在骨科领域可吸收材料的研究与应用

1、在骨科领域可吸收材料的研究与应用【关键词】 吸收材料 随着公路交通事业的日益发展，城乡车辆及人口的增加，交通事故所致的骨折逐渐增多。现代世界并不太平，局部战争时有发生，战争所致骨折有相当大的比例。平素骨折的治疗原则为早期复位、可靠的固定、积极功能锻炼。在需要内固定治疗的患者中，选择合适内固定物相当重要，特别是战创伤所致的开放性骨折尤为明显，否则极易导致治疗失败。国内外许多学者在金属内固定物研究基础上，在骨科领域从事可吸收材料的研究与应用，本文就此进行综述。1 内植入物的要求金属内固定物在骨科的临床应用较广，是目前治疗骨折最常用的内固定材料。随着时间的推移，金属内固定物应用范围的扩大，其自身的缺点也逐渐暴露，应力遮挡、电解腐蚀、材料断裂、二次手术取出及患者精神负担增加等等 1 。但是，到目前为止，没有哪一种材料能在治疗骨折上替代金属内固定物。从上个世纪60年代，人们致力于一种新型内固定材料的研究即可吸收材料，并且取得一定进展，在一些方面可代替金属内固定物。良好的内固定材料具有以下特征:（1）有良好的生物相容性，无抗原性，无排斥反应;（2）无致癌、致畸性，无毒副作用;（3）有足够的力学强度

2、;（4）在体内能够逐渐降解并最终吸收;（5）易于塑型、消毒、保存，易于血管化。骨折同时骨缺损的治疗始终是骨科领域的一个疑难且具有挑战性的课题。自体骨和同种异体骨被认为是最佳的修复材料，但受到来源和其他方面的限制。这就迫使人们去探求另外一些替代材料。常见的骨修复材料有羟基磷灰石、脱钙骨、生物活性玻璃及各种含钙的磷酸盐和聚甲基丙烯酸树脂等。其中可降解的多聚物成为近几年研究的焦点，并日益展示出良好的临床应用前景。选择适当的骨修复材料是骨缺损治疗的中心环节，骨生长的生物学特性对骨修复材料有特殊的要求 2，3 。Cook曾指出，骨修复材料应通过以下三种机制促进骨的愈合:骨传导作用、成骨作用和骨诱导作用。骨传导作用是指植入的材料可作为宿主骨长入的支架，允许原始成骨细胞长入，并在其中分化和成熟，同时有血管单元的长入;成骨作用是指前成骨细胞及成骨细胞分化成熟，形成成骨中心，进而有新骨的形成;骨诱导作用是指能刺激宿主的多功能间质细胞分化为成骨细胞和成软骨细胞。一种理想的修复材料应该具有骨诱导性和骨传导性，能促进新骨的形成和生长，在新骨完成了结构和功能重建后，植入物可以被完全吸收，爬行替代。随着分子生物学

3、和高分子材料工程的发展，生物可降解吸收材料已具备了成为理想骨修复材料的特性 4 。2 在骨科领域可吸收材料的研制Kulkarni和Cutright等在20世纪70年代初次报道，在治疗下颌骨折中用聚乙交酯（聚羟基乙酸，PGA）的初步实验 5，6 。1977年以聚二烷替代PLA/PGA制作可降解骨 钉。80年代，芬兰学者提出关于完全可吸收复合物的设计，使用PGA作为基本原料，通过高温和高压将PGA纤维烧结在一起而生产出自强化PGA棒，具有370MPa抗拉强度。随着时间的推移，技术和工艺的提高，自身增强型聚丙交酯（SR-PLLA）其弯曲强度250350MPa，剪切强度170220MPa、弹性模量815GPa，强度保持半年至1年，24年内完全吸收，最终降解产物为水和二氧化碳。现可生产全螺纹螺钉、拉力螺钉、固定棒、半月板固定钉、Bankart钉、唇型钉、韧带重建钉。适用于四肢松质骨骨折及部分皮质骨骨折，包括股骨颈骨折、半月板修复、肩关节前盂损伤、韧带重建、关节融合、截骨术等。我国在骨科领域可吸收材料的研究也取得了可喜的成绩，成都迪康公司研制出可吸收骨折内固定螺钉，包括拉力螺钉、全螺纹螺钉。该材料

4、为非晶体结构，拉伸强度大于40MPa，弯曲强度大于110MPa，体内强度维持时间6个月，植入体内2h内产生纵向收缩、径向膨胀的自动加压作用，使固定更牢固。体内1218个月后100%降解吸收，降解产物为水和二氧化碳，经呼吸道、消化道和汗腺排出体外。对组织无刺激、无任何毒副作用，不影响影像检查。在研究可吸收内固定材料的基础上，实验研究发现生物降解吸收材料的表面有利于成骨细胞的吸附，并能增加成骨活性同时用来运载和控释抗生素和一些蛋白类药物。由于生物可降解吸收材料具有良好的组织相容性，同时可以通过调节材料的结构来控制降解速度，因此成为BMPs运载和控释系统的最佳选择。有关方面的研究国内外已经开始，但尚不成熟。虽然只能做到BMP与可降解吸收材料的粗略混合，无法控制BMP的释放过程，但为后来的研究奠定了基础。Kenley（1994）等的实验将降解材料制成直径150300m的多孔颗粒，孔隙的存在更适于细胞的长入，而且可以通过控制颗粒的体积调节BMP的释放速度，比早期的简单混合有一定的优势性 3 。许多学者为解决这一问题，将聚乳酸制成多孔块状，其结构如同松质骨，这种结构有利于细胞的黏附和移动，增大了细

5、胞和骨形态发生蛋白的接触率，同时在空隙中充填明胶，被水饱和后胶状液体与组织间液极其类似，利于BMP的定位和细胞受体的表达。此材料的缺点在于机械强度较低，因此作者只用于颅骨缺损的动物模型 79 。 3 在骨科领域可吸收材料的应用骨组织有两个区别于其它材料的显著特征，即骨组织能根据功能需要改变其局部力学特性;随着废用或功能逐渐增加，发生骨密度的改变。骨折后骨组织有自身愈合的能力，这一修复过程不是形成瘢痕，而是骨组织重建，这是复杂的生物学和力学过程相互作用的结果。骨骼的刚性（E=130GPa）与金属内固定物的刚性（E=100200GPa）不相匹配，这导致金属内固定物周围骨组织的严重弱化，同时由于金属内固定物的存在，使骨组织缺血、坏死，使得植入物与骨骼分开，金属内固定物同时存在电解腐蚀、磨损、脆性增加等问题。为解决这些问题，众多学者从上个世纪70年代开始应用可吸收材料治疗骨折。随着对可吸收内固定材料研究的不断深入，多种不同的可吸收材料在骨科领域应用。1985年Rokkanen，1999年George等报道了应用PLA/PGA共聚物制成可吸收棒治疗踝部骨折，早期临床疗效满意，与金属内固定物相比，

6、骨折愈合及下肢负重时间等均无差别，而其具有不需二次手术取金属内固定物和局部异物炎性反应轻的优点。Hope等人应用PGA内固定针治疗儿童肘关节骨折，6个月内全部病例骨折均愈合 1012 。Rokkanen总结2000余例应用可吸收内固定材料病人，多为创伤性骨折，结果显示90%患者骨折愈合良好，但也有3%的伤口感染，内固定失败，2.3%患者出现非炎症性异物反应，不影响骨折愈合。Tuompo随访24例用SR-PLLA进行膝前交叉韧带断裂，其远期效果较好，且不需二次手术取出 13 。由PLA/PGA共聚物制作的螺钉及髓内棒已于10年前应用于骨科临床，并取得满意效果。由于可降解材料具有良好的组织相容性，同时不需要二次手术取出内植物，因此成为骨科医生和生物材料人员的关注热点。实验研究发现生物降解吸收材料的表面有利于成骨细胞的吸附，并能增加成骨活性。可降解吸收材料也广泛应用于制药领域，用来运载和控释抗生素和一些蛋白类药物。羊及猴等多种骨缺损动物模型，BMPs有良好的治疗作用。虽然具体的作用机制尚有待进一步阐明，其骨诱导活性已被公认。但更深入的研究发现，BMPs的骨诱导活性依赖于骨缺损局部BMPs适当

7、的浓度和适当的释放过程，因此BMPs应用需要运载和控释系统的协助。由于生物可降解吸收材料具有良好的组织相容性，同时可以通过调节材料的结构来控制降解速度，因此成为BMPs运载和控释系统的最佳选择。有关方面的研究国内外已经开始，但尚不成熟。生物降解可吸收材料在骨缺损的治疗方面，展现了乐观的前景，同时也存在许多需要解决的问题。首先，目前降解吸收材料运载和控释的效果并不十分令人满意，BMP释放过程的控制，是通过调节降解材料的降解速度实现的，而降解速度又与材料单体的结晶度和疏水性有关，材料的晶体部分和疏水部分均不易水解。如何改进材料的合成工艺，调整材料中晶体部分和疏水部分的比例和位置，选择合理的三维结构都是非常重要的。其次，当前有效地用于治疗骨缺损的生物降解吸收材料多为颗粒和胶状，不适于外科操作也不具有机械强度，在骨科的应用受到限制。如何使材料在保持骨传导和骨传导活性的同时又有一定的强度，符合骨骼的力学要求，也是一个难题。另外，虽然BMP等局部生长因子的作用确实，但在骨缺损的修复过程中，这些生长因子的详细作用机制尚不明了，很多方面值得深入研究，只有在这一基础上，才能更好地将降解材料与生长因子相结合，精确地模拟生理和病理条件下生长因子的作用过程，以期达到理想的疗效。4 展望应用可吸收材料固定骨折，能在体内降解，不需二次手 术取出，而且在降解过程中强度逐渐下降，应力慢慢转移至骨折部位，能刺激骨折端愈合，且可避免应用金属内固定时的应力遮挡作用，可以减轻病人在生理上、心理上的负担。但尚存在一些不足，包括组织相容性、强度、降解速度等问题。可吸收材料的迟发性炎性反应是影响临床推广的很重要因素，目前尚缺乏有效的预防措施。生物材料价格昂贵也是影响其推广的一个因素。但可吸收材料的出现是骨科的一大进展，是内固定材料的发展方向 14，15 。参考文献1 Bostman O.Current Concepts Review.Absorbable Implants for the fixation Of fracture.J b / 文档可自由编辑打印

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