不同材料制备内植物在骨科领域的应用研究综述

解笑宸 韦良臣 辛 风

内植物的进步是近代骨科学发展的重要组成部分之一。用于制备内植物的材料必须具有生物相容性，即在体内不引起局部或全身的不良反应。要有很好的抗侵蚀和抗化学降解性能，具有足够的机械强度以承载从骨骼传递来的较强的力；在关节置换中作为负重关节面的材料必须能够承受数千万次的循环使用；另外必须能在相对较低的成本下制造高质量的产品。本文就目前几种常见制备内植物的材料的研究和发展进行综述。

1 生物可吸收内植物

近半个世纪以来，世界各国的生物材料学家及临床医学家一直在进行可吸收生物材料的研究，以期将其应用于临床。1966年Kulkami首次提出，由外消旋DL型乳酸或左旋L乳酸制备的聚-DL-乳酸或聚-L-乳酸可制作体内埋植物，特别是骨折内固定物，从此，揭开了骨折内固定领域新纪元；随着对材料的认识逐渐提高与深入，材料研究、动物实验及临床研究的成果与日剧新。生物可吸收内植物是一种在生物环境里能降解的生物材料，其降解产物参与机体正常细胞生理和生化过程。这些内植物及其产物具有良好的生物相容性，无免疫排斥反应或致畸作用。这些新的生物可吸收材料最主要的优点是能够提供各类骨愈合初期和中期所需的足够稳定性，在生物固定形成后，逐渐被机体降解吸收。因为降解过程逐渐进行，应力负荷也是逐渐转移至愈合骨的[1]。

到目前为止，文献已经报道了若干种可吸收的合成聚合物（可吸收或可生物降解），其中最具代表性并在临床上实际应用的是聚乙醇酸类材料、聚乳酸类材料及其混聚物，它们具有一定的机械强度、良好的成型性能和骨引导能力，可为新骨的形成提供良好的骨支架，对人体无毒副作用，抗生素释放与其降解相关[2]。通常人们最关心的是材料的强度与生物相容性，聚合物的强度与相对分子质量、结晶度有关，结晶度越高或相对分子量越大，其强度就越高。但是临床研究和生物安全性研究表明，结晶度的高低与材料的生物相容性、降解率、吸收率呈相反的量性关系。例如PLLA为晶体性聚合物，结晶度为37%，强度比非结晶聚合物（PDLLA）高，但是PLLA的晶体部分难以被人体降解和吸收；而PDLLA是一种完全非晶体结构的聚合物，大量研究发现PDLLA 的生物相容性极好，可以100%被人体降解吸收。因此，PDLLA获得了FDA的批准，并被USP收载。

2 金属合金内植物

金属合金由金属和非金属元素组成，材料具有强度高、韧性高、抗腐蚀性强和生物相容性好的特点，这些特点符合全关节置换的内植物负载的需求。有3种常用的合金：不锈钢、钴-铬合金和钛合金。这些合金并不是专门因矫形外科而发展起来的，它们最先出现在航空、航海和其他工业领域中并表现出优良的性能，使其应用范围后来拓展至内植物领域。由于制造工艺简单，可用范围广，使钴-铬合金材料广泛地应用于矫形外科，可作为所有关节置换假体的金属部件。尽管这种合金在组合假体的连接处的抗腐蚀能力和抗裂纹腐蚀能力受到质疑，但其抗裂纹腐蚀性优于不锈钢。长期的临床使用证实：尽管产生于负重面的磨屑会造成骨溶解，金属和蛋白质的黏合能造成在组织中的沉积，但是钴-铬合金仍是生物相容性非常好的材料[3,4]。

3 陶瓷类内植物

陶瓷材料是无机化合物，由金属和非金属元素通过离子或共价键结合在一起。陶瓷有紧密的原子结构。陶瓷材料很硬也很脆。它们不可溶解，提纯过程中表现出惰性的化学性质，有很好的生物相容性、抗磨损的超高硬度及亲水性表面。研究最多的羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）陶瓷，它们在组成结构上与天然骨盐大体一致，有极好的生物相容性、骨传导性与骨结合能力，无毒副作用，故广泛应用骨填充材料的生理支架，但它们本身无骨诱导作用，为克服这一缺陷，将有骨诱导作用的物质，如BMP、骨髓等加入制备成复合人工骨。但羟基磷灰石则在生物强度及融合性方面存在缺陷。Stevenson[5]及Wang等[6]制成的复合人工骨经动物实验都具有良好的生物相容性和骨诱导作用。20世纪90年代起纳米人工骨的研究逐渐成为热点，该材料通过生物矿化技术模仿天然骨的成分及结构特征制造的，主要成分为Ⅰ型胶原蛋白和磷酸钙，并在临床应用中表明具有无炎症排斥反应之优点。Syente等[7]在1989年将羟基磷灰石（HA）应用于临床，发现羟基磷灰石与自体骨融合率无显著性差异。由于颈椎手术危险性大，一旦失败后果严重，而且骨的相容性不确切，故大多数人在临床上未使用人工骨。

4 骨水泥

20世纪70年代，Charnley将骨水泥引用医学领域，从此聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）就应用于固定关节置换术的内植入物。通常骨水泥有两种使用形式，即装在密闭的玻璃容器中的液态单体与装在袋中的粉末状聚合体。液态单体是甲基丙烯酸盐，其中添加了少量对苯二酚以抑制液态单体在保存期内的自动聚合，当液体与粉末混合，聚合反应开始，添加的二甲基甲苯胺可以抵消对苯二酚的作用，加速聚合。骨水泥的聚合过程中产生相当大的热量。一些因素可以控制随之发生的温度升高，包括骨水泥的量及其邻近的内植入物和生物结构的热传导率。温度升高所产生的组织坏死也备受关注，但是骨水泥假体的远期疗效研究证实热坏死并未对假体的整体表现产生不良影响。

5 载抗生素内植物

载抗生素骨科内植入物是指在不改变普通内植入物原有物理性能、化学特征的基础上，将抗生素与生物材料如聚甲基丙烯酸甲酯聚合后喷涂在内植入物表面使用，或将抗生素与内植入物如骨水泥聚合后使用，从而使普通内植入物具有了抗菌性能，此种抗菌性能可以采用缓释系统逐渐将抗生素释放出来，当有细菌侵入或者发生感染时，释放出来的抗生素就会杀灭细菌，从而起到抗菌的作用。

为让载抗生素骨科内植入物在人体植入部位持续地释放抗生素，获得较全身大剂量使用抗生素更有效的浓度，解决常规用药方式效率不高且毒性较大这一问题，近30年来在一系列新的生物相容性较好的无机材料和有机高分子材料基础上逐渐发展起来一种新型局部给药方式——抗生素缓释系统等。1970年Buchholz等[8]最早提出了把抗生素加入PMMA的概念，用于预防和治疗全髋关节成形术中可能伴随的深度感染。Vidal等[9]最早把抗生素复合PMMA块置于清创腔用于治疗骨髓炎，因为骨水泥在体内有一个放热反应，有助于灭菌和抗生素的持续扩散，在局部形成较高的抗生素浓度。

目前，寻找更佳性能的生物材料，探索可用于特殊用途的材料特性的研究仍在进行中，大量的资金投入到新材料的研发、严格的测试盒临床试验上，以证明其安全性和有效性。同时还值得注意的是，提高骨科内植物置换的成功率，不仅需要依靠于生物材料学的不断发展，还取决于是否能通过合理的设计原则将新材料与矫形外科医生的需求结合起来。

[1]Ciccone WJ,Motz C,Bentley C,et al. Bioabsorbable implants in orthopaedics:new developments and clinical applications [J]. J Am Acad Orthop Surg,2001,9(5):280-288.

[2]Athanasian KA,Singhal AR,Agrawal CM,et al. Degradation and release characteristics of biodegradable implants containing trypsin inhibitor[J].Clin Orthop,1995,315(6):272-281.

[3]HaUab NJ,Jacobs JJ,Skipor A,et al.Systemic metal-protein binding associated with total joint replacement arthroplasty[J].J Biomed Mater Res,2000, 49(3):353-361.

[4]Jacobs JJ,Skipor AK,Patterson LM,et al.Metal release in patients who have had a primary total hip arthroplasty:a prospective,cont rolled,longitudinal study[J].J Bone Joint Surg (Am),1998,80(10):l447-1458.

[5]Stevenson S,Cunningham N,Toth J,et al.The effect of osteogenin(a bone morphogenetiec protein) on the formation of bone in orthotopic segmental defects in rats[J].Bone Joint Surg,1994,76A(11):676-687.

[6]Wang D, Hu YY. Assessment of heterotopivc osteogenin of BTCP/rh Bmp-2 cornosite [J].Traumatol (Eng Ed),1999,2(1):13-16.

[7]Senter HJ,Kortyna R,Kemp WR,et al.Anterior cervical discectomy with hydroxyapatite fusion [J].Neurosurgery,1989,25(1):39-43.

[8]Buchholz HW,Engelbrecht H.Depot effects of various antibiotics mixed with palaces resins[J].Chirurg,1970,41(11):51l-515.

[9]Vidal J,Allieu Y.Utilisation de metacrylate de methyle pour comblerles cavites d‘bsteite entendue desmembers[J].Rev Chir Orthop,1969,55(6):158.