-肝素水凝膠等均是臨床較為常見的PEG 水凝膠復(fù)合物，可控釋生長因子、清除炎性趨化因子，同時具有一定的抗凝血活性，適用于各種骨科皮膚創(chuàng)面的修復(fù)治療；②改善組織工程支架性能：PEG 可改善其他聚合物的理化性質(zhì)，包括柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度以及延伸性等，進(jìn)而提高組織工程支架等裝置的應(yīng)用性能；③藥物載體：近年來，PEG 藥物載體在骨組織惡性腫瘤中的應(yīng)用研究逐漸增多。據(jù)吳林波等[20]研究結(jié)果顯示，PEG 化重組人粒細(xì)胞刺激因子（PEGrhG-CSF）在骨組織惡性腫瘤患者的臨床應(yīng)用中具有良好的安全性與耐受性，可有效抑制骨肉瘤患者化療后的白細(xì)胞減少情況，且應(yīng)用效果明顯優(yōu)于單純的人粒細(xì)胞刺激因子。郗艷麗等[21]的實(shí)驗(yàn)研究表明，PEG 修飾制得的齊墩果酸脂質(zhì)體對大鼠骨質(zhì)疏松的改善具有良好的效果，且相較于原始的齊墩果酸脂質(zhì)體，其粒徑小、包封率高，療效更為理想。

2.4 聚乙烯醇 聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是醫(yī)療領(lǐng)域常用的合成類可吸收高分子材料，其水解作用可高達(dá)89%～99%[22]。同時生物相容性及親水性均較高，易形成水凝膠，多與其他聚合物復(fù)合使用，以此促進(jìn)其物理及生物性能的改善[23]。近年來，臨床關(guān)于PVA 復(fù)合支架在骨科中的應(yīng)用報道逐漸增多，包括PVA 復(fù)合水凝膠管、PVA 復(fù)合支架等，多集中在骨缺損修復(fù)及骨細(xì)胞生長等組織工程領(lǐng)域[24]，但該材料的生產(chǎn)原料不可再生，大大限制了PVA的應(yīng)用發(fā)展。

2.5 聚氨酯 聚氨酯（polyurethane，PU）全名為聚氨基甲酸酯，該材料質(zhì)地柔軟、透氣性佳、生物相容性高[25]。此外，PU 可通過聚酯多元醇的人為調(diào)節(jié)，控制其生物降解性，且無細(xì)胞毒性及黏附性，是醫(yī)療領(lǐng)域最受歡迎的可吸收生物材料之一，目前多用于骨組織工程研究以及血管支架、皮膚支架的替代品等方面[26]。

2.6 聚磷腈 聚磷腈（polyphosphazenes）是由氮磷原子單、雙鍵主鏈構(gòu)成的高分子材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)較為“易變”，可通過主鏈及側(cè)鏈引入性能各異的有機(jī)基團(tuán)，進(jìn)而獲得不同理化性質(zhì)的高分子材料[27]。因此，通過側(cè)基種類與取代基比例的控制，可調(diào)控該材料藥物控釋載體的定向識別能力；同時，利用聚磷腈?zhèn)孺湹挠H水性與疏水性設(shè)計(jì)，可控制其藥物載體的降解速率與緩釋特性[28]。基于以上特點(diǎn)，聚磷腈在組織工程支架材料的改性、構(gòu)建以及藥物控釋載體等方面具有良好的應(yīng)用前景。但該材料在合成技術(shù)與中間體的穩(wěn)定存放中存在一定難度，尚待相關(guān)研究的進(jìn)一步解決。

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，其主鏈兩側(cè)基因可提供一定的藥物交聯(lián)劑，以此促進(jìn)懸浮基團(tuán)結(jié)合位點(diǎn)的調(diào)節(jié)，現(xiàn)多用于組織工程支架材料的制備中，包括骨缺損、骨結(jié)核、骨腫瘤、深靜脈血栓等疾病的醫(yī)療應(yīng)用[29]。此外，PAA 主鏈在裂解過程中可釋放大量的天然氨基酸組分，其降解產(chǎn)物均無毒性，在藥物控釋等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值[30]。目前，PAA 作為藥物控釋材料的實(shí)驗(yàn)研究已相對成熟，但真正用于臨床的報道仍然較為缺乏，單純的實(shí)驗(yàn)室參數(shù)尚無法充分驗(yàn)證其在臨床中的醫(yī)用價值。

3 總結(jié)

可吸收高分子材料在人體內(nèi)可逐漸降解進(jìn)而被吸收，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域中，包括傷口縫合線、內(nèi)固定材料、椎間融合器、人工血管以及藥物緩釋載體等裝置的制備。近年來，隨著生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)的交叉融合發(fā)展，可吸收高分子材料在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用研究也獲得了迅速發(fā)展，包括天然高分子材料與人工高分子材料。其中，脂肪族聚酯是最早被美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)用于臨床的人工高分子材料，其研究廣泛，且應(yīng)用相對成熟。同時，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當(dāng)前頗受關(guān)注的人工高分子材料，其材質(zhì)特性存在一定差異，在骨科領(lǐng)域中具有積極的應(yīng)用價值，發(fā)展前景值得期待。