聚乳酸支架材料復合改性的研究進展

宋穎，鄧久鵬，張煒，史力丹，代香林

(華北理工大學口腔醫(yī)學院，唐山063000)

1 引 言

近年來，基于細胞生物學和材料科學的組織工程作為一門獨立的學科被提出。支架材料是骨組織工程的核心基礎元素，需要作為載體承載細胞進入人體?，F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法滿足骨組織工程在植入物性能方面的要求。因此，學者們進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，價格經濟，不但擁有天然形成的孔洞結構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，機械性能不足，耐受力差，在眾多領域中受到了限制[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，后者是通過將已知的單體進行聚合反應形成具有一定結構或功能的聚合物材料，此類材料具有較強的可塑性，可滿足不同形狀要求，具有較好的降解性能和一定的力學強度，不足之處在于聚合材料的親水性能較差，缺乏促成骨及引導組織再生能力。材料包括聚己內酯(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，化學性能穩(wěn)定，成分中包含利于成骨的鈣、磷等元素，能在體內形成利于支架與本體骨相連接的類骨質層，使兩者形成鍵合關系，但其力學性能不穩(wěn)定，可塑性差，無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(合成方式見圖1)，具有良好的機械強度和生物相容性，隨著時間推移可降解為水和二氧化碳,不僅能被人體分解代謝，而且對環(huán)境無污染，是理想的應用材料。

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，且降解速率難以控制，而支架材料在體內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，支架材料與細胞組織的相容性較差，不利于細胞吸附與生長且成骨性較差[3]；降解后產生酸性物質，使周圍環(huán)境pH值降低，易產生炎癥反應[15]?；诰廴樗岬囊陨先秉c，人們對其進行了改性研究，其中最簡單常用的是復合改性。

4 聚乳酸的復合改性

將聚乳酸與不同性能的一種或多種材料進行復合，進而改進聚乳酸支架的性能，由其制備的支架材料更利于在骨缺損修復中的應用。

4.1 單一材料復合

將聚乳酸分別與天然生物材料、高分子材料、生物陶瓷材料等進行復合，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，隨著調節(jié)卵磷脂含量，支架的親水性逐漸增強，BMSCs在支架上增殖能力也明顯增強，卵磷脂的添加使支架的細胞相容性、成骨性能和骨修復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行對比，在三種支架上進行間充質干細胞培養(yǎng)。純聚乳酸和I型膠原修飾的聚乳酸支架經鈣沉積檢測證實，兩種聚乳酸支架均具有骨誘導特性，且都增加了間充質基質細胞的成骨分化潛能。I型膠原的加入，增強了支架表面的親水性，增加了細胞粘附數量，促進了鈣鹽的積累。

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，并進行了細胞培養(yǎng)和成骨檢測。結果表明與純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活性和礦化的基質產量也顯著提高，向支架內生長的細胞數量隨之增加。

Birhanu等[18]通過電紡技術成功制備了聚乳酸/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，檢測結果顯示P123改善了其親水性和機械性能，添加P123后的PLA支架具有良好細胞粘附性，細胞增殖能力和成骨分化能力，見圖2。

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

Gayer等[11]人通過基于GMP標準的研磨工藝，開發(fā)并制備了可定制的無溶劑聚丙交酯/碳酸鈣復合粉末，該粉末未使用有機溶劑，適用于激光燒結技術，所制備的支架具有較好的連通性和較高的機械強度，最高可達75 MPa的雙軸彎曲強度。細胞培養(yǎng)結果顯示該支架上的成骨細胞樣細胞具有良好的生存能力。

圖2 (a).間充質干細胞(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)上干細胞的總鈣含量[17]

4.2 多種材料復合

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，并通過多種方法對材料的物理性能、生物相容性、降解性能等方面進行了研究。結果顯示，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。結果顯示，相比較單純的PLEL支架，改性后的支架細胞活力和黏附性顯著增加，力學性能明顯提高，同時增強了細胞與膜層的界面結合。

Kosowska等[21]先制備了聚乳酸/羥基磷灰石(PLA-HA)復合材料，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，提高了細胞的滲透性，利于代謝廢物的去除。與其他物質的復合提高了殼聚糖基質的物理化學性能和穩(wěn)定性，經過初步的體外生物學測試證實其具有較好的細胞相容性。

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

圖3 PMI微球雙控釋放Mg2+/ICA的機制及其對BMSCs成骨分化的促進作用[21]

5 總結

聚乳酸是眾所周知的環(huán)境友好材料，人類對其依賴性正在逐漸增強。聚乳酸的出現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，導致有時無法滿足使用要求。因此，研究人員對聚乳酸進行了大量的探索與研究，對其進行了多方面的改進，取得了一些研究成果。

目前在制備骨組織工程支架時，通過將聚乳酸與不同材料進行復合，使其親水性、機械強度、三維結構、細胞毒性、生物相容性等方面均得到了不同程度的改進，為其應用拓寬了道路。但現有的改進仍未解決成骨性能、孔隙率和力學強度之間的均衡及支架形狀的個性化等問題，還無法完全取代自體骨移植在骨修復上的使用。開發(fā)新型復合材料，結合新型制備技術，多種學科相結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、力學強度、成骨性能、制備工藝及成本等方面還有待進一步探索和研究。