新型生物可降解PLGA-Mg材料的制备与初步研究

陈 伟，张瑞鹏，邵佳申，李石伦，王迎军，任 力，张英泽*

(1.河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051；2.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；3.华南理工大学国家人体组织功能重建工程技术研究中心，广东 广州 510006)



·研究快报·

新型生物可降解PLGA-Mg材料的制备与初步研究

陈 伟1，张瑞鹏1，邵佳申1，李石伦1，王迎军2，3，任 力2，3，张英泽1*

(1.河北医科大学第三医院创伤急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051；2.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；3.华南理工大学国家人体组织功能重建工程技术研究中心，广东 广州 510006)

聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]是聚L-乳酸和聚乙醇酸的共聚物，其与镁(magnesium,Mg)均可在人体降解。课题组使用萃取法和油浴法制备了PLGA-Mg复合材料，制备了不同Mg含量梯度的骨科植入物。新型植入物弹性模量与人体骨骼更加接近；在降解过程中周围组织pH值基本正常，不影响骨骼再生，Mg可促进骨折愈合；通过调节不同层面Mg含量可有效调节材料强度和降解速度；在临床应用时可根据骨折部位和形状，将其加热软化塑形，使其与局部骨骼解剖形态匹配。

聚乳酸-羟基乙酸共聚物；镁；骨代用品

poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA) is the copolymerization of poly(lactic-co-glycolic acid). PLGA and magnesium(Mg) are biodegradable in vivo. Our research team has produced PLGA-Mg composite by extraction and oil bath. This kind of PLGA-Mg composite were used to produce the multiple-layers orthopedic implants with different percentage of Mg in each layer. This kind of implant has an elastic modulus similar to humen bone. During the biodegradable process in vivo, there is almost normal pH value in the surrounding tissue, whith will not impaire fracture healing. Mg has a role in promoting the union of fracture. The strength and biodegradable rate of the implant can be modulated by adjusting the percentage of Mg in each layer of the composite. During clinical practure, the implants made of PLGA-Mg can be prebent by controlled softening via heating to fit the anatomical feature of a special fracture.

骨折是临床常见损伤[1-2]，随着材料领域和制造工艺的进步，生物可降解材料在骨折治疗中的应用日益广泛。与传统内固定材料相比，生物可降解材料有更好的组织相容性，有与人体骨骼更加接近的弹性模量，且植入后可降解，无需二次手术取出。聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]是一类重要的可生物降解高分子材料，具有良好的生物相容性，在体内降解为二氧化碳和水。但是PLGA降解后会造成局部组织酸性环境，影响骨组织再生，而且降解速度较慢。镁(magnesium,Mg)是一种可在人体内吸收的金属，其参与多种酶正常功能的发挥，可促进机体内钙沉积，具有一定的成骨作用，但是，其在体内降解使周围组织略呈碱性，降解速度快。因此，课题组根据两者理化特定的互补性，制备了PLGA-Mg材料，通过调整两者比例来改善材料的强度、硬度、降解速度和促进骨骼再生的性能，以便制作成适合不同部位、不同类型骨折或骨缺损的植入物，现简要报告如下。

1 材料与方法

1.1PLGA-Mg材料样品的制备 以制备n%镁含量的PLGA-Mg材料为例，首先确定PLGA-Mg材料总质量为m，称量m×n%的高纯度镁粉、m×(100-n)%的PLGA备用。可采用萃取法或油浴法制备PLGA-Mg样品。①萃取法：向盛放PLGA的容器内加入12～20倍质量份的氯仿，使PLGA充分均匀溶于氯仿，待氯仿挥发一部分材料较为稠密时加入称量的镁粉，充分搅拌使其均匀混合。将材料样品置于柱状或板状模具上，风干18 h，然后将样品置于42 ℃真空箱内烘干48 h，即可得到镁质量分数为n%的PLGA-Mg材料样品(图1)。②油浴法：使用硅油等沸点高于200 ℃的物质作为油浴介质，将PLGA加入容器内，控制油浴温度在190～210 ℃之间，使PLGA逐渐融化为黏稠液态，此时加入称量好的镁粉，搅拌至充分混合，冷却后即制备出固态PLGA-Mg材料。

图1 镁含量为10%的PLGA-Mg样品

随机选择制备的PLGA-Mg材料样品，进行电镜扫描观察。选择不同的观察部位，可见样品中的Mg均匀地分布在PLGA中(图2)。观察一定区域内样品表面的元素分布(图3)，可见球形区域基本全部为Mg，周围区域为PLGA分布区域，其内C、O等元素混合分布。球形区域O元素分布很少，且O元素分布与C元素分布基本吻合，提示在球形区域中，O元素存在于PLGA中，Mg元素是以Mg原子的形式存在的，没有被氧化。电镜扫描观察提示在制备PLGA-Mg材料样品的过程中，Mg受到保护，样品能够同时保持PLGA和Mg的理化特性。

图2 镁含量为10%的PLGA-Mg材料样品电镜扫描图像，可见Mg比较均匀地分布在PLGA中

图3 镁含量为10%的PLGA-Mg样品电镜扫描图像。随机选取扫描视野，观察一定区域内样品表面的元素分布，可见球形区域基本全部为Mg，周围区域为PLGA分布区域，其内C、O等元素混合分布。球形区域O元素分布很少，且O元素分布与C元素分布基本吻合，提示在球形区域中，O元素存在于PLGA中，Mg元素是以Mg原子的形式存在的，没有被氧化

1.2制备不同镁含量梯度的PLGA-Mg板层状和圆柱状样品 选择制作内固定物或填充物的模具，模具为长方体或圆柱体。将不同镁含量的PLGA-Mg材料固体加热至190～210 ℃，使PLGA成为液态；或者在使用萃取法制备PLGA-Mg材料过程中，将黏稠液态的不同含镁质量百分比的PLGA-Mg材料样品置于42 ℃真空箱内进行12～36 h烘干，不将其完全烘干，保持黏稠液态备用。①按照设计要求依次将不同镁含量的液态PLGA-Mg材料加入模具内，使其均匀冷却制作不同镁含量梯度的板层状PLGA-Mg材料。应用该新型可降解材料制作接骨板(图4)，最外两侧镁含量低，吸收速度慢，中间层镁含量高，吸收速度快；根据使用部位和骨折愈合时间，调整各层次镁含量，可提供理想的支撑、固定强度，并使吸收速度合适。②制备圆柱状不同梯度镁含量的PLGA-Mg材料时，根据设计要求准备圆柱状模具，并准备不同直径的套筒，依次嵌套置放于模具内。将上述黏稠液态PLGA-Mg材料按照设计要求填充到不同的套筒之间的环形间隔中，中心套筒中的PLGA-Mg材料含镁质量百分比最大，各个同心套筒之间环形间隔中的PLGA-Mg材料的含镁质量百分比从内向外递减。如果套筒材质为金属材质或200 ℃内为固态的高分子材质，待各套筒之间的PLGA-Mg材料冷却形成固态后，取出中间各套筒，保留最外面模具，将其缓慢加热，使模具内各层PLGA-Mg材料逐渐融合成为整体(图5)。如果选用PLGA材质或PLGA-Mg材料作为套筒，其与填充物融为整体，无需取出。制备圆柱状不同梯度镁含量的PLGA-Mg材料亦可采用下述方法：根据设计要求，首先选择含镁质量百分比最大的PLGA-Mg冷却制成固态圆柱状物，将其放置到含镁质量百分比位于第2位的液态PLGA-Mg中，均匀转动，使其外层包裹设计厚度的PLGA-Mg材料，冷却成为固态，重复上述过程，最终制作符合设计要求的镁含量不同梯度的PLGA-Mg材料圆柱体。

图4 应用PLGA-Mg可降解材料制作的接骨板，其不同层次镁含量不同(两侧镁含量最低，向中间层镁含量逐渐增高)，厚度不同，据此调节接骨板的强度和降解速度。

图5 应用PLGA-Mg可降解材料制作的圆柱状填充物，其最外层镁含量最低，由外至内(1→6)镁含量逐渐增高。

2 结 果

课题组应用萃取法和油浴法分别制备了新型可降解骨科植入物PLGA-Mg材料，应用这种新材料制备了不同镁含量梯度的接骨板和圆柱状填充物样品。根据不同部位、不同类型骨折制备了强度和降解速度可控的骨科植入物。对于成人骨干骨折、粉碎骨折和多节段骨折等复杂骨折愈合时间较长者，需要较高强度固定的部位，选择最外层镁含量低(1%～2%)、最内层镁含量达7%～30%、强度大的PLGA-Mg内固定物；对于成人长骨干骺端骨折和儿童长骨干骨折，选择最外层镁含量略高(3%～5%)、最内层镁含量为20%～50%、强度较大的PLGA-Mg内固定物；对于成人椎体骨折、跟骨骨折和儿童干骺端骨折等部位，选择最外层镁含量较高(5%～10%)、最内层镁含量为50%～95%、强度较小的PLGA-Mg内固定物。

3 讨 论

课题组制备的新型PLGA-Mg材料及骨科植入物具有如下特性：弹性模量与人体骨骼更加接近，显著降低了对骨骼的应力遮挡效应；在降解过程中周围组织pH值基本正常，不影响骨骼再生，Mg可促进骨折愈合；通过调节不同层面镁的含量可以有效调节该材料的强度和降解速度；在临床应用时可根据骨折部位和形状，将其加热至120～160 ℃软化塑形，使其与局部骨骼解剖形态匹配。新型PLGA-Mg材料及用其制备的不同镁含量梯度骨科植入物具有良好的理化特性，将为骨折仿生固定和弹性固定[3-5]提供更加优良的制备材料，具有广阔的应用前景。

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(本文编辑：赵丽洁)

2016-11-28；

2016-12-06

国家自然科学基金青年科学基金项目(81401789)，“河北省青年拔尖人才”项目，河北省高等学校自然科学青年拔尖人才项目(BJ2016035)，河北省高层次人才资助项目“三三三人才工程”人才培养资助项目(A201400156)

陈伟(1981-)，河北河间人，河北医科大学第三医院主任医师，教授，医学博士，从事创伤骨科疾病诊治研究。

*通讯作者。E-mail：dryzzhang@126.com

R318.08

B

1007-3205(2016)12-1466-04

10.3969/j.issn.1007-3205.2016.12.026