生物可降解高分子材料在外科领域的应用

刘海旺，王相茹，梁 芮，杨 洁

(1.西安大兴医院 ，陕西 西安 710016; 2.西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018)

环境问题逐渐成为世界上多个国家共同关注的问题。日趋严重的白色污染对人们的生活造成了诸多负面影响。如何切实治理白色污染，是每一位环境工作者必须面对的问题。普通塑料在自然环境下降解速度极慢，残留在土壤和水体中的塑料严重地破坏了生态环境，影响了生态系统的稳定性。环境领域的多数权威专家认为，寻找塑料的替代物迫在眉睫[1]。生物可降解高分子材料可以在自然条件下很快降解，其在医药、农业、环保、新型材料、食品包装等领域有着广泛的应用。根据来源，可生物降解高分子材料可分为天然高分子材料和合成高分子材料。来自于自然的生物可降解高分子材料主要来自植物和微生物，这两类生物能够高效地将小分子聚合为复杂的长链[2]。合成高分子材料的原料通常是石油的分馏产物。虽然合成生物可降解高分子材料的原料与普通塑料的原料是相似的，但是前者的分子连接方式更接近于生物体内分子的连接方式，因此，在适宜的自然条件下，前者能够很快地被降解为对环境无毒无害的小分子。从应用的角度看，合成高分子材料的性能更好，它的发展空间比天然高分子材料更大。

1 常见的生物可降解高分子材料及特性

1.1 纤维素衍生物

纤维素衍生物是纤维素聚合物中羟基与化学试剂发生酯化或醚化反应的产物。根据反应产物的结构特征，纤维素衍生物可分为3类：纤维素醚、纤维素酯和纤维素醚酯。商业应用的纤维素酯是硝酸纤维素、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素和纤维素黄原酸酯。醚包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素。纤维素衍生物在外科领域之中的应用具有再生纤维素有2种：氧化再生纤维素和羧甲基纤维素[5]。氧化再生纤维素有以下特点：(1)更容易受血液影响，因此，使用氧化再生纤维素时，应先进行止血处理;(2)氧化再生纤维素具有较好的粘附性，将其应用到外科领域之中，不需要进行缝合处理，在治疗10～14 d会自行降解吸收。羧甲基纤维素有以下特点：(1)组织粘附性高，无需缝合;(2)热稳定性高,此外，羧甲基纤维素会有效地对于粘连形成进行抑制，在外科领域中的应用较为方便简洁；(3)羧甲基纤维素具有较好的生物相容性[6]。

1.2 透明质酸钠及其衍生物

透明质酸钠又称透明质酸钠，结构如图1所示。它是一种广泛存在于人体内的生理活性物质，由葡萄糖醛酸和乙酰己糖组成的二糖单元聚合而成的高分子量线性粘多糖，分子量为100万u；在水中形成具有生理pH值和离子强度的粘性和弹性溶液。它的分子形态是可变的，所以可以用更细的注射针穿过。提取透明质酸钠中不产生炎症的物质，称为希隆，将10 mg本品溶于1 mL生理盐水中，其浓稠黏度比房水或生理盐水高20万倍[7]。希伦的蛋白质含量小于0.5%，是无菌高纯度溶液。透明质酸钠及其衍生物在外科领域的应用具有以下特点：(1)透明质酸钠及其衍生物在机体组织中容易扩散或降解，在集体组织中滞留时间短；(2)透明质酸钠及其衍生物能抑制颗粒白细胞的迁移和吞噬，具有优异的抗炎作用;(3)透明质酸钠及其衍生物可以抑制出血，减少永久附着在骨骼上的血凝块的形成;(4)透明质酸钠及其衍生物具有良好的生物相容性；(5)透明质酸钠及其衍生物在外科领域中的应用，能够在外科手术中可抑制术后粘连和纤维组织形成[8]。

图1 透明质酸钠Fig.1 Sodium hyaluronate

1.3 聚乳酸及其共聚物

聚乳酸又称聚丙交酯，其结构如图2所示。它是以乳酸为主要原料聚合而成的聚合物，属于聚酯类。聚乳酸的形成条件是单个乳酸分子中有一个羟基和一个羧基，多个乳酸分子在一起，—OH与其他分子的—COOH脱水缩合，—COOH与其他分子的—OH脱水缩合形成聚合物。聚乳酸是完全可再生的，生产过程无污染，产品可以生物降解，在自然界可以循环利用，是一种理想的绿色高分子材料[9]。聚乳酸及其共聚物在外科领域之中应用具有以下几点主要性能：(1)聚乳酸及其共聚物可以通过酶分解生成水和二氧化碳，其降解后不会对于环境造成污染，具有清洁性及环保性；(2)聚乳酸及其共聚物能够调节降解速度；(3)聚乳酸及其共聚物具有极强的柔韧性；(4)聚乳酸及其共聚物具有极强的抗牵拉性能；(5)聚乳酸及其共聚物具有良好的可降解性、可吸收性和生物相容性；(6)聚乳酸及其共聚物具有较好的化学稳定性及机械性能；(7)聚乳酸及其共聚物能够使外科手术的操作更加方便简洁[10]。

图2 聚乳酸Fig.2 Polylactic acid

1.4 医用几丁糖

医用几丁糖又被称为壳聚糖，广泛存在于低等植物真菌、藻类细胞、甲壳类虾壳、蟹壳、昆虫、高等植物细胞壁等。在灵芝、冬虫夏草等植物中也含有少量的壳聚糖，含量2%～7%；其在医学上称为多糖的化合物。它是一种免疫激活剂，能明显调节人体免疫功能，增强巨噬细胞的吞噬能力[11]。医用几丁糖是脱乙酞基的甲壳素中的一种，其在外科领域之中的应用具有以下性能特点：(1)不具有毒性，其免疫抗原性较小，具有选择性促进上皮细胞和内皮细胞生长，抑制成纤维细胞生长的生物学特性，从而有助于促进组织的生理性修复，抑制瘢痕形成，减少组织粘连；(2)具有局部止血作用，抑制纤维蛋白束的形成，从而减少血肿组织引起的组织粘连，可以促进身体组织的生长；(3)具有镇痛、止血消炎作用，良好的生物相容性、润滑和生物屏障作用，能有效防止粘连。医用壳聚糖保护关节软骨的机理在于，壳聚糖在理化性质上与氨基多糖相似，具有粘弹性，吸收缓慢；而氨基多糖是软骨和软骨基质组成和代谢的基础[12]。

1.5 胶原蛋白

胶原蛋白是一种常见的生物可降解高分子材料，由前胶原分子组成。前胶原是一种具有右旋超螺旋结构的蛋白质。每个前胶原分子由多肽链的右旋旋转形成，带有3个特殊的左旋螺旋(螺距为0.95 nm，每个螺旋含有3.3个残基)。胶原蛋白在外科领域之中的应用逐渐广泛，其内部结构与和动物体内蛋白的结构很相似，胶原蛋白能够与人体器官、组织相溶。因此，胶原蛋白制品能够在人体器官重构或者组织再生中广泛使用，在临床医学中，尤其是在整形外科和医疗美容中，注射型胶原蛋白液是最常见的一种。胶原蛋白是一种温敏凝胶，在室温25 ℃时为液体，在体温37 ℃时变为高分子凝胶。因此，胶原蛋白材料在使用过程中适合皮下植入[13]。

2 生物可降解高分子材料临床应用

2.1 生物可降解高分子材料在骨内固定材料中的应用

生物可降解高分子材料在骨内固定材料中的应用，首先，患者在骨愈合的过程中，相关医师可以将可生物可降解高分子材料植入骨内固定材料聚合中，在骨愈合过程中，大多数是通过骨夹板和骨螺钉对于患者骨骼进行固定；其次，通过利用生物可降解高分子材料培养组织细胞的方式促进骨骼固定。虽然通过金属材料进行骨内固定的场景比较多，且实际效果也不错；但如果骨内植入物属于金属材料，当固定骨骼后，从患者体内取出金属材料时，人体骨骼也会受到损害。如果在此过程中，相关医师可以在此过程中应用生物可降解高分子材料，可以很好地解决相关问题。同时，通过生物可降解高分子材料进行骨内固定，不仅可以使生物可降解高分子材料保持一定的强度标准，生物可降解高分子材料可以自行被水溶解，避免了二次手术的麻烦[14]。

表1 生物可降解高分子材料在骨内固定材料中应用的条件Tab.1 Conditions for the application of biodegradable polymer materials in bone fixation materials

2.2 生物可降解高分子材料在外科手术缝合中的应用

生物可降解高分子材料在手术中的应用往往需要缝合，术后患者的恢复与缝合质量是密切相关的。如果缝线不能降解，必须人工取出，会增加患者的痛苦，如果能使用可降解缝线，可以省去拆线的工作。生物可降解材料首先用于肠道，随着科学和外科技术的发展，外科手术中使用的高分子材料种类越来越多，对高分子缝合线的要求也越来越高[15]。

表2 各种手术缝合线对比Tab.2 Comparison of various surgical sutures

2.3 生物可降解高分子材料在ECMO中的应用

2020年初，随着新冠疫情的迅速肆虐，人类受到了前所未有的威胁。新冠疫情会迅速对于人体肺部造成严重危害，一些病情较为严重的患者需要通过ECMO辅助呼吸。ECMO的原理是抽出患者体内的静脉血，并通过特殊材料将体外循环氧合注入患者的动脉或静脉之中，通过心肺置换保持人体器官正常运转。对于新冠肺炎患者来说，新冠病毒感染会导致患者的肺部聚集大量粘液，从而影响患者的肺部运行。ECMO可以使患者肺部压力降低，使患者在得到休息时还能够有吸收粘液的时间，恢复患者的身体健康[16]。ECMO是由血泵、氧合器、气体混合器、加热器、各种动静脉导管和监护仪等组合而成，血泵和氧合器是其关键部件，血泵是病人的替代品，氧合器可以作为肺的替代品出现。生物可降解高分子材料在ECMO中的应用，可以包括3个阶段：第1阶段是实心硅胶膜;第2阶段是微孔中空纤维膜;第3阶段是聚-4-甲基-1-戊烯中空微孔纤维膜。第1阶段的实心硅胶膜具有相容性好、血浆渗漏少、对血液成分损伤小以及适合长期辅助等优势；但其排气困难，价格昂贵。第2阶段的微孔中空纤维膜有效地解决了排气困难和价格昂贵的问题；然而，由于微孔中空纤维膜会导致等离子体泄漏的可能，从而降低了微孔中空纤维膜的氧化能力。第3阶段聚-4-甲基-1-戊烯中空微孔纤维膜的研制，逐步提高了生物可降解高分子材料在ECMO中的应用效果[17]。

2.4 可降解高分子材料在外科护理中的应用

在进行外科手术时，患者身体会受到热、电、机械、化学和内部因素等的损伤，导致患者的正常皮肤组织受到伤害。外科护理既是在患者皮肤组织受到创伤后，通过护理对于患者的身体局部组织再生修复和重建的过程。医用敷料是一种在外科护理工作中发挥重要作用的医护材料。医用敷料可以对于患者的伤口创面进行覆盖，并起到治疗作用[18]。生物可降解高分子材料可以对于渗出物少、肉芽组织新鲜的创面进行敷涂，保持创口湿润，促进患者伤口的愈合。生物可降解高分子材料在临床的外科护理中，具有预防静脉输液外渗、预防静脉炎、延长留置针使用时间等效果[19]。其他研究表明，在皮肤表面水泡和压疮上局部应用生物可降解高分子材料，具有简单安全的效果，促进患者伤口的愈合。由于生物可降解高分子材料具有良好的弹性和自粘性，可形成封闭的愈合环境，且生物可降解高分子材料中含有内源性酶，可促进纤溶，促进患者坏死组织清洁，促进微血管增生和造粒，加速伤口愈合。因此，生物可降解高分子材料可以在外科护理中发挥重要的作用[20]。

3 结语

生物可降解高分子材料有望成为可以取代塑料的材料，其在医药、农业、环保、新型材料、食品包装等领域有着广泛的应用，相关人员可以根据实际需要，改变生物可降解高分子材料中的分子连接方式，从而提升生物可降解高分子材料的特性使其应用更加广泛。生物可降解高分子材料在外科领域的应用具有很大的优势，但生物可降解高分子材料在外科领域的应用中，存在生物可降解高分子材料制作成本较高等不足，导致生物可降解高分子材料的产品性能有限，应用范围受到一定限制。因此，研究人员应立足于生物可降解高分子材料在外科领域的实际应用效果，对于生物可降解高分子材料的成本与性价比，以优化生物可降解高分子材料的内部组成成分，使可生物降解的聚合物材料能够用于外科领域之中获得更好地推广及应用。