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编号:10286743
不同结构聚酯的体外生物降解
http://www.100md.com 《中国矫形外科杂志》 2000年第9期
     作者:孙磊 梁奇志 徐莘香

    单位:孙磊(第四军医大学全军创伤骨科研究所,710032);梁奇志(中国科学院长春应用化学研究所,130022);徐莘香(长春白求恩医科大学第一临床学院,130021)

    关键词:聚酯类化合物;生物降解;质量损失;凝胶渗透色谱

    中国矫形外科杂志000915

    摘 要 目的:观察自行合成的聚己内脂(PCL)、聚丙交酯(PLA)及其不同比例的共聚物己内酯/丙交酯共聚物a(PCLA2/1)、己内酯/丙交酯共聚物b(PCLA1/2)在体外模拟的不同生物环境中的降解性质,探讨环境及材料结构与生物降解性质的关系,为在不同生物环境下选用适宜的生物降解材料提供实验依据。方法:4种聚合物在血浆、胆汁、胰腺悬液中降解1~7d,观察材料的物理性状改变、测量质量损失和分子量变化。结果:在不同生物降解液中:PCL降解不明显、PLA降解最明显,PCLA2/1和PCLA1/2在不同环境中降解规律不同。结论:用不同比例单体共聚的方法获得了不同结构的生物材料,它们在不同环境中降解性质不同。
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    中图分类号 R318 文献标识码 A

    文章编号 1005-8478(2000)09-0883-03

    Biodegradation of Polyesters with Variant Structure in votro

    SUN Lei,LIANG Qi-zhi,XU Xin-xiang.

    (Trauma and Orthopaedic Institute of PLA Xian 710032.)

    Abstract Objective:To observe the degradation of polyester with variant structure in different biotic environment in vitro and investigate the relationship between structure and degradation.Method: Four kinds of polyester were synthesised with rare-earth coordinate cornpoud catalyst.Their physical property was observed.The weight loss was measured by photoelectricity balance and the molecular weight was measured by gel permeate chromatograph after 1-7 day's degradation in serum,bile and pancreas suspension.Result: The degradation of PLA but not that of PCL was obvious.PCLA2/1 and PCLA1/2 present differently in variant biotic environment.Conclusion: The ratio of monomer of copolymer can be changed in order to obtain biodegradable polymer with variant biotic behavior.
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    Key words Polyester Biodegradation Weight loss Gel Permeate Chromatograph

    目前广泛应用的生物降解材料PLA、PGA和它们的共聚物,仍存在降解速度过快、生物相容性不理想等问题[1]。本研究利用自行合成的PCL具有生物相容性好、降解速度快、力学性能好等特点[2,3],据国情,利用消旋的丙交酯价格低廉、降解速度快、生物相容性较好的特点,调节CL和LA两种单体比例,共聚合成不同性质的生物材料,以适应不同的生物需要。为省时、经济有效地观察生物材料的降解性质,本实验在体外模拟生物环境,观察材料的降解性质,探讨生物环境及材料结构对降解性质的影响。

    1 材料和方法

    1.1聚合样品的合成、制备

    (1)4种材料样品:聚己内酯(PCL);己内酯/消旋丙交酯共聚物,摩尔比CL/LA=2/1(PCLA2/1);己内酯/消旋丙交酯共聚物,摩尔比CL/LA=1/2(PCLA1/2);聚消旋丙交酯(PCL)。
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    (2)均聚物PCL和PLA采用稀土配位化合物为催化剂来制备,聚合物的分子量由催化剂与单体的比例来控制。不同的化学组成的聚己内酯/消旋丙交酯共聚物仍以稀土配位络合物为催化剂,采用顺序加料的方法来合成,共聚物的化学组成可由共聚物的单体的摩尔比及催化剂的摩尔比来调节。

    (3)聚合物膜的制取:将上述4种聚合物提纯后,分别溶于甲苯中,平面蒸发成膜。用蒸馏水浸泡脱膜。裁成1cm×1cm的正方形。并以千分之一的光电天平称重。

    1.2 3种生物降解液的制取及酯肪酶活力测定

    (1)无菌状态下取健康壮年猪胰腺腺体中央部分组织100g,研碎,加平衡液200ml,充分搅拌,过滤,制成胰腺组织悬液;取猪胆汁100ml,加生理盐水200ml,混均,过滤,制成胆汁溶液;取抗凝猪血离心,得血浆400ml。制成3种生物降解液。

    (2)测定上述溶液酯肪酶的活力:以每分钟催化产生1微摩尔脂肪的酶量为一个活力单位。测定离体后胰腺组织悬液,胆汁溶液,血浆脂肪酶在37℃酶活力随时间变化的关系。
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    1.3 不同聚酯的体外生物降解:

    取4种样品膜各7枚,称重后,分别置于无菌的10ml带盖玻璃瓶中。每种聚合物样品加入含保鲜剂的生物降解液5ml,37℃恒温水浴中静置。每隔4h,更换生物降解液。每隔24h取出每种聚合物膜1枚,蒸馏水反复冲洗,自然干燥24h。

    (1)大体观察各种聚合物的物理性状的变化。

    (2)千分之一光电天平称重。计算材料质量损失百分比。质量损失(%)=(降解前质量-降解后质量)/降解前质量×100%

    (3)Waters-410型凝胶渗透色谱,柱温35℃,柱压180pa(si),淋洗流速1 ml/min,测定不同材料降解前和降解7d后的相对分子量。

    2 结 果

, 百拇医药     2.1各生物降解液酯肪酶活力变化 血浆的脂肪酶活力在6h之前比较稳定,活力在0.25~1.50u/ml;胆汁的脂肪酶活力在20h之前比较稳定,活力在1.25~1.75/ml之间;胰组织悬液在4h之前比较稳定,活力在20u/g左右。

    2.2 聚合物在生物降解液中质量变化

    2.2.1 同一生物环境中不同材料的降解情况:①图1:在血浆中,降解最快的是PLA,第7d时质量点损失超过20%;PCLA2/1、PCLA1/2及PCL降解速度依次变慢。②图2:在胆汁溶液中,依然是PLA降解最快,第7d降解接近20%。PCLA2/1和PCLA1/2降解相差不明显。③图3:在胰腺组织悬液中,降解最快的是PCLA2/1在7d后超过20%,PCLA2/1和PCLA1/2依然相差不明显。t88401.gif (1788 bytes)
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    图1 不同材料在血浆中降解 t88402.gif (1992 bytes)

    图2 不同材料在胆汁中的降解情况

    2.2.2 同一材料在不同生物降解液中的质量损失变化(综合图1~3所示):①PCL质量损失均在零以下;随时间变化关系不大,并略有下降。说明PCL各种生物降解液不十分敏感。②PCLA2/1质量损失多数点在零以上,范围在-5%~15%之间,随时间变化稍有增加。说明PCLA2/1于7d内,在体外生物环境中发生了降解。其中胰腺组织悬液、胆汁溶液和血浆对PCLA2/1降解能力依次减弱。由于材料在早期质量损失不明显,并吸收了一些水分,重量损失呈现负值。③PCLA1/2质量损失范围由-10%到22%。在胰腺组织液中,PCLA1/2明显降解,7d时降解量高达20%以上,但胆汁溶液和血浆对聚合物降解不明显。④PLA质量损失均在0以上,范围在2%~20%左右,不同生物降解液对PLA降解的差别不明显(P>0.05)。但可见PLA在3种生物降解液中有明显的质量损失升高的趋势。t88403.gif (1984 bytes)
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    图3 不同材料在胰腺悬液中的降解情况 t88404.gif (3453 bytes)

    图4 不同材料的分子量降解情况

    2.3 聚合物膜生物降解后物理性状的变化

    ①PCL在各种环境中,无明显形状、色泽(除在胆汁溶液中染成黄色外)和性状变化。②PCLA2/1和PCLA1/2在血浆、胆汁溶液及胰腺组织悬液中均变软,发粘,有的发生与玻璃瓶壁粘结的现象,膜的弹性减弱。除在胆汁中的样品被黄染外,无肉眼可见的色泽改变。③PLA各种生物降解液中性质变化比较明显:材料的颜色变得更白,失去光泽,在胆汁中的样品同时被染成黄色;形状发生卷曲,失去弹性,逐渐变得酥脆易碎。

    2.4 不同材料的分子量变化(图4)
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    表1 不同材料的分子量变化 材 料

    降 解 前

    材料分子量

    不同生物降解液中7d后分子量降解百分比

    血浆(%)

    胆汁(%)

    胰组织悬液(%)

    PCL

    PCLA2/1

    PCLA1/2

    PLA

    12.5×105
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    1.2×105

    7.5×104

    9.3×104

    10.4

    6.7

    0.3

    1.8

    18.4

    51.7

    5.3

    11.8

    19.8
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    61.7

    6.6

    15.1

    3 讨 论

    近年来,可生物降解的高分子材料在生物医学领域中研究和应用呈现十分活跃态势,但我国在这方面的工作相对滞后[4],作者从1995年起,研究自行合成降解材料的生物性质,发现国产的PCL具有降解速度慢、力学性能持续时间长的特点,是较好的骨科内固定材料[2]。为进一步研究开发不同生物用途的可生物降解材料,作者改变CL和LA的组成比例,得到4种不同结构的物质:PCL、PCLA2/1、PCLA1/2和PLA。

    本实验选择血液、胆汁、胰液来模拟体内不同的生物环境。通过测定各种生物液体的活性及与时间变化的关系,明确这些环境中对降解起主要作用的脂肪酶在体外的活性保持时间和相应的强度,既在37℃,各降解液在离体4h之内的活力均比较稳定。为尽量保持生物液体的活性,本实验在材料降解过程中每4h更换一次生物液体,并在降解液中加入1%的保鲜剂苯甲酸钠,同时在整个降解过程中施行无菌操作。
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    目前PLA、PGA及它们的共聚物在医学领域中应用十分广泛。人们通过调整PLA和PGA单体的比率来改变材料的降解性质。由于PLA和PGA的降解主要方式是水解,PLA的水解速度较慢,在此二者的共聚物中,PLA的比率便决定了它们的降解速度。一般情况下,PLA的比例越小,共聚物降解速度越快。除单体的比率以外,单体在共聚物中的排列方式也对降解性有影响。分子排列越规整降解越慢。本实验中,PCL的降解比较缓慢,与PLA以不同比例共聚,除改变了单体的比例外,材料结构也发生了变化,因此,聚合物的降解速度发生了改变。

    可吸收的聚酯类化合物含有可水解的化学键,但在活体内除了非特异水解作用以外,共聚物的降解还取决于酶的作用。本实验的4种共聚物在血浆和胆汁的降解,由于其中酶的含量比较少,故降解速度取决于易于水解的PLA组分的含量。PLA的降解速度最快,其它依次为PCLA1/2,PCLA2/1和PCL。

    PCL的降解规律则不同于PLA和PGA。以往的研究证实,PCL的降解主要取决于环境中酶的种类和质量[4]。在胰组织悬液中,酶的浓度比血浆及胆汁中高许多,因此,除PLA的水解作用外,酯酶等对材料降解的作用便显得比较突出,因此在胰组织悬液中PCLA1/2降解速度便比PLA快一些。
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    在本实验中,材料的质量损失与分子量变化结果并不相平行。PCL的质量损失变化落后于分子量变化;在不同环境中,各种材料的量损失与分子量的变化关系也不同。提示,材料在降解过程中不同性质之间没有明显的关联。

    生物材料物理性状变化与生物应用的关系十分密切。PLA在各种生物溶液中均变脆,提示这种聚合物不宜应用于体内对弹性保持要求比较高的位置,但是,由于它随时间变化而明显地变得质地疏松,将其作为药物缓释的载体比较适宜[5]。PCLA2/1和PCLA1/2虽在3种生物体液中逐渐丧失弹性,但它们逐渐变得柔软,并能保持7d以上,这为它们在软组织中的应用提供了一些便利。我们利用共聚材料制成的膜,在防止粘连的实验研究获得了理想的结果[6],这一特性做为神经桥接、人工肠管的支架等材料时也较适宜。PCL在各种体液中始终保持物理性状不变,用作坚强支持用途的材料是比较理想的[2]

    4 结 论
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    通过改变CL和LA在共聚物的组份,获得了不同结构的生物降解材料,这些材料在不同生物环境中体现出不同的降解性质,这些因素主要是影响它们的生物用途。

    本研究获国家计委95攻关项目资助,课题编号:9612011

    作者简介:孙磊(1966-),男,黑龙江人,主治医师,现在第四军医大学全军创伤骨科研究所做博士后工作。主研方向:从事医用生物材料及组织工程相关的研究。电话:(029)3375290,E-mail:sunlei@fmmu.edu.cn。

    参考文献:

    [1] Paivarinta,Bostman,Majola,et al.Intraosseous cellular response to biodegradable fracture fixation screws made of polyglycolide or polylactide[J].Arch Orthop Trauma Surg.1993,112(2):71~4.
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    [2] 孙磊,甘志华,徐莘香,等.人工合成聚己内酯的体内降解[J]. 中华实验外科,1999,16(2):167~70.

    [3] 高景恒.加速我国医用生物材料的研究与开发[J].实用美容整形外科杂志,1998,(3)9:113~114.

    [4] Zhihua Gan,Qizhi Liang,Jie Zhang, et al.Enzymatic degradation of poly (ε-caprolactone)film in phosphate buffer solution cantaining pseudomonas lipase.Polymer Degradation and Stability 1997,56:209.

    [5] 吴宏斌.植入式药物缓释系统在骨科的研究和应用[J].国外医学*创伤与外科基本问题分册,1996,(11)17:223~226.

    [6] 张仲文,徐莘香,周 莉,等.聚己内酯/聚丙交酯膜防治肌腱粘连的实验研究[J].中华骨科杂志,1998,18(11):692~694.

    (收稿:1999-11-30 修回:2000-02-03), 百拇医药