聚乳酸基生物醫用復合材料研究進展

李亞儒，陳 康

(南京林業大學 理學院,江蘇 南京 210037)

生物醫用材料是用于診斷、治療、修復或替換人體組織或器官，或増進其功能的，植入活體系統內或與生物活體系統相結合而不與生物體產生藥理反應或毒理效應的一類髙技術新型材料，在提高患者生命健康質量、避免二次手術、降低醫療成本方面有重要作用[1]。

生物醫用復合材料由兩種或兩種以上的不同材料復合而成，一般要求具有良好的生物相容性、生物穩定性、一定的強度和韌性以及良好的抑菌性能[2]。聚乳酸具有良好的生物相容性和安全性、可生物降解，被美國FDA批準作為生物降解醫用材料，廣泛應用于外科手術縫合線、骨科固定材料、體內植入材料、藥用控制系統等領域，被全球公認為新世紀最有前途的生物醫用材料[3]。

純的聚乳酸的力學性能不足；流動性、熱穩定性較差；大分子鏈中沒有可反應的活性基團，親水性較差、細胞在材料表面的黏附力低[4]。對聚乳酸進行復合改性，制作成聚乳酸復合材料可以克服純的聚乳酸的一些不足，在生物醫用材料領域有更好的發展和應用。

1 無機非金屬/聚乳酸復合材料

聚乳酸( PLA)作為生物醫用高分子材料具有良好的生物相容性、適宜的生物降解性、優良的力學性能和可加工性，彈性模量比金屬更接近骨組織的彈性模量，有利于骨折處愈合，且隨著骨質的愈合逐漸降解，不需二次手術取出。但由于該材料降解后的酸性產物不利于骨細胞生長、不與骨骼發生鍵合、缺乏生物活性等缺點，常用無機非金屬材料如羥基磷灰石、硅灰石、碳纖維等和聚乳酸制成復合材料使用。

1.1 硅灰石

硅灰石是一種新型的骨修復材料，不僅具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性，而且硬度高，具有良好的抗磨損和抗壓性能。硅灰石作為無機非金屬材料也存在韌性差的缺點，通過和聚乳酸復合可以得到具有較好的力學性能、生物活性及生物相容性的醫用復合材料[5]。

徐梁等[6]采用共沉淀法制備得到不同硅灰石含量的聚乳酸基復合材料，然后通過熱壓成型制備得到復合物樣品，進行了力學性能和降解性能的表征與測試。研究發現，當在聚乳酸基體中引入硅灰石粒子質量分數為10%時，復合物材料的拉伸強度達到一個最大值( 58. 4 MPa)，略微高于純 PDLLA 的拉伸強度( 55. 8 MPa) ，其他比例的復合物材料的拉伸強度均有一定程度的下降。

這是由于溶劑共沉淀法制備得到的硅灰石-聚乳酸復合材料兩相間通過物理方式結合，界面結合力弱，且硅灰石粒子團聚、聚乳酸自身長鏈相互纏繞，硅灰石粒子在材料中分散度低，受到應力時容易發生界面脫附而未能引起周圍基體的屈服，增大了材料的缺陷，造成材料力學強度的下降。由此可見，提高無機剛性粒子和聚合物間的界面作用力是改善復合材料力學性能的關鍵所在。

1.2 羥基磷灰石

羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)在組成上和人體骨基質成分相似，因而有良好的生物相容性、骨傳導和骨誘導作用，但是羥基磷灰石的脆性大，不能單獨制成骨修復材料。

在聚乳酸的復合材料中，羥基磷灰石顆粒與聚乳酸基質間物理性結合，界面相容性差，因而力學強度不足。為了提高兩相的界面相容性，將PLLA以化學鍵合的方式修飾在納米羥基磷灰石顆粒表面的羥基上，再把修飾后的顆粒與PLLA混合制成PLLA/PLLA-gHAP復合材料[7]。這種方法有效地提高了羥基磷灰石和聚乳酸的界面相容性，改善了材料的力學性能。加入羥基磷灰石后，羥基磷灰石可降解產生弱堿性物質，中和聚乳酸降解產物的弱酸性，更有利于成骨細胞的生長。羥基磷灰石降解過程中產生的Ca2+可以促進成骨細胞的黏附，并和成骨細胞分泌的鈣基質共同形成鈣化結節，使材料界面和細胞結合的更加緊密[8]。

中北大學課題組[9]研制出一種可以生物降解并提高PLLA的親水性、韌性和結晶性能的改性劑JMXRJ，與多種常用溶劑有良好的相容性。范麗園[9]將JMXRJ和PLLA、羥基磷灰石分別以一定比例在二氯甲烷中混合，然后使二氯甲烷全部揮發，JMXRJ作為良好的增塑劑，增加了PLLA鏈段的活動性，使其更容易結晶。通過改性，羥基磷灰石和PLLA的界面相容性增強。

1.3 碳纖維

聚乳酸/羥基磷灰石復合材料已基本滿足骨修復材料的要求，但對于大塊骨的固定其機械強度尚不夠理想。碳纖維具有超優良的力學性能，且碳纖維的加入既不影響受損骨的生長，還可以在材料降解過程中保持支架作用，醫學研究表明碳纖維存在骨組織中不產生排異現象，可避免二次手術帶來的危害[10]。

浙江大學的喬飛[11]進一步用碳纖維增強聚乳酸/羥基磷灰石復合材料，通過溶液共混法制備碳纖維增強羥基磷灰石/聚乳酸三元復合生物材料。其中，碳纖維經過濃硝酸氧化，表面粗糙度增加，提高了纖維與聚合物基體的界面結合力，得到的復合材料具有優異的力學性能。CF/HA/PLA復合材料在PBS模擬體液中浸泡3個月后，浸泡液的pH值基本不變，彎曲強度和彎曲模量分別下降到初始值的30%和36%，剪切強度維持在190MPa左右。該三元復合體系，將碳纖維的高強度、聚乳酸的生物降解性和羥基磷灰石的生物活性有機地結合起來，得到既具有生物活性、又具有可吸收性和降解性的高強度骨折內固定材料。

2 鎂合金/聚乳酸復合材料

鎂和鎂合金的密度和彈性模量和人骨最為接近，可以緩解應力遮擋效應。鎂在人體內以離子的形式存在，可促進骨細胞的形成、加速骨的愈合，過量的鎂可通過尿液排出體外，在適當代謝下不會對人體產生危害，有著廣闊的應用前景[12]。但鎂合金的化學性質過于活潑，使用過程中易腐蝕，不利于骨質的生長愈合，可將鎂合金與聚乳酸制成復合材料可以減緩鎂合金的腐蝕過程、增強聚乳酸的力學性能。

劉德寶等[13]為了中和聚乳酸降解在人體內產生的酸性環境，通過注塑造粒在聚乳酸中混入鎂顆粒，發現材料的拉伸強度略有下降，彎曲強度略有升高，這是由于鎂和聚乳酸之間弱的界面作用引起的，但降解后環境的酸性得到一定程度的緩解。

董連軍等[14]通過環氧氯丙烷-丙酮混合液在鎂的表面制備了PLLA涂層，再以MgO、 Mg(OH)2為增強相，制備了 PLLA基復合涂層，在體外降解實驗中，材料的降解防護能力提高，溶液酸性環境得到中和。

韋雅玲[15]采用熱壓法制備鎂合金聚乳酸復合材料，在溶于二氯甲烷中的聚乳酸中混入微弧氧化后定向排列的鎂合金絲，得到鎂合金絲增強的聚乳酸薄片，然后通過烘箱熱壓成型，得到鎂合金聚乳酸復合材料。鎂合金的表面處理可以顯著改善復合材料的界面結合性能，微弧氧化處理鎂合金表面后，表面形成多孔結構的氧化膜，可以和聚乳酸基體產生機械鎖合作用，提高了界面結合力，復合材料兩相界面平均剪切強度提高300%以上，此時界面斷裂面發生在聚乳酸內部。表面處理使復合材料的力學性能大幅提高，其中化學轉化鎂合金/聚乳酸復合材料的抗拉強度、彎曲強度和沖擊韌性分別提高2.22、1.45和11.67倍。

另外，陳偉等[16]以萃取法和油浴法制備了鎂增強的聚乳酸-羥基乙酸共聚物復合材料，研究了不同鎂含量的復合材料的性能，發現降解過程環境的pH正常，不影響骨骼生長，且可以根據修復骨的位置和特點有效調控材料的強度和降解速度。

3 殼聚糖/聚乳酸復合材料

高分子材料是目前應用于骨組織修復的一大類材料，包括聚乳酸、聚羥基乙酸以及它們的共聚物等。但這些高分子材料存在親水性差、對細胞粘附力弱、降解產物呈酸性等不利于細胞生長的缺陷[17]。殼聚糖是一種堿性多糖，具有無毒、無刺激、生物降解性和生物相容性的生物醫用材料，含有較多的羥基和氨基，可形成分子內和分子間氫鍵，在發生水解時可以抑制水的滲透和擴散，使聚乳酸的降解速率降低；且殼聚糖的降解產物呈堿性，可以中和聚乳酸降解產物的酸性[18]。

李立華等[19]以殼聚糖和聚乳酸復合制備成用作骨修復的復合材料，在保留兩者良好的生物相容性、生物活性和力學性能的同時改善了材料的加工性能。復合材料的親水性明顯提高，材料的降解速率降低，酸性環境得到中和，且復合材料在降解過程中仍能保持較好的力學性能。復合材料接種細胞懸液后，細胞迅速均勻地擴散到支架空隙內，這表明復合材料具有較好的親水性和細胞親和性，且對細胞增殖無抑制作用、組織相容性良好、炎癥反應低、降解速度緩慢且能保持一定的形狀和強度[20]。

呂洪磊等[21]則通過原位生成法和溶液共混法制備了羥基磷灰石、殼聚糖和聚乳酸三元納米復合支架材料，其具有豐富的孔隙率、良好的生物相容性和力學性能，可以通過調節三者的用量實現材料降解速率的調控。其中，羥基磷灰石起到骨傳導、骨誘導、與骨組織骨性結合的作用，聚乳酸起到高韌性、可加工性的作用，殼聚糖起到促進細胞黏附、增殖和細胞礦化成骨的作用。

4 小結與展望

聚乳酸基復合材料克服了聚乳酸的缺點，將不同材料的優良性能結合在一起，在生物醫用材料領域有重大意義。目前，聚乳酸基復合材料在生物醫用材料的領域的開發和研究尚處于起步階段，用于臨床的復合材料逐年增多。此類材料可根據材料植入部位的特殊要求對材料的力學強度、降解速率進行調控設計，在骨修復領域有著良好的應用前景。確定不同力學性能、降解速率下聚乳酸基復合材料各部分的組成，以適用于不同類型的骨骼修復，進一步完善制備工藝生產出性能穩定的復合材料是未來發展的目標和方向。