（材料学专业论文）β偏磷酸钙晶须左旋聚乳酸骨折内固定材料的制备与性能研究.pdf

一偏磷酸钙晶须h z 旋聚乳酸骨折内固定材料的制备与性能研究四川大学材料科学与工程学院材料学专业研究生：陈琳指导老师：尹光福教授摘要左旋聚乳酸( p o l y - l l a c t i d e ，简称p l l a ) 具有良好的生物活性和生物相容性，其降解产物能参与人体的新陈代谢，无细胞毒性，是一种很有应用前景的医用可降解吸收高分子材料。但p l l a 的力学强度衰减较快，在骨愈合期内不足以实现对骨的内固定；同时，聚乳酸的降解比较缓慢，达到完全降解至少需要2 3 年。偏磷酸钙( c a l c i u mm e t a p h o s p h a t e ，简称c m p ) 材料具有良好的生物相容性和高力学强度，动物植入及组织培养研究亦未发现毒性反应，但其高脆性限制了它在组织工程领域的应用。本研究采用d 型偏磷酸钙晶须( p c m p w ) 增强p l l a ，制备力学性能和降解性能适宜的骨折内固定材料。采用玻璃结晶化方法制备b c m p w 。该法可获得直径为0 2 2um ，长径比达到2 0 5 0 的晶须材料。实验得出了合成形貌完好的6 c m p w 的适宜条件：原料中钙磷比为0 8 5 ；采用z r 0 2 晶核促进剂能使大量晶体快速形成；以0 2 m o l l 的n a o h 溶液作洗滤介质以分离晶须和非晶相；控制玻璃结晶化热处理时间和洗滤时间分别为3 6 h 和4 8 h 。经x - 射线衍射分析( x r d ) 证实玻璃体的主要组成为6型偏磷酸钙。玻璃结晶化热处理温度由玻璃体的差热分析结果确定。同时，试验采用5 w t 卵磷脂改性1 3 c m p w ，表面接触角测试结果表明经卵磷脂改性后材料表面的疏水性得以改善。当采用溶剂浇铸一模压成型( s o l v e n tc a s t i n g - m o d e lc o m p r e s s i v i n g ，简称s c m c ) 工艺制备b c m p w p l l a 复合材料时，使用平均粒径为5 0 肛r n 一7 6 i _ t r n 的粉体，控制b c m p w 含量为5 0 w t 时，得到了抗压强度为8 0 m p a ，抗弯强度为4 0 m p a ，t四川大学硕士毕业论文断裂强度为1 7 0 m p a 的b c m p w p l l a 复合材料；经5 、】i r t 卵磷脂改性的b c m p w与p l l a 复合后材料的抗压强度比未改性材料提高了约2 5 ，断面扫描电镜照片显示改性后的b c m p w 在p l l a q ，分布均匀。为了避免引入有机溶剂和进一步提高强度，实验研究了粉末混合一模压成型( p o w d e rm i x i n g m o d e lc o m p r e s s i v i n g ，简称：p m - m c ) 7 - 艺所制备材料的形貌和力学强度。结果表明：采用两步温度成型方法得到的2 5 w t p c m p 一7 5 w t p l l a 样品的抗压强度为1 1 2 4 m p a ，比对应的一步温度成型的样品高出约1 0 个百分点；采取两步模压成型的2 5 w t 1 3 c m p w 一7 5 w t p l l a 材料的抗弯强度和弯曲模量分别为1 2 6 3 3 m p a 和4 3 g p a ，s e m 观察发现材料中仅有少量气泡。透射电镜( t e m ) 和扫描电镜( s e m ) 照片显示b c m p w 经人体模拟体液浸泡1 8 天后表面有点状刻蚀斑形成，降解2 8 天后晶须形状变得不规则，表面粗糙；降解4 周时的红外光谱图表明p c m p w 表面生成了羟基磷灰石。p c m p w p l l a 经人体模拟体液浸泡后，强度在前8 周内几乎没有衰减。4 5 w t 1 3 c m p w 一5 5 w t p l l a 样品降解1 2 周时抗压强度降至初始值的8 8 ，而降解2 0 周时2 5 w t o c m p w - - 7 5 w t p u a 的抗压强度仍保持在1 0 0 m p a 以上。随降解时间增加，p l l a 逐渐脱落，在材料中形成孔洞；凝胶渗透色谱( g p c ) 测试结果表明b c m p w p l l a 降解2 0 周后p l l a 的数均分子量降至2 0 万左右，重均分子量下降了约3 2 ；x i 图谱显示降解2 0 周时b c m p w p l l a 材料的表面成分主要为偏磷酸钙和羟基磷灰石。m t t 比色结果显示：8 c m p w 材料组的o d 值都比对照组的o d 值高，并且随m t t 试验时间延长，成骨细胞的吸收值逐渐增加，最大增长率约为9 0 ；b c m p w p l l a 的s e m 照片显示培养3 d 时，细胞的黏附和生长形态正常；7 d 时细胞数量明显增多，显示出良好的生长趋势。荧光显微镜照片显示1 3 - c m p w p l l a材料上附着的细胞数目随培养时间的增加而迅速增长。这些结果表明：b c m p 胛u a 没有明显的细胞毒性，是一种具有良好生物相容性的材料。关键词：偏磷酸钙聚乳酸晶须骨折内固定材料i jp r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fb - c a l c i u mm e t a p h o s p h a t ew h i s k e r s p o l y - - l - l a c t i d ec o m p o s i t e sf o ri n t e r n a lf i x a t i o no fb o n ef r a c t u r e sc o l l e g eo f m a t e r i a l ss c i & e n g s i c h u a n u n i v e r s i t ym a s t e rc a n d i d a t e ：c h e nl i na d v i s o r ：y i ng u a n g f ua b s t r a c tp o l y - l - l a c t i d e ( p u 。a ) i sw e l lk n o w na sab i o c o m p a t i b l eb i o m a t e r i a l ，b e c a u s ei tc o u l db ed e g r a d e da n da b s o r b e dt op a r t i c i p a t ei nm e t a b o l i s mw i t h o u to b v i o u st o x i c i t yw h e ne m b e d d e di n t ot h eb o d y h o w e v e r , i tp o s s e s s e ss o m ed e f e c t sa saf r a c t u r ei n t e r n a lf i x a t i o n ，s u c ha st h ef a s ta t t e n u a t i o no fm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n ds l o wd e g r a d a t i o n c a l c i u mm e t a p h o s p h a t e ( c m p ) c e r a m i ca p p e a r sw e l lb i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t ya n dh i g l lm e c h a n i c a ls t r e n g t h ；n e v e r t h e l e s s ，i tw a sn o ts u i t a b l ef o rf r a c t u r ef i x a t i o ni n d e p e n d e n t l yf o ri t sb r i t t l e n e s s s o ，t h ea i mo fp r e s e n ts t u d yi st of a b r i c a t ea ni n t e r n a lf i x a t i o nf o rb o n ef r a c t u r et h r o u g hp r e p a r a t i o no fp c a l c i u mm e t a p h o s p h a t ew h i s k e r s ( p c m p w ) t or e i n f o r c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p l l a 、p - c m p ww i t hd i a m e t e r so f0 2 2 r u na n dh i g l la s p e c tr a t i o so f2 0 一5 0h a db e e np r e p a r e db yc o m r o l l e dc r y s t a l l i z a t i o ni nt h eg l a s s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h em o r p h o l o g yo ft h ep c m p ws u c ha sc o m p o n e n t ，t i m eo fc r y s t a l l i z a t i o nt r e a t m e n t ，w a s h i n gt i m ea n dn u c l e a t i n ga g e n t ( t i 0 2 、z r 0 2 ) w e r ed i s c u s s e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f e c tp c m pw h i s k e r sc o u l db eo b t a i n e du n d e rc r y s t a l l i z a t i o nt r e a t i n gf o r3 6h o u r s ，w a s h i n gb yo 2 m o i ln a o hf o r4 8h o u r s ，a n dt h ec a o ：p 2 0 5r a t i ob e i n go 8 5 s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) p h o t o g r a p h ss u g g e s t e dt h a tf i n ec r y s t a lw a si n d u c e db y2 1 0 2f u r t h e r m o r e ，口一c m p ww a sm o d i f i e dw i t h5 p h o s p h a t i d y lc h o l i n e s ( p c ) t oi m p r o v et h eh y d r o p h o b i cp r o p e r t y t h ev a l u e so ft o u c h a n g e li n d i c a t e dt h a tt h eh y d r o p h o b i cp r o p e r t yo fw h i s k e rm o d i f i e dw a sb e t t e rt h a n1 3 - c m p wu n m o d i f i e d t四川大学硕士毕业论文s o l v e n tc a s t i n g m o d e lc o m p r e s s i v i n gt e c h n i c sh a db e e na p p l i e dt op r e p a r e1 3 - c m p w p l l ac o m p o s i t e s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h em o r p h o l o g ya n dm e c h a n i c a ls t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e ss u c ha sh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，p o w d e rd i a m e t e ra n dc r y s t a lc o n t e n tw e r ed i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h ep o w d e rw i t ht h em e a np a r t i c l es i z er a n g i n gf r o m5 0l a mt o7 6l a mc o u l de n h a n c et h es t r e n g t hw h e nt h ew e i g h tp e r c e n to f3 - c m p ww e r e5 0 t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e sw e t en e a r l y8 0m p aa n d4 0m p a ，a n dt h ec r a c k i n gs t r e n g t hw o u l dr e a c ht o1 7 0m p a t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e sm o d i f i e dw i t hp cc o u l di n c r e a s ea b o u t2 5 c o m p a r e dw i t ht h em a t e r i a l sw i t h o u tp cs e mp h o t o g r a p h ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e d1 3 - c m pw h i s k e r sw e r eu n i f o r m l yd i s p e r s e di np l l a i no r d e rt oi n c r e a s et h es t r e n g t ha n da v o i dr e s i d u eo fo r g a n i cs o l v e n t ，p o w d e rm i x i n g - m o d e lc o m p r e s s i n gp r o c e s sh a db e e nu s e dt op r e p a r ep c m p w p l l ac o m p o s i t e s t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o m p o s i t e sw i t h2 5 w t 1 3 - c m p wm a d eb yt w o s t e pt e m p e r a t u r em o l d i n gw a yw a s1 1 2 4m p a , w h i c hw a s1 0 h i g h e l t h a nc o m p o s i t em a d eb yo n e s t e pt e m p e r a t u r em o l d i n gw a y t h es a m p l e sa c h i e v e db yt w o - s t e pc o m p r e s s i o nm o l d i n gp o s s e s s e dam u c hb e t t e rb e n d i n gs t r e n g t ha n dm o d u l u sv a l u e st h a nt h a tb yo n e - s t e pc o m p r e s s i o nm o l d i n g e s p e c i a l l y , t h ei n i t i a lv a l u e so fb e n d i n gs t r e n g t ha n dm e d u l u so f2 5 w t l 3 一c m p w - 7 5 w t p l l ac o m p o s i t e sw i t hf e wa i rb u b b l e sp r e p a r e db yt w o - s t e pc o m p r e s s i o nm o l d i n gw e r o1 2 6 3 3m p aa n d4 3g p a s e ma n dt e ma n a l y s e ss h o w e dt h a tt h ee t c h i n gs t a r t e do nt h es u r f a c eo fp c m p ws o a k i n gi nt h es i m u l a t e db o d yf l u i da f t e r1 8d a y s t h ea p p e a r a n c eo f3 - c m p ww a sr o u g h n e s sa n dd i s t o r t e da f t e rs o a k e df o r2 8d a y s i n f r a r e ds p e c t r aa n a l y s i ss h o w e dt h a th y d r o x y a p a p t i t e a p p e a r e do nt h es a m p l e sa f t e rd e g r a d a t i o n r e s u l t si n d i c a t e dt h ec o m p o s i t e sw i t h4 5 w t 1 3 - c m p wc o u l dm a i n t a i nt h es a m ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi n8w e e k s ，a n dd r o ps l o w l yt oa p p r o x i m a t e l y8 8 o ft h ei n i t i a lv a l u ei n1 2w e e k s h o w e v e r ，t h es t r e n g t ho fc o m p o s i t e sw i t h2 5 w t3 - c m p wm a i n t a i n e da t1 0 3m p ai n2 0w e e k s s e mp h o t o g r a p h ss h o w e dt h a ts o m ep l l af r a g m e n t sp e e l e do f fg r a d u a l l yw i t ht h es o a k i n gt of o r maf e wp o r e so nt h er o ds u r f a c e t h er e s u l t so fg e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h en u m b e r - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h td r o p p e dt oa b o u t2 0 0 0 0 0a n dt h ew e i g h t a v e r a g ew a sr e d u c e db y3 2 i n2 0w e e k s x r dp a t t e r nr e v e a l e dt h em a i ni n o r g a n i cc o m p o n e n t so ft h ec o m p o s i t ea f t e rd e g r a d a t i o ni nv i t r ow e r eb c m pa n dh a m t tt e s t i n gs u g g e s t e dt h a tt h eo dv a l u eo f3 - c m p wg r o u pw a sh i g h e rc o m p a r e dw i t ht h eb l a n kg r o u pa n di n c r e a s e ds l o w l yw i t ht h et e s t i n gt i m e ，a n dt h eg r e a t e s ti n c r e a s er a t ew a sn e a r l y9 0 a f t e r3d a y sc u l t u r i n g c e l l sa d h e r e dt oa n dg r e wo nt h e 口一c m p w p l l a ，a n dd i dn o ta p p e a ro b v i o u sa b n o r m i t yi nm o r p h o l o g y t h eo s t e o b l a s t sp r o l i f e r a t i o ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya r e r7d a y s t h en u m b e r so fc e l l so nt h ec o m p o s i t e so b s e r v e dw i t hf l u o r e s c e n c ep i c t u r e sw e n tu pf a s tw i t ht h ei n c r e a s eo f t i m e r e s u l t ss u g g e s t e d1 3 - c m p w p l l ah a dw e l lb i o c o m p a t i b i l i t y k e y w o r d s ：w h i s k e r s ；c a l c i u mm e t a p h o s p h a t e ；p o l y - l - l a c t i d c ；i n t e r n a lf i x a t i o no f b o n ef r a c t u r ei四川大学硕士毕业论文申明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。导师签名：日期：年一月一日学生签名：您基蔓罡日期：边年互月盈日第一章绪论1 1 聚乳酸( p l l a ) 性质及其在骨修复中的应用1 1 1 聚乳酸的性能和改性对骨折内固定通常采用金属夹板及螺钉，但愈合后需要手术取出，同时还存在潜在的危险，如由于钢板的压力导致骨质疏松，引起自发性骨折：金属板的腐蚀易引起炎性反应；钴、镍金属的动物实验表明其有致癌反应。而使用生物相容性良好的生物可降解材料( 有适当的强度和降解速度) 制作的骨板和螺钉就可避免上述金属板带来的危害及再次手术的痛苦和费用。聚乳酸作为一种具有良好的生物相容性和可降解吸收性的高分子材料，在医学领域有着广泛的应用 1 - 2 。由于聚乳酸( p o l y - l a c t i c a c i d ，简称p l a ) 有良好的组织相容性和生物降解性d - 5 ，自1 9 8 6 年以来一直被应用于骨缺损修复的研究骨组织工程学中。近年来，p l a 骨修复材料的研究日趋增多【锄】。p l a 是以微生物发酵产物乳酸为单体化学合成的一类聚合物。乳酸有两种旋光异构体，即左旋( l 一) 和右旋( d ) 乳酸；聚合物有3 种立体构型：右旋聚乳酸( p d l a ) 、左旋聚乳酸( p l l a ) 、聚消旋乳酸( p d l l a ) 。p d l a 和p l l a 是两种具有光学活性的有规立构聚合物，熔融或溶液中均可结晶，结晶度可达6 0 左右。p l l a 的t g 为5 8 c ，因而在常温下，以玻璃态存在，质硬且在体内持续时间长。p d l l a 是无定形非晶态材料，无熔融温度【9 】。用增强技术制得的p d l l a 和p l l a棒材达到的最大初始弯曲强度分别是1 4 0 m p a 和2 7 0 m p a ；p d l l a 材料分子量半衰期是3 1 2 周，8 周时弯曲和剪切强度降为初始值的一半；晶态p l l a 分子量半衰期最少是2 0 周，力学性能的半衰期依加工条件的不同可远大于2 0 周。根据材料降解及力学性能看，晶态p l l a 和p d l a 适宜于骨折固定材料。目前，国际上出售的接骨用螺钉、棒材大多是p l l a 材料 】o 】。但是p l l a 和p d l a 材料具有较高的结晶度，易致迟发性组织反应( 如植入部位肿胀，无菌性窦道形成等) ，且降解吸收时间长不利于骨修复【l ”。p d l l a 以其优越的组织相容性，良好的生物力学性能和适当的降解速度被认为是很有发展前景的骨支架和骨替代材料【l 。”】。通过对聚乳酸进行增塑、共聚、共混、分子修饰、复合等改性方法可实现对聚乳酸的降解性能、亲水性及力学性能的改进。四j i 【大学硕士毕业论文( 1 ) 增塑改性将生物相容性增塑剂如柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、部分脂肪酸醚、低聚物聚z , - - - 醇( p e g 2 4 0 0 ，p e g 2 1 5 0 0 ) 、低聚物聚乳酸( o l a ) 、丙三醇添加到聚乳酸基体中。增塑剂的加入使聚乳酸大分子链的柔性提高，玻璃化温度降低非常明显，其弹性模量下降，断裂伸长率提高，即在一定程度上韧性增加。其中最有效的增塑剂是p e g 2 4 0 0 和o l a ，当添= ! j 1 2 0 w t 的o l a 时，断裂延伸率由纯p l a 的9 上升至j j 2 0 0 。b e c h t o l dk 1 4 1 研究了乳酸一环氧乙烷共聚物用作聚乳酸的增塑剂，可降低聚乳酸的玻璃化转变温度。( 2 ) 共聚改性聚乳酸的共聚改性旨在聚乳酸主链中引入另一种分子链，使p l l a 大分子链的规整度下降、结晶度降低，以提高柔性和弹性。在亲脂性的聚乳酸主链中引入聚乙二醇等亲水性链段形成的共聚物具有两亲性，可应用于药物控释载体、与血液接触的表面和组织粘合剂、释放亲水性大分子药物如多肽和蛋白质药物等，使其在血液中的寿命可大大延长。聚乳酸的共聚改性物可以是生物降解类材料如乙交酯、己内酯等，也可以是非生物降解类材料如聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚酰亚胺等。( 3 ) 共混改性聚乳酸经共混改性可改善其脆性，提高其力学性能。将聚乳酸与聚己内酯、聚丁烯丁二酸、聚羟基丁酸酯、聚乙二醇聚脂肪酐等生物降解高分子共混改性，以及与聚氨酯、聚异戊二醇接枝聚乙酸乙烯酯共聚物橡胶等非生物降解材料的共混可在一定程度上提高其力学性能。1 1 2 聚乳酸类骨折内固定材料的力学性能聚乳酸基体与聚乳酸纤维通过纤维集束模压成型i t s l 可得到聚乳酸自增强材料，可制成板状、棒状、螺钉等各种形状。纤维集束模压成型可采用不同的加工方法：( 1 ) 将聚乳酸熔体与其纤维混合，熔体一纤维混合物在模具中快速冷却成型：( 2 ) 将磨细的聚乳酸粉末与其纤维混合，一定压力下加热使粉末熔化而纤维只表面熔化，内部取向不变，再冷却成型。碳纤维增强p l l a 的复合材料可用作骨折内固定装置，有类似于金属装置的强度和硬度，而且随着骨组织的恢复，材料由于p l l a 被吸收而逐渐失去强度和2生堡壁壁箜曼堑! 至堡窭塾墼量堑由旦塞堑整墼型墨量丝韭塑塞硬度，载荷转移到痊愈的骨上面。度过恢复期后，不必取出部分吸收的材料，消除了第二次手术过程，也避免了金属材料植入后长期的应力与腐蚀问题。周富刚等f 1 6 】采用碳纤维增强p l a 时，当基体内添加1 0 的碳纤维时，复合材料的弯曲强度为p l a 基体的3 3 倍，弯曲模量为基体的2 8 倍，冲击强度提高了2 倍多；当添加2 0 的碳纤维时，冲击强度约提高了一个数量级。芬兰赫尔辛基大学研制的自增强聚乙醇酸( s r - p g a ) 的初始弯曲强度为3 6 0 士7 0 m p a ，大大高于皮质骨( 1 2 0 2 1 0 m p a ) 水平，但植入体内2 周后强度衰减了4 0 ，6 周后弯曲强度仅剩3 0 m p a ”】。p l l a 的初始强度虽低于p g a ，但p l l a 分子链中存在甲基，其降解速度比较缓慢，初始强度保持时间较长，可以作为承重骨的骨折内固定材料使用。y a m a m u r o 等【1 8 报告非增强p l l a 材料，初始弯曲强度达1 6 0 2 7 0 m p a ，8 周后仅下降1 0 ，1 2 周后下降4 0 ；而s r p l l a 初始弯曲强度达2 5 0 2 7 1 m p a ，体内1 2 周下降5 0 ，3 6 周后达松质骨水平( 1 0 2 0 m p a ) 。m a n n i e n 等 1 9 报告纤维化增强的s r p l l a 抗张强度达4 0 0 5 0 0 m p a ，剪切强度为2 0 0 m p a 。p l l a 被认为是骨折内固定最有应用前景的医用可降解吸收高分子材料。但以通常的加工方法成型的p l l a 。初始弯曲强度和剪切强度仅分别为5 7 1 4 5 m p a和5 3 6 1 m p a 2 0 1 。采用高强度的p l l a 纤维集束模压的自增科2 1 】和其它增强技术【2 2 1 能够大幅度的提高强度。t o r m a a 2 3 】最早报道采用自增强技术制得p l l a 棒材和螺钉，其弯曲强度在2 0 0 2 5 0 m p a 2 _ 间，但工艺复杂，而且熔融纺丝、热压两个阶段都须经过高温，常常导致聚合物分子量的大幅度下降，影响其力学强度。近期有许多作者采用了固态挤出、热拉伸、取向模压等工艺对p l l a 进行增强处理，均取得一定的效果 2 4 - 2 扪。为简化工艺，尽量减少分子量的损失，提高材料的力学强度，全大萍等【2 6 】采用取向模压成型技术对p u ，a 增强处理后，其弯曲强度是熔融模压成型的2 倍以上。卢泽俭等【2 刀以辛酸亚锡为引发剂，l - 丙交酯为单体，采用本体聚合方法制备出粘均分子量高达8 0 x 1 0 4 的p l l a 。同时采用成纤模压增强技术，使p l l a 模坯在模压过程中发生了较大的取向形变，使p l l a 分子链和微晶发生取向，获得了弯曲强度和剪切强度分别达至1 j 2 4 0 2 6 0 m p a ，1 7 0 1 9 0 m p a 的高强度p l l a 棒材。采用上述工艺对高分子量的左旋聚乳酸加工成型，可大幅度提高产品的力学强度，但工艺复杂，技术要求较高。而用超细微刚性无机粒子与有一定韧性四川大学硕士毕业论文的塑料复合，不但不降低原有塑料的剐性，而且可赋予最终材料较好的韧性。羟基磷灰石( h a ) 是骨骼的主要成分，与生物体有很好的相容性，通过h a 与p l a共混复合开发性能独特的生物相容性优良的内植材料己引起人们的重视【2 8 _ 如】。可吸收的聚乳酸与羟基磷灰石复合后，明显提高羟基磷灰石多孔体的抗拉强度及断裂强度【3 ”。羟基磷灰石左旋聚乳酸材料现在国外己应用于可吸收钢板、螺钉的合成，临床应用取得较好的效果吲。1 1 3 聚乳酸的生物降解聚乳酸具有良好的可降解性，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，水解反应会因羧基的存在而加快。聚乳酸的降解机理如图1 1 所示。图1 - 1 聚乳酸的降解机理f i g 1 - 1t h em e c h a n i s mo f d e g r a d a t i o no f p l ap l a 降解依靠水解，可不需特殊酶参与。国外学者用1 4 c 标记p l a ，追踪2 4周1 1 月发现9 7 p l a 酵解，在呼吸中以c 0 2 形式排出。影响其降解和吸收因素有三个方面：( 1 ) 微观结构因素：材料化学特性、分子量和分子量分布、结晶度及表面特性等；( 2 ) 宏观结构因素：包括大小、形状和重量表面积比等；( 3 ) g 境因4生堡堡墼塑曼塑! 奎壁塞塾璧量：堑塑旦童堑型盟型鱼墨丝鐾堑塞素：包括局部组织耐受性、清除能力、消毒和储存条件等。p l l a 半衰期为6 周，自身增强p l l a ( s r - p l l a ) 为1 2 周；一般认为，p d u a 降解吸收较p l l 快，p d l l a 体内完全吸收需2 4 周1 8 月，p l l a t j 需3 2 周4 年。b o s t m a no m 等【3 3 】报道p l l a 初期在无定形区域水解，降解速度由其羧基末端浓度控制。p l a 与液体环境接触即开始降解，而质量丢失只有当降解后寡聚物、单体从材料中扩散出去后才开始表现。阮狄克等试验发现：体外降解后p l a 分子量明显下降，浸泡液p h 值保持稳定。体内降解8 周时分子量下降达5 7 0 2 ；质量吸收仅8 ，1 5 ，形状无明显变化 3 4 】。王立、金大地等p 5 】用国产p d l l a 棒植入兔背肌肉内。8 周后生物降解率为4 94 3 ，生物吸收率仅4 1 3 。因此认为p l a 的降解和吸收并不平衡，应使材料周围p h 值在相当长时间内保持稳定，从而避免局部或全身副作用发生。从物理角度看，p l a 降解存在均相和非均相降解。非均相降解指降解反应发生在聚合物表面，而均相降解则是降解发生在聚合物内部。从化学角度看，主要有三种方式降解：( 1 ) 主链降解生成低聚体和单体；( 2 ) 侧链水解生成可溶性主链高分子；( 3 ) 交联点裂解成可溶性线性高分子。当p l l a 植入体内以后，降解反应同时进行。在最初阶段降解反应进行比较缓慢，产生的酸性小分子可以被代谢而排出体外，随着时间的推移，降解反应逐步加速产生的酸性小分子来不及被代谢而积累，造成局部酸浓度过大，它们又会加速催化材料的降解，即发生自催化效应。p d l l a 可在骨缺损期暂时替代骨组织，支持周围软组织。在这过程中，p d l l a 逐渐降解、吸收，同时机械强度下降，骨支撑功能逐渐丧失，p d l l a 的聚合大分子逐渐水解成较小聚合物，最终裂解成为乳酸单体，材料结构也随之改变，但结构如何改变目前尚不清楚。人们近来又发现对p g a p l a 共聚物大尺寸的材料，存在不均匀降解 3 6 , 3 ”，聚合物内部出现空洞，对此有人解释为加工过程中皮层效应( 幽n e f r e c l ) 所致口”，但这与自催化效应相矛盾【w 。对于乳酸聚合物的降解速度，人们深入研究发现聚合物结构对其影响很大，包括化学结构、物理结构、表面结构等。由于聚酯类高分子含有易水解化学键，有较快的降解速度。但当其固态结构不同时，不同聚集态的降解速度有如下顺序：橡胶态 玻璃态 结晶态。其它影响降解速度的因素有分子量、共聚物组成、几何形状、加工条件、温度、酶、p h 值、微生物、电磁、超声波及c 射线辐射等 4 0 1 。总体来说，聚乳酸及其共聚物的降解速度为：p ( g a l a ) ( 聚乳酸，聚乙四川大学硕士毕业论文醇酸共聚物) p g a ( 聚乙醇酸) p d l l a ( 外消旋聚乳酸) p ( d l l a l l a ) ( 外消旋聚乳酸和聚l 乳酸的共聚物) p l l a ( 聚l # l 酸) j 。降解速率是决定炎性反应和程度的重要因素，在很大程度上决定了聚合物的生物相容性。最近的一项研究证实，聚合物的生物相容性与降解产物的浓度有很大的关系。当浓度太高时，就会表现出炎性反应，浓度低时，则表现出好的生物相容性【42 1 。p l l a 在初期的降解速率较快，随后减慢，此后p l l a 继续降解，最后有小颗粒从植入体上脱落，并随即被巨噬细胞的吞噬活动或后期被巨细胞的溶解活动所消除，没有发现急性的或慢性的炎症反应。但p u a 需3 年多的时间才能被完全吸收。有学者同时研究了p l l a 的体内外降解，认为其体内外降解无明显区别，从而认为酶对p l l a 的降解没有影响。在动态载荷的作用下，p l l a 的降解速率加快。有人曾利用p d l l a 降解快于p l l a 的性质用s r 技术制备了p l l a p d l l a 复合材料以改善p l l a 的降解性能：把4 0 的p d l l a 纤维与6 0 p l l a 纤维混合后在低于熔融温度下进行高压烧结，复合材料的降解明显快于p l l a ，但力学强度下降。s a i k k u b a c k s t r o ma 等【4 3 】研制的s r p l l a 9 6 棒材则是用d l a ( 4 ) l l a ( 9 6 ) 的共聚物加工而成，材料保持了1 0 0 p l l a 的性能，弯曲强度达到2 3 0 m p a 以上。降解实验中前2 4 周内弯曲和剪切强度均下降不大，共聚显著降低了材料的结晶性，从而改善p l l a 的吸收性，降低炎症反应。1 1 4 聚乳酸的生物相容性生物组织相容性，即指材料植入体内后，与机体组织( 软组织、硬组织以及血液、组织液) 接触时，具有良好的亲合性能。生物材料的组织相容性的定性和定量研究主要采用两种方式：体外细胞培养和体内植入方法。两大类方法采用手段繁多，各有其优缺点，但两者并不矛盾，而是相互补充，互为验证。细胞培养法检测材料毒性，又称细胞毒性实验，具有简便、敏感性高、节省动物、节约经费、缩短生物材料周期等优点。细胞毒性试验通过检测材料对细胞形态、生长、代谢及酶活性的变化等方面的影响来评价材料对细胞的毒性作用。体外细胞毒性试验具有通用性，己广泛用于各种器械和材料的评价。在研究生物材料的细胞毒性和其对细胞的功能影响方面，体外细胞培养方法有它独特的有利方面。体外细胞培养试验的原理是：生物材料的体外毒性与其材料在体内的毒6生堡堡塑塑曼堡! 垄生鐾墨墼量堑由堕塞盟塑盟型墨量丝丝堡塞性是成正比的 4 4 - 4 5 】，即体外毒性越小，体内毒性越小。体外细胞培养有如下优点：对有毒材料敏感；可重复性好；与体内种植实验相比，简便易行，迅速；易于控制实验条件、因素，使之标准化；能使用人体细胞作试验；给药剂量范围与梯度易于控制；易于进行定量分析测定；耗费相对较少。对比体外细胞培养方法和体内种植实验，在区别生物材料化学构成对细胞影响方面，体外细胞培养方法比体内种植更为敏感。由于细胞培养的环境与复杂的体内环境是有区别的，不能将试验结果直接用于人体。体外细胞培养试验中所用的生物材料试样有3 种形式：块状；微粒或粉末状；材料浸提液。体外细胞培养检测生物材料毒性的主要方法是直接法。有两种途径：一是材料的浸出液直接浸渍细胞培养法；二是直接接触培养法。当浸出液或材料表面有毒性物质释放时，就会影响细胞的生长。通过动态观察细胞的形态变化和检测细胞数量的增减可准确判定细胞的毒性。受试材料的毒性越大，细胞的抑制就越大1 4 6 j 。对比实验研究表明，将材料浸提液加入培养皿中与固体材料直接放置在培养液中，比较细胞对材料的反应，前一种方法比后一种方法更为敏感i 4 ”。m e i n i n g 等t 4 8 用左旋聚乳酸膜治疗骨干缺损，以促进骨的再生。他们用多孔的p l l a 膜，种植到新西兰雄性兔子体内，覆盖前肢挠骨直径为1 0 m m 的骨缺损。另一个同样的缺损在对侧前肢，没用聚合物膜治疗以作对照。种植1 、2 、4 、8 、1 2 、2 4 、3 6 和6 4 周，用放射光谱和电子显微镜分析其效果。6 8 周时，骨缺损重建，1 2 周时，聚合物孔内的骨由松质骨组成。在2 4 、3 6 和6 4 周，植入物内充满松质骨和皮质骨，聚合物膜被少量纤维组织包裹。一般认为：p l a 材料具有较好的生物相容性，没有发现严重的急性组织反应和毒理反应。但p l l a 仍会导致一些温和的无菌性炎症反应。如颧骨固定术后3 年产生了无痛的局域肿块，皮下组织出现了缓慢降解的结晶p l l a 颗粒引发的噬菌作用【4 9 】。l a m 等1 5 0 】认为直径不超过3 8um 的p l l a 结晶微粒可导致细胞损害、死亡、溶解。m a t s u s u e ”j 认为非增强p l l a 材料组织学反应很轻，这与没有增强材料中的纤维成分、结晶度相对较低有关。p l a 降解所产生的碎片是导致迟发性无菌性炎症反应的根本原因。植入部位也决定组织反应类型和强度，皮下植入时炎症发生率较高，在吞噬细胞较少的髓内固定组织反应发生率较低【5 2 1 。四川大学硕士毕业论文1 i 5p l a 临床应用研究p l a 类材料具有良好的生物相容性和生物降解性，其降解产物能参与人体的新陈代谢，且性能可在大范围内通过与其他单体共聚得到调节，当前己成为生物降解医用材料领域中最受重视的材料之一。p l a 在生物医学领域的应用主要有：1 ) 医用缝合线：聚乳酸及其共聚物制成的外科缝合线，在伤口愈合后，自动降解并吸收，无需二次手术。2 ) 药物缓释材料：药物制剂的载体，药物胶囊和囊膜材料。3 ) 骨固定及修复材料：骨板、骨钉、骨质粘合剂。4 ) 其他：在组织工程中，使用聚乳酸及其共聚物作支撑材料。从1 9 8 4 1 9 9 4 年底，北欧国家己完成可吸收内固定物骨折治疗手术达4 0 0 0例，所用材料主要为s r p g a 、s r p l l a 、非增强p l l a ，应用最多部位为踝部骨折。r o k k a n e n 等【5 3 认为，p l a 内固定物适用于肱骨髁、尺骨鹰嘴、桡骨头、手足骨干、股骨髁、髌骨、胫骨