宋穎，鄧久鵬，張煒，史力丹，代香林

(華北理工大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，唐山063000)

1 引 言

近年來(lái)，基于細(xì)胞生物學(xué)和材料科學(xué)的組織工程作為一門獨(dú)立的學(xué)科被提出。支架材料是骨組織工程的核心基礎(chǔ)元素，需要作為載體承載細(xì)胞進(jìn)入人體。現(xiàn)有多種材料被用于骨組織支架的制備，但單一材料制備的支架無(wú)法滿足骨組織工程在植入物性能方面的要求。因此，學(xué)者們進(jìn)行了大量的材料改性研究，以期制備出一種符合生物要求的支架材料。

2 材料分類

2.1 天然生物材料

天然生物材料廣泛存在于自然界中，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，不但擁有天然形成的孔洞結(jié)構(gòu)而且具有良好的親水性，但性能不穩(wěn)定，降解速率不容易控制，機(jī)械性能不足，耐受力差，在眾多領(lǐng)域中受到了限制[1]。在材料研究中，使用較多的有膠原[2]、殼聚糖[3]、卵磷脂、明膠、淀粉、天然珊瑚、中藥、金屬元素等。

另有利用天然材料，通過(guò)人工方法制備出的生物材料，如碳納米管(CNTs)[4]、碳纖維[5]、石墨烯等。

2.2 高分子材料

高分子材料分天然和人工合成兩種，后者是通過(guò)將已知的單體進(jìn)行聚合反應(yīng)形成具有一定結(jié)構(gòu)或功能的聚合物材料，此類材料具有較強(qiáng)的可塑性，可滿足不同形狀要求，具有較好的降解性能和一定的力學(xué)強(qiáng)度，不足之處在于聚合材料的親水性能較差，缺乏促成骨及引導(dǎo)組織再生能力。材料包括聚己內(nèi)酯(PCL)[6]、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚羥基乙酸(PGA)[7]、聚乙二醇(PEG)[8]等。

2.3 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料[9]主要包括羥基磷灰石(HA)[4]、磷酸三鈣(TCP)[9]、硅酸鈣(CaSiO3)[10]、碳酸鈣(CaCO3)[11]和生物玻璃[12]等，是具有一定功能且能直接利用的材料。此類材料具有很好的生物相容性，化學(xué)性能穩(wěn)定，成分中包含利于成骨的鈣、磷等元素，能在體內(nèi)形成利于支架與本體骨相連接的類骨質(zhì)層，使兩者形成鍵合關(guān)系，但其力學(xué)性能不穩(wěn)定，可塑性差，無(wú)法滿足人體組織形狀各異的需求。

3 聚乳酸

聚乳酸(PLA)是由乳酸聚合而成的高分子聚合物(合成方式見(jiàn)圖1)，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性，隨著時(shí)間推移可降解為水和二氧化碳,不僅能被人體分解代謝，而且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是理想的應(yīng)用材料。

圖1 (a).乳酸單體直接縮合為聚乳酸;(b).乳酸生成環(huán)狀二聚體丙交酯，再開環(huán)縮聚成聚乳酸[13]

聚乳酸的應(yīng)用前景非?？捎^[14]，但其具有脆性大，抗沖擊性能較差[15]，延展性能不足等特點(diǎn)，且降解速率難以控制，而支架材料在體內(nèi)不僅要求能降解吸收，還需要材料降解速率可控[15]；其親水性較差，支架材料與細(xì)胞組織的相容性較差，不利于細(xì)胞吸附與生長(zhǎng)且成骨性較差[3]；降解后產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使周圍環(huán)境pH值降低，易產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[15]?；诰廴樗岬囊陨先秉c(diǎn)，人們對(duì)其進(jìn)行了改性研究，其中最簡(jiǎn)單常用的是復(fù)合改性。

4 聚乳酸的復(fù)合改性

將聚乳酸與不同性能的一種或多種材料進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而改進(jìn)聚乳酸支架的性能，由其制備的支架材料更利于在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。

4.1 單一材料復(fù)合

將聚乳酸分別與天然生物材料、高分子材料、生物陶瓷材料等進(jìn)行復(fù)合，并制備支架材料。

4.1.1聚乳酸和天然生物材料 諶斯等[16]采用熱致相分離法制備含不同比例卵磷脂的PLLA/卵磷脂多孔支架，隨著調(diào)節(jié)卵磷脂含量，支架的親水性逐漸增強(qiáng)，BMSCs在支架上增殖能力也明顯增強(qiáng)，卵磷脂的添加使支架的細(xì)胞相容性、成骨性能和骨修復(fù)能力均有不同程度的改變。

Nashchekina等[2]制備了一種使用I型膠原修飾的聚乳酸多孔支架，與普通塑料支架和純聚乳酸支架進(jìn)行對(duì)比，在三種支架上進(jìn)行間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)。純聚乳酸和I型膠原修飾的聚乳酸支架經(jīng)鈣沉積檢測(cè)證實(shí)，兩種聚乳酸支架均具有骨誘導(dǎo)特性，且都增加了間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化潛能。I型膠原的加入，增強(qiáng)了支架表面的親水性，增加了細(xì)胞粘附數(shù)量，促進(jìn)了鈣鹽的積累。

4.1.2聚乳酸和其他高分子材料 Bhaskar等[17]采用溶劑澆鑄浸出法制備聚乳酸/聚乙二醇(PLA-PEG)三維多孔支架，并進(jìn)行了細(xì)胞培養(yǎng)和成骨檢測(cè)。結(jié)果表明與純PLA支架相比，含有PEG的支架孔的互連性增加，代謝活性明顯提高，ALP活性和礦化的基質(zhì)產(chǎn)量也顯著提高，向支架內(nèi)生長(zhǎng)的細(xì)胞數(shù)量隨之增加。

Birhanu等[18]通過(guò)電紡技術(shù)成功制備了聚乳酸/聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物(PLLA-P123)支架，檢測(cè)結(jié)果顯示P123改善了其親水性和機(jī)械性能，添加P123后的PLA支架具有良好細(xì)胞粘附性，細(xì)胞增殖能力和成骨分化能力，見(jiàn)圖2。

4.1.3聚乳酸和生物陶瓷材料 Seidenstuecker等[19]采用以鉛結(jié)構(gòu)作為犧牲結(jié)構(gòu)，使用融合沉積建模技術(shù)制備了聚乳酸/β-磷酸三鈣多孔支架結(jié)構(gòu).通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)和乳酸脫氫酶測(cè)定等研究，成功地證明了β-TCP支架材料較好的生物相容性，大量細(xì)胞不僅粘附在樣品表面，還生長(zhǎng)到了支架內(nèi)部，細(xì)胞在支架上顯示出高增殖速率，且未檢測(cè)到細(xì)胞毒性。在模擬體液(SBF溶液)中孵育28 d，顯示出材料的初期降解，檢測(cè)出樣品上形成HA晶體。

Gayer等[11]人通過(guò)基于GMP標(biāo)準(zhǔn)的研磨工藝，開發(fā)并制備了可定制的無(wú)溶劑聚丙交酯/碳酸鈣復(fù)合粉末，該粉末未使用有機(jī)溶劑，適用于激光燒結(jié)技術(shù)，所制備的支架具有較好的連通性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，最高可達(dá)75 MPa的雙軸彎曲強(qiáng)度。細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示該支架上的成骨細(xì)胞樣細(xì)胞具有良好的生存能力。

圖2 (a).間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)在支架(PLLA，PLLA-血漿和PLLA-P123)上的增殖;(b).成骨分化第7、14、21d，PLLA，PLLA-血漿和PLLA-P123支架干細(xì)胞中的堿性磷酸酶(ALP)活性;(c).成骨分化的第7、14、21d，不同納米纖維支架(PLLA，PLLA-血漿和PLLA-P123)上干細(xì)胞的總鈣含量[17]

4.2 多種材料復(fù)合

胡露等[7]制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物/硅酸鈣三維多孔支架材料，并通過(guò)多種方法對(duì)材料的物理性能、生物相容性、降解性能等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在聚乳酸-羥基乙酸共聚物中加入硅酸鈣成分，有利于緩解聚合物降解形成的酸性環(huán)境，提高pH值，有效提高了支架的力學(xué)性能，且具有良好的生物相容性和降解性能。

Shen等[20]人首先采用開環(huán)聚合法合成了聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸(PLEL)三嵌段共聚物，然后分別使用聚多巴胺(PDA)和聚多巴胺/納米羥基磷灰石(PDA/n-HA)修飾PLEL支架。結(jié)果顯示，相比較單純的PLEL支架，改性后的支架細(xì)胞活力和黏附性顯著增加，力學(xué)性能明顯提高，同時(shí)增強(qiáng)了細(xì)胞與膜層的界面結(jié)合。

Kosowska等[21]先制備了聚乳酸/羥基磷灰石(PLA-HA)復(fù)合材料，再與含有氧化石墨烯(GO)或還原的氧化石墨烯(rGO)的殼聚糖溶液復(fù)合，獲得一種PLA-HA/CS-GO三維支架材料。該支架具有雙重孔隙，提高了細(xì)胞的滲透性，利于代謝廢物的去除。與其他物質(zhì)的復(fù)合提高了殼聚糖基質(zhì)的物理化學(xué)性能和穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)初步的體外生物學(xué)測(cè)試證實(shí)其具有較好的細(xì)胞相容性。

Yuan等[22]制備了可生物降解的聚丙交酯-羥基乙酸(PLGA)微球(PMI)且包裹了預(yù)載淫羊藿苷的MgO/MgCO3(1:1重量比)顆粒。微球中生物活性物質(zhì)Mg2+離子和中藥淫羊藿苷連續(xù)釋放，Mg2+離子有利于成骨，淫羊藿苷在誘導(dǎo)新骨形成方面發(fā)揮了補(bǔ)充作用，因此該材料可有效促進(jìn)新生骨形成，誘導(dǎo)成骨能力明顯提高。PMI微球雙控釋放Mg2+/ICA(中藥：淫羊藿苷)的機(jī)制及其對(duì)BMSCs成骨分化的促進(jìn)作用，見(jiàn)圖3。

圖3 PMI微球雙控釋放Mg2+/ICA的機(jī)制及其對(duì)BMSCs成骨分化的促進(jìn)作用[21]

5 總結(jié)

聚乳酸是眾所周知的環(huán)境友好材料，人類對(duì)其依賴性正在逐漸增強(qiáng)。聚乳酸的出現(xiàn)減少了難降解性塑料的使用情況，其替代作用在組織工程方面尤為突出。但由于其性能方面的限制，導(dǎo)致有時(shí)無(wú)法滿足使用要求。因此，研究人員對(duì)聚乳酸進(jìn)行了大量的探索與研究，對(duì)其進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，取得了一些研究成果。

目前在制備骨組織工程支架時(shí)，通過(guò)將聚乳酸與不同材料進(jìn)行復(fù)合，使其親水性、機(jī)械強(qiáng)度、三維結(jié)構(gòu)、細(xì)胞毒性、生物相容性等方面均得到了不同程度的改進(jìn)，為其應(yīng)用拓寬了道路。但現(xiàn)有的改進(jìn)仍未解決成骨性能、孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度之間的均衡及支架形狀的個(gè)性化等問(wèn)題，還無(wú)法完全取代自體骨移植在骨修復(fù)上的使用。開發(fā)新型復(fù)合材料，結(jié)合新型制備技術(shù)，多種學(xué)科相結(jié)合是骨組織工程的發(fā)展方向。因此，聚乳酸骨支架材料在孔隙率、力學(xué)強(qiáng)度、成骨性能、制備工藝及成本等方面還有待進(jìn)一步探索和研究。