可降解高分子材料在医疗器械中的应用

生物材料在疾病治疗和医疗保健中发挥了重要的作用，按材料性质，生物材料可分为惰性材料与可降解性材料两种，目前生物材料的发展呈现出由惰性向可降解性(水解和酶降解)转变的趋势，这表明现在许多发挥临时治疗作用(帮助机体修复或再生受损组织)的生物惰性器械将被可降解材料器械替代。
与惰性材料相比，可降解高分子材料是一种更为理想的医疗器械材料，惰性器械普遍存在长期相容性差和需要二次手术的问题，而可降解高分子材料器械不存在这些缺陷。最近20年生物医学中出现了一些新的医疗技术，包括组织工程，药物控释，再生医学，基因治疗和生物纳米技术等，这些新的医疗技术都需要可降解高分子材料作支撑，它们也相应地促进了可降解高分子材料的发展。
可降解高分子材料在整个降解过程中都需要具有良好的相容性，主要包括以下几点：
植入人体后不引起持续的炎症或毒性反应;
合适的降解周期;
在降解过程中，具有与治疗或组织再生功能相对应的的力学性能;
降解产物是无毒的，能够通过代谢或渗透排出体外;
可加工性。影响可降解高分子材料生物相容性的因素很多，材料本身的一些性能，如植入物的形状与结构、亲水亲油性、吸水率、表面能、分子量和降解机理等都需要考虑。
本文综述了目前几种常用可降解高分子材料的性能和降解特性，包括聚乙交酯、聚乳酸、(乙交酯–丙交酯)共聚物、聚己内酯、聚二恶烷酮、聚羟基脂肪酸酯、聚三亚甲基碳酸酯和聚氨酯与聚醚氨酯等，同时综述了它们在医疗器械中的应用，包括植入物、组织工程支架、药物控释载体等。
聚乙交酯(PGA)
PGA是最早应用于临床医学的合成可降解高分子材料，其具有很高的结晶度(45%～55%)，高结晶度使它具有很大的拉伸弹性模量。PGA难溶于有机溶剂，玻璃化转变温度(Tg)在35～40℃之间，熔点(Tm)高于200℃，可以通过挤出、注塑和模压等方式加工成型、。由于具有良好的成纤性，PGA最早被开发成可吸收的缝合线。
1969年，美国FDA批准上市的第一款合成可降解缝合线DEXON®就是由PGA制成。因为PGA具有合适的降解性、优良的初始力学性能和生物活性，PGA无纺布作为组织再生支架材料被广泛研究，目前一种包含PGA无纺布的支架材料正用于临床试验。
另外PGA硬脑膜替代品也在研究中，因为它具有帮助组织再生和在无缝合线下闭合皮肤的能力。PGA的高结晶度使它具有优良的力学性能，在临床上使用的可降解高分子材料中，自增强PGA是最硬的，它的模量接近12.5GPa。因为良好的初始力学性能，PGA也被开发为内固定系统(Biofix®)。PGA通过链段中酯键的随机断裂(水解作用)实现降解。在水解作用下，PGA在1～2月内发生力学性能下降现象，6～12月内发生质量损失现象。在体内，PGA降解成甘氨酸，甘氨酸可以通过尿液直接排出体外或代谢成二氧化碳和水。高降解速率、降解产物呈酸性和难溶性限制了PGA在生物医学中的应用，不过这些缺点可以通过与其它单体共聚克服。
聚乳酸(PLA)
丙交酯(LA)是手性分子，存在两种立体异构体：左旋LA(L–LA)和右旋LA(D–LA)，它们的均聚物都是半结晶的。外消旋LA(DL–LA)则是L–LA和D–LA的混合物，其聚合物是无规的。聚L–LA(PLLA)的结晶度(0%～37%)由分子量和加工参数决定，其Tg为60～65℃，Tm约为175℃。因为它的亲水性比PGA差，所以它的降解速率比PGA低。
PLLA具有高拉伸强度、低断裂伸长率和高拉伸弹性模量(接近4.8GPa)，是理想的医用承重材料，如骨固定器械。现在市场上的PLLA骨固定器械有BioScrew®，Bio-Anchor®，MeniscalStinger®等。另外，PLLA也可制成高强度的手术缝合线。1971年，PLLA手术缝合线经美国FDA批准上市，它具有比DEXON®更加优良的性能。PLLA也可用于其它一些医疗领域，如韧带修复与重建、药物洗脱支架、靶向药物运输等。2007年，美国FDA批准了一种可注射的PLLA制品(Sculptra®)，用于治疗人类免疫缺陷病毒(HIV) 引起的面部脂肪损失或萎缩。PLLA的降解速率缓慢，高分子量的PLLA在体内完全降解需要2～5.6a的时间，结晶度和孔隙度等因素可以影响它的降解速率。
在水解作用下，PLLA在6个月内出现力学性能下降现象，但要经过很长的时间后才会出现质量损失现象。因此，为了获得更好的降解性能，研究者将L–LA与GA或DL–LA共聚。Resomer®LR708便是一种由L–LA与DL–LA(质量比70∶30)共聚得到的无规共聚物。PDLLA因为L–LA和D–LA的随机分布形成了无规共聚物，Tg在55～60℃之间，强度大幅下降，这是由分子链的无规排列造成的。在水解作用下，PDLLA在1～2个月内出现力学性能下降现象，在12～16个月内出现质量损失现象。与PLLA相比，PDLLA具有低强度和高降解速率的特点，是药物运输载体和组织再生支架(低强度)的理想材料。PLA通过链段中酯键的随机断裂(水解作用)实现降解，初级降解产物为乳酸，乳酸为人体正常代谢的副产物，通过柠檬酸循环，乳酸可进一步降解为二氧化碳和水。
共聚物(PLGA)
研究发现，LA与GA的质量比在25/75~75/25时，PLGA为无规共聚物，R.A.Miller等的研究表明，LA与GA的质量比为50/50的PLGA具有最快的降解速度。
不同单体质量比的PLGA已经广泛应用于临床。商品名为Purasorb®PLG的PLGA便是一种半结晶共聚物，其中 LA与GA质量比为80/20;多股缝合线Vicryl®中L–LA与GA的质量比为10/90，它的升级版VicrylRapid®也已经上市，经过辐照后的升级版降解速度更快;
PANACRYL®是另一种商业化的PLGA缝合线。另外PLGA也应用于其它医疗方面，如网丝 (VicrylMesh®)、植皮材料和硬脑膜替代品等，组织工程植皮便是使用了VicrylMesh®作为支架材料。PLGA中的酯键因水解作用断裂，其降解速率受很多因素影响，如：LA与GA质量比、分子量、材料的形状和结构等。PLGA具有易于加工和降解速率可控的特点，被美国FDA批准可应用于人体，在可控药物/蛋白运输系统、组织工程支架等领域得到广泛研究。PLGA具有促进细胞吸附和增殖作用，该性质使它具有潜在的组织工程应用，很多研究已经制备了微米–纳米级PLGA三维支架。图1列出了不同方法得到的3种PLGA结构。 PLGA另外的一个重要应用是药物载体和靶向释放，PLGA能够以微球、微囊、纳米球和纳米纤维等多种形式存在，药物的释放参数可以通过调节PLGA的性能加以控制。因PLGA是整体侵蚀降解，即表面和内部同时降解，所以它很难达到零级释放的效果。