（纺织工程专业论文）牙周再生片的开发及性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

牙周再生片的开发和性能研究 摘要 近年来综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学等领域的组 织工程日益受到了人们的关注。纺织与它也有了新的融合。本论文研究 对象是牙周引导组织再生技术( g t r ) 及牙周引导组织再生阻挡片。 “牙周再生片”是一种发展的引导性组织再生器具，一般由可降解的生 物材料制成，是种能令齿骨膜再生的最新概念。目前的国内外研究主 要针对不同材料牙周再生片的体内、体外降解性能和生物相容性的研究 而缺乏对其物理机械性能和相关的编织工艺参数的分析，对牙周再生片 降解性能的研究也没有涉及降解过程中其力学性能的变化趋势。材料、 编织工艺和表面涂层浓度的改变对牙周再生片的力学性能和降解性能会 产生一定的影响，目前的国内外研究尚缺乏对这方面的探讨。 本课题研究不同材料、纱线粗细、编织密度和涂层对牙周再生片力 学性能的影响，探讨较优的工艺参数组合，初步研究不同材料在体外模 拟降解过程中的强力衰减速度和质量损耗周期。 通过选用两种不同的可生物降解材料( p g a 、p g l a ) ，在纬平针 组织的基础上，分别改变牙周再生片的骨架织物密度、涂层浓度等工艺 参数，运用正交试验方法，探讨该牙周再生片的撕裂强力、拉伸断裂强 力和初始模量，最终找出较优的工艺条件和参数。 在正交试验的基础上进行两种不同原料牙周再生片的体外模拟降解 试验。通过对两种牙周再生片强力、初始模量和质量的损耗率测定以及 降解过程中表面形态的观察分析两种牙周片的结构特点和降解特性，找 出更适用于生产牙周再生片的原料。 通过本课题的研究，开辟牙周再生片新的研究方向，用正交试验法 优选牙周再生片的工艺参数发现，内层骨架织物的原料、编织密度和表 面涂层浓度对牙周片的力学性能均有高度显著的影响，且原料与编织密 度之间的交互作用对牙周片的性能也有较大的影响。p g a 和p g l a 牙周 再生片的降解都是通过酯键的水解来实现，是一个化学降解的过程材 料强力和初始模量的衰减比质量的损耗快得多，p g a 牙周再生片强力和 初始模量下降速度比较均匀，而p g l a 牙周再生片强力和初始模量下降 过程中有速度的突变点。 由正交试验优选出力学性能较优的4 号试样，其工艺条件为内层骨架 纬平组织采用1 4 t e x p g l a 紧密编织，表面覆质量百分比浓度为3 5 的甲 壳胺浆液。p g l a 和p g a 牙周再生片的体外降解试验结果显示；p g a 牙 周片的强力和初始模量衰减较p g l a 牙周片快，但是质量保持的时间稍 长。从外观上，p g l a 牙周片降解过程中的形态保持比p g a 牙周片好。 关键词：牙周再生片、生物可降解材料、工艺参数、正交试验、体外、 生物降解 d e v e l o p m e n t o f b i o d e g r a d a b l eg t r b a r r i e r a n di t sp e f o r m a n c er e s e a r c h a b s t r a c t n o w a d a y s ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt i s s u ee n g i n e e r i n g ， w h i c hc o m b i n e sc e l l b i o l o g y ，e n g i n e e r i n g ，m a t e r i a l s c i e n c ea n dc l i n i c a l m e d i c i n e ，e t c t e x t i l ea l s oh a sn e wd e v e l o p m e n to ni t t h i sp a p e rm a i n l y d i s c u s s e sg u i d e dt i s s u e r e g e n e r a t i o n ( g t r ) a n d ”g t rb a r r i e r ”g t r b a r r i e r ”i sak i n do fa p p a r a t u st h a tc a ng u i d et h er e g e n e r a t i o no ft i s s u e ， w h i c hi sm a d eo fb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l a tp r e s e n t ，m o s tr e s e a r c h e so ni t a r ef o c u s i n go ni t sd e g r a d a t i o np r o p e r t i e si nv i v oa n di nv i t r o ，b u tt h e yd o n t r e l a t et ot h ec h a n g eo ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gt h ed e g r a d a t i o n i n a d d i t i o n ，f e wr e s e a r c h e sa r eo nh o wm a t e r i a l sa n dt e c h n i q u e si n f l u e n c et h e p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dd e g r a d a t i o np r o p e r t i e so f g t r b a r r i e r ，s ot h i sp a p e r w i l ld os o m ew o r ko ni t i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c e so fm a t e r i a l s ，y a r nt h i c k n e s s ，k n i t t i n gd e n s i t y a n dc o a t i n go np h y s i c a lp r o p e r t i e so fg t rb a r r i e rw e r es t u d i e d i na d d i t i o n ， s o m ee l e m e n t a r yr e s e a r c h e sw e r et a k e no ns e v e r a ld e g r a d a t i o np r o p e r t i e s s u c ha ss t r e n g t ha t t e n u a t i o na n dm a s sl o s so fd i f f e r e n tm a t e r i a l si nv i t r o t w o b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s ( p g l a ，p g a ) w e r es e l e c t e dt ok n i ts i n g l e j e r s e yf a b r i c sw i t hd i f f e r e n td e n s i t ya ss k e l e t o n so f g t r b a r r i e r s o r t h o g o n a l t e s tw a su s e dt os e l e c to p t i m u mp a r a m e t e r so fm a t e r i a l ，k n i t t i n gd e n s i t ya n d c o a t i n gb yt e s t i n gs p l i t t i n gs t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t ha n di n i t i a l m o d u l u so f g t r b a r r i e r s t h r o u g h t h e t e s t ，t h ec o m p a r a t i v e l y b e t t e rt e c h n i c a l p a r a m e t e r sc o u l db ef o u n d o nt h eb a s eo fo r t h o g o n a lt e s t ，t w ok i n d so fg t rb a r r i e r so fd i f f e r e n t m a t e r i a l sw e r e p i c k e d o u tt ot a k e d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t i nv i t r o c o m p a r i n gt h er a t i o o fs t r e n g t ha t t e n u a t i o na n dm a s sl o s so ft h e s eg t r b a r r i e r sa n dt h e i ra p p e a r a n c ec h a n g ei nc o u r s eo fd e g r a d a t i o nt oa n a l y z e t h e i rs t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n d d e g r a d a t i o np r o p e r t i e s ：t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n ，a p p r o p r i a t em a t e r i a lu s e d i ng t rb a r r i e r c o u l d b es e l e c t e d ， t h r o u g h t h er e s e a r c h e s ，f i n d i n gan e ws t u d yd i r e c t i o no ng t r b a r r i e r t h er e s u l to fo r t h o g o n a lt e s ts h o w st h em a t e r i a l ，k n i t t i n gd e n s i t yo fs k e l e t o n f a b r i ca n dc o a t i n gc a nr e m a r k a b l yi n f l u e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g t rb a r r i e r i na d d i t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a t e r i a l a n dk n i t t i n g d e n s i t yc a na l s o i n f l u e n c et h er e s u l t t h ed e g r a d a t i o nc o u r s e so fp g aa n d p g l ag t rb a r r i e r si nv i t r oa r ec h e m i c a l d e g r a d a t i o np r o c e s s e s ，w h i c h a c h i e v e db yh y d r o l y s i so fe s t e rb o n d t h ea t t e n u a t i o no ft e n s i l es t r e n g t hi s f a s t e rt h a nm a s sl o s s t h ed e g r a d a t i o nv e l o c i t yo fp g af i l mi su n i f o r m ，b u t w h e ni tc o m e st op g l a f i l m ，t h e r ei sab r e a kp o i n ti na t t e n u a t i o no ft e n s i l e s t r e n g t ha n d i n i t i a lm o d u l u sd u r i n gt h ed e g r a d a t i o n i no r t h o g o n a lt e s t ，t h eb e t t e rg t rb a r r i e ri s4 4s a m p l e ，w h i c hs k e l e t o n f a b r i ci st i g h t l yk n i t t e dw i t h1 4 t e xp g l a c o a t e dw i t h3 5 c h i t o s a n t h ei n v i t r od e g r a d a t i o ne x p e r i m e n to fp g af i l ma n dp g l af i l ms h o w st h a tt h e a t t e n u a t i o no ft e n s i l es t r e n g t ha n di n i t i a lm o d u l u so fp g l ab a r r i e ri ss l o w e r t h a nt h a to fp g a b a r r i e r ，b u ti t sm a s sl o s sp e r i o di ss h o r t e r j u d g i n gf r o mt h e a p p e a r a n c ec h a n g ed u r i n gd e g r a d a t i o n ，p g l a b a r r i e rh a sab e t t e ra p p e a r a n c e r e t e n t i o nt h a np g ab a r r i e r s u n x i n y u ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f ；w a n g e n z u & p r o f z h a n g p e u h u a k e y w o r d s ：g t r b a r r i e r b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ， o r t h o g o n a lt e s t ，i nv i t r o ，d e g r a d a t i o n 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术遭德，崇尚严谨学风，所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注 明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瓣鬻目 日期：砗，月，日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密曰。 学位论文作者签名：砩麓雪 日期：扩也年，月歹日 一一 苎! 童! ! 宣 第1 章引言 1 1 医用纺织品与组织工程的发展 随着人类物质文明的进步，在纺织和医学交叉的边缘领域，医用纺 织品获得了前所未有的发展。它己不再只是纱布、绷带、缝合线等包覆 缝合的传统功能，而是涉及到许多新型纺织材料和新型纺织技术的一个 新兴的领域。 开发医用纺织品促进了医学的进步。其一是提高了传统医疗的技术 水平，例如生物吸收缝合线的使用改善了体内缝合手术的可靠性，减少 了拆除非吸收缝合线的过程；其二是提供了生物医学工程中的基本材料， 如生物吸收性纤维用于制造人造骨：聚酯纤维等用于制作人造血管等。 开发医用纺织品还为纺织工业开拓出一条新的发展途径，使纺织品不仅 仅局限于人类的服饰穿着，还可以用于人体保健和人体修复，为纺织品 的开发开辟了全新的领域。 医用纺织品近年来呈现出很大的活力，其发展动向如下： 1 医用纺织品向功能化、多样化和用即弃化发展。 2 医用纺织品深入卫生保健领域。原有的医用纺织品提高了卫生保 健功能，且逐步与日常生活相结合，使其成为一类独具功能的卫 生保健用纺织品。 3 医用纺织品大量的用于生物医学工程。医用纺织品因其纤维具有 与人体结构的相似性，因而被用作生物医学工程的功能材料。 在人工复制的还原组织、器官的研究方面，一门新的学科正在产生， 即组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 【1 3 】。组织工程学是应用生命科学与工 程学原理与技术，探讨正常和病理组织的结构一功能关系，研制生物学替 代物以修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门学 科。其基本方法是将体外培养的高浓度组织细胞，扩增后吸附于一种生 物相容性良好，并可搜人体逐步降解、吸收的细胞外基质上a 然后将这 种复合体植入机体病损部位，使其在降解、吸收过程中增生、繁殖，形 成新的具有其原来特殊功能和形态的相应组织和器官，达到修复创侦和 第1 章引言 重建功能的目的，从而解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失的治 疗问题。 组织工程的最终目的是在体外预制组织、器官，并将这种有生机的 具有功能的组织器官植入体内以取代因疾病、损伤而无功能的组织。现 阶段，组织工程学的研究领域涉及多种哺乳动物的几乎所有器官的不同 组织，组织工程产业已经开始形成。 材料学的发展是组织工程学的必要条件，也是组织工程学研究的一 个重点内容。用于接种细胞的材料除应具备良好的组织相容性外，还应 具备良好的表面活性和可塑性。材料的表面要有利于细胞的贴附，并为 细胞在其表面生长、繁殖、分泌基质提供良好的微环境；此外应能被加 工成所需要的形状，并具有一定的机械强度，在植入体内一段时间内仍 可保持其形状，从而使新形成的组织具有一定的外形。人工合成的有机 高分子聚合物如聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 等，具有良好的组织相容 性，在研究中得到广泛应用。 到目前为止，关于组织工程的研究主要包括以下三方面的内容：( 1 ) 细胞外基质替代物的研究( 即寻找合适的用于接种细胞的材料) ；( 2 ) 种 子细胞的培养和生长的研究；( 3 ) 组织工程化组织( t i s s u ee n g i n e e r i n g t i s s u e ) 在各种病损组织的替代的研究。学者们试图通过组织工程的方法 建造出机体的每一种组织，从而用于恢复、保持、改善机体组织的功能。 目前，用此方法亦初步生产出了生物性的骨、软骨、角膜、皮肤、血管、 心脏瓣膜，食管乃奎人工肝、人工胰等，取得了可喜的成果。 综上所述，组织工程可以提供比天然组织器官更经济的生物替代物 从而降低费用，也可在患者病情加重前及时提供有效措施阻止病情恶化， 并可向机体输入大量具有理想表现的细胞从而成为基因疗法的有力补 充：组织工程化的组织以其无抗原性、来源不受限、可按预先设计塑型、 具有生命力等特征，为其未来应用提供了广阔的前景。当前，随着材料 表面分析、数学模型和能够预测体内细胞活动的体外装置的不断深入研 究，以及其它相关学科和技术的进步，组织工程将会给医学领域带来革 命性的变化。 第1 章引言 1 2 牙周引导组织再生技术和牙周再生片 中国总人口1 3 亿，患牙周疾病总人数为六千五百万，占总入口的 5 。而牙周炎多发生于成年人，尤其是3 5 岁以上的成年人( 如图1 1 ) 。 患病率和病情会随年龄增加而增高或加重，并导致牙齿脱落。我国成年 人牙周炎的患病率为5 0 6 0 ，牙周炎已成为成年人拔牙和老年人牙齿 缺失的首位原因。 图1 1 中国各年龄段患牙周炎的人1 2 比例 据调查，牙周炎患者主要集中在中老年人群，而这部分消费者具有 进行牙科手术的经济能力。目前，常用的各种牙周治疗技术和手段的效 果大多是牙周再附着( r e a t t a c h m e n t ) ，很难达到理想的牙周新附着 ( n e w a t t a c h m e n t ) ，治疗效果并不理想。近年来出现了牙周引导组织再 生技术和牙周再生片j 为牙周炎的治疗提供了新的方法和选择。据预测， 牙周再生片在仅有1 的市场占有率的情况下，仍有近四千九百万使用人 数，由此可见，牙周再生片的研制开发具有良好的经济效益和社会效益。 1 2 1 牙周引导组织再生技术及发展 牙周引导组织再生技术( p e r i o d o n t a lg u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ，g t r ) 是当今最新和最先进的牙周手术治疗方法。自2 0 世纪8 0 年代初提出概 念至今不到2 0 年的时间里，不但持续发展和更新，而且已经在临床工作 中被广泛采用，收到了良好的疗效。该技术最初用于牙周病治疗的动物 实验及临床研究，随后又被用于促进骨组织的修复、再生( 即诱导骨组织 再生技术，g u i d eb o n er e g e n e r a t i o n ，g b r ) 。它的应用为牙周病的治疗、 牙种植区骨量不足及其它骨缺损的修复、骨折的愈合提供了一个新的有 第1 章引言 效途径。如何提高g t r 膜的性能亦成为口腔科及骨科生物医学材料研究 的热点。 从牙周组织的结构特点、组成成分和细胞生物学基础等方面分析， 牙周损伤后的修复细胞来源有4 种，即上皮细胞、牙龈结缔组织细胞、 牙槽骨细胞和牙周膜细胞( 骨膜韧带细胞) 。体外基础研究和动物试验结 果已经表明，哪种细胞先附着在牙根面上对组织修复的效果有着决定性 的作用。如上皮细胞先附着于根面则形成结合上皮愈合，并非生理性修 复：如牙龈结缔组织细胞先附着于根面则易导致牙根吸收或根骨粘连； 如牙槽骨细胞先附着于根面也易导致根骨粘连；只有牙周膜来源的细胞 先附着于根面才能形成良好的生理性修复，即有新生牙周膜穿通纤维连 接于新生的牙槽骨和牙根之间，这是因为在牙周膜中包含有多向分化潜 能的未分化间充质细胞，它能在一定条件下分化和新生出功能性牙周软、 硬组织成分。因此，如何保证由牙周膜细胞优先占据根面成为牙周再生 治疗的关键和研究热点 4 1 。8 0 年代初，n y m a n 5 1 及g o t t l o w 6 】等人提出引 导性组织再生的概念，即用- - e e 屏障膜性材料放置于牙根和牙龈组织瓣 之间，以达到物理性阻挡牙龈结缔组织细胞和上皮细胞与牙根先接触， 保证由根方残余的牙周膜组织来源细胞和牙槽骨细胞优先占据根面并在 其上生长和向冠方爬行( 图1 2 ) 。 图1 2 牙周再生片在牙齿中的位置 b 一牙周引导组织再生片e 一上皮细胞c 卜牙龈结缔组织细胞 p 一牙周膜组织来源细胞( 骨膜韧带细胞) a b 一牙槽骨细胞。 第1 章引言 1 2 2 牙周再生片的特点及使用 牙周再生片( 引导性组织再生阻挡片的简称) 即是这种屏障。它是 一种微孔膜片，表面多孔，能使邻近的细胞容易伸展到牙周再生片之内， 保证组织复合良好，减少外皮沿着牙根表面向下生长。互连的多孔构造 能促进齿槽骨和结缔组织依靠牙周再生片生长，并为两者形成清晰的分 界，这种互连的微孔结构还有助于养份输运及血管形成。以下五类口腔 毛病的手术，均可以采用牙周再生片以帮助伤口的痊愈。 一一两或三壁顶缺损 一一第二类分叉 一一周边性缺损 一一齿根退缩类缺损 一一牙齿植入物导致的裂开缺损 牙周再生片是一种生物薄膜，具有以下特点：【7 】 生物适应力高 一一轻度炎症反应 一极低微免疫反应 一一迅速稳定伤口状态 保护细胞 一一隔离牙龈与齿根约6 8 周 促使组织复合 一一减少齿龈萎缩 一一减少齿周袋的形成 一一减少感染及发炎 制造空间，口腔不感觉挤迫 一一维持口腔空间舒适 一一柔软，有足够空间伸展 使用简便 一一可依据不同形态、部位进行剪裁安装 一一适用于不同的临床护理情况 第1 章引言 牙周再生片在患者口腔的放置需要较高的手术技巧，图1 3 是放置牙 周再生片的手术过程： 图1 3 牙周再生片的放置 图1 3 中a 为预留粘膜与骨膜的皮片，保存临接表面之间的乳头，做 内斜切口，翻全厚瓣，以保证伤1 2 的覆盖。b 为暴露分叉缺损，清除肉芽 组织，测量水平探测深度、骨缺损高度等；c 为修整骨缘以及龈瓣眩侧面， 创面彻底清洗；d 为根据缺损的形状修剪膜，使之能完全覆盖，并且在根 方和侧方留有2 - 3 m m 富余，用可吸收缝合线悬吊固定膜，常规缝合伤口。 8 1 1 2 3 牙周再生片的优缺点 可降解类牙周再生片由生物相容性好且可降解的材料制成，在体内 最后转化为二氧化碳和水，对人体无毒性。牙周再生片已进行过试管、 动物以及人体临床试验，说明它作为引导性组织再生器具，是安全和有 效的： 1 在病人缺少齿骨膜时起屏障作用，阻挡上皮细胞和牙龈结缔组织细 胞，保证骨膜韧带细胞和牙槽骨细胞优先占据根面并在其上生长； 2 在治疗区使骨质细胞密集； 3 具有很高的治愈率； 4 可自行降解，不需要二次手术。 另一方面，g a b r i e l ep e c o r a l 9 】等指出，牙周阻挡技术虽然有很多优点，但 第1 章引言 也有缺点： 1 成本高； 2 有感染的可能性； 3 在治疗大的创伤时需要设备仪器维持所需要的空间： 4 需要较高的手术技能。 另外，牙周再生片也不适宜于免疫力减弱的病人、孕妇、配戴人造 假器的病人和曾经患过结缔组织疾病的病人。用于缺损极度严重，只剩 下少许或已没有齿骨膜的病人和吸烟非常严重的病人等，治疗效果不明 显。 1 2 4 牙周再生片的产品标准 牙周再生片作为一种医疗产品，有很多技术标准。上海天清生物材 料有限公司于2 0 0 2 年8 月2 6 日发布的引导性组织再生阻挡片( 牙周再 生片) 注册产品标准( y z b 国0 2 2 3 2 0 0 2 ) 对牙周再生片的规格性能做了 说明。 ( 一) 使用性能 1 规格和尺寸：厚度应为0 2 5 n - m 一0 3 5 m m ： 2 外观：表面光滑，无污渍，无结头，色质均匀。 ( 二) 理化性能 1 拉伸强度：牙周再生片试样样品规格的长度应大于8 0 m m ，宽度 应大于3 0 m m ，用力学试验仪的夹子夹住试样两端进行拉伸，试 验结果拉伸强度应大于6 n 。 2 降解率：降解一周后拉伸强度大于上述规定值的6 0 ( 3 6 n ) ； 3 重金属含量：重金属含量不应大于1 0ug g | 4 环氧乙烷残留量：若采用环氧乙烷灭菌，其残留量应不大于 1 0 ug g ： 5 酸碱度：浸出液与同批空白对照液p h 之差不得超过1 5 。 ( 三) 生物性能 1 无菌； 2 无热原； 第1 章引言 3 无过敏； 4 遗传毒性实验结果为阴性结果； 5 细胞毒性实验反应不大于一级： 6 皮下植入实验无反应或轻微组织反应； 7 骨内植入实验无反应或轻微组织反应。 1 3p g l a 牙周再生片的降解性能和临床研究 所谓降解，可定义为聚合物分子链断裂，分解为齐聚物，最终成为 小分子单体的过程。生物降解则尤指在生物环境中造成的降解。牙周再 生片使用效果的好坏，降解性能和降解时间的控制至关重要。有文献报 道牙周韧带细胞的移动、分裂和增殖在3 周左右即可基本完成【l ”，因此 降解型g t r 材料的降解周期应控制在5 0 6 0 天( 7 - 9 周) 较为适宜【l “。 聚酯类材料聚乙交酯丙交酯p g l a 膜在人工唾液中降解周期大约为9 - l o 周，体内降解周期为8 周左右，与上述要求较为相符，因此也成为关注 和研究的重点。 生物降解的聚合物应用于人体，在如此复杂的环境中，植入材料长 期处于物理、化学、生物、电、机械等因素的影响之下，不仅受到各种 组织器官不停运动的动态作用，也处于组织代谢、呼吸及酶的催化反应 之中。除其主链化学键由于水解发生断裂而导致材料降解外，环境、共 聚物组成、吸水率以及应力环境等因素均可对降解过程产生影响，使其 降解动力学发生改变，并伴随齐聚物或单体的结晶性能改变、材料内部 p h 值变化、分子量减小、机械强度下降等材料本身理化特性的改变【l 2 1 。 降解材料植入人体，希望将其降解周期控制在定范围内，在此期间材 料的各项理化性能指标都应达到临床应用的要求。为此，新研制的或改 性的医用降解材料，在应用于临床前都需进行体外及体内( 动物) 降 解性能的实验研究，并对影响降解动力学的各项因素做出评价。 体外降解实验一般是在模拟人体环境的降解介质如人工血浆、人工 唾液、人工骨液等中进行。国外学者对生物降解材料降解性能的研究较 多从体外环境着手，通过质量损耗率、吸水率、降解体系p h 值变化、分 第1 章引言 子量及分子量分布变化、化学组成变化、结晶度、热力学性能等诸多方 面对材料的降解规律、降解性能和降解动力学进行分析。p g l a 牙周引导 组织再生片体外降解主要是一个化学降解的过程，通过酯键的水解来进 行。酯键的水解断裂是无规则的、随机的，分子链越长，被水解的部位 就越多，分子量降低也就越快，因此p g l a 体外降解前4 周分子量降低 幅度较大，随后趋于平缓，至第1 0 周时基本完全降解( p h = 7 4 ) 。p g l a 材料的降解时间随模拟液p h 值的不同而发生变化，p h 值越大，降解速 度越快，p h = 9 0 时，材料降解至第8 周就已经基本完全降解了( 图1 4 ) 。 这是因为酯键对碱性环境较为敏感，一方面碱性环境能促使酯键的断裂， 另一方面过量的碱可中和水解产生的酸性产物，使水解反应脱离平衡， 促使反应进行到底。这表明，g t r 手术以后，使口腔环境稳定于中性甚 为重要，过酸或过碱的环境都会使p g l a 牙周片的降解周期发生明显变 化。 l 23456t8日l ol li 鸯e 周) 一。p h = s 、n - - 一p h 瓠一一照皓莨唪1 一、珊鞲+ 0 图1 4p g l a 牙周再生片在不同p h 值条件下体外降解质量损耗变化 材料中酯健的断裂是随机进行的，每个酯键受到水分子作用的机会是 均等的，故而材料大小不同不会对其降解动力学产生影响。正因为如此， g t r 手术可根据手术部位的需要将p g l a 材料剪成不同大小，均不会对 其降解周期产生影响( 图1 5 ) 。降解过程中，粘均分子量的变化开始的 比质量变化快，在材料降解的第一周，材料分子量已经开始出现明显变 化，而质量变化不显著，因为降解产物还不足以游离出材料基体引起明 8_的瞄钟的鼬孤柏_宝o _。避鞲i!f堪 第1 章引言 显的质量变化，此时段发生质量损耗的原因可能是材料内的残留单体或 残余催化剂成份析出所致”。4 l 。 图1 5 不同尺寸p g l a 牙周再生片体外降解质量损耗变化 一锋井薄锶巨1 7 t 鹁黔- - 。锥盘熊 e 曩 图1 6 p g l a 牙周再生片体外降解( p h = 7 4 p b s ) 与体内降解质量损耗比较 在体外降解试验的基础上，在动物体内进行体内降解试验研究，以期 在更符合人体生理环境的条件下，对材料的生物降解性及组织相容性进 行评价。体内降解除了通过质量损耗、分子量测定来了解材料的降解性 能，主要结合透射电镜和光镜等手段，观察材料与组织界面情况及其组 织相容性，为该材料最终应用于人体提供科学依据。体内环境相对体外 环境复杂，材料除了受p h 值、温度等理化因素影响之外，由于机体组织 i ) 鬈鞲麓蜒 霉v霉一一 第l 章引言 始终处于一种不停运动的状态之中，材料由此发生应力环境下的机械降 解，同时随着组织的呼吸、代谢、生长，生物因素( 如酶) 也可能对降 解动力学产生影响。实验【”1 发现，p o l a 牙周片体内降解过程明显较体外 降解快，其降解速率是体外组的1 ，3 3 倍一一至第8 周已经基本完全降解， 但两者都符合脂肪族聚酯降解的动力学模型( 图1 6 ) 。 聚酯类材料体内降解快于体外降解，可能与以下几方面因素有关：【1 3 i5 ，1 6 ，1 7 1 其一，由于机体组织不停地运动，使材料长期处于动态的应力环境之 中，由应力作用使材料发生机械降解，故而加速了p g l a 的体内降解过 程； 其二，体内的脂质或其它生物化合物可作为增塑剂促进聚合物对水份 的吸收，从而增强了材料的亲水性，加速了酯键的水解； 其三，体液中的脂质成份被材料吸收后，使分子链的运动增加，从而 有利于水分子在材料内的扩散，同样也加速了酯键的水解过程： 其四，体内降解过程中可观察到巨噬细胞对材料颗粒进行包裹和吞 噬，由这些细胞产生的自由基、酸性产物或酶也可加速降解过程； 其五，体内炎症反应使局部温度和p h 值发生变化，也可对材料降解 过程产生影响： 其六，体内众多影响因素的存在不象体外环境那样单一和孤立，在材 料降解过程中它们所施加的作用交织在一起，并有可能起到协同效应， 使p g l a 的降解速率加快。 在降解过程中可用扫描电镜( s e m ) 观察p g l a 牙周片体外降解过 程中材料表面性状的变化，通过透射电镜和光学显微镜可清晰地观察到 牙周片体内降解过程中材料与组织界面关系和组织相容性。p g l a 牙周再 生片材料的细胞相容性研究表明 1 3 ，1 8 l ：该材料未见明显的细胞毒性反应， 材料降解后期尽管存在轻度的细胞毒性反应，但是这种程度的反应在体 内应用时可随着局部组织的不断代谢作用而得到一定程度的缓解。因此， 可以认为p g l a 牙周再生片具有良好的细胞相容性。 从植入效果来看，研究人员将牙周再生片植入猎犬患处，以缝线捆紧， 第l 章引言 皮片缝好。 1 周后：以x 射线分析分叉处的齿骨形成情况，没有发现新骨形成。 4 周后：牙周再生片仍保留足够空间，让齿槽骨及骨膜韧带的组织沿 着牙根表面再生。空间内已经填满类骨质组织、新齿骨、骨 膜韧带的新细胞。 8 周后：牙周再生片制造的空间己被新齿骨所填满。新齿骨及类骨质 组织从本身的齿槽崤及周围冠状地向空间伸展。新齿垩质及 骨膜韧带清晰可见，外皮没有向空间伸展。【7 】 p g l a 牙周再生片用于人体口腔牙周病的治疗也有相关的临床实验 报告 1 9 。将牙周再生片运用于2 0 名患者2 0 例上下第一、二磨牙，i i 度 根分叉病变的牙周翻瓣手术。经过术后一年的随访观察，结果表明，牙 周再生片能有效减少牙囊深度，增加贴和程度，轻微减少了齿龈萎缩及 角质化齿龈的阔度，可取得组织引导的再生，x r a y 可观察到牙槽骨再生， 有效率达9 5 。p g l a 牙周再生片生物相容性好，术后病人无任何不适， 局部无炎症，临床实验中没有严重的异常情况。另外，该牙周再生片属 生物降解性、吸收性膜，降解时间为2 - 6 周，8 周膜开始吸收，1 2 周后膜 明显吸收，2 4 周后膜完全消失。由于该材料完全被组织吸收，不需要二 次手术。 1 4 本论文的内容和意义 “牙周引导组织再生技术”是8 0 年代发展起来的治疗牙周病的一种 新的有效方法。“牙周再生片”是一种引导性组织再生( g t r ) 器具，一 般由可降解的生物材料制成，是一种能令齿骨膜再生的最新概念。目前 的国内外研究主要针对不同材料牙周再生片的体内、体外降解性能和生 物相容性的研究而缺乏对其物理机械性能和相关的编织工艺参数的分 析。 本课题主要针对牙周再生片的物理机械性能展开讨论通过正交实 验，测试材料、编织工艺和涂层对牙周片机械性能的影响，积累一定的 数据资料，进而探索材料( 纱线粗细) 、编织工艺以及表面涂层厚度的理 第1 章引言 想组合，综合使用效果和手术可操作性等方面的因素，探求牙周再生片 的产品工艺。 将正交试验中优选出的试样进行体外模拟降解试验，测试其断裂强 力和质量的衰减速度和周期，观察降解过程中试样的表观变化，与对比 材料比较并加以分析，探索不同原料的不同降解特性。 通过本课题的研究，开辟牙周再生片新的研究方向，为今后迸一步 研究其物理机械性能和工艺参数积累一定的数据，综合医用标准和使用 效果得出的产品工艺可望为牙周再生片的生产提供一定的参考。在已有 的对牙周再生片降解性能研究的基础上，对其体外模拟降解过程中力学 性能变化的初探可以为将来进一步的分析研究积累一定的经验和参考数 据，为产品使用过程中的力学性能变化提供理论依据。 第2 章原料选用和试验准备 第2 章原料选用和试验准备 2 1 牙周再生片的结构和原料要求 目前，国内外已有的牙周再生片多为两种结构，一种是单一原料成 膜，如胶原膜、壳聚糖膜；另一种为复合结构，由内层骨架织物和表面 涂层剂构成，内层骨架织物可为机织物或针织物，外层覆膜原料也不单 一。考虑到牙周再生片使用过程中应不易发生变形和坍塌，本课题选用 复合结构的牙周再生片，内层骨架采用针织结构，表面涂层。选用针织 骨架织物是因为编织机织物时经纱需要整经的额外工序，这样势必增加 了纱线暴露在空气中的时间，如果纱线使用可生物降解的材料，这样可 能会导致纱线强力的下降，也会增加成本。 从使用材料上分，牙周再生片可分为两大类：一类是不可吸收性生 物膜，另一大类是可吸收性生物膜，包括天然的胶原膜和人工高分子聚 合物膜( 如聚乳酸膜p l a ，聚乙交酯一丙交酯膜p o l a ，聚乙醇酸膜p g a 等) ，它们都具有细胞阻隔和引导特定组织再生的功能。然丽，不可吸收 性膜不能自行降解，需二次手术去除：且细胞亲和性差，易导致伤口裂 开，膜早期暴露，影响伤口的愈合。可降解生物膜一般都是由对入体无 毒无害能在人体内部自行分解后被吸收或排出体外的高分子材料制成， 不需要二次手术。鉴于此，本课题选用可生物降解的材料制膜。 对于选用可生物降解的材料，考虑到其医用效果，要求纱线具有以 下特点：【2 0 l 1 聚合物纯度高，不含有任何对人体有害的物质； 2 化学上不活泼，不会因与体液接触而发生变化； 3 无毒性，不引起肿瘤和过敏反应，没有异物反应，不破化临近的组 织； 4 有稳定的物理、化学性能和良好的力学性能，即长期移植在人体中 也不会损坏原有性能； 5 与人体长期接触的材料要有优良的生物相容性，即电好的血液相容 性与组织相容性。血液相容性最主要是指纱线与血液接触时，不引 起凝血和血小板的粘着和凝聚，不产生凝血和溶血。组织相容性是 第2 章原料选用和试验准备 当活体与材料接触时，活体组织不发生炎症和排拒，材料表面不产 生钙沉积。 6 能经受必要的消毒处理而不变形： 7 易于加工成所需的复杂形状，而且质优价廉。 另外，考虑到牙周再生片对牙周病患者的治疗机理，这种可吸收性 膜还必需满足以下要求： 1 对伤口愈合无影响或有利于伤口愈合； 2 有良好的选择性细胞阻隔功能； 3 良好的物理性能及可操作性能； 4 降解速度与组织愈合时间相平衡，且其降解产物在机体内无不良反 应。 2 2 几种常见的可生物降解材料 生物可降解材料是组织工程材料中目前研究较多的一类材料，它是 一类生物相容性好，植入人体后能够发生降解，变成小分予物质被吸收 或通过新陈代谢排出体外的材料。它们的降解方式主要有两种：一类是 通过非酶性的单纯水解降解，另一类是通过酶、细胞的降解作用发生降 解的环境降解材料。可生物降解材料有天然材料与合成材料两种。以下 简要介绍几种近年来常用的材料。 2 2 1 p l a ( 聚乳酸) 聚乳酸又称为聚丙交酯，可由玉米、甘蔗或甜菜通过发酵和蒸馏的方 法提取得到的乳酸通过开环聚合而利2 ”。聚乳酸属于聚酯类可生物降解 材料，应用范围主要集中在生物医学工程领域，如药物控制释放体系、 骨内固定物、组织修复、细胞培养等【2 2 也4 1 。就目前而言，在可降解热塑 性高分子材料中p l a 具有相对最好的抗热性。表2 1 为p l a 的性质。 表2 ip l a 的性质 熔点玻璃化温度 密度 结晶度分子量 ( )( ) ( g m l ) p l a1 3 0 2 1 55 5 7 01 2 51 0 - - 4 0 1 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 第2 章原料选用和试验准备 聚乳酸原料廉价，具有良好的生物相容性和可降解性，能被酸、碱、 生物酶等降解，聚乳酸的降解首先是非晶区的水解，导致力学性能降低， 其次是晶区的水解，其降解速率在很大程度上取决于它的相对分子质量、 形态、主链结构以及聚合物的纯度等因素2 5 也7 1 。与其它可降解聚合物相 比，在自然条件下p l a 显示出相当慢的降解速率。对p l a 降解动力学和 体内力学特征的研究发现聚乳酸的分子量和强度半衰期为8 1 2 周之间， 体内降解速度快于体外降解速度，降解2 0 周后完全碎裂。聚乳酸无毒， 但是其酸性降解产物引起局部p h 值下降，导致患者无菌性炎症反应。 2 2 2p g a ( 聚乙醇酸) 聚乙醇酸又称为聚乙交酯，常以乙醇酸为原料，通过脱水环化反应 合成a 一乙交酯( g a ) 单体，然后在催化剂的作用下，通过聚合反应制得。 聚乙醇酸是具有单一结构单元的脂肪族聚酯。它是一种线性脂肪聚 酯，结晶度高，熔点高，机械性能好，这为其在医用材料等领域的利用 打下坚实的基础。表2 2 为p g a 的性质。 表2 2p g a 的性质 熔点玻璃化温度密度 结晶度分子量 ( )( ) ( g m l ) p g a2 2 4 2 2 63 5 4 01 5 4 - 1 6 44 5 - 5 5 2 0 0 0 0 1 4 5 0 0 0 聚乙醇酸具