聚乳酸基生物醫(yī)用復(fù)合材料研究進(jìn)展

李亞儒，陳 康

(南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210037)

生物醫(yī)用材料是用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織或器官，或増進(jìn)其功能的，植入活體系統(tǒng)內(nèi)或與生物活體系統(tǒng)相結(jié)合而不與生物體產(chǎn)生藥理反應(yīng)或毒理效應(yīng)的一類髙技術(shù)新型材料，在提高患者生命健康質(zhì)量、避免二次手術(shù)、降低醫(yī)療成本方面有重要作用[1]。

生物醫(yī)用復(fù)合材料由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成，一般要求具有良好的生物相容性、生物穩(wěn)定性、一定的強(qiáng)度和韌性以及良好的抑菌性能[2]。聚乳酸具有良好的生物相容性和安全性、可生物降解，被美國FDA批準(zhǔn)作為生物降解醫(yī)用材料，廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)縫合線、骨科固定材料、體內(nèi)植入材料、藥用控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，被全球公認(rèn)為新世紀(jì)最有前途的生物醫(yī)用材料[3]。

純的聚乳酸的力學(xué)性能不足；流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性較差；大分子鏈中沒有可反應(yīng)的活性基團(tuán)，親水性較差、細(xì)胞在材料表面的黏附力低[4]。對(duì)聚乳酸進(jìn)行復(fù)合改性，制作成聚乳酸復(fù)合材料可以克服純的聚乳酸的一些不足，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域有更好的發(fā)展和應(yīng)用。

1 無機(jī)非金屬/聚乳酸復(fù)合材料

聚乳酸( PLA)作為生物醫(yī)用高分子材料具有良好的生物相容性、適宜的生物降解性、優(yōu)良的力學(xué)性能和可加工性，彈性模量比金屬更接近骨組織的彈性模量，有利于骨折處愈合，且隨著骨質(zhì)的愈合逐漸降解，不需二次手術(shù)取出。但由于該材料降解后的酸性產(chǎn)物不利于骨細(xì)胞生長、不與骨骼發(fā)生鍵合、缺乏生物活性等缺點(diǎn)，常用無機(jī)非金屬材料如羥基磷灰石、硅灰石、碳纖維等和聚乳酸制成復(fù)合材料使用。

1.1 硅灰石

硅灰石是一種新型的骨修復(fù)材料，不僅具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性，而且硬度高，具有良好的抗磨損和抗壓性能。硅灰石作為無機(jī)非金屬材料也存在韌性差的缺點(diǎn)，通過和聚乳酸復(fù)合可以得到具有較好的力學(xué)性能、生物活性及生物相容性的醫(yī)用復(fù)合材料[5]。

徐梁等[6]采用共沉淀法制備得到不同硅灰石含量的聚乳酸基復(fù)合材料，然后通過熱壓成型制備得到復(fù)合物樣品，進(jìn)行了力學(xué)性能和降解性能的表征與測試。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在聚乳酸基體中引入硅灰石粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合物材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)最大值( 58. 4 MPa)，略微高于純 PDLLA 的拉伸強(qiáng)度( 55. 8 MPa) ，其他比例的復(fù)合物材料的拉伸強(qiáng)度均有一定程度的下降。

這是由于溶劑共沉淀法制備得到的硅灰石-聚乳酸復(fù)合材料兩相間通過物理方式結(jié)合，界面結(jié)合力弱，且硅灰石粒子團(tuán)聚、聚乳酸自身長鏈相互纏繞，硅灰石粒子在材料中分散度低，受到應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生界面脫附而未能引起周圍基體的屈服，增大了材料的缺陷，造成材料力學(xué)強(qiáng)度的下降。由此可見，提高無機(jī)剛性粒子和聚合物間的界面作用力是改善復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵所在。

1.2 羥基磷灰石

羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)在組成上和人體骨基質(zhì)成分相似，因而有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)作用，但是羥基磷灰石的脆性大，不能單獨(dú)制成骨修復(fù)材料。

在聚乳酸的復(fù)合材料中，羥基磷灰石顆粒與聚乳酸基質(zhì)間物理性結(jié)合，界面相容性差，因而力學(xué)強(qiáng)度不足。為了提高兩相的界面相容性，將PLLA以化學(xué)鍵合的方式修飾在納米羥基磷灰石顆粒表面的羥基上，再把修飾后的顆粒與PLLA混合制成PLLA/PLLA-gHAP復(fù)合材料[7]。這種方法有效地提高了羥基磷灰石和聚乳酸的界面相容性，改善了材料的力學(xué)性能。加入羥基磷灰石后，羥基磷灰石可降解產(chǎn)生弱堿性物質(zhì)，中和聚乳酸降解產(chǎn)物的弱酸性，更有利于成骨細(xì)胞的生長。羥基磷灰石降解過程中產(chǎn)生的Ca2+可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附，并和成骨細(xì)胞分泌的鈣基質(zhì)共同形成鈣化結(jié)節(jié)，使材料界面和細(xì)胞結(jié)合的更加緊密[8]。

中北大學(xué)課題組[9]研制出一種可以生物降解并提高PLLA的親水性、韌性和結(jié)晶性能的改性劑JMXRJ，與多種常用溶劑有良好的相容性。范麗園[9]將JMXRJ和PLLA、羥基磷灰石分別以一定比例在二氯甲烷中混合，然后使二氯甲烷全部揮發(fā)，JMXRJ作為良好的增塑劑，增加了PLLA鏈段的活動(dòng)性，使其更容易結(jié)晶。通過改性，羥基磷灰石和PLLA的界面相容性增強(qiáng)。

1.3 碳纖維

聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合材料已基本滿足骨修復(fù)材料的要求，但對(duì)于大塊骨的固定其機(jī)械強(qiáng)度尚不夠理想。碳纖維具有超優(yōu)良的力學(xué)性能，且碳纖維的加入既不影響受損骨的生長，還可以在材料降解過程中保持支架作用，醫(yī)學(xué)研究表明碳纖維存在骨組織中不產(chǎn)生排異現(xiàn)象，可避免二次手術(shù)帶來的危害[10]。

浙江大學(xué)的喬飛[11]進(jìn)一步用碳纖維增強(qiáng)聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合材料，通過溶液共混法制備碳纖維增強(qiáng)羥基磷灰石/聚乳酸三元復(fù)合生物材料。其中，碳纖維經(jīng)過濃硝酸氧化，表面粗糙度增加，提高了纖維與聚合物基體的界面結(jié)合力，得到的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。CF/HA/PLA復(fù)合材料在PBS模擬體液中浸泡3個(gè)月后，浸泡液的pH值基本不變，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別下降到初始值的30%和36%，剪切強(qiáng)度維持在190MPa左右。該三元復(fù)合體系，將碳纖維的高強(qiáng)度、聚乳酸的生物降解性和羥基磷灰石的生物活性有機(jī)地結(jié)合起來，得到既具有生物活性、又具有可吸收性和降解性的高強(qiáng)度骨折內(nèi)固定材料。

2 鎂合金/聚乳酸復(fù)合材料

鎂和鎂合金的密度和彈性模量和人骨最為接近，可以緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)。鎂在人體內(nèi)以離子的形式存在，可促進(jìn)骨細(xì)胞的形成、加速骨的愈合，過量的鎂可通過尿液排出體外，在適當(dāng)代謝下不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，有著廣闊的應(yīng)用前景[12]。但鎂合金的化學(xué)性質(zhì)過于活潑，使用過程中易腐蝕，不利于骨質(zhì)的生長愈合，可將鎂合金與聚乳酸制成復(fù)合材料可以減緩鎂合金的腐蝕過程、增強(qiáng)聚乳酸的力學(xué)性能。

劉德寶等[13]為了中和聚乳酸降解在人體內(nèi)產(chǎn)生的酸性環(huán)境，通過注塑造粒在聚乳酸中混入鎂顆粒，發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強(qiáng)度略有下降，彎曲強(qiáng)度略有升高，這是由于鎂和聚乳酸之間弱的界面作用引起的，但降解后環(huán)境的酸性得到一定程度的緩解。

董連軍等[14]通過環(huán)氧氯丙烷-丙酮混合液在鎂的表面制備了PLLA涂層，再以MgO、 Mg(OH)2為增強(qiáng)相，制備了 PLLA基復(fù)合涂層，在體外降解實(shí)驗(yàn)中，材料的降解防護(hù)能力提高，溶液酸性環(huán)境得到中和。

韋雅玲[15]采用熱壓法制備鎂合金聚乳酸復(fù)合材料，在溶于二氯甲烷中的聚乳酸中混入微弧氧化后定向排列的鎂合金絲，得到鎂合金絲增強(qiáng)的聚乳酸薄片，然后通過烘箱熱壓成型，得到鎂合金聚乳酸復(fù)合材料。鎂合金的表面處理可以顯著改善復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，微弧氧化處理鎂合金表面后，表面形成多孔結(jié)構(gòu)的氧化膜，可以和聚乳酸基體產(chǎn)生機(jī)械鎖合作用，提高了界面結(jié)合力，復(fù)合材料兩相界面平均剪切強(qiáng)度提高300%以上，此時(shí)界面斷裂面發(fā)生在聚乳酸內(nèi)部。表面處理使復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅提高，其中化學(xué)轉(zhuǎn)化鎂合金/聚乳酸復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性分別提高2.22、1.45和11.67倍。

另外，陳偉等[16]以萃取法和油浴法制備了鎂增強(qiáng)的聚乳酸-羥基乙酸共聚物復(fù)合材料，研究了不同鎂含量的復(fù)合材料的性能，發(fā)現(xiàn)降解過程環(huán)境的pH正常，不影響骨骼生長，且可以根據(jù)修復(fù)骨的位置和特點(diǎn)有效調(diào)控材料的強(qiáng)度和降解速度。

3 殼聚糖/聚乳酸復(fù)合材料

高分子材料是目前應(yīng)用于骨組織修復(fù)的一大類材料，包括聚乳酸、聚羥基乙酸以及它們的共聚物等。但這些高分子材料存在親水性差、對(duì)細(xì)胞粘附力弱、降解產(chǎn)物呈酸性等不利于細(xì)胞生長的缺陷[17]。殼聚糖是一種堿性多糖，具有無毒、無刺激、生物降解性和生物相容性的生物醫(yī)用材料，含有較多的羥基和氨基，可形成分子內(nèi)和分子間氫鍵，在發(fā)生水解時(shí)可以抑制水的滲透和擴(kuò)散，使聚乳酸的降解速率降低；且殼聚糖的降解產(chǎn)物呈堿性，可以中和聚乳酸降解產(chǎn)物的酸性[18]。

李立華等[19]以殼聚糖和聚乳酸復(fù)合制備成用作骨修復(fù)的復(fù)合材料，在保留兩者良好的生物相容性、生物活性和力學(xué)性能的同時(shí)改善了材料的加工性能。復(fù)合材料的親水性明顯提高，材料的降解速率降低，酸性環(huán)境得到中和，且復(fù)合材料在降解過程中仍能保持較好的力學(xué)性能。復(fù)合材料接種細(xì)胞懸液后，細(xì)胞迅速均勻地?cái)U(kuò)散到支架空隙內(nèi)，這表明復(fù)合材料具有較好的親水性和細(xì)胞親和性，且對(duì)細(xì)胞增殖無抑制作用、組織相容性良好、炎癥反應(yīng)低、降解速度緩慢且能保持一定的形狀和強(qiáng)度[20]。

呂洪磊等[21]則通過原位生成法和溶液共混法制備了羥基磷灰石、殼聚糖和聚乳酸三元納米復(fù)合支架材料，其具有豐富的孔隙率、良好的生物相容性和力學(xué)性能，可以通過調(diào)節(jié)三者的用量實(shí)現(xiàn)材料降解速率的調(diào)控。其中，羥基磷灰石起到骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)、與骨組織骨性結(jié)合的作用，聚乳酸起到高韌性、可加工性的作用，殼聚糖起到促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖和細(xì)胞礦化成骨的作用。

4 小結(jié)與展望

聚乳酸基復(fù)合材料克服了聚乳酸的缺點(diǎn)，將不同材料的優(yōu)良性能結(jié)合在一起，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域有重大意義。目前，聚乳酸基復(fù)合材料在生物醫(yī)用材料的領(lǐng)域的開發(fā)和研究尚處于起步階段，用于臨床的復(fù)合材料逐年增多。此類材料可根據(jù)材料植入部位的特殊要求對(duì)材料的力學(xué)強(qiáng)度、降解速率進(jìn)行調(diào)控設(shè)計(jì)，在骨修復(fù)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。確定不同力學(xué)性能、降解速率下聚乳酸基復(fù)合材料各部分的組成，以適用于不同類型的骨骼修復(fù)，進(jìn)一步完善制備工藝生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的復(fù)合材料是未來發(fā)展的目標(biāo)和方向。