生物可降解高分子材料在外科領域的應用

劉海旺，王相茹，梁 芮，楊 潔

(1.西安大興醫院 ，陜西 西安 710016; 2.西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

環境問題逐漸成為世界上多個國家共同關注的問題。日趨嚴重的白色污染對人們的生活造成了諸多負面影響。如何切實治理白色污染，是每一位環境工作者必須面對的問題。普通塑料在自然環境下降解速度極慢，殘留在土壤和水體中的塑料嚴重地破壞了生態環境，影響了生態系統的穩定性。環境領域的多數權威專家認為，尋找塑料的替代物迫在眉睫[1]。生物可降解高分子材料可以在自然條件下很快降解，其在醫藥、農業、環保、新型材料、食品包裝等領域有著廣泛的應用。根據來源，可生物降解高分子材料可分為天然高分子材料和合成高分子材料。來自于自然的生物可降解高分子材料主要來自植物和微生物，這兩類生物能夠高效地將小分子聚合為復雜的長鏈[2]。合成高分子材料的原料通常是石油的分餾產物。雖然合成生物可降解高分子材料的原料與普通塑料的原料是相似的，但是前者的分子連接方式更接近于生物體內分子的連接方式，因此，在適宜的自然條件下，前者能夠很快地被降解為對環境無毒無害的小分子。從應用的角度看，合成高分子材料的性能更好，它的發展空間比天然高分子材料更大。

1 常見的生物可降解高分子材料及特性

1.1 纖維素衍生物

纖維素衍生物是纖維素聚合物中羥基與化學試劑發生酯化或醚化反應的產物。根據反應產物的結構特征，纖維素衍生物可分為3類：纖維素醚、纖維素酯和纖維素醚酯。商業應用的纖維素酯是硝酸纖維素、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素和纖維素黃原酸酯。醚包括甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、氰乙基纖維素、羥丙基纖維素和羥丙基甲基纖維素。纖維素衍生物在外科領域之中的應用具有再生纖維素有2種：氧化再生纖維素和羧甲基纖維素[5]。氧化再生纖維素有以下特點：(1)更容易受血液影響，因此，使用氧化再生纖維素時，應先進行止血處理;(2)氧化再生纖維素具有較好的粘附性，將其應用到外科領域之中，不需要進行縫合處理，在治療10～14 d會自行降解吸收。羧甲基纖維素有以下特點：(1)組織粘附性高，無需縫合;(2)熱穩定性高,此外，羧甲基纖維素會有效地對于粘連形成進行抑制，在外科領域中的應用較為方便簡潔；(3)羧甲基纖維素具有較好的生物相容性[6]。

1.2 透明質酸鈉及其衍生物

透明質酸鈉又稱透明質酸鈉，結構如圖1所示。它是一種廣泛存在于人體內的生理活性物質，由葡萄糖醛酸和乙酰己糖組成的二糖單元聚合而成的高分子量線性粘多糖，分子量為100萬u；在水中形成具有生理pH值和離子強度的粘性和彈性溶液。它的分子形態是可變的，所以可以用更細的注射針穿過。提取透明質酸鈉中不產生炎癥的物質，稱為希隆，將10 mg本品溶于1 mL生理鹽水中，其濃稠黏度比房水或生理鹽水高20萬倍[7]。希倫的蛋白質含量小于0.5%，是無菌高純度溶液。透明質酸鈉及其衍生物在外科領域的應用具有以下特點：(1)透明質酸鈉及其衍生物在機體組織中容易擴散或降解，在集體組織中滯留時間短；(2)透明質酸鈉及其衍生物能抑制顆粒白細胞的遷移和吞噬，具有優異的抗炎作用;(3)透明質酸鈉及其衍生物可以抑制出血，減少永久附著在骨骼上的血凝塊的形成;(4)透明質酸鈉及其衍生物具有良好的生物相容性；(5)透明質酸鈉及其衍生物在外科領域中的應用，能夠在外科手術中可抑制術后粘連和纖維組織形成[8]。

圖1 透明質酸鈉Fig.1 Sodium hyaluronate

1.3 聚乳酸及其共聚物

聚乳酸又稱聚丙交酯，其結構如圖2所示。它是以乳酸為主要原料聚合而成的聚合物，屬于聚酯類。聚乳酸的形成條件是單個乳酸分子中有一個羥基和一個羧基，多個乳酸分子在一起，—OH與其他分子的—COOH脫水縮合，—COOH與其他分子的—OH脫水縮合形成聚合物。聚乳酸是完全可再生的，生產過程無污染，產品可以生物降解，在自然界可以循環利用，是一種理想的綠色高分子材料[9]。聚乳酸及其共聚物在外科領域之中應用具有以下幾點主要性能：(1)聚乳酸及其共聚物可以通過酶分解生成水和二氧化碳，其降解后不會對于環境造成污染，具有清潔性及環保性；(2)聚乳酸及其共聚物能夠調節降解速度；(3)聚乳酸及其共聚物具有極強的柔韌性；(4)聚乳酸及其共聚物具有極強的抗牽拉性能；(5)聚乳酸及其共聚物具有良好的可降解性、可吸收性和生物相容性；(6)聚乳酸及其共聚物具有較好的化學穩定性及機械性能；(7)聚乳酸及其共聚物能夠使外科手術的操作更加方便簡潔[10]。

圖2 聚乳酸Fig.2 Polylactic acid

1.4 醫用幾丁糖

醫用幾丁糖又被稱為殼聚糖，廣泛存在于低等植物真菌、藻類細胞、甲殼類蝦殼、蟹殼、昆蟲、高等植物細胞壁等。在靈芝、冬蟲夏草等植物中也含有少量的殼聚糖，含量2%～7%；其在醫學上稱為多糖的化合物。它是一種免疫激活劑，能明顯調節人體免疫功能，增強巨噬細胞的吞噬能力[11]。醫用幾丁糖是脫乙酞基的甲殼素中的一種，其在外科領域之中的應用具有以下性能特點：(1)不具有毒性，其免疫抗原性較小，具有選擇性促進上皮細胞和內皮細胞生長，抑制成纖維細胞生長的生物學特性，從而有助于促進組織的生理性修復，抑制瘢痕形成，減少組織粘連；(2)具有局部止血作用，抑制纖維蛋白束的形成，從而減少血腫組織引起的組織粘連，可以促進身體組織的生長；(3)具有鎮痛、止血消炎作用，良好的生物相容性、潤滑和生物屏障作用，能有效防止粘連。醫用殼聚糖保護關節軟骨的機理在于，殼聚糖在理化性質上與氨基多糖相似，具有粘彈性，吸收緩慢；而氨基多糖是軟骨和軟骨基質組成和代謝的基礎[12]。

1.5 膠原蛋白

膠原蛋白是一種常見的生物可降解高分子材料，由前膠原分子組成。前膠原是一種具有右旋超螺旋結構的蛋白質。每個前膠原分子由多肽鏈的右旋旋轉形成，帶有3個特殊的左旋螺旋(螺距為0.95 nm，每個螺旋含有3.3個殘基)。膠原蛋白在外科領域之中的應用逐漸廣泛，其內部結構與和動物體內蛋白的結構很相似，膠原蛋白能夠與人體器官、組織相溶。因此，膠原蛋白制品能夠在人體器官重構或者組織再生中廣泛使用，在臨床醫學中，尤其是在整形外科和醫療美容中，注射型膠原蛋白液是最常見的一種。膠原蛋白是一種溫敏凝膠，在室溫25 ℃時為液體，在體溫37 ℃時變為高分子凝膠。因此，膠原蛋白材料在使用過程中適合皮下植入[13]。

2 生物可降解高分子材料臨床應用

2.1 生物可降解高分子材料在骨內固定材料中的應用

生物可降解高分子材料在骨內固定材料中的應用，首先，患者在骨愈合的過程中，相關醫師可以將可生物可降解高分子材料植入骨內固定材料聚合中，在骨愈合過程中，大多數是通過骨夾板和骨螺釘對于患者骨骼進行固定；其次，通過利用生物可降解高分子材料培養組織細胞的方式促進骨骼固定。雖然通過金屬材料進行骨內固定的場景比較多，且實際效果也不錯；但如果骨內植入物屬于金屬材料，當固定骨骼后，從患者體內取出金屬材料時，人體骨骼也會受到損害。如果在此過程中，相關醫師可以在此過程中應用生物可降解高分子材料，可以很好地解決相關問題。同時，通過生物可降解高分子材料進行骨內固定，不僅可以使生物可降解高分子材料保持一定的強度標準，生物可降解高分子材料可以自行被水溶解，避免了二次手術的麻煩[14]。

表1 生物可降解高分子材料在骨內固定材料中應用的條件Tab.1 Conditions for the application of biodegradable polymer materials in bone fixation materials

2.2 生物可降解高分子材料在外科手術縫合中的應用

生物可降解高分子材料在手術中的應用往往需要縫合，術后患者的恢復與縫合質量是密切相關的。如果縫線不能降解，必須人工取出，會增加患者的痛苦，如果能使用可降解縫線，可以省去拆線的工作。生物可降解材料首先用于腸道，隨著科學和外科技術的發展，外科手術中使用的高分子材料種類越來越多，對高分子縫合線的要求也越來越高[15]。

表2 各種手術縫合線對比Tab.2 Comparison of various surgical sutures

2.3 生物可降解高分子材料在ECMO中的應用

2020年初，隨著新冠疫情的迅速肆虐，人類受到了前所未有的威脅。新冠疫情會迅速對于人體肺部造成嚴重危害，一些病情較為嚴重的患者需要通過ECMO輔助呼吸。ECMO的原理是抽出患者體內的靜脈血，并通過特殊材料將體外循環氧合注入患者的動脈或靜脈之中，通過心肺置換保持人體器官正常運轉。對于新冠肺炎患者來說，新冠病毒感染會導致患者的肺部聚集大量粘液，從而影響患者的肺部運行。ECMO可以使患者肺部壓力降低，使患者在得到休息時還能夠有吸收粘液的時間，恢復患者的身體健康[16]。ECMO是由血泵、氧合器、氣體混合器、加熱器、各種動靜脈導管和監護儀等組合而成，血泵和氧合器是其關鍵部件，血泵是病人的替代品，氧合器可以作為肺的替代品出現。生物可降解高分子材料在ECMO中的應用，可以包括3個階段：第1階段是實心硅膠膜;第2階段是微孔中空纖維膜;第3階段是聚-4-甲基-1-戊烯中空微孔纖維膜。第1階段的實心硅膠膜具有相容性好、血漿滲漏少、對血液成分損傷小以及適合長期輔助等優勢；但其排氣困難，價格昂貴。第2階段的微孔中空纖維膜有效地解決了排氣困難和價格昂貴的問題；然而，由于微孔中空纖維膜會導致等離子體泄漏的可能，從而降低了微孔中空纖維膜的氧化能力。第3階段聚-4-甲基-1-戊烯中空微孔纖維膜的研制，逐步提高了生物可降解高分子材料在ECMO中的應用效果[17]。

2.4 可降解高分子材料在外科護理中的應用

在進行外科手術時，患者身體會受到熱、電、機械、化學和內部因素等的損傷，導致患者的正常皮膚組織受到傷害。外科護理既是在患者皮膚組織受到創傷后，通過護理對于患者的身體局部組織再生修復和重建的過程。醫用敷料是一種在外科護理工作中發揮重要作用的醫護材料。醫用敷料可以對于患者的傷口創面進行覆蓋，并起到治療作用[18]。生物可降解高分子材料可以對于滲出物少、肉芽組織新鮮的創面進行敷涂，保持創口濕潤，促進患者傷口的愈合。生物可降解高分子材料在臨床的外科護理中，具有預防靜脈輸液外滲、預防靜脈炎、延長留置針使用時間等效果[19]。其他研究表明，在皮膚表面水泡和壓瘡上局部應用生物可降解高分子材料，具有簡單安全的效果，促進患者傷口的愈合。由于生物可降解高分子材料具有良好的彈性和自粘性，可形成封閉的愈合環境，且生物可降解高分子材料中含有內源性酶，可促進纖溶，促進患者壞死組織清潔，促進微血管增生和造粒，加速傷口愈合。因此，生物可降解高分子材料可以在外科護理中發揮重要的作用[20]。

3 結語

生物可降解高分子材料有望成為可以取代塑料的材料，其在醫藥、農業、環保、新型材料、食品包裝等領域有著廣泛的應用，相關人員可以根據實際需要，改變生物可降解高分子材料中的分子連接方式，從而提升生物可降解高分子材料的特性使其應用更加廣泛。生物可降解高分子材料在外科領域的應用具有很大的優勢，但生物可降解高分子材料在外科領域的應用中，存在生物可降解高分子材料制作成本較高等不足，導致生物可降解高分子材料的產品性能有限，應用范圍受到一定限制。因此，研究人員應立足于生物可降解高分子材料在外科領域的實際應用效果，對于生物可降解高分子材料的成本與性價比，以優化生物可降解高分子材料的內部組成成分，使可生物降解的聚合物材料能夠用于外科領域之中獲得更好地推廣及應用。