（材料学专业论文）聚己内酯基复合材料的制备及相关性能的研究.pdf

圭塑窒望奎兰 塑垂堡圭兰垡堡壅 聚己内酯基复合材料的制备及相关性能的研究 摘要 聚己内酪( p c l ) 是种生物相容性优异的可吸收材料，它的熔点低，结晶性强，降解 速度缓慢，因此可以用作骨替代材料的基体。甲壳素也是一种生物可降解高分子，它具有良 好的促进伤口愈合性。本实验室已在5 丁酰化甲壳素( c b ) 的存在下，用甲壳索纤维( c h i t i n ) 增强p c l 复合材料，发现该材料容易制备，具有一定的强度和模量，因此有很好的发展前 景。本文的部分内容就是深入研究，进一步确定c b 在c h i f i a p c l 复合材料中所起的作用， 从而更好地开拓这种很有应用价值的复合材料。而羟基磷灰石( h a ) 是骨骼的成分之一， 生物相容性好，用它填充p c l 既可以提高p c l 的强度，又可以避免自身脆性和不易吸收的 问题。因此用c h i t i n 和h a 分别增强p c l 各具有一定的意义。 运用熔融共混方法，制备了不同纤维含量的不加c b 的p c l c h i t i n 复合材料，再利用力 学性能钡0 试机、d s c 、d m t a 、a r e s 和s e m 等设备对复合材料的性能进行研究，并对其进 行不同齐u 量的辅照处理，最后运用相同的设备研究改性后的复合材料。通过一系列比较分析， 发现有和没有引进c b 的两种p c i , c h i l i n 复合材料体系辅照前的力学强度、模量、微观结构 照片和动态粘弹性等几乎致；复合材料的性能随纤维含量的变化趋势也一样，临界纤维含 量均为4 5 ，因此认为c b 的存在对辅照前c h i t i n p c l 复合材料的结构和性能的影响不大。 而辅照后，研究表明c b 的存在对复合材料的结构和性能起到一定的促进作用：它提高了力 学性能、界面作用强度。同时也影响了最佳辅照弃j 量的值，辅照后有无c b 的两种复合材料 体系的性能随甲壳素纤维含量的变化趋势也不一样。 运用同样方法制各了三种不同的p c l h a 复合材料体系，并辅照之。用和t e m 表征了h a 原料的纯度和微观结构，然后运用与p c l c h i t i n 相同的研究手段，分别比较分 析了辅照前后不同含量、不同粒径的h a 和不同分子量分布的p c l 等三种复合材料体系的 结构和性能，发现h a 含量为2 0 的综合性能最好：粒径较小的h a 增强效果更佳；分子量 分布较窄的p c l 作为基体的复合材料的性能相对好一些：辅照处理无法增强p c l 棚a 复合 材料的界面粘结作用。 为了提高甲壳素纤维的性能，最终达到提高c h i t i n p c l 复合材料性能的目的，本文还 对纺丝原液的性能作了初步研究，该部分工作包括对甲壳素的精制、分子量的表征以及用偏 光显微镜和a r e s 对两种不同溶剂配成的溶液进行光学性能和流变性能的测试。发现甲壳 素溶液为非牛顿流体，呈剪切变稀现象。甲壳素溶于5 氯化锂，n ，n 二甲基乙酰胺的混合 溶剂时有胆甾型液晶存在。该溶致液晶具有良好的流变性能，即具有较低的粘度，较高的取 向度。 总之，甲壳素纤维增强p c l 复合材料具有良好的加工性、生物相容性、加速伤口愈合 性和缓慢的降解速率，因此在分析清楚c b 在p c l c h i f i n 复合材料中所起的作用之后再进行 进一步的纤维改性或添加其它材料，此复合材料必将获得广泛的应用。同样，p c l h a 也具 有良好的加工性、优异的生物相容性，所以h a 若经过_ 定的表面处理或在p g d i i a 中添 加强度比较高的可吸收材料，该复合材料必将在骨科领域发挥其应有的作用。 i 关键词：p c l 甲壳素纤维复合材料；p c l h a 复合材料；溶致液晶；流变性能 圭造奎望奎堂 些! ! 墨丝! 堡圭堂焦兰! 墨 p r e p a r a t i o n a n ds t u d i e so nr e l a t i v ep r o p e r t i e so f p o l y c a p r o l a c t o n em a t r i xc o m p o s i t e s a b s t r a c t p o l y c a p r o l a c t o n e ( p c l ) ，a l l a b s o r b a b l em a t e r i a lw i t he x c e l l e n tb i o e o m p a t i b i l i t y , l o wm e l t i n gp o i n t , s f f o n gc r y s t a l l i z a b i l i t ya n d l o wd e g r a d a b l e r a t e , c a n b e u s a d a s t h e m a t r i x o f b o n es u b s t i t u t e s w i t h g o o da b i l i t yo fp r o m o t i n gw o u n dh e a l i n g , c h i t i ni s a l s oo n eo fb i o d e g r a d a b l em a c r o m o l e o u l e s s o m er e s e a r c h e r s i n o u r l a b h a d p r e p a r e d c h i t i n f i b r e r e i n f o r c e d p c l c o m p o s i t e w i t h t l l ea d d i t i o no f 5 c h i t i nn - b u t y r a t e ( c b ) ，a n df o u n dt h a tt h ec o m p o s i t eh a dap r o m i s i n gp r o s p e c tb e c a u s eo f i t s e a s yp r e p a r a t i o na n d c e r t a i n8 心础a n dm o d u l u s ho r d e rt od e v e l o pt h i sp r o s p e c t i n gc o m p o s i t e ， s o m ew o r kw a sd o n et om a k ec l 荆a l nt h a tw h i c h o f f c 2 tc bh a dh a do nc h i t i n f p c le o m p o s “eo n t h eo t h e rh a n d ，h y d r o x y a p a t i t e w i t hg o o db i o e o m p a f i b i l i t yi so n eo fb o n e sc o m p o n e n t s w h e l lh aw a sm l c di np c l ，t h es t r e n g t ho fp c lc o u l db es t r e e g t h e n e da tt h es a m et i m et h a tt h e f l e x i b i l i t ya n da b s o r b a b i l i t yo f h ac o u l da l s ob ei m p r o v e dt h e r e f o r e , s t u d i e so i lc h i t i na n dh a r e i n f o r c e dp c l c o m p o s i t e sh a v es i g n i f i c a t i o n p c l c h t i nc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tf i b e rc o n t e n t sw i t h o u ta d d i n gc bw o r ep r e p a r e db ym e l t b l e n d i n g a n dt h ep r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e sb o t hb e f o r ea n da f 嘧i r r a d i a t i o nw o r e c h a l a c t e x i z e d 诵t hd s c ，d m t a , a r e s ，s e m , r e s p e 嘶v e 班t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tp c l c h i t i nc o m p o s i t e s ， d e s p i t eo f t h e a d d i t i o no f c b ，h a d a l m o s t t h es a m e p h y s i c a l p r o p e r t i e s ，m i e r o s t r u e t u r o a n dd y n a m i c v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e sb e f o r ei r r a d i a t i o n w i t hi n m a s i n sd t i t i nf i b r e sc o n t e n t , t h ec o m p o s i t e s s h o w e dt h es a l n et e n d e n c y , a n dt h ec r i t i c u l6 b 目c o u t e n tw a sa l s o4 5 s oi tc o u l db ee o n c l u d e d t h a tc bh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e sa n ds ( r u e t o r eo fc h i t i n p c lc o m p o s i t e sb e f o r e i r r a d i a t i o n w h i l ea f t e ri r t a d i a t i o n , c bh a dp l a y e dap o s i t i v er o l e 恤t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i r e sb e c a u s ei tc o u l di m p r o v et h ei n t e r a c t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m e a n w h i l e ，i t h a da f f c c t e dt h ec r i t i c a li r r a d i a t i o nd o s ea n dt h ev a l ) r i n g 蜘d 曲昭o ft h ec o m p o s i t e s p r o p e r t i e s w i t h t h ed i f f e r e n t c o n t a n t so f c h i t i n f i b r e b yt h es a m ew a y , t h r e ed i f f e r e n tp c l h ac o m p o s i t es y s t e m sw e mp r e p a r e da n dt h e ni r r a d i a t e d t h e p u r i t y a n d m i o r o s m a o a m ，o f h a l a w m a t e r i a l w o r ec h 缸a c k d z c d b y x r da n d t e m t h es a m e f a c i l i t i e sa sp c l c h i t i n sw o r eu s e dt os t u d yp c l a i ac o m p o s i t e sp r e p a r e db yd i f f o r a n ti r r a d i a t i o n d o s e s 。d i f f e r e n td i a m e t e r so fh ap a r t i c l ea n dd i g e r e n tm o l e c u l a rd i s t r i b u t i o n o fp c l t h e c o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n 矸倒t h a tt h ec o m p o s i t eh a dt h ab e s tp r o p e r t i e sw h e nt h ec o n t e n to fh a w a s2 0 i aw i t hs m a l l e rd i a m c t 日r e i n f o r c e dp c lm o r ea n dt h ec o m p o s i t eb a s e do np c lw i t h n a f r o w e r m e l e e u l a r w e i g h t d i s t r i b u t i o n h a d b a t t e r p r o p e r t i e s w i t ht h ea i mt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fc h i t i nf i b r ea n d r m a i t ye h i t i n p c lc o m p o s i t e s ，w eh a d i n i t i a l l ys t u d i e dt h ep r o p e r t i e so ft h es p i 砌gs o l u t i o n , i n e h i d i n gp u r i f y i n gc h i t i n ，c h a r a c t e r i z i n g - 上海交通大学 a b s t r a c t硕士学位论文 c h i t i n sm o l e c u h rw = g h ia n dt e s t i n gt h eo p t i c a la n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so f c h i t i ns o l u t i o n sb y p o l a r i z e dm i c r o s c o p ea n da r e s w e f o u n dt h a tc h i t i ns o l u t i o nw a sn o n - n e w t o nf l u i db o d yw h o s e a p p a r e n tv i s c o s i t yd e c r e a s e dw i t ht h e 掣而n gs h e a r r a t e c h i t i nc o u l db ed i s s o l v e di nt h em i x e d s o l v e n t so f5 l i t h i u mc h l o r i d ea n dn n d i m e t h y la c e t a m i d e t h es o l u t i o nw a st h el i q u i dc r y s t a lo f c h o l e s t o i ep h a s e ，h a v i n gg o o dr h e o l o g i e a lp r o p e r t i e so f l o w e rv i s c o s i t ya n dh i g h e r o r i e n t a t i o n i ng e n e r a l ，d u et og o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y , b i o e o m p a l i b i l i t y , t h ea b i l i t yo fp r o m o t i n gw o u n dh e a l a n dl o wd e g r a d a b l er a t e , c h i t i nf i b r er e i n f o r c e dp ( 九c o m p o s i t e , m a k i n gc l e a rt h ea f f e c t i o no fc b 0 1 1 t h ee o m p o s i t e ，w o u l dh a v eaw i d ea p p l i c a t i o na f t e rt h ef i b r eh a db e e nm e d i f t a do rs o m eo t h e r m a t e r i a l sw a r ea d d e d b e c a u s eo ft h es a l n ep r o p e r t i e so fg o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t ya n de x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t y , p c l h ac o m p o s i t ew o u l da l s op l a yi t sn o c o s s a r yr o l e o nt h ef i e l do fb o n e s u b s t i t u t e si ft h es u r f a c eo fh ah a db e e nt r e a t e do rs o n i ca b s o r b a b l em a t e r i a l sw i t hh i g hs t r e n g t h w e r ef i l l e di np c l h a e o m p o s ；i r e s k o y w o r d s ：p c l c h i t i n f i b r ec o m p o s i t e ；p c l h a c o m p o s i t e ；l y o t r o p i e l i q u i d c r y s t a l ； r h e o l o g i e a lp r o p e r t y - 圭塑銮望盔兰 塑二皇堕堡 堡主兰垡兰! 苎 1 引言 一、绪 论 随着科学的发展，高分子及其复合材料由于其优良的特性越来越广泛地被应用在医 学领域，目前已用作药物、缓释性载体、人体的替代器官、医用敷料、手术缝合线和保健 食品等方面。生物医用高分子可以是人工合成的，也可以取之于自然，它又可分为可分为 非降解型和可生物降解型。非降解型高分子包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、 聚硅氧烷、聚甲醛等。可生物降解型高分子包括聚己内酯、胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳 素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚乙丙酯等，可在生物环境作用下发生结构破坏和性 能蜕变，要求其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外，主要用 于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。医用高分子的复合材料是由高分子和其它一 种或几种高分子、医用金属或者生物陶瓷复合而成的生物医学材料。利用生物技术，一些 活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入到生物医学材料，大大改善了高分子复 合材料的生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，因此，医用高分子复合材料已成为生 物医学材料的一个十分重要的发展方向。按增强体或填料性质又可分为纤维增强、颗粒增 强、相变增韧、生物活性物质充填等类型【l 】。人和动物体中绝大多数组织均可视为复合材 料，生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。 2 人体骨骼材料的发展 由于刨伤、感染、肿瘤以及发育异常等原因使骨丧失了一些骨质，而形成骨缺损，人 们开始研究可用于骨修复、骨替代的材料。这类材料应该具有的性能是：稳定的力学性质， 生物相容性好，并且具有骨传导和骨诱导作用。现在，用于骨修复的基体材料有两大类： 一类是由自然存在的原材料加工而成的材料，如热水处理转化的珊瑚材料、脱钙骨基质 ( d a m ) 等；另一类是人工合成材料，如羟基磷灰石( h a ) 、聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸( p o a ) 等，它们均可用人工方法构造成多孔质材料。聚合物修复材料的优点是性能具有可控性、 可以避免免疫反应，并且生物相容性良好等。p l a 、p g a 以及它们的共聚物p l g a 是目前 应用最广泛的几种可降解性聚合物材料。作为现在运用最多的聚合物修复材料，p l a 等存 在着亲水性较低，影响细胞的粘附和分布，并在体内容易引起异物反应等缺点。此外，修 复材料的降解率过快( 与成骨的速率不协调) ，引起强度衰减过快，达不到骨骼生长的要求； 降解的产物生物相容性不够好，会引起发炎等症状。现行骨组织修复材料的比较见表卜 1 【2 - n l 。因此相关工作者们希望寻找出合适的可降解高分子来用作骨填充、骨修复材料。下 面对p l a 、p g a 、p c l 、h a 和甲壳素等几种与本文关系比较密切的医用材料的性能及研 究状况做一一综述。 3 聚乳酸和聚羟基乙酸的研究情况 第1 页共7 4 页 上海交通大学第一章绪论 硕士学位论文 3 1 p l a 及其复合材料的研究进展 p l a 、p g a 是具有优良的生物相容性和生物可吸收的聚合物，经f d a 批准可用作医用 手术缝合线和注射用微胶囊、微球及埋植剂等制剂的材料。p l a 在体内代谢最终产物是c o ： 和h ，o ，中间产物乳酸也是体内正常糖代谢的产物，所以不会在重要器官聚集。早在5 0 年代就开始了p l a 的合成及应用研究，7 0 年代开始合成高分子量的具有旋光性的d 或l 型p l a ，并用于药物制剂和外科等方面的研究，同时为克服p l a 单靠分子量及分布来调 节降解速度的局限，开始合成以p l a 为主的各类共聚物。进入8 0 年代以来，随着p l a 及 t a b l e1 - tt h ee o n t a s to f c u r r e n t b o n es u b s t i t u t e s 表卜1 现行骨组织修复材料的比较 品名最终生物可塑性固化人体吸收其它 成分相容性放热 自体骨眦好难无容易较长时间爬行替代 异体骨 脚 较好难无容易较长时问爬行替代 和抗体反应 聚甲基p j 姒差好强放热难 丙烯酸甲酯 ( p 删a ) 金属材料金属差难无难 磷酸三钙陶瓷 t 好难无容易降解太快 ( t c p ) 羟基磷灰石 i i p 好难无难不降解 ( i i p )异物存在 磷酸钙骨水泥 h p好 好徽放热容易降解与人体骨融合 ( c p c )强度低 聚己内酯降解为好好无容易降解为二氧化碳 o ) 瓯) c 0 3 和印 和水，强度低， 不具备生物学活性 聚砚一乳酸降解为较好好无容易降解速度太快，产物 乳酸为乳酸，容易引起局 部炎症 聚l - 乳酸降解为较好好无容易 降解时间长， 乳酸在体内长期存在， 降解产物为乳酸， 容易引起局部炎症 反应 h a p 聚合物h p依聚合好无容易 降解时间，产物依 复合材料聚合物降解物聚合物不同而不 材料而同，具有良好的生 定 物学活性和力学性 能 共聚物的应用领域，特别是在生物医学工程领域的不断扩大，对其合成机理、不同结构及 组成的共聚物的合成及应用研究日益深入，相继有相关综述报道l 】2 】。近年来，随者p l a 及 其共聚物在骨科材料及药物控释制剂等方面的产品开发及性能要求，在超高分子量p d ll a 的制各，具有特定组成和结构、降解速度可控的p l a 及共聚物的合成，新型高效无毒的稀 土催化剂的机理研究，以及在抗癌化疗用药、多肽、疫苗制剂上的应用等方面又有新的进 展。 第2 页共7 4 页 占塑窒望盔兰整二雯鳖堡生竺型童堡墨 通常，p l a 的制备有两条路线”，即直接缩聚法和开环聚合法。直接缩聚法生产工艺 简单，利用一步法可以制各出重均分子量达3 0 万的p l a ，但难于进一步提高分子量，且 分子量分布较宽，其性能不能满足生物医学上的某些需要。目前p l a 及其共聚物的制备一 般采用开环聚合法，即先用乳酸合成丙交酯( l a ) ，l a 再开环聚合制备p l a 及共聚物。近 年来主要集中在l a 等内酯开环聚合的高效催化体系、新型结构和组成的共聚物的合成等 方面的研究。l a 等内酯开环聚合的催化体系研究集中在6 类化合物：质子酸型催化剂； 卤化物型催化剂；阴离子型催化剂；有机铝化合物催化剂；锡盐类催化剂；稀土化合物催 化剂。 内酯开环均聚物如p l a 、p c l 、p g a 等均为疏水性物质，且降解周期也难于控制，通 过与其他单体共聚可改变材料的亲水疏水性、结晶性等，聚合物的降解速度可根据共聚物 的分子量及共聚单体种类及配比等加以控制。具有特定结构( 如二嵌段、多嵌段、星形结 构等) 的共聚物可把不同材料的特点结合起来，赋予特殊的性质，因此具有不同组成和特 定结构的p l a 共聚物的合成成为近年来的研究热点。 聚乳酸及其共聚物的应用研究范围很广，在农业领域，与乙烯、淀粉等共混作包装材 料及农膜，在日用领域可作化妆品的添加成分，但更多研究集中在生物医学工程领域【1 ”， 如药物控制释放体系，骨内固定物，组织修复及细胞培养和医用手术缝合线等。有的己有 正式产品上市，部分正处于临床试验阶段，大量的仍处于实验室研究阶段。 1 9 7 0 年y o l l e s 等率先将p l a 用作药物长效缓释制剂载体，1 9 7 9 年b e c k 等推出孕酮，p l g a 缓释胶囊。近3 0 年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰朔短、稳定性差、易降解及 毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途径，减少给药次数和给药 量，提高药物的生物利用度，最大程度减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用。 众所周知，长期以来国内外一直采用不锈钢金属材料作骨折内固定材料，由于其应力 遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。早在1 9 7 7 年k u l k a m i 在美国军方的资 助下将开环聚合得到的p l a 制成棒状样品，初始强度达( 4 2 5 1 ) m p a ，并将2m m 厚的 p l a 片用于猴踝骨试验，g 神嘧等将p l a 制成骨板和骨钉应用于狗骨折固定。但由于聚合 物材料强度不够，采用常规的注模法、压模法制造的骨折内固定装置机械强度仍欠不足。 进入8 0 年代以来，p l a 类骨折内固定材料研究活跃，b o w m a n 等i ”j5 年内用p l a 作骨科 固定材料治疗了8 8 1 例不同类型的骨折病人，在治疗同时与金属板钉比较，结果无明显差 异。概括起来有3 方面的进展：( 1 ) 立体选择性合成p l l a 。c l a e s 等用p l l a 作骨折内固 定材料临床研究了5 7 位病人，被认为是最有希望的骨折内固定材料，但近来报道p l l a 植 入后三年，在缓慢降解的后期出现炎症和肿胀并发症，可能是由于降解速度较慢，长期存 在的未降解部分产生副作用。( 2 ) 高分子量p d l l a 的合成。p d l l a 具有更好的生物相容 性，但高分子量的材料的难于获得一直阻碍其作用。邓先模等【1 6 】将高分子量p d l l a 用于 狗颧骨固定，治疗效果良好 1 0 1 。近来中科院成都有机化学研究所邓先模、熊成东等合成 得到了分子量超过l00 万的p d u a ，可较好地满足骨固定材料的强度要求，目前正进行 临床研究。( 3 ) 增强技术的应用。用p g a 纤维、p l a 纤维、碳纤维、氢氧化铝、羟基磷灰 石、磷酸钙等增强p l a ，可大幅度提高固定材料的初始强度，具有相当的承载能力，可与 金属螺钉的强度相媲美。p m i o 等用自增强p l l a 固定5 l 例多处骨折患者，无一例失败。 此外，在骨科治疗中，将氨基青霉素置于骨固定物中，可预防感染发生，将骨生长因子、 骨生长调节蛋白置于固定物中，对骨愈合产生有效调节作用。 在聚乳酸及其共聚物的合成中，催化体系及聚合机理的研究仍是一重要的课题。研制 无毒、高活性、反应条件温和、聚合物分子量及分布可控的催化剂，尤其是活性聚合催化 剂，通过分子设计合成具有不同组成和特定结构的聚乳酸及其共聚物，深入探讨聚合物的 组成、结构与物理机械性能、生物降解性能等的关系将是今后研究的重点。 第3 页共7 4 页 占塑奎望盔堂整二皇堕堡 堡主堂堡堡壅 3 2p g a 及其复合材料的研究进展 p g a 可用作医用缝合线及骨修补、骨替代材料 1 7 1 1 2 3 】。早在1 9 6 2 年，美国氰胺公司首 次研制出p g a 缝合线，商品名为d e x o n ，它的直拉强度与打结强度都高于羊肠线，并且在 植入人体类的最初7 一1 1 天内仍保持较高的强度。随后，e t h i c o n 公司又推出一种商品名为 v i c y r l 的可吸收缝合线，它是乙交酯与丙交酯( 9 0 1 0 ) 的共聚物，也称之为p o l y g l a c t i n 9 1 0 。 v i c y r l 线比d e x o n 线强度要高，将两者分别植入家兔后，v i c y r l 可在9 0 天内被吸收掉，而 d e x o n 线则在1 2 0 天内还可观察到。由于p g a 是硬的结晶型聚合物，只适用于作多股线。 但在1 9 8 5 年，一种商品名为m a x o n 的新型可吸收性单股缝合线出现，它是由乙交酯和三 亚甲基碳酸酯经开环聚合而成的共聚物。与d c x o n 相比，m a x o n 在体内的强度下降率较慢。 在2 8 天时，m a x o n 仍可维持其原始强度的5 9 ，而d w x o n 线则只有其原始强度的1 3 。 除了用作缝合线，p g a 及其自增强的复合材料还用于骨折内固定材料【1 “。早在7 0 年 代，有专利报导了p g a 以骨钉，骨板和骨针形式在兔子上的研究，植入体内3 周后，骨折 部分愈合，植入物没有变化。6 周后，骨折处愈合，而p g a 植入物有了明显的分解。p g a 具有良好的生物相容性和自吸收特性，但其模塑材料只具有中等的机械强度( 抗张强度为4 0 7 0 m p a ) ，在加工后很脆。因此，为改进其机械性能，有人尝试用p g a 纤维( 缝合线材料) 来增强p g a 基体，做成自增强复合材料，用作骨钉、骨板来固定骨折，已取得很大的成功 e t s 3 。这种自增强材料表现出韧性断裂行为并具有较高的机械强度。如自增强的p g a 圆棒 的初始弯曲强度为3 7 0 m p a ，剪切强度高达2 5 0 m p a 。这类材料在3 7 ( 2 蒸馏水中大约6 周后 就丧失了抗弯曲能力。用这类材料与石膏绷带起对某种多孔性粉碎性骨折进行内部固定， 6 周时间是足够的。对于长骨皮层骨折的内固定则不适合，主要原因是其强度损失太快。 为了降低降解速率，v a s e n i u s 等人【1 9 1 又在自增强p g a 表面尝试涂覆上正丁基丙烯酸酯、 聚一p 一二恶烷( p d s ) 、p h b a 或p u a 涂层。并在1 5 0 只兔子的股骨使用了这类涂层高分 于可吸收p g a 圆棒。通过组织上的、组织形态测量、x 射线显微照相和氧四环素标记等方 面的研究进行了生物相容性和降解速率的测定。一般认为，在液体环境下的水解是p d s 、 p g a 、p h b a 、p l a 的主要降解方式。然而至少在p g a 和p l a 中，这个过程是由酶作用引 起的。p d s 、p g a 、p h b a 和p l a 降解的最终产物由肺和肾脏排出。正丁基丙烯晴酸酯降 解成甲醛和烷基乙睛酸酯，p d s 、p h b a 、p l a 已在软、硬组织申显示了良好的生物相容 性，其降解都比p g a 慢，而正丁基丙烯睛酸酯一般被作为一种良好的可吸收性组织胶粘剂， 因此选用其作为涂层是有理由的。对带有涂层的白增强p g a 圆捧进行研究发现，虽然在不 同涂层的p g a 圆棒周围有分散的液体凝积，但p d s 、p i a 、p l l a 部显示出了良好的生 物相容性。但正丁基丙烯晴酸酯涂层样棒在骨固定实验中失败率较高。正丁基丙烯睛酸酯 涂层的这种负效应可能与其有毒性的降解产物甲醛有关。因此对正丁基丙烯脂酸酯的生物 相容性产生了疑问。虽然有涂层的自增强p g a 圆棒降解时间比注塑成型p g a 棒要长1 2 2 4 周，但一般认为这种结果主要应归功于自增强结构而不是涂层在植入体内后，大部份 涂层会破碎或剥落。并指出慢降解涂层虽可以提高自增强p g a 棒体外试验的强度持久性， 但在体内环境中则无明显效果。在骨髓腔比在皮下降解更快，这主要归因于涂层与自增强 棒的化学结构不同，因此在体内介质中容易脱粘破坏。 3 3 p g a 和p l a t 材料存在的问题及当前的一些改进措施 将p g a 和p g a p l a 共聚物植入人体，可能出现无菌性炎症反应，需要手术切开引流。 这据认为可能是这种植入物的特异并发症。但组织学证据表明，大量吞噬细胞的存在，说 明这种现象应该属于非特异炎症反应。这些结果似乎表明反应的本质是对共聚物生物刺激 第4 页共7 4 页 圭塑銮望奎堂篁二塞堕堡堡主兰堡兰! 墨 的生物学反应。同时，该生物可吸收材料在降解过程中，还会出现植入部位溶骨性改变， 多数发生在术后6 一1 2 周，这一现象的i 临床意义仍不清楚。虽然对此类并发症尚无预防措 施，但它不影响骨折愈合。理论上，通过用降解较慢的由p l a 或p g a p l a 共聚物制成的 内固定物，可减少这种发生率。但有关强度衰减与并发症发生率等问题的根本解决办法则 是应当开发一个比p g a 或p l a 更具疏水性、降解速率慢、水解时不产生酸性降解产物的 聚合物。 一些新型的聚合物材料如商品名为p o l y a c t i wt m ( 一种弹性嵌段共聚物由p e o ( 聚环 氧乙烷) 和p b t ( 聚对苯二甲酸丁酯) 组成，其降解性可通过p e o 和p b t 的比例调节) ， 已有实验证明具有良好的生物相容性、生物腐蚀性和骨传导性。有人【删用e 一己内酯与磷酸 乙烯的共聚物( p ( m d o v p a ) ) 与p l a 制成共混膜，再用e 一己内酯与磷酸乙烯二甲酯的共 聚物( ( p ( m d o v p e ) ) 与p l a 制成多孔膜，然后将h a 在多孔膜上涂层，最后将这两种膜 层压制成复合材料。通过模拟生物矿化过程，发现( p o v i d o v p a ) ) - p l a 膜能够提高磷灰 石的生成量，并且改善了d 聚酯类材料的亲水性，又得到了适宜骨生长的微孔。也有人。 ：佣碳纤维增强p l a ，以期提高其性能。不过，这些都还处于研究阶段，虽然看上去很有 前途，但是离临床应用尚早，前景还不是很明朗。 4 聚( e 己内酯) 聚( e 己内酯) ( p c l ) 是由e 己内酯( e c l ) 在引发剂存在下，在本体或者溶液中开 环聚合得到的高聚物，是一种生物相容性很好的可吸收材料，具有优良的药物通过性，可 以用于体内植入材料以及药物的缓释胶囊。由于其分子链比较规整而且柔顺，结晶性很强， 因而具有比聚乙交酯( p g a ) 、聚丙交酯( p l a ) 更好的疏水性，在体内降解也较慢，降解 半衰期达到1 年以上，是植入材料的理想选择。但用作缓释胶囊，却因其降解速度太慢而 不容易在人体内吸收，应用方面反而受到了限制。因此，常用多种生物相容性单体与e c l 共聚，来改善甚至控制共聚产物降解速率，以适应不同药物载体在人体内的吸收。除了生 物相容性和生物可吸收性以外，p c l 还和多种高聚物具有很好的相容性，可以制各出多种 性能优良的共混物。 4 1p c l 在体内的降解过程 宋存先等人报导口1 聚己内酯植入体内后分子量下降与时间成直线关系，降解速率符合 酯类水解的一级速度定律。n n 和s c h i n d l c 一矧提出聚己内酯在体内的降解分为两个阶段进 行，第一个阶段表现为分子量的不断下降而不发生形变和失重，起始分子量大于6 6 万的 聚己内酯可在体内完整存在两年，两年后分子量继续下降并逐渐变为碎片。p i t t 的研究还 发现p c l 在体内第一阶段分子量下降的速度与体外在4 0 ( 2 水中的水解速度完全相同，其 降解速率也符合酯类水解的一级速率定律。因此可确定聚己内酯在体内第一阶段降解的机 理主要是酯链水解导致的大分子链断开，表现为分子量下降。 p i t t 等人在细胞水平上观察了低分子量聚己内酯在体内被吸收的过程，结果表明聚己 内酯碎片最后是被吞噬细胞和巨细胞吞噬而消化吸收的。研究结论认为，聚己内酯第二阶 段的降解机制主要在细胞内吞噬，低分子量聚己内酯参加体内代谢后主要从粪便种排出， 排泄速度较快，排泄比较完全；不在脏器中分布和积蓄。 陈建海1 等人发现分子量为1 3 0 0 0 的p c l 在体内分子量9 0 天后降低到5 0 0 0 ，其间失 重极小，然后开始失重，并且结晶度提高，降解速度下降，1 5 0 天时重量损失为2 。另一 种降解速度较快的p d l l a ( 3 8 7 0 0 0 ) 体内前六周分子量下降较快，随后变慢，并且从第2 周就开始出现失重现象，到第4 周时失重就达到了2 。分子量的下降表明了高分子链的 断裂，即发生了化学降解；而失重则表明材料开始被吸收，即细胞吞噬。由此可见，p c l 第5 页共7 4 页 占塑窒望奎兰 篁二皇堑笙 堡主兰! ! 垒苎 和p l a 的降解过程都符合此规律。一个很明显的事实是，随着聚合物分子量的增大，完全 降解所需要的时间也就越长，因此，通过采用不同分子量的聚合物材料与h a 复合，可满 足复合材料在人体内不同存在时间的要求。 4 2p c l 的生物相容性 陈建海【2 s 1 等人用自行制备的p c l 进行聚己内酯材料生物相容性与毒理学研究。主要 包括四个基本评价实验：细胞毒性实验，全身急性毒性实验，皮内刺激实验，以及皮下及 肌肉植入实验。结果表明：样品中微量有机溶剂的存在造成极轻微细胞毒性；全身毒性实 验和皮内刺激实验样品均合格；植入实验中p c l 植入在两个月内出现异物反应，随后症状 减弱直至消失。上述各实验采用了不同引发剂及处理工艺制备的p c l ，实验表明它们具有 同样良好的生物相容性。 孙磊吲等人也指出由于p c l 降解物析出少，能够很快被组织吸收，不导致长期局部积 聚而刺激局部组织产生炎症反应，因而无迟发性、非特异性组织炎症发生。 4 3p c l 共混物的研究和应用 有工作者2 6 】研究了p c l p e o ( 聚氧化乙烯) 共混体系的相容性、结构等特性。用相 差显微镜观察熔融状态下共混高聚物的相容性时发现，当p e o 或者p c l 中任一组分的含 量少于20 时，两种高聚物完全相容。其它情况都会出现相区，即相分离现象。由熔点 下降方法通过计算得到在以上组分含量情况下两种高聚物的相互作用参数均为负值，也表 明共混物是相容的。在p e o 中加入少量p c l ，d s c 曲线上除了p e o 片晶的熔融峰，还出 现p c l 结晶的熔融峰。广角x 射线衍射谱既有p e o 的衍射峰又有p c l 的衍射峰，表明少 量的p c l 仍会在p e o 片晶中以结品形式存在。而在p c l 中加入少量p e o ( 不超过15 ) ， d s c 曲线上仅有p c l 的熔融峰。广角x 射线衍射谱也仅有p c l 的衍射峰，表明少量的p e o 以非晶形式存在于p c l 的非晶区。s a x s 研究也仅能观察到与纯p c l 很类似的散射曲线， 其峰高随p e 0 含量的增多而降低。 还有的工作者口7 佣d s c 、光学显微镜、以及固体核磁等方面研究了p c l 与p v a 共混 物的形态及相容性，结果表明，当共混物薄膜从熔体状态到液氮中淬冷后，偏光显微镜观 察呈宏观相分离状态；d s c 只出现与p c l 非常接近的玻璃化转变温度，同时两组分熔点 随组成的变化不大；红外光谱表明p c l 的羧基峰，没有明显的位移与变化，以上均表明p c l 和p v a 共混物在非晶区是不溶混的。然而，纯p c l 的结晶呈球晶态，而共混物中p c l 没 有呈现该球晶形态，同时p c l 组分的结晶度也在共混后降低，这都表明共混物中存在某种 物理作用。通过固体核磁来测量质予自旋弛预时间，表明两组分在6on m 9 01 l n l 的尺度 内是相容的，因此相互分散得很好。p c l 与酰化纤维素有很好的相容性，n i s h i o 等用d s c 方法研究了酰化纤维素与p c l 的相容性，指出在所用的二元共混体系中，当丁酰化取代度 2 0 时，丁酰化纤维素，p c l 聚合物的溶混性最好，而当丁酰化取代度 o ，e t a 越大，表明纺丝溶液的结构化程度越大。研究表明，结构粘度指数与可纺性有关，纺丝溶 液的结构程度越小，不仅可纺l 生好，而且纺得的纤维质量也好。由图2 - 4 ，3 溶液e t a - y 曲线斜率的负值最大，则i g e t a - y - 2 曲线的斜率负值也将最大，故其e t a 最大，这是 因为当溶液浓度下降时，溶液大分子之