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编号:10232416
可吸收及部分可吸收材料的研究进展
http://www.100md.com 《临床骨科杂志》 2000年第1期
     作者:辛景义 张铁良 万怡兆 赵欣

    单位:辛景义(天津医院骨科,天津 300211);张铁良(天津医院骨科,天津 300211);万怡兆(天津医院骨科,天津 300211);赵欣(天津医院骨科,天津 300211)

    关键词:生物相容性材料;生物降解;综述文献

    临床骨科杂志000143

    【中图分类号】 R68 【文献标识码】 A 【文章编号】 1008-0287(2000)01-0066-03

    Current concepts on absorbable and partially absorbable materials

    Xin Jingyi,Zhang Tieliang,Wan Yizhao,Zhao Xin
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    【Key words】 biocompatible materials; biodegradation;review literature

    可吸收(或称可生物降解)高分子材料的研究始于本世纪60年代。1965年人们开始尝试用可吸收材料代替传统的金属材料作为骨折内固定装置,但由于强度不够不能满足临床要求。直到80年代,随着高分子聚合技术和塑料加工技术的发展尤其是纤维增强技术的引进,才使其应用于临床成为可能〔1〕。90年代后可吸收材料已在国内外得到广泛应用〔2~5〕。由于部分可吸收材料〔6〕(如碳纤维增强可吸收聚合物复合材料)是生物相容的,因此,同完全可吸收材料一样,骨折愈合后也不必二次手术取出,而且在机械性能及降解速率方面似乎更具有优势,尤其是在治疗负重骨和长管状骨方面更具有发展前途。

    1 机械强度及降解速率的研究

, http://www.100md.com     足够的强度和适度的降解速率是生物降解内固定物必备的基本条件。聚左旋乳酸(PLLA)是一种完全可吸收的生物降解材料,已研究的PLLA的强度范围为57~145 MPa,剪切强度为53~61 MPa〔7〕。Leenslag研制的多孔PLLA其初始断裂强度为68~75 MPa,8周时强度下降10%,12周时下降40%。因此PLLA只能适用于网状骨和非承载骨的骨折内固定中。Yamamuro等〔2〕应用PLLA螺钉治疗关节内松质骨骨折和用于植骨块固定,钉断裂12例,占8%。Suuronen等〔8〕研制的SR-(PGA/PLA)自身增强可吸收复合材料纤维和基质是一种聚合物,其初始强度为250 MPa,是网状骨的20倍,而未增强的PGA/PLA强度虽可达到150 MPa,但脆性大,而SR-(PGA/PLA)韧性却很强。为了降低SR-PGA复合材料的降解率,提高其强度的保持性能,采用表面涂一层缓慢降解聚合物的方法已获成功。在进行了广泛的动物实验后,SR-PGA可获得极高的强度,由烧结法和拉拔技术得到的SR-PGA强度可达405 MPa。由SR-PGA制成的内固定板已用于人体踝骨、胫骨、髌骨、肱骨、桡骨、鹰嘴和股骨头等骨折的内固定〔2,4,9〕
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    半聚合复合材料是研究最广泛的一类可完全吸收的复合材料之一,Ibnabddjalil等[10]研究使用CAP纤维表面等离子喷涂来提高CAP/PLLA界面剪切强度,结果表明,等离子喷涂使CAP纤维的拉伸强度从375 MPa±48.27 MPa提高到432 MPa±51.5 MPa,界面剪切强度提高30%。CAP纤维的降解速度降低,界面的吸水作用减弱,但喷涂没有影响CAP纤维的降解特性。碳纤维增强可吸收聚合物复合材料又称为部分可吸收的复合材料。Zimmerman等使用长碳纤维,使之±45°交叉排列,并采用计算机进行理论设计,制备出C/PLA复合材料。无孔的C/PLA板的强度和模量分别为402 MPa和124GPa,与纯PLA(109 MPa和61 GPa)相比强度提高了3倍。体外降解试验表明,机加工螺孔的复合材料板4周时,弹性模量降低了9%,这是由于机加工使纤维与体的界面露于降解介质中,使界面的吸水作用增强所至。界面是影响复合材料韧性和对生理环境响应特性的主要因素,因此对碳纤维聚合物复合材料表面进行涂覆可降低复合材料的降解速度。C/环氧树脂具有优良的生物相容性。Williams等比较了相同形状的不锈钢(弹性模量为210 GPa)与C/环氧树脂复合材料(弹性模量为65GPa)板在固定股骨8个月后,通过显微光密度计法观察了骨质疏松的发展情况,发现不锈钢板下骨矿物质大量丢失,而复合材料所引起的骨矿物质丢失要少得多。体内试验结果表明,AO板即不锈钢和钛合金板组(133例前臂骨折中)板断裂3%,松动6%,骨不连5%。而C/环氧树脂固定组(40例前臂骨折中)所有骨折均愈合。因此,Pemberton等〔11〕曾使用C/环氧树脂治疗疑难骨折,取得了良好效果。
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    2 生物相容性及伴发感染的研究

    可吸收及部分可吸收物的生物相容性是能否在临床应用的重要根据。不同材料炎症的反映程度不同,Bostman等〔12〕1992年报道使用聚内交酯接骨板、螺钉固定踝部骨折19例,术后9例(47%)发生了炎性反映,而使用聚乙二醇酸或聚乙二醇酸与聚丙醇酸共聚材料制成的内固定物感染率为1.7%,7.9%晚期发生非感染性组织反应。由于PGA聚羟乙酸水性聚合物可增强植入物隧道内的渗透压,使骨内压进一步增高,因而发生骨质溶解。而PLA丰富的甲基团使其具备疏水性,所以很少发生骨质溶解症〔13〕。炎症反应大多发生在可吸收材料的部位,但其发生率随着植入的解剖部位不同而有所差异。桡骨远端和舟骨发生率最高为25%,踝部最低为4%~8%,可能与局部组织耐受性和骨的清除能力有关。也有人认为与异体反应关系不大,可能是其他理化因素引起。

    此外,降解速率也是决定炎性反应和程度的重要因素。相似的材料当降解速率过快、降解产物浓度过高时,就会表现出炎性反应;浓度降低时,则表现出良好的生物相容性。PLA降解后最终转归和PGA相同,但降解速度比PGA更慢。强度保持时间是PGA的3~10倍,迟发性无菌性炎症反应、窦道形成和骨质溶解等并发症也显著减少。体内降解的研究发现,PLA的异体聚左旋乳酸(PLLA)降解更慢,在32周~4年之间。在超微结构观察中发现降解产物对炎性细胞有趋化作用,从植入体上脱落,随即被巨噬细胞的吞噬活动或后期被巨细胞的溶解活动所消除,没有发现急性和慢性的炎症反应。因此适当降低生物内固定物的降解速率能防止炎症反应的发生〔14〕。1995年Bostman用PLLA治疗51例踝部骨折患者,随访52个月,50例愈合,1例22个月后发生轻度暂时性皮下肿胀,均无窦道。
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    可吸收及部分可吸收材料生物相容性和伴发感染的因素除了化学成分、降解速率外,还包括异物反应和材料的表面自由能、表面电荷、空隙、植入位置以及植入体形状等等。一般认为,伤口感染的发生取决于伤口的性质、手术时的消毒和宿主的抵抗能力。异物的影响一直未受重视,随着对生物材料的研究深入,特别是部分可吸收材料的临床应用,异物对伤口感染的影响就显得更为重要,异物的存在影响宿主的免疫机制,同时也影响诱发感染的最低细菌数量。动物试验发现,当有异物存在时,浓度为102 cfu的金黄色葡萄球菌就会引起感染,而无异物存在时,浓度达106 cfu的金黄色葡萄球菌也不会引起感染〔15〕。细菌在生物材料表面的粘附首先受生物材料的影响。Gristina等〔16〕在对金属和聚合物的体外细菌试验时发现,凝固酶阴性球菌优先在聚合物表面粘附、繁殖,而凝固酶阳性球菌优先在金属材料表面粘附、繁殖。因此,凝固酶阴性球菌是聚合物细菌感染的主要原因。Harkes等人的研究表明,具有正电位且表面带正电荷的聚甲基丙烯酸酯表面粘附的大肠杆菌数量比具有负电位表面带负电荷或不带电的聚甲基丙烯酸酯表面粘附的细菌数量要多,并指出静电作用是影响细菌粘附的重要因素。Hunt等〔17〕认为生物材料的表面形貌对细菌的粘附亦有影响,粗糙的表面可增强细菌的粘附数量。与生物材料相似,不同的细菌由于具有不同的分子结构(如膜的糖蛋白粘附素、菌毛和受体等)和不同的表面特性(如电位、表面电荷、亲水性等),其在材料表面的粘附行为也不相同。Verran等研究了8种细菌,指出细菌本身的疏水性影响细菌的粘附性能,高疏水性细菌的粘附数量高于低疏水性的细菌。细菌的粘附性还与细菌的细胞外粘液有关,粘液促成的粘附过程被认为是表皮球菌引发感染的关键所在。总之在设计内固定生物材料时,不仅要考虑材料的生物相容性、可吸收性、遮挡效应等,更要考虑材料的细菌粘附能力,也可称之为细菌相容性〔18〕,并应把细菌相容性作为生物相容性的一个重要内容。在预防感染方面,除了净化手术室的空气、使用紫外线消毒、术前术中使用抗生素外,在内植物材料内加入已灭菌的药物(如青霉素、棕榈酸新霉素、氨磺酰)和消毒剂(如氯化碘乙酯和碘)也取得了一定的效果,但远不能令人满意,主要原因是由于其疗效短且杀菌范围窄。近年来许多学者利用银及其化合物制作抗菌粘附生物材料(即在生物材料表面涂覆一层结合良好的银涂层)是预防感染的有效方法〔19〕。到目前为止尚无更为有效的防止感染方法,有人设想利用原生细菌来抑制致病菌的生长和繁殖,驱动有效的免疫反应以抑制或防止感染发生,或设计能与可降解生物材料共存的药物释放体系等,人们正期待着新一代可降解内固定材料的诞生。
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    作者简介:辛景义(1956-),男, 副主任医师,科主任。 研究方向:创伤骨科

    张铁良(1937-),男, 主任医师,副院长。研究方向:创伤

    参考文献

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    1998-12-08收稿,1999-10-10修回, 百拇医药