聚乳酸复合材料在生物医学领域的应用研究*

马喜峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

前 言

近年来，我国生物医学事业的发展如火如荼，且取得了令人瞩目的成果。期间，聚乳酸复合材料快速地进入了人们的视野，以惊人的优势入驻生物医学领域，为生物医学领域的进步和革新提供了无限动力和支持，受到了不少业内人士的好评。

聚乳酸（PLA）是以木薯、玉米等农作物为原材料，经微生物发酵、提炼为乳酸，再经过精制、脱水低聚等流程生成的聚合物。通常对聚乳酸进行亲水改性、pH相应改性、分支结构改性等，生成聚乳酸复合材料，可以满足对聚乳酸热稳定性、机械强度等个性化的应用需求。依托自身较强的可生物降解性能，聚乳酸复合材料成为生物医学领域的“宠儿”，骨钉、血管移植、工程支架等方面都可以见到聚乳酸复合材料的“身影”。正确与全面认知聚乳酸复合材料在生物医学领域的应用现状，有助于挖掘聚乳酸更多潜力，从而造福更多患者，具有重要的现实意义。

1 聚乳酸复合材料的优势

聚乳酸复合材料作为生物科技不断发展情况下的复合产物，具有较多优势，受到了人们的一致认可，这也是其成功融入生物医学领域的重要缘由。探索聚乳酸复合材料的优势，有助于其在生物医学领域充分、全面地应用。有关聚乳酸复合材料的优势，可从以下内容进行了解。

1.1 环保优势

聚乳酸是一种生物降解材料，使用原材料为木薯、玉米等常见农作物，由农作物的淀粉原料得到葡萄糖，在葡萄糖和一定菌种发酵的条件下，提炼出高纯度乳酸，再经过一系列化学反应，最终形成聚乳酸[1-3]。为了扩大聚乳酸的应用范围，通常以聚乳酸为基体，使用各种纤维或无机纳米材料等与之复合，得到聚乳酸复合材料。由于聚乳酸复合材料的主体材料仍然为聚乳酸，因此聚乳酸的各种自有性能在其复合材料中可得以充分表现。聚乳酸具有良好的生物可降解性，将其使用在各行各业，不用担心降解问题，降解产物即是水和二氧化碳，不会对生态环境造成威胁和影响，对我国实现可持续发展有较大益处。目前，聚乳酸及其复合材料已经成为世界公认的环保材料，其降解在土壤等自然环境中即可完成，无须过多的能源干涉，避免了温室效应的进一步加剧。

1.2 机械性能和物理性能令人满意

聚乳酸复合材料加工简单且便捷，适用于吹塑、热塑等加工方法，也使得该材料有广泛的应用空间。从工业到农业，遍布聚乳酸复合材料的应用，如农用织品、抹布、保健织物、帐篷布、地垫等，且未来有较大的开发空间。

1.3 相容性、可降解性良好

聚乳酸复合材料在医疗领域中有较大程度的应用，像一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，都用到了聚乳酸复合材料，且低分子聚乳酸复合材料还可作为药物缓释包装剂使用，备受市场认可。

1.4 较强抗拉强度及延展度

聚乳酸复合材料可以满足各式各样的加工方式，包括吹膜成型、射出成型等等，与常见的聚合物在成型上有一定相似性[4～6]。另外，它具备与传统薄膜相同的印刷性能，也正因如此，才使得聚乳酸复合材料得以满足不同行业的不同生产需求，可保障产品多种多样。

1.5 透气性、透氧性、透二氧化碳性较佳

这意味着聚乳酸复合材料可以有效地阻隔气味、抑菌和抗霉，可安全、放心地使用，可发挥其他材料不能企及的效果，便于现实问题较好地解决。

1.6 安全性能较强

虽然聚乳酸复合材料不需要焚烧来消除，但即使在焚烧中，也不会向外释放氮化物、硫化物等有害毒气。将其进行改性后，可向无毒、无污染、无腐蚀的环保方向发展[7]。

2 聚乳酸复合材料在生物医学领域的应用

聚乳酸复合材料是一种人工合成的、由微生物充分降解的热塑性脂肪族聚酯，其自身具备环保特性，无毒无害、可再生和良好的生物相容性，使得聚乳酸顺利融入生物医学领域并为其服务。有关于聚乳酸复合材料在生物医学领域的应用情况，可重点归纳为以下几点。

2.1 外科手术缝合线

聚乳酸与其共聚物，都是最早的外科手术缝合线，至今，依旧在延用。透过熔融纺丝和溶液纺丝，可将聚乳酸制成手术需要的缝合线，强度、细度和韧性都满足缝合线标准，可以缝合伤口并与机体融为一体，省去了拆线的麻烦，患者接受率和好评度均较高[8]。这种缝合线，好处是不用拆线、不用二次手术，不足是聚乳酸复合材料如何在快速愈合伤口、掺入抑菌消炎药物等方面发挥更大优势，还存在较多阻碍和不足，需要花费较多精力去摸索。

李学兆[9]研究聚乳酸羟基乙酸手术缝合线用于食管癌切除后消化道重建吻合，实验组与对照组比较，平均吻合时间从18min降至13min，吻合口溃疡发生率从9.1%降低至2.39%，吻合口狭窄从11.3%降至4.39%，胃液返流从8.3%降至3.39%，两组吻合口瘘发生率相近（分别为1.1%、2.34%），可见吸收缝线逢合安全，简便，可靠，省时。美国强生公司，早在2002年就将PLA与乙醇酸（GA）按一定比例共聚，制得抗菌可吸收医用缝合线“薇乔抗菌缝线”[10]，并将其商品化。

2.2 药物控制释放

控制释放，可以理解为将药物或其他生物活性物质和基材结合，使得药物通过扩散等方式，在一定期限内以某一速率释放在环境中。理想的药物控释体系需要具备以下几项特质：①具备控制释放功能，保障血药浓度维持在合理区间内；②具备靶向释放功能，保障药物可以精准输送到指定部位；③补药量较少；④毒副作用低；⑤服用便捷，患者接受度较高；⑥具备化学和物理双重稳定性。

药物控释材料，即是保障药物以恒定速度于一定时间内从材料中脱离并达到指定部位发挥药性的材料，可以保障药物在血液中维持对疾病治疗所需的最低浓度，则可避免浓度偏高造成的药物中毒问题的产生，也解决了浓度偏低形成的治疗无效问题[11]。一般而言，药物载体会尽可能采用高分子材料，选用聚乳酸复合材料也未尝不可。在聚乳酸材料替代普通高分子材料后，可在患者体内生物降解，预期共聚物的结构会发生紧凑、疏松的持续变化，可有效控制药物释放速率，生物降解高分子载体结构的变动幅度也会被控制，对减少药物溶解、扩散阻力有较为突出的成效，便可保障药物的持续、稳定释放[12-13]。

韩永涛[14]采用乳化-溶剂挥发法，以聚乳酸为载体，制备了阿奇霉素聚乳酸微球，结果表明，微球粒径范围窄,分散性好,包封率较高且具有缓释效果。马喜峰[15]以聚乳酸为载体，加入多柔比星和纳米Fe3O4制成了聚乳酸/纳米Fe3O4载多柔比星缓释微球，结果表明，微球包覆效果高、释药缓慢而持久，可满足临床应用要求。

目前，聚乳酸已经被应用到多种药物的控制释放中，包括抗癌物、抗生素、麻醉剂、避孕药等，在医疗市场中占据较大比重。

2.3 组织工程支架材料

组织工程，可理解为对人体器官的组织和修复，是生物医学中的重要工程，也是生物医学的追求目标。在组织工程不断发展的过程中，聚乳酸复合材料受到了极大关注，且对组织工程有着重要应用意义。

具体说来，应用于人体的组织工程支架材料，必须具备极佳的生物相容性和无毒性，这是支架材料生产、应用的基本要求，方可更安全、放心地于临床中应用[16]。聚乳酸复合材料，除了本身的无毒性，其生物相容性也有目共睹，从而使得聚乳酸成为组织工程支架材料的首选，且在应用过程中，发现该材料的操作灵活性较高，已经可以满足临床中的不同需求。

当前制造业，可以轻松生产出包覆纤维和多空海绵体的医疗材料，可以与组织细胞融合，并可植入生物体内为细胞提供气体交换、获取营养等必要场所，协助生物形成新的形态、新的功能、新的组织器官，便于患者重获新生[17]。与此同时，聚乳酸复合材料有较强亲水性，可为组织工程提供必要支持。

郭红延[18]等将兔牙乳头作为种子细胞接种至支架材料聚乳酸羟基乙酸共聚物辅以海藻酸钠中，采用裸鼠体内移植方法进行组织工程牙根的构建，8周后，聚乳酸羟基乙酸大部分降解，已接近自然生长的牙根组织，获得了具有牙本质特性及正常牙根形态的组织工程牙根，为进一步进行复合牙周膜的功能性牙根的组织工程构建奠定了基础。

2.4 骨折内固定材料

早在20世纪70年代，就已有学者研究将聚乳酸作为骨折内固定材料，为当前聚乳酸复合材料成为骨折内固定材料做出了不可小觑的贡献[19]。当前，以聚乳酸式的骨钉、骨固定板较为常见，在骨折治疗中起到了关键性作用，让患者的恢复进程加快，大大减轻了患者的痛苦，且术后无须取出，避免了二次手术。

从以往来看，骨折内固定材料多为不锈钢、钛及合金构成，这类固定材料不能随着人体骨骼的恢复、成长而有所变化，与人的骨骼有着较大差异，不能较好地在患者体内保持正确的骨骼生长位置。不可忽略的是，它也在影响和破坏患者原有骨骼的应力分布环境，容易出现骨质疏松、骨萎缩等问题。而相较于这类材料，聚乳酸，明显更加人性化，且安全系数较高，它与人体骨骼有较强的相容性，可以更好地适配当前骨折患者的医治环境[20]。将聚乳酸材料置入患者骨折部位，患者不会产生不适、也不会产生排异反应，会逐渐契合患者体内的骨骼生长环境。值得一提的是，这类材料也会按照病愈时间调整骨折内固定器降解速率，因此，适用于当前大多数骨折患者，可确保骨折患者更快、更好地康复。

李力等[21]采用溶液浇铸技术制备β－磷酸三钙/聚乳酸复合材料，对手术造成的白兔右股骨髁部直径8mm腔洞状骨缺损进行修复实验，结果表明，实验8周后新生骨痂将缺损修复，16周后骨痂塑性良好，术后8周和16周材料降解率分别是30.3%和52.2%。结论：以聚乳酸、β－磷酸三钙制备的骨修复材料对骨缺损具有良好的修复作用、缓释作用，可满足骨折内固定的要求。

廖立等[22]采用“两步模压法”制备β-偏磷酸钙（β-CMP）/聚乳酸（PLLA）复合骨折内固定材料,经过细胞安全性研究表明，β-CMP/PLLA复合材料对成骨细胞黏附、生长没有抑制作用，反而有利于成骨细胞的增殖，复合材料具有良好的细胞相容性，可以满足骨折内固定的要求。

其实，聚乳酸材料与其他金属材料在治疗骨折中起到的效果无太大差别，只要结合实际加以选择即可，但是在安全性上和治疗成本上，建议多选用聚乳酸式的骨折内固定材料，日后将成为替代金属材料首选，有较大开发与应用空间[23]。

2.5 基因治疗载体

聚乳酸也可为基因治疗提供服务，属于最新研究成果。基因治疗往往需要透过病毒载体、非病毒载体和基因墙三种途径将目的基因导入组织细胞中，由于聚乳酸材料具有较强稳定性且化学结构和粒度大小合适，因此，成为基因治疗载体的不二之选，可以为基因治疗提供必要的支持和协助，且基于聚乳酸材料的载体可以较好地控制基因的释放速度，优越性显而易见[24]。

DNA将以物理形式存在于微球中，可保持自身活性，采用聚乳酸材料的微球储存DNA，可以直接靶向作用于吞噬细胞，使细胞死亡，则可达成治疗目的，目前市场上已存有这类治疗药物，今后开发将备受期待。

杜怀栋等[25]利用GDNF(胶质神经源性神经营养因子)基因转染的雪旺氏细胞和PLGA(聚乳酸/聚乙醇酸共聚物)管共同培养构建神经导管复合体，结果表明，GDNF基因转染的雪旺氏细胞可与PLGA管共同构建神经导管复合体，有利于神经的再生。

王湛等[26]研究聚乙二醇（PEG）/骨形态发生蛋白（BMP）-2纳米基因复合物及载基因仿生骨与骨髓间充质干细胞（BMSCs）对骨缺损修复的共同作用，结果表明，PEG-BMP-2-PLA/PCL可以实现基因的体内缓慢表达，对骨缺损修复具有良好的效果。

2.6 眼科植入材料

视网膜脱落是非常严重的疾病，很容易致盲，在手术治疗中有非常大的操作难度，传统手术显然在治疗视网膜脱落疾病中存在较大局限性[27]。当前，出现一类新的治疗手段，即将聚乳酸材料的填充物取代传统手术中的硅橡胶或硅橡胶海绵填充物，植入患者眼部，则可凭借自身的生物降解性和生物相容性较好地满足视网膜脱落疾病的材料应用需求，排异问题将大大减少、减轻，术后患者将不会出现强烈的不适反应。

将聚乳酸材料应用于眼科视网膜脱落手术中，具备多重优势，除了本身的密度和粘度性能较好，还具备较为优良的拉伸强度和断裂伸长率，弹性模量甚至可以高达3000～4000MPa，弯曲模量也可达到100～150MPa，这些性能保障了聚乳酸材料具备惊人的热稳定性和抗溶剂性，凭借于此，使得聚乳酸材料成为视网膜脱落手术中的不二之选[28]。同时，聚乳酸材料的强悍抗异性，也深受患者满意，为今后眼科大量、频繁地应用聚乳酸材料奠定基础。

陈鹏飞等[29]研究玻璃体腔注射塞来昔布-聚乳酸羟基醋酸共聚物缓释微（CEL-PLGA-MS）对视网膜的安全性，与对照组塞来昔布（celecoxib）相比，CEL-PLGA-MS组内网状层微丝排列紊乱、微管扩张、线粒体少许空泡化，而celecoxib组细胞超微结构变化轻微，表明玻璃体腔注射CEL-PLGA-MS对视网膜安全性优于玻璃体腔注射celecoxib。

当然，除了可以采用聚乳酸材料于眼部植入解决视网膜脱落问题，还可解决青光眼、白内障等眼科问题，未来发展潜力不可小觑。

3 聚乳酸复合材料在生物医学领域的发展前景

在环境污染严重、资源面临枯竭问题的严峻现状面前，想要实现可持续发展，必然依托更环保、更具功能性的新材料，这意味着聚乳酸材料未来的发展空间较大，可以缓解现代科技造成的环境污染问题和资源枯竭问题，同时，也为绿色发展带去新的希望，其应用和发展具有极其重要的社会和经济意义[30]。当前时代是追求节能环保的时代，聚乳酸凭借其自身的超强生物降解性，可在未来成为各国关注的生产材料，为市场产品多样化带去支持和辅助力量。

有专家预言，未来全球聚乳酸聚合物和纤维的生产规模将继续扩大，扩大规模甚至会达到不可想象的高度，在聚乳酸原料生产成本降低的视域下，可以想象其价值会趋向PET纤维发展，使用途径会更加广泛，经济效益将逐渐显露。日本尤尼奇卡公司已经与丰田工业大学展开合作，致力于研究尼龙纳米复合材料和聚乳酸树脂技术，已取得部分成果，如注塑机聚乳酸纳米复合材料新产品[31]。

今后，相信会看到更多的绿色高分子材料的蓬勃发展，相信会给我们带来解决环境污染问题的全新希望，聚乳酸的未来发展依旧可期，我们也将在先进的科技面前享受到更贴心、更便利、更人性化的服务。

4 结束语

综上所述，聚乳酸复合材料在生物医学领域中有较广泛应用，透过此次研究，我们看到了聚乳酸复合材料身上的潜力和优势，也让我们对其在生物医学领域中的发展更为期待。不置可否的是，聚乳酸复合材料会在未来发展过程中，会有更大进步、有更多突破，必将在生物医学领域“大展拳脚”。也希望此次研究对聚乳酸复合材料今后深入、全面渗透生物医学领域提供助力。