聚乳酸/石墨烯基抗菌復合材料在骨修復領域的研究進展*

劉菲菲，王香云，邱淑銀，石海峰，周佳盼，郭 哲

(昌吉學院化學與化工學院，新疆 昌吉 831100)

引言

由于交通、意外等引起的骨缺損已經成為了威脅人類的健康的問題之一。骨是一種活躍的組織，具有一定的自我修復能力。但當受到大面積損傷時，無法進行自我修復。自體骨和異體骨移植最為常見的治療方法，但存在供體少、免疫排斥反應等問題。尤其是對于高齡人口，骨組織相比于年輕人來說，要脆弱許多，在活動中跟更容易造成骨組織損傷。隨著科技和人類生物醫學的發展，骨移植材料的不斷更新，人對身體健康的重視，使得骨移植材料的選擇成為了關注點。

目前最常用的的骨移植材料是有自體骨和異體骨，自體骨是指將人體的某一處的骨組織移到另一處，因此有著本身骨細胞，生長因子以及本身的骨膜，能夠更好的使細胞增殖和分化，有著很好的生物相容性，因此被稱作治療骨缺損的黃金標準[1]，但是自體骨也有著很多不足，它在使用中有著也多的并發癥，例如提供自體骨的區域痛疼痛，切口處的感染，并且其骨量緊缺的不足[2-3]；異體骨結構與自體骨相似，由于其來源充足，有著良好的性能，使其成為了骨修復材料的備用之一，然而其存在易發生免疫排斥反應，甚至導致疾病傳播等問題。為了解決這些移植物的局限性，在過去的幾十年里，研究者們將研究重點轉向了組成、結構和功能與天然骨相似的仿生人工骨材料。為了提高人工骨材料的廣泛應用，理想人工骨應具備良好的生物相容性、力學性能，植入人體后可以促進細胞增殖、新骨生長及優異的抗菌性等特性。

1 人工骨

1.1 人工骨材料需滿足的特性

人工骨材料作為骨骼缺損的修復材料必須具有如下生物學特征：生物學相容性，指將人工骨材料移植到人體后，并沒有造成生物學方面的免疫排斥；良好的可降解性，人工骨材料可以在人體中降解，不需要二次取出，并不會對病人新骨生成有負面影響，同時也可以通過體內自行吸收和排除體外產物；具有合適的孔隙率與表面特征，這可以使仿生人工骨材料與骨的成份、構造與特點更契合，同時生物學骨骼結構上一定的孔徑和孔隙率也更加便于物質轉移；骨傳導和骨誘導特點，這樣可以利于相鄰骨生長和引導相鄰組織骨髓干細胞分解為成骨細胞等[4-5]；抗菌性，良好的抗菌性是植入成功的關鍵，因為細菌感染可能會導致身體出現炎癥甚至有更大的影響等；所以，具有生物相容性、降解性能、力學性能、抗菌性能等性能的人工骨材料是目前骨修復材料的研發熱點，將進一步在臨床應用發揮其更大的作用。

1.2 人工骨材料的分類

人工骨材料可以分為以下四種，包括金屬材料、無機非金屬基材料、無機高分子材料和復合材料[6]。最早研究的人工骨修復材料是金屬，它能夠滿足人體重要負重部位的骨缺損填充以及力學支撐，具有優異的力學特點，抗腐蝕、耐磨損性能好、易加工等特性，其材料主要是做為人工關節以及植入體固件等[7-8]。但同時也存在著一些弊端，由于其材料大多以金屬為主，所以會導致身體的炎癥反應。由于不具有生物降解性能，必須進行二次手術，從而可能加重患者心理負擔和經濟負擔。相對于金屬，無機非金屬材料具有優異的生物相容性、骨整合能力和良好的骨傳導性能。由于其具有高生物相容性，所以不會出現免疫排斥反應，同時還可以促使骨缺損處組織重生。不同的材質組分有不同的的結構特點。例如：生物玻璃植入人體后與體液發生一系列離子反應，與骨組織形成更為牢固的化學鍵合；生物陶瓷，其物質成分與天然的人骨骼的無機成分相同，具有良好的骨傳導能力。但是無機非金屬材料不易直接加工為所需樣品。然而，高分子材料的出現，在很大程度的克服了上述問題，因為高分子材料來源廣泛，并且很容易按照臨床需要調整理化特性和生物力學特性，同時還具有良好降解性能和機械性能、以及生物相容性，而且加工更方便，甚至可以達到人工骨的效果需要[9-10]。高分子材料包括聚乳酸(PLLA)、聚乙烯、聚丙烯等，其中，以PLLA為基底材料應用較為廣泛。因為PLLA有著高分子基復合材料的很多優點：易于加工、較好生物相容性、較高的力學強度和不錯的耐磨損性質。然而，高分子材料也有許多的缺點，它的親水性差、降解速率不可控，親水性差會影響細胞的增殖，從而影響新骨的生長，降解速率不可控會使得新骨的增長速率與降解速率之間不平衡，并且降解后的酸性降解產物極大可能會引起無菌性炎癥反應[11]。復合骨材料，是指無機與有機材料按照不同配比復合，使其兼具各組成材料的特點，同時也有機會形成新的各組成不具備的特點，同時利用不同種材料的復合，使新材料具有優異的可降解性、超高機械強度、生物相容性、易于加工處理等優勢[12]。對比于其他材料而言，PLLA高分子基復合材料由于具有綜合優異的性能成為了近年來骨組織材料領域重要的研究對象。

聚乳酸，也稱為聚丙交酯，它主要是采用乳酸為主體原材料采用聚合的方法加工獲得的聚酯類高分子，也是一種新型的生物降解材料。其具備生物降解性能和生物相容，并且其制備工藝簡單，原料也便于得到，其原料為淀粉，所以其成本較低，并且其單體為乳酸，容易分解，分解產物H2O和CO2，對自然環境和人類沒有污染，是公認的環境友好型材料，因為它良好的性能，可用于人體骨修復，人工支架，骨釘，以及免拆出的手術縫合線[13]。但是PLLA也有許多的不足，由于其機械性能差，功能單一以及抗菌性不足等原因，使得其在臨床醫學骨修復中受到了很大的限制。因為在進行臨床治療的骨修復植入物，其最主要的隱患就是手術區骨骼形成的感染，因為骨骼形成的感染可能會使得手術失敗的危險性增加，甚至有可能導致病人截肢的危險性，而骨形成感染也往往是由細菌侵染所導致的，因此，骨骼形成修復的臨床應用學者們也開始致力于研發添加抗菌制劑以此來增強PLLA的抗菌活性，使得它在臨床研究上有著越來越廣闊的使用前景。

2 抗菌

任何外科手術干預，尤其是骨生物材料的植入，都有生物材料相關感染或假體周圍關節感染的風險，給人們健康帶來傷害。抗菌劑具有抑菌和殺菌的作用，能有有效的防止有害微生物的產生，由此可見，制備具有抗菌性能的抗菌材料在臨床骨修復領域十分重要。隨著近幾年全球疫情的影響，人們對于抗菌方面有了新層次的認識，如何同時滿足抗菌藥物的長效性、穩定性、持久性、化學穩定性以及成本較低、工藝與制備路線簡便，是今后抗菌新藥的重點研發方向。抗菌劑按照抗菌方式可以分為化學抗菌和物理抗菌。

2.1 化學抗菌

化學抗菌性主要通過抗生素來防止感染，但各種抗生素都已被證明可用作在人類骨骼手術中，面向骨感染缺損的緩釋用藥。例如四環素類藥物就有對抗微生物、抗膠原酶以及形成細胞纖維的功能，而Martin[14]等人研究得到，添加膠原、米諾懷素和檸檬鹽羥基磷灰石納米顆粒的3D打印PLLA人工骨架對金黃色葡萄球菌有抗菌作用。Semyari[15]等研究通過化學共沉淀技術，生產含有10%強力霉素的羥基磷灰石納米顆粒，并將之加入在膠原溶液中，最后采用冷凍澆鑄工藝生產成余孔的人造骨骼支架。通過將骨架做體外實驗，也證明了，這種支架對金黃黃葡萄球菌和銅綠假單胞菌都有作用。萬古霉素同時也是防治耐甲氧西林葡萄球菌(MRSA)的首選藥，Zhou[16]等用將含有萬古霉素的多孔二氧化硅納米粒子組裝在明膠多孔支架，并發現能控制金黃色葡萄球菌生長發育。并且，復合支架對骨細胞的生長與分化也很顯然有益，表明了其具備優異的生物相容性能力。還有喹諾酮類藥物也是防治骨質感染的的有效抗生素，且對敏感性較低，常被用作抗菌骨架中[17]，Sreeja[18]等利用表面磷化的苯二甲酸乙二醇酯(P-PET)纖維制備基質所制備出的一個全新骨組織工程支架，在這個支架上涂覆環丙沙星，他們的試驗結果表明了這個復合支架還是具備了對骨誘導和抗菌的能力。并且，實驗結果表明該支架對金黃黃葡萄球蟲和腸道菌株有著良好的生物抗菌功能。

2.2 物理抗菌

抗生素的加入可以很好地提高抗菌抗感染性，可以使得骨缺損部位的感染率降低并加快組織修復，但是抗生素的使用存在一些固有缺點。首先，抗生素會對肝臟和腎臟等器官產生毒性，這種現象稱為全身毒性。第二，在感染發生后才使用抗生素，在治療開始時，可能已經形成了生物膜，這意味著需要更高劑量的抗生素才能消除感染。第三，也是最重要的是，細菌能夠突變并產生對抗生素的抗性。這意味著抗生素變得無效，這需要不斷開發新的抗生素。新抗生素的引入是昂貴且緩慢的過程，而且，這只是暫時的解決方案，直到細菌對新化合物產生耐藥性為止[19-21]。為了解決這個問題，我們將焦點也就轉向了物理抗菌方面，物理抗菌不同與化學抗菌，它是利用以共價鍵和小纖維分子相互接枝的方法，依靠其所形成的微電場力滅抑了病菌，伴隨著物理抗霉科技的誕生，更有效的幫到了人體對抗有害細菌的入侵。

2.2.1 石墨烯

在過去的幾十年中，在各種碳納米粒子中，石墨烯因其獨特的性質而成為研究最廣泛的納米材料之一。石墨烯是二維(2D)納米粒子，其包含填充在具有sp2雜化的蜂窩晶格中的單層碳原子。石墨烯及衍生的納米粒子具有優異的機械、電、熱和化學特性，引起了人們對開發石墨烯基生物材料的濃厚興趣，其中包括藥物和基因傳遞、成像和組織工程等方面的應用[22]。由于它擁有著很好的生物相容性，不會對組織細胞有生物應激反應。其次，可以對其進行改性，使其的親水性和抗菌性得到提高，以滿足我們的需求，并且在此過程中不會添加其他表面活性劑，進而導致保證其不會對人體有其他的危害，使其成為多種復合材料的重要組成部分，成了材料科學領域的研究熱門。

通過研究發現，由于石墨烯及其衍生物既具有天然的抗菌活性，又具有自身的抗菌機理[23-24]。從抗菌機理上分析，石墨烯可以通過用物理和化學的二個方法消毒、抗菌。石墨烯抗菌機理有三個機制[25]：石墨烯的納米片會對細菌的膜造成物理損傷；氧化應激：石墨烯產生的活性氧(ROS)對細菌的脂質和蛋白質有害，在脂質和蛋白質失活后，細菌不能再增殖；電子轉移：可以通過將電子從微生物膜轉移到石墨烯表面而產生抗菌活性，而不是來自ROS介導的損傷。由于石墨烯具有的比表面積很大，所以經常被作為抗菌復合物載體，并和金屬氧化物等抗菌材料結合，從而避免了物料團聚問題的出現，達到了協同抗菌效果。

2.2.2 石墨烯衍生物

石墨烯包括很多的衍生物，GO是由Graphene為原材料，通過Hummers技術[26]提取GO，在進一步使用超聲波剝離獲得GO，GO與Graphene相比，有含氧基團，可以作為活性反應的位點，石墨烯非常的穩定，而GO的化學性質較為的活潑，因此我們用其制取有特殊性能的功能性石墨烯。還原氧化石墨烯(rGO)是由GO派生而來，但是由于二者之間的化學構造存在著明顯的不同，GO的充氧官能團濃度要高于rGO，所以，GO的結晶質量也要比rGO的質量要差一些。另外，二者也由于其化學構造差異的原因使得它們具有著不同的理化特性。比如，rGO的光吸收率高，電導率要比GO的好[27]。氟化石墨烯(fluorinated graphene，FG)FG是通過用GO進行氟化反應而得到，這是一種全新的石墨烯衍生物，不僅在保持了石墨烯它原本的優點，并且在隨著氟分的加入，有了石墨烯原本沒有的優點，比如：更為良好的疏水性，以及表面能降低等[28]。

3 聚乳酸/石墨烯基復合材料的制備和應用

隨著石墨烯基復合材料(Graphene composites)進入到人們視野中，研究者開始試著通過將石墨烯與其他材料進行結合，進而得到各種不同性能的復合材料。隨著不斷研究發現，由于石墨烯獨特的性能，通過不同的方法，將聚乳酸和石墨烯及其衍生物復合材料的性能也有著顯著且不同的提升，不僅滿足了在不同的應用中的需求，且得到的新的復合材料將其在醫學骨修復方面的應用范圍擴大，使其擺脫了在骨修復手術中骨材料的供給問題以及術后感染問題，極大程度避免了二次手術的風險和不利影響等。

Hu[29]等發現在含有大腸桿菌的培養基中加入GO或者RGO，培養皿中的大腸桿菌的新陳代謝能力會下降。Liu[30]等揭示了GO的衍生物會貼附于細菌的表面，進而破壞其細胞膜。Tu[31]等深入研究發現Graphene或GO能夠插入大腸桿菌細胞膜的磷脂雙層，進一步抽取大腸桿菌的細胞器以及細胞質進而導致細菌死亡。Akhavan O[32]等人的研究也表明表明GO具有抗菌性。因此，用GO做抗菌劑來制成抗菌PLLA/GO復合材料是可行的。

林雪梅[33]通過運用溶液混合法將GO和PLLA結合，發現合成的復合材料生物相容性良好，并且能夠極大的促進細胞的成骨分化，也對細胞的增殖與遷移起到了促進作用。

Arriagada P[34]等人研究表明，與原始聚乳酸相比，PLLA//GO復合材料和PLLA/熱還原氧化石墨烯(TrGO)復合材料表面更親水。與PLLA相比，在氧化石墨烯質量分數為5%時，氧化石墨烯抑制了細菌的增殖，提高了40%的細胞粘附，無細胞毒性作用。此外，通過電刺激，PLLA/TrGO復合材料的抗菌行為顯著增強。PLLA//TrGO復合材料的細胞粘附性與PLLA無顯著性差異。因此，本研究顯示了PLLA/石墨烯衍生物復合材料在生物醫學應用中的良好效果。

Pal N[35]等人在PLLA中通過溶劑澆筑法結合了了纖維素納米晶(CNCS)和還原石墨烯氧化物(RGO)，研究發現，制備得到的PLLA / CNC / rGO納米復合膜對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性大腸桿菌具有獨特的抗菌功效。此外，體外細胞毒性試驗顯示，在納米復合膜處理成纖維細胞株(NIH-3T3)時，細胞毒性可以忽略不計。

HuangY[36]等人將負載ZnO納米顆粒的氧化石墨烯(GO-ZnO)通過溶液共混法與PLA混合，紫外-可見光譜和抗菌測試結果表明，制備的PLLA / GO-ZnO納米復合膜在極低的負載下具有較強的抗紫外線能力和抗菌能力。

Gu X[37]等人通過靜電紡絲成功制備了不同GO含量的聚乳酸(PLLA)/聚(碳酸丁二酯)(PBC)/氧化石墨烯(GO)納米纖維膜。結果表明，PLLA/PBC/GO復合納米纖維薄膜的抗菌活性遠高于純PLLA/PBC納米纖維薄膜。同時，對金黃色葡萄球菌的抗菌活性也略高于大腸桿菌。

Athanasoulia I[38]等人通過熔融擠出制備GO / PLLA納米復合材料，避免了對生物醫學應用的有機溶劑潛在殘留的毒性。摻入0.8 wt%的GO的PLLA復合材料具有良好的熱機械性能并有效地抑制了大腸桿菌細菌附著和增殖。在模擬的陽光照射下，此效果比在黑暗中更顯著。

An X[39]等人通過靜電紡絲工藝制備PLLA / PU / GO復合纖維，制備的材料具有良好的生物相容性，GO的添加不會破壞正常細胞的增殖和分化。具有良好的抗菌活性和生物相容性的PLLA / PU / GO復合材料使其對環境和臨床應用具有吸引力，也為組織工程的未來應用提供了候選。

4 結論

近幾十年以來，人工骨材料PLLA因為具有良好的可生物降解性且降解產物無毒，避免二次取出麻煩等優點成為了科研人員在骨缺損修復材料領域的研究熱點。然而，PLLA由于抗菌性和親水性差等限制了其臨床應用。石墨烯及其衍生物優異的生物相容性、親水性能和抗菌性，引起了人們對開發石墨烯基生物材料的濃厚興趣。因此，研究者們致力于將PLLA和石墨烯基材料結合起來進而改善PLLA抗菌性不足等問題，使其在骨缺損修復方面的實用范圍更廣泛，為PLLA/石墨烯基抗菌復合材料在臨床上的應用奠定一定的基礎。