可生物降解的材料有天然高分子、生物合成高分子、人工合成高分子、生物活性玻璃、磷酸三钙等。天然高分子均为亲水性材料,如胶原、明胶、甲壳素、淀粉、纤维素、透明质酸等,它们在人体内的降解速度与材料在人体生理环境下的溶解特性有关。例如明胶分子能够溶于与体液相似pH 值为714 的生理盐水中,因而必须先进行交联才能作为材料在人体中使用[4~6 ] ,其交联产物在人体内降解2溶解的速度很快,几天内就可被人体完全吸收。与此相对应,在正常生理环境下不溶解的天然高分子,如甲壳素(在酸性环境下溶解) [7 ] ,其降解速率就要慢得多。 磷酸三钙具有良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性,是理想的人体硬组织修复和替代材料,在生物医学工程学领域一直受到人们的密切关注。医学上通常使用的是磷酸三钙的一种特殊形态—β-磷酸三钙。
β-磷酸三钙主要是由钙、磷组成,其成分与骨基质的无机成分相似,与骨结合好。动物或人体细胞可以在β-磷酸三钙材料上正常生长,分化和繁殖。通过大量实验研究证明:β-磷酸三钙对骨髓造血机能无不良反应,无排异反应,无急性毒性反应,不致癌变,无过敏现象。因此β-磷酸三钙可广泛应用于关节与脊柱融合、四肢创伤、口腔颌面的外科、心血管外科,以及填补牙周的空洞等方面。随着人们对β-磷酸三钙研究的不断深入,其应用形式也出现了多样化,幵在临床医学中体现了较好的性能。
梁戈等通过实验发现其溶血程度<5%,当β-磷酸三钙被植入人体内后,其在体液中能发生降解和吸收,钙、磷被体液吸收后进入人体循环系统,一定时间后植入人体的β-磷酸三钙逐渐溶解消失,形成新骨。
Arai等利用β-磷酸三钙多孔陶瓷填充8~15cm 的腓骨节段缺损,获得了腓骨再生。平均术后2个月即可达到重建。不会发生踝关节及胫骨的移位。
郑承泽等将β-磷酸三钙与自体骨髓复合应用于临床,修复包括肿瘤性骨缺损和陈旧性骨折骨缺损,经术后调查,结果显示植入材料的成骨作用明显,说明β-磷酸三钙与自体骨髓复合是一种治疗骨缺损理想的方法。
张汉东等将磷酸三钙陶瓷用于修复兔下颌骨缺损,研究表明,植入后局部组织无明显炎症等反应。
张建设等将两种不同组成的β-磷酸三钙陶瓷植入免颌骨人工缺损区,掺杂的磷酸三钙陶瓷降解速度较慢,但具有较好的生物相容性。
张亮等利用β-磷酸三钙/DL—PLA 作为一种新型治疗骨缺损的材料,研究表明其降解特点有利于骨组织细胞长入。
Mitenmuller 等利用带微孔的陶瓷颗粒作为抗结核药及抗菌素的载体,填塞至骨髓炎患部,缺损骨基本修复。
生物合成高分子是一类由细菌发酵产生的聚酯高分子,其最具代表性的例子是聚(β2羟基丁酸酯) [8~9 ] (PHB) 。该材料的降解速率与一种称为PHB 降解酶的存在密切相关[10 ,11 ] ,在海洋,土壤等富含PHB 降解酶的自然环境下,材料能够被较快地降解[12~14 ] ;在与体液相似的缓冲溶液中,因为缺乏PHB 降解酶,而PHB 又是一种高结晶度的材料,疏水性强,因而其降解速率就非常缓慢[15~17 ] 。PHB为热塑性聚酯,物理性质与结构与聚丙烯相似(熔点、玻璃态温度、
结晶度、抗张强度等。)化学结构规整。结晶度高达60~80%,相对密度大、透氧率低、抗紫外线照射、具光学活性,但易脆、易断裂。医药上:外科缝线、肘钉、骨骼替代品、血管替代品。单体的分解:单体进入细胞内,参与细胞的能量和物质代谢 ,进一步被分解、转化、最终生成二氧化碳和水。PHB的链越长,分解越慢。
与以上两类材料的降解行为相比,人工合成高分子的降解速率有较大的变化。短的为一个月左右,长的可以达到几年;降解模式和特性也有着更为丰富的内容。人工合成高分子主要有脂肪族聚酯包括聚乳酸(PLA) 、聚乙醇酸(PGA) 、聚己内酯(PCL) 、聚酸酐以及它们之间的共聚物等。在降解速率方面,聚酸酐的降解速率普遍高于聚酯[18 ] ;聚酯中,材料的降解速率随其亲水性的增加而增快,其中聚乙醇酸降解速率最快,约为一个月左右,聚乳酸次之,大约需要三到六个月,聚己内酯最慢,需要几年左右[19 ] 。在降解模式方面,聚酯与聚酸酐也明显不同。聚酸酐的降解先从材料的表面进行,在表面部分材料被降解后,再逐渐深入到内层[20~24 ] ;聚酯则是本体降解行为,降解同时发生在材料的外部和内部[25~27 ] 。此外,就聚酯材料而言,线形分子和网状分子材料的降解特性也不一样。线形材料的降解速率与重量损失不成线形关系,材料的机械强度在其失重很小时就发生大幅度的衰减;相比较而言,网状材料的降解行为更为理想一些,材料的机械强度的衰减与其重量损失成近似或良好的线形关系[28~32 ] 。
生物活性玻璃(BG) 是含硅、钠、钙、磷四种元素氧化物的无机活性材料,能够引导骨生长,幵能与周围骨组织形成良好的键合作用[33~34] 。BG的降解是含硅和钠的离子逐渐被溶解,而含磷和钙的离子重新沉积的过程。对于尺寸为300~350μm的活性粒子来说,含硅和钠的离子从外到内全部被置换完需要一年左右,而内
生物可降解材料
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