聚乳酸/石墨烯基抗菌復(fù)合材料在骨修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展*

劉菲菲，王香云，邱淑銀，石海峰，周佳盼，郭 哲

(昌吉學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，新疆 昌吉 831100)

引言

由于交通、意外等引起的骨缺損已經(jīng)成為了威脅人類的健康的問題之一。骨是一種活躍的組織，具有一定的自我修復(fù)能力。但當(dāng)受到大面積損傷時(shí)，無法進(jìn)行自我修復(fù)。自體骨和異體骨移植最為常見的治療方法，但存在供體少、免疫排斥反應(yīng)等問題。尤其是對(duì)于高齡人口，骨組織相比于年輕人來說，要脆弱許多，在活動(dòng)中跟更容易造成骨組織損傷。隨著科技和人類生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，骨移植材料的不斷更新，人對(duì)身體健康的重視，使得骨移植材料的選擇成為了關(guān)注點(diǎn)。

目前最常用的的骨移植材料是有自體骨和異體骨，自體骨是指將人體的某一處的骨組織移到另一處，因此有著本身骨細(xì)胞，生長因子以及本身的骨膜，能夠更好的使細(xì)胞增殖和分化，有著很好的生物相容性，因此被稱作治療骨缺損的黃金標(biāo)準(zhǔn)[1]，但是自體骨也有著很多不足，它在使用中有著也多的并發(fā)癥，例如提供自體骨的區(qū)域痛疼痛，切口處的感染，并且其骨量緊缺的不足[2-3]；異體骨結(jié)構(gòu)與自體骨相似，由于其來源充足，有著良好的性能，使其成為了骨修復(fù)材料的備用之一，然而其存在易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，甚至導(dǎo)致疾病傳播等問題。為了解決這些移植物的局限性，在過去的幾十年里，研究者們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了組成、結(jié)構(gòu)和功能與天然骨相似的仿生人工骨材料。為了提高人工骨材料的廣泛應(yīng)用，理想人工骨應(yīng)具備良好的生物相容性、力學(xué)性能，植入人體后可以促進(jìn)細(xì)胞增殖、新骨生長及優(yōu)異的抗菌性等特性。

1 人工骨

1.1 人工骨材料需滿足的特性

人工骨材料作為骨骼缺損的修復(fù)材料必須具有如下生物學(xué)特征：生物學(xué)相容性，指將人工骨材料移植到人體后，并沒有造成生物學(xué)方面的免疫排斥；良好的可降解性，人工骨材料可以在人體中降解，不需要二次取出，并不會(huì)對(duì)病人新骨生成有負(fù)面影響，同時(shí)也可以通過體內(nèi)自行吸收和排除體外產(chǎn)物；具有合適的孔隙率與表面特征，這可以使仿生人工骨材料與骨的成份、構(gòu)造與特點(diǎn)更契合，同時(shí)生物學(xué)骨骼結(jié)構(gòu)上一定的孔徑和孔隙率也更加便于物質(zhì)轉(zhuǎn)移；骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)特點(diǎn)，這樣可以利于相鄰骨生長和引導(dǎo)相鄰組織骨髓干細(xì)胞分解為成骨細(xì)胞等[4-5]；抗菌性，良好的抗菌性是植入成功的關(guān)鍵，因?yàn)榧?xì)菌感染可能會(huì)導(dǎo)致身體出現(xiàn)炎癥甚至有更大的影響等；所以，具有生物相容性、降解性能、力學(xué)性能、抗菌性能等性能的人工骨材料是目前骨修復(fù)材料的研發(fā)熱點(diǎn)，將進(jìn)一步在臨床應(yīng)用發(fā)揮其更大的作用。

1.2 人工骨材料的分類

人工骨材料可以分為以下四種，包括金屬材料、無機(jī)非金屬基材料、無機(jī)高分子材料和復(fù)合材料[6]。最早研究的人工骨修復(fù)材料是金屬，它能夠滿足人體重要負(fù)重部位的骨缺損填充以及力學(xué)支撐，具有優(yōu)異的力學(xué)特點(diǎn)，抗腐蝕、耐磨損性能好、易加工等特性，其材料主要是做為人工關(guān)節(jié)以及植入體固件等[7-8]。但同時(shí)也存在著一些弊端，由于其材料大多以金屬為主，所以會(huì)導(dǎo)致身體的炎癥反應(yīng)。由于不具有生物降解性能，必須進(jìn)行二次手術(shù)，從而可能加重患者心理負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。相對(duì)于金屬，無機(jī)非金屬材料具有優(yōu)異的生物相容性、骨整合能力和良好的骨傳導(dǎo)性能。由于其具有高生物相容性，所以不會(huì)出現(xiàn)免疫排斥反應(yīng)，同時(shí)還可以促使骨缺損處組織重生。不同的材質(zhì)組分有不同的的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。例如：生物玻璃植入人體后與體液發(fā)生一系列離子反應(yīng)，與骨組織形成更為牢固的化學(xué)鍵合；生物陶瓷，其物質(zhì)成分與天然的人骨骼的無機(jī)成分相同，具有良好的骨傳導(dǎo)能力。但是無機(jī)非金屬材料不易直接加工為所需樣品。然而，高分子材料的出現(xiàn)，在很大程度的克服了上述問題，因?yàn)楦叻肿硬牧蟻碓磸V泛，并且很容易按照臨床需要調(diào)整理化特性和生物力學(xué)特性，同時(shí)還具有良好降解性能和機(jī)械性能、以及生物相容性，而且加工更方便，甚至可以達(dá)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為基底材料應(yīng)用較為廣泛。因?yàn)镻LLA有著高分子基復(fù)合材料的很多優(yōu)點(diǎn)：易于加工、較好生物相容性、較高的力學(xué)強(qiáng)度和不錯(cuò)的耐磨損性質(zhì)。然而，高分子材料也有許多的缺點(diǎn)，它的親水性差、降解速率不可控，親水性差會(huì)影響細(xì)胞的增殖，從而影響新骨的生長，降解速率不可控會(huì)使得新骨的增長速率與降解速率之間不平衡，并且降解后的酸性降解產(chǎn)物極大可能會(huì)引起無菌性炎癥反應(yīng)[11]。復(fù)合骨材料，是指無機(jī)與有機(jī)材料按照不同配比復(fù)合，使其兼具各組成材料的特點(diǎn)，同時(shí)也有機(jī)會(huì)形成新的各組成不具備的特點(diǎn)，同時(shí)利用不同種材料的復(fù)合，使新材料具有優(yōu)異的可降解性、超高機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、易于加工處理等優(yōu)勢(shì)[12]。對(duì)比于其他材料而言，PLLA高分子基復(fù)合材料由于具有綜合優(yōu)異的性能成為了近年來骨組織材料領(lǐng)域重要的研究對(duì)象。

聚乳酸，也稱為聚丙交酯，它主要是采用乳酸為主體原材料采用聚合的方法加工獲得的聚酯類高分子，也是一種新型的生物降解材料。其具備生物降解性能和生物相容，并且其制備工藝簡(jiǎn)單，原料也便于得到，其原料為淀粉，所以其成本較低，并且其單體為乳酸，容易分解，分解產(chǎn)物H2O和CO2，對(duì)自然環(huán)境和人類沒有污染，是公認(rèn)的環(huán)境友好型材料，因?yàn)樗己玫男阅?，可用于人體骨修復(fù)，人工支架，骨釘，以及免拆出的手術(shù)縫合線[13]。但是PLLA也有許多的不足，由于其機(jī)械性能差，功能單一以及抗菌性不足等原因，使得其在臨床醫(yī)學(xué)骨修復(fù)中受到了很大的限制。因?yàn)樵谶M(jìn)行臨床治療的骨修復(fù)植入物，其最主要的隱患就是手術(shù)區(qū)骨骼形成的感染，因?yàn)楣趋佬纬傻母腥究赡軙?huì)使得手術(shù)失敗的危險(xiǎn)性增加，甚至有可能導(dǎo)致病人截肢的危險(xiǎn)性，而骨形成感染也往往是由細(xì)菌侵染所導(dǎo)致的，因此，骨骼形成修復(fù)的臨床應(yīng)用學(xué)者們也開始致力于研發(fā)添加抗菌制劑以此來增強(qiáng)PLLA的抗菌活性，使得它在臨床研究上有著越來越廣闊的使用前景。

2 抗菌

任何外科手術(shù)干預(yù)，尤其是骨生物材料的植入，都有生物材料相關(guān)感染或假體周圍關(guān)節(jié)感染的風(fēng)險(xiǎn)，給人們健康帶來傷害?？咕鷦┚哂幸志蜌⒕淖饔?，能有有效的防止有害微生物的產(chǎn)生，由此可見，制備具有抗菌性能的抗菌材料在臨床骨修復(fù)領(lǐng)域十分重要。隨著近幾年全球疫情的影響，人們對(duì)于抗菌方面有了新層次的認(rèn)識(shí)，如何同時(shí)滿足抗菌藥物的長效性、穩(wěn)定性、持久性、化學(xué)穩(wěn)定性以及成本較低、工藝與制備路線簡(jiǎn)便，是今后抗菌新藥的重點(diǎn)研發(fā)方向?？咕鷦┌凑湛咕绞娇梢苑譃榛瘜W(xué)抗菌和物理抗菌。

2.1 化學(xué)抗菌

化學(xué)抗菌性主要通過抗生素來防止感染，但各種抗生素都已被證明可用作在人類骨骼手術(shù)中，面向骨感染缺損的緩釋用藥。例如四環(huán)素類藥物就有對(duì)抗微生物、抗膠原酶以及形成細(xì)胞纖維的功能，而Martin[14]等人研究得到，添加膠原、米諾懷素和檸檬鹽羥基磷灰石納米顆粒的3D打印PLLA人工骨架對(duì)金黃色葡萄球菌有抗菌作用。Semyari[15]等研究通過化學(xué)共沉淀技術(shù)，生產(chǎn)含有10%強(qiáng)力霉素的羥基磷灰石納米顆粒，并將之加入在膠原溶液中，最后采用冷凍澆鑄工藝生產(chǎn)成余孔的人造骨骼支架。通過將骨架做體外實(shí)驗(yàn)，也證明了，這種支架對(duì)金黃黃葡萄球菌和銅綠假單胞菌都有作用。萬古霉素同時(shí)也是防治耐甲氧西林葡萄球菌(MRSA)的首選藥，Zhou[16]等用將含有萬古霉素的多孔二氧化硅納米粒子組裝在明膠多孔支架，并發(fā)現(xiàn)能控制金黃色葡萄球菌生長發(fā)育。并且，復(fù)合支架對(duì)骨細(xì)胞的生長與分化也很顯然有益，表明了其具備優(yōu)異的生物相容性能力。還有喹諾酮類藥物也是防治骨質(zhì)感染的的有效抗生素，且對(duì)敏感性較低，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)纖維制備基質(zhì)所制備出的一個(gè)全新骨組織工程支架，在這個(gè)支架上涂覆環(huán)丙沙星，他們的試驗(yàn)結(jié)果表明了這個(gè)復(fù)合支架還是具備了對(duì)骨誘導(dǎo)和抗菌的能力。并且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該支架對(duì)金黃黃葡萄球蟲和腸道菌株有著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，可以使得骨缺損部位的感染率降低并加快組織修復(fù)，但是抗生素的使用存在一些固有缺點(diǎn)。首先，抗生素會(huì)對(duì)肝臟和腎臟等器官產(chǎn)生毒性，這種現(xiàn)象稱為全身毒性。第二，在感染發(fā)生后才使用抗生素，在治療開始時(shí)，可能已經(jīng)形成了生物膜，這意味著需要更高劑量的抗生素才能消除感染。第三，也是最重要的是，細(xì)菌能夠突變并產(chǎn)生對(duì)抗生素的抗性。這意味著抗生素變得無效，這需要不斷開發(fā)新的抗生素。新抗生素的引入是昂貴且緩慢的過程，而且，這只是暫時(shí)的解決方案，直到細(xì)菌對(duì)新化合物產(chǎn)生耐藥性為止[19-21]。為了解決這個(gè)問題，我們將焦點(diǎn)也就轉(zhuǎn)向了物理抗菌方面，物理抗菌不同與化學(xué)抗菌，它是利用以共價(jià)鍵和小纖維分子相互接枝的方法，依靠其所形成的微電場(chǎng)力滅抑了病菌，伴隨著物理抗霉科技的誕生，更有效的幫到了人體對(duì)抗有害細(xì)菌的入侵。

2.2.1 石墨烯

在過去的幾十年中，在各種碳納米粒子中，石墨烯因其獨(dú)特的性質(zhì)而成為研究最廣泛的納米材料之一。石墨烯是二維(2D)納米粒子，其包含填充在具有sp2雜化的蜂窩晶格中的單層碳原子。石墨烯及衍生的納米粒子具有優(yōu)異的機(jī)械、電、熱和化學(xué)特性，引起了人們對(duì)開發(fā)石墨烯基生物材料的濃厚興趣，其中包括藥物和基因傳遞、成像和組織工程等方面的應(yīng)用[22]。由于它擁有著很好的生物相容性，不會(huì)對(duì)組織細(xì)胞有生物應(yīng)激反應(yīng)。其次，可以對(duì)其進(jìn)行改性，使其的親水性和抗菌性得到提高，以滿足我們的需求，并且在此過程中不會(huì)添加其他表面活性劑，進(jìn)而導(dǎo)致保證其不會(huì)對(duì)人體有其他的危害，使其成為多種復(fù)合材料的重要組成部分，成了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱門。

通過研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯及其衍生物既具有天然的抗菌活性，又具有自身的抗菌機(jī)理[23-24]。從抗菌機(jī)理上分析，石墨烯可以通過用物理和化學(xué)的二個(gè)方法消毒、抗菌。石墨烯抗菌機(jī)理有三個(gè)機(jī)制[25]：石墨烯的納米片會(huì)對(duì)細(xì)菌的膜造成物理損傷；氧化應(yīng)激：石墨烯產(chǎn)生的活性氧(ROS)對(duì)細(xì)菌的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)有害，在脂質(zhì)和蛋白質(zhì)失活后，細(xì)菌不能再增殖；電子轉(zhuǎn)移：可以通過將電子從微生物膜轉(zhuǎn)移到石墨烯表面而產(chǎn)生抗菌活性，而不是來自ROS介導(dǎo)的損傷。由于石墨烯具有的比表面積很大，所以經(jīng)常被作為抗菌復(fù)合物載體，并和金屬氧化物等抗菌材料結(jié)合，從而避免了物料團(tuán)聚問題的出現(xiàn)，達(dá)到了協(xié)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為原材料，通過Hummers技術(shù)[26]提取GO，在進(jìn)一步使用超聲波剝離獲得GO，GO與Graphene相比，有含氧基團(tuán)，可以作為活性反應(yīng)的位點(diǎn)，石墨烯非常的穩(wěn)定，而GO的化學(xué)性質(zhì)較為的活潑，因此我們用其制取有特殊性能的功能性石墨烯。還原氧化石墨烯(rGO)是由GO派生而來，但是由于二者之間的化學(xué)構(gòu)造存在著明顯的不同，GO的充氧官能團(tuán)濃度要高于rGO，所以，GO的結(jié)晶質(zhì)量也要比rGO的質(zhì)量要差一些。另外，二者也由于其化學(xué)構(gòu)造差異的原因使得它們具有著不同的理化特性。比如，rGO的光吸收率高，電導(dǎo)率要比GO的好[27]。氟化石墨烯(fluorinated graphene，F(xiàn)G)FG是通過用GO進(jìn)行氟化反應(yīng)而得到，這是一種全新的石墨烯衍生物，不僅在保持了石墨烯它原本的優(yōu)點(diǎn)，并且在隨著氟分的加入，有了石墨烯原本沒有的優(yōu)點(diǎn)，比如：更為良好的疏水性，以及表面能降低等[28]。

3 聚乳酸/石墨烯基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用

隨著石墨烯基復(fù)合材料(Graphene composites)進(jìn)入到人們視野中，研究者開始試著通過將石墨烯與其他材料進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而得到各種不同性能的復(fù)合材料。隨著不斷研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯獨(dú)特的性能，通過不同的方法，將聚乳酸和石墨烯及其衍生物復(fù)合材料的性能也有著顯著且不同的提升，不僅滿足了在不同的應(yīng)用中的需求，且得到的新的復(fù)合材料將其在醫(yī)學(xué)骨修復(fù)方面的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，使其擺脫了在骨修復(fù)手術(shù)中骨材料的供給問題以及術(shù)后感染問題，極大程度避免了二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和不利影響等。

Hu[29]等發(fā)現(xiàn)在含有大腸桿菌的培養(yǎng)基中加入GO或者RGO，培養(yǎng)皿中的大腸桿菌的新陳代謝能力會(huì)下降。Liu[30]等揭示了GO的衍生物會(huì)貼附于細(xì)菌的表面，進(jìn)而破壞其細(xì)胞膜。Tu[31]等深入研究發(fā)現(xiàn)Graphene或GO能夠插入大腸桿菌細(xì)胞膜的磷脂雙層，進(jìn)一步抽取大腸桿菌的細(xì)胞器以及細(xì)胞質(zhì)進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)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做抗菌劑來制成抗菌PLLA/GO復(fù)合材料是可行的。

林雪梅[33]通過運(yùn)用溶液混合法將GO和PLLA結(jié)合，發(fā)現(xiàn)合成的復(fù)合材料生物相容性良好，并且能夠極大的促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化，也對(duì)細(xì)胞的增殖與遷移起到了促進(jìn)作用。

Arriagada P[34]等人研究表明，與原始聚乳酸相比，PLLA//GO復(fù)合材料和PLLA/熱還原氧化石墨烯(TrGO)復(fù)合材料表面更親水。與PLLA相比，在氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，氧化石墨烯抑制了細(xì)菌的增殖，提高了40%的細(xì)胞粘附，無細(xì)胞毒性作用。此外，通過電刺激，PLLA/TrGO復(fù)合材料的抗菌行為顯著增強(qiáng)。PLLA//TrGO復(fù)合材料的細(xì)胞粘附性與PLLA無顯著性差異。因此，本研究顯示了PLLA/石墨烯衍生物復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的良好效果。

Pal N[35]等人在PLLA中通過溶劑澆筑法結(jié)合了了纖維素納米晶(CNCS)和還原石墨烯氧化物(RGO)，研究發(fā)現(xiàn)，制備得到的PLLA / CNC / rGO納米復(fù)合膜對(duì)革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性大腸桿菌具有獨(dú)特的抗菌功效。此外，體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)顯示，在納米復(fù)合膜處理成纖維細(xì)胞株(NIH-3T3)時(shí)，細(xì)胞毒性可以忽略不計(jì)。

HuangY[36]等人將負(fù)載ZnO納米顆粒的氧化石墨烯(GO-ZnO)通過溶液共混法與PLA混合，紫外-可見光譜和抗菌測(cè)試結(jié)果表明，制備的PLLA / GO-ZnO納米復(fù)合膜在極低的負(fù)載下具有較強(qiáng)的抗紫外線能力和抗菌能力。

Gu X[37]等人通過靜電紡絲成功制備了不同GO含量的聚乳酸(PLLA)/聚(碳酸丁二酯)(PBC)/氧化石墨烯(GO)納米纖維膜。結(jié)果表明，PLLA/PBC/GO復(fù)合納米纖維薄膜的抗菌活性遠(yuǎn)高于純PLLA/PBC納米纖維薄膜。同時(shí)，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性也略高于大腸桿菌。

Athanasoulia I[38]等人通過熔融擠出制備GO / PLLA納米復(fù)合材料，避免了對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的有機(jī)溶劑潛在殘留的毒性。摻入0.8 wt%的GO的PLLA復(fù)合材料具有良好的熱機(jī)械性能并有效地抑制了大腸桿菌細(xì)菌附著和增殖。在模擬的陽光照射下，此效果比在黑暗中更顯著。

An X[39]等人通過靜電紡絲工藝制備PLLA / PU / GO復(fù)合纖維，制備的材料具有良好的生物相容性，GO的添加不會(huì)破壞正常細(xì)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復(fù)合材料使其對(duì)環(huán)境和臨床應(yīng)用具有吸引力，也為組織工程的未來應(yīng)用提供了候選。

4 結(jié)論

近幾十年以來，人工骨材料PLLA因?yàn)榫哂辛己玫目缮锝到庑郧医到猱a(chǎn)物無毒，避免二次取出麻煩等優(yōu)點(diǎn)成為了科研人員在骨缺損修復(fù)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，PLLA由于抗菌性和親水性差等限制了其臨床應(yīng)用。石墨烯及其衍生物優(yōu)異的生物相容性、親水性能和抗菌性，引起了人們對(duì)開發(fā)石墨烯基生物材料的濃厚興趣。因此，研究者們致力于將PLLA和石墨烯基材料結(jié)合起來進(jìn)而改善PLLA抗菌性不足等問題，使其在骨缺損修復(fù)方面的實(shí)用范圍更廣泛，為PLLA/石墨烯基抗菌復(fù)合材料在臨床上的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。