高分子材料在鎂合金支架中的生物相容性研究

高分子材料在鎂合金支架中的生物相容性研究

材料和鎂合金表面變化的研究。結(jié)果與結(jié)論:目前鎂合金常用的涂覆高分子材料有膠原蛋白、殼聚糖、聚乳酸及其共聚物、有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化膜、聚氨酯。這些高分子材料均具有好的生物性能,作為鎂合金的涂層可以改善鎂合金的生物相容性,延緩鎂合金的降解時(shí)間。但有機(jī)物與鎂合金之間的結(jié)合強(qiáng)度主要依靠物理機(jī)械力和化學(xué)鍵合,物理機(jī)械力不能夠滿足要求,必須要對(duì)鎂合金表面和有機(jī)物進(jìn)行處理,應(yīng)用合適的表面活性劑使鎂合金與有機(jī)物之間產(chǎn)生化學(xué)鍵合,從而達(dá)到要求。AbstractCuiXZ,HuangX,GuanSK,HouSS,YaoHF.Researchprogressofpolymercoatedbiologicalmagnesiumalloycoronarystents.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2012;16(51):9635-9639.0u2004鎂合金材料特性與材料應(yīng)用目前用于臨床的生物醫(yī)用材料主要包括生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料和生物醫(yī)用復(fù)合材料等。生物醫(yī)用金屬材料具有高的強(qiáng)度,優(yōu)修回日期:2012-05-16SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,HenanProvince,CuiXin-zhan★,Studyingformaster’sdegree,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,HenanProvince,cxzwhn@163.comCorresponding良的韌性、抗彎曲疲勞強(qiáng)度及良好的加工成Doctorauthor:,HuangAssociateXia,型性能,在臨床中一般用作臨床外科植入材Materialsprofessor,ScienceSchoolof料。其中冠狀動(dòng)脈支架材料作為血管植入物ZheandngzhouEngineering,要滿足以下條件:良好的生物相容性,優(yōu)良ZhengzhoUniversity,u450001,的綜合力學(xué)性能,足夠的柔韌性,“X射線”hHCaehipnnpaanyhxia@163Province,.com可視性和良好的擴(kuò)張性。不可降解金屬內(nèi)支架作為一種永久性的異物在血管內(nèi)長期存留ARcecceeipvteedd::22001122--0045--1166可引起血管慢性損傷,后期可造成血管中層的萎縮、動(dòng)脈瘤形成及反應(yīng)性內(nèi)膜增生。鎂是人體所必需的元素之一,是人體內(nèi)含量?jī)H次于鉀的細(xì)胞內(nèi)正離子,參與體內(nèi)一系列新陳代謝過程,鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑,易與水溶液發(fā)生反應(yīng)而腐蝕,在富含Cr離子的人體生理環(huán)境中耐蝕性差,可利用其不耐腐蝕的特點(diǎn)將鎂及其合金發(fā)展為可降解硬組織植入材料,在應(yīng)用的過程中材料被逐步降解并為人體所吸收或代謝。但鎂在腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的氧化膜疏松多孔(PBR=0.8),尤其在含有Cl離子的腐蝕介質(zhì)中,鎂合金的化學(xué)穩(wěn)定性差,在使用環(huán)境中容易發(fā)生氧化,在濕熱條件下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕,MgO表面膜的完整性會(huì)遭到破壞,導(dǎo)致腐蝕加劇,使鎂合金植入材料在人體內(nèi)不能維持足夠的時(shí)間而提前失效,因此,提高鎂及鎂合金耐蝕性是確保其在該領(lǐng)域獲得良好應(yīng)用效果的前提條件。鎂合金的的耐蝕性直接關(guān)系到鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用,已經(jīng)成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn),因此研究鎂合金的表面防護(hù)具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。生物高分子材料具有好的血液相容性,且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于支架涂層實(shí)驗(yàn)中,所以運(yùn)用高分子材料做生物醫(yī)學(xué)鎂合金支架的涂層會(huì)有很好效果,整個(gè)支架具有可降解性,且生物相容性很好,下面介紹幾種生物相容性好且用于表面改性潛力較大的高分子材料。1數(shù)據(jù)和方法1.1u2004鎂合金表面改性的材料和納入標(biāo)準(zhǔn)由第一作者檢索1995至2010年Elsevier數(shù)據(jù)庫及CNKI數(shù)據(jù)庫,英文檢索詞為“magnesiumalloy,surfacemodification,polymermaterials,biomedical”,中文檢索詞為“鎂合金;表面涂層;高分子材料;生物醫(yī)用”。1.2納入與排除標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn):(1)文章所述內(nèi)容需與可降解心血管支架,以及鎂合金表面改性、生物醫(yī)用高分子等方面的研究密切相關(guān)。(2)同一領(lǐng)域選擇近期發(fā)表或在權(quán)威雜志上發(fā)表的文章。排除標(biāo)準(zhǔn):重復(fù)性研究。1.3文獻(xiàn)納入:文獻(xiàn)中的相關(guān)情況共檢索到文獻(xiàn)108篇,其中中文文獻(xiàn)80篇,英文文獻(xiàn)28篇,排除與研究目的相關(guān)性差及內(nèi)容陳舊、重復(fù)的文獻(xiàn)61篇,納入47篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。1.4u2004鎂合金表面有機(jī)改性存在的問題探討了心血管支架材料的要求及鎂合金的優(yōu)勢(shì)和存在的問題,文獻(xiàn)[7-46]探討了幾種醫(yī)用高分子的優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀,文獻(xiàn)探討了鎂合金表面有機(jī)改性存在的結(jié)合力問題。2結(jié)果2.1膠原的功能特性膠原是生物體內(nèi)一種具有高抗張強(qiáng)度的硬蛋白,由3條肽鏈擰成螺旋形的纖維狀糖蛋白質(zhì),在體內(nèi)以膠原纖維形式存在,大量存在于骨、軟骨、肌腱和皮膚中,是最為豐富的蛋白質(zhì)之一,占哺乳動(dòng)物所有蛋白質(zhì)的30%。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、生化和生物學(xué)性質(zhì),膠原作為醫(yī)學(xué)材料,有其自身的一些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn):(1)低免疫原性。膠原作為醫(yī)學(xué)材料最大的特點(diǎn)是免疫惰性,如果去除端肽,其免疫原性更低。(2)生物相容性。因?yàn)槟z原本身就是構(gòu)成人體組織的物質(zhì),其本身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其不論是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì),還是被吸收成為宿主的一部分,都與細(xì)胞周圍的基質(zhì)有很好的相互作用,表現(xiàn)出相互影響的協(xié)調(diào)性,并成為細(xì)胞與組織正常生理功能整體的一部分。(3)可生物降解性。由于膠原蛋白緊密的螺旋結(jié)構(gòu),大多數(shù)蛋白酶只能打斷膠原側(cè)鏈,只有特定的蛋白酶才能把蛋白肽鍵打斷,造成肽鏈斷裂,破壞螺旋結(jié)構(gòu),徹底水解膠原,這就是其可降解性。膠原這種蛋白酶降解的特性,以及促進(jìn)細(xì)胞生長代謝的特點(diǎn),使之成為組織工程中很重要的一種材料。(4)凝血作用。膠原蛋白以血液接觸,引起血小板凝聚,產(chǎn)生血栓,進(jìn)而血漿凝塊阻止血液流動(dòng)。當(dāng)利用膠原或膠原復(fù)合物做心血管裝置時(shí)要注意防止凝膠與血小板的作用。(5)力學(xué)性能。膠原是為結(jié)締組織提供強(qiáng)度的主要蛋白成分,其緊密的螺旋結(jié)構(gòu),天然的交聯(lián)是力學(xué)強(qiáng)度的主要保證,這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保在膠原受到外力時(shí)能量耗散,避免破裂,滿足肌體對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求。另外,膠原能與細(xì)胞相互作用,影響細(xì)胞的形態(tài)、增殖和分化,有利于細(xì)胞的存活和生長,且對(duì)細(xì)胞的分裂功能也有影響。膠原蛋白用于血管、皮膚、骨等組織修復(fù)方面的研究很多。劉生和等以膠原蛋白-硫酸軟骨素共混溶液將豬小腸黏膜下層黏成小口徑(內(nèi)徑3.0mm)管型支架,并用碳化二亞胺交聯(lián),得到粘接交聯(lián)小腸黏膜下層管。粘接交聯(lián)法得到的支架具有良好的生物相容性,且血管重建過程中小腸黏膜下層的力學(xué)性能得到了改善,顯著提高了利用小腸黏膜下層修復(fù)小口徑血管缺損的成功率。王永勝等制作幾丁質(zhì)-膠原蛋白膜,利用戊二醛交聯(lián)得到的膜具有較好的物理和生物學(xué)性能,組織相容性好,血管化能力強(qiáng),體內(nèi)外降解緩慢,具有良好的真皮替代功能。談偉強(qiáng)等以膠原膜為載體,復(fù)合3.5mg人基因重組骨形成蛋白2,制備膠原蛋白/骨形成蛋白復(fù)合材料,植入兔背闊肌4-6周成骨,膠原蛋白在3-5周降解,新形成骨為編制骨,可見明顯的微血管分布,6周缺損區(qū)為骨性愈合,新生骨可作為供骨修復(fù)一定范圍的缺損。膠原蛋白也存在一些缺點(diǎn),如成膜性能不好,膜延展性差,容易干燥,在體內(nèi)降解快,抗水性差,遇水易膨脹,在潮濕環(huán)境中容易感染細(xì)菌,還可能引起副反應(yīng),如組織鈣化等。2.2生長因子與外源基因甲殼素又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì),廣泛存在于蟹、蝦殼中,在自然界中的含量?jī)H次于纖維素。殼聚糖為甲殼素脫乙酰化產(chǎn)物,是目前研究最廣的多糖類天然高分子。它雖然不是人體中細(xì)胞外基質(zhì)的構(gòu)成物,但其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與細(xì)胞外基質(zhì)中的主要成分氨基葡萄糖極其相似,且表面帶有高密度的正電荷,有利于黏附表面帶負(fù)電荷的細(xì)胞。殼聚糖具有來源豐富、好的生物相容性和生物可降解性等優(yōu)點(diǎn),在藥劑中用途廣泛,且可以作為藥物緩控釋載體進(jìn)行應(yīng)用,在骨組織工程中可加工成細(xì)胞移植和組織再生的多孔支架、生長因子的緩釋載體及外源基因的遞送載體,也可加工成微球和水凝膠等形式用作骨組織工程的注射性支架,在其他方面也應(yīng)用廣泛,如降低膽固醇、抗菌、增強(qiáng)免疫力、抗腫瘤、抗癌、促進(jìn)鈣與鐵的吸收、抗炎作用及關(guān)節(jié)炎組織修復(fù)。由于殼聚糖只溶解于乙酸等幾種稀酸溶液中,限制了它的應(yīng)用,因此通過化學(xué)改性來拓展其應(yīng)用空間引起了研究者的興趣,如由自由基、輻射、酶和陽離子引起的接枝共聚;甲殼素和殼聚糖的磷酸化;殼聚糖衍生物和環(huán)糊精的結(jié)合;含巰基的殼聚糖等。改性殼聚糖在藥物緩釋、組織工程、抗菌等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用,另外在金屬離子吸附和染料廢水方面也作出了貢獻(xiàn)。殼聚糖作為涂層材料已有學(xué)者進(jìn)行了研究。許鑫華等以殼聚糖為涂層材料,對(duì)不同的鎂合金以不同結(jié)合方式制得了可降解生物鎂合金心血管支架,殼聚糖涂層會(huì)對(duì)鎂合金的腐蝕產(chǎn)生影響,使自然腐蝕點(diǎn)位升高,腐蝕電流減弱,殼聚糖與鎂合金結(jié)合方式不同影響也不同,然而其作用效果還是有限的,關(guān)鍵是結(jié)合強(qiáng)度和殼聚糖本身的腐蝕問題,進(jìn)行深入研究可能會(huì)達(dá)到比較理想的效果。Wu等利用一種新復(fù)合技術(shù)在AZ91D鎂合金表面得到了羥基磷灰石-殼聚糖涂層,先對(duì)鎂合金進(jìn)行微弧氧化,得到MAO-AZ91D,然后以MAO-AZ91D為負(fù)極,表面涂有鉑釕的鈦合金為正極,進(jìn)行電泳沉積,得到羥基磷灰石-殼聚糖涂層。洪奕等采用氨解技術(shù)在聚乳酸微球表面引入自由氨基,利用戊二醛將氨基轉(zhuǎn)化為醛基,最后采用接枝涂層技術(shù)將殼聚糖固定到聚乳酸微球表面,制備了殼聚糖表面改性的聚乳酸細(xì)胞微載體,與空白聚乳酸微球相比,軟骨細(xì)胞在殼聚糖改性聚乳酸微球表面能夠更有效黏附和生長,分布更為均勻。2.3醫(yī)用于醫(yī)用縫合線及微球及埋植劑的涂層根據(jù)聚乳酸的結(jié)構(gòu),可分為4種不同構(gòu)型的聚合物,分別是右旋聚乳酸(D構(gòu)型)、左旋聚乳酸、外消旋聚乳酸和內(nèi)消型聚乳酸。其中左旋聚乳酸和外消旋聚乳酸是最常用、研究最多、應(yīng)用最成熟的聚乳酸產(chǎn)品。聚乳酸是一種真正的生物塑料,其無毒、無刺激性,具有良好的生物相容性,可生物分解吸收,強(qiáng)度高,不污染環(huán)境,可塑性好,易于加工成型。由于聚乳酸優(yōu)良的生物相容性,其降解產(chǎn)物能參與人體代謝,已被美國食品醫(yī)藥局(FDA)批準(zhǔn),可用作醫(yī)用手術(shù)縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等。聚合物在體內(nèi)的降解是由酶和其他化學(xué)因素導(dǎo)致的化學(xué)鍵斷裂引起的,材料的組成、結(jié)晶形態(tài)、合成方式和幾何形狀均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。目前,聚乳酸類產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于藥物控制釋放載體、組織工程、骨內(nèi)固定、修復(fù)、手術(shù)縫合線、人造皮膚及三維多孔支架等。聚乳酸及其聚合物用于表面涂層的研究相對(duì)較多。黃晶晶等利用浸涂法在Mg植入材料表面得到了聚乳酸涂層,在浸涂時(shí)間和聚合物濃度一定時(shí),通過改變浸入次數(shù)控制涂層厚度,通過硅烷偶聯(lián)劑處理表面增強(qiáng)其與金屬的結(jié)合力,有聚乳酸涂層的鎂耐蝕性明顯提高。李綺等利用浸涂法在鎂合金表面成功得到了攜帶雷帕霉素的聚乳酸-聚三亞甲基碳酸酯共聚物涂層,聚乳酸-聚三亞甲基碳酸酯具有良好的柔韌性,表面均勻光滑,降解周期超過1個(gè)月,血液相容性良好,雷帕霉素的緩釋周期超過1個(gè)月,可在內(nèi)膜增生期內(nèi)有效抑制支架置入后再狹窄的產(chǎn)生,滿足冠狀動(dòng)脈支架表面載藥層的要求。趙常利等采用浸涂提拉法在鎂合金表面得到了聚丙交酯-乙交酯聚合物涂層,所得涂層致密均勻,耐腐蝕性好,降解周期長,可在鎂合金植入初期使其不發(fā)生腐蝕降解,延長鎂合金作用時(shí)間,達(dá)到良好的醫(yī)學(xué)適用性。邢濱等在316不銹鋼表面得到了聚丙交酯-乙交酯高分子載藥涂層,通過控制空氣濕度、涂膜液濃度,可在基體上制備出孔徑均勻的聚丙交酯-乙交酯高分子微孔涂層,其在模擬體液中的初期降解過程主要是沿著孔洞的邊緣進(jìn)行的。2.4植酸轉(zhuǎn)化膜的制備及其抗菌性能植酸又名環(huán)己六醇六磷酸脂,是從糧食中提取的天然無毒化合物。植酸有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的螯合性,當(dāng)其在金屬表面與金屬產(chǎn)生絡(luò)合時(shí),容易在金屬表面產(chǎn)生一層致密的單分子保護(hù)膜,阻止O2的進(jìn)入,從而保護(hù)金屬不受腐蝕,另外,植酸還有好的成膜性能,且無毒無污染,廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、化工、機(jī)械、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域。植酸類物質(zhì)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用歷史悠久,集多種療效于一身,具有抗炎作用、抗病毒作用、免疫調(diào)節(jié)作用、抑菌作用、抗?jié)冏饔谩?duì)糖尿病并發(fā)癥的治療作用和治療腹瀉作用。陳東初等利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)鎂合金植酸處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化,得到了影響植酸轉(zhuǎn)化膜耐腐蝕性能的因素排序,即處理時(shí)間>溫度>濃度>溶液pH值,植酸轉(zhuǎn)化膜有良好的抗腐蝕性能,腐蝕電流小于鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜,在氯化鈉溶液中保持鈍化狀態(tài)。崔秀芳等在AZ91D鎂合金上得到比較理想的植酸轉(zhuǎn)化膜,該膜致密,覆蓋度高,可明顯提高鎂合金的耐腐蝕性能,其自腐蝕電流降低約6個(gè)數(shù)量級(jí)。鄭潤芬等利用植酸對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化處理,得到一層致密的具有網(wǎng)狀裂紋的轉(zhuǎn)化膜,該轉(zhuǎn)化膜能夠有效阻止浸蝕性陰離子與金屬基體接觸,提高了鎂合金的耐蝕性能。植酸轉(zhuǎn)化膜耐蝕性好,且無毒無害,將成為研究熱點(diǎn)。單寧酸又名丹寧、鞣酸,無毒,易溶于水,水解可得到無食子酸和葡萄糖,屬于水解性單寧,是一種多元苯酚的復(fù)雜化合物,其多酚羥基的結(jié)構(gòu)賦予了它一系列獨(dú)特的化學(xué)特性和生理活性,如能與蛋白質(zhì)、生物堿、多糖結(jié)合,使其物理化學(xué)行為發(fā)生變化。單寧酸具有很強(qiáng)的生物和藥理活性,在醫(yī)藥、食品、日化等方面具有廣泛的應(yīng)用。韓茂生等實(shí)驗(yàn)證明,單寧酸處理的帶瓣牛頸靜脈符合國家醫(yī)用材料的要求,可以植入人體。王濟(jì)奎等用單寧酸溶液處理A3鋼,在其表面得到了具有明顯耐蝕性的藍(lán)色化學(xué)轉(zhuǎn)化膜,膜層為非晶態(tài)的均相膜,是單寧酸與Fe3+形成的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的配合物膜。單寧酸與Mg2+不能形成難溶解鹽,但鎂合金中存在其他元素如鋅、鋁等元素,這使鎂合金表面形成單寧酸系轉(zhuǎn)化膜存在可能。2.5醫(yī)學(xué)耗材的應(yīng)用聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯,是主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的大分子化合物的統(tǒng)稱。聚rnpv酯是由多元醇構(gòu)成的軟段和由異氰酸酯與小分子擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的硬段聚合形成的共聚物。通過選擇適當(dāng)?shù)能洝⒂叉湺谓Y(jié)構(gòu)及其比例,就可合成出既具有良好的物理機(jī)械性能,又具有血液相容性和生物相容性的醫(yī)用高分子材料。有微相結(jié)構(gòu)的嵌段型聚氨酯具有良好的力學(xué)性能、高彈性、耐磨性、潤滑性、耐疲勞性、生物相容性,生物穩(wěn)定性,機(jī)械強(qiáng)度好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物材料上。用作體外的醫(yī)學(xué)器材,如繃帶、敷料、止血棉等,用作體內(nèi)的如人工器官、藥物載體、人工血管等。魏靖明等利用凝聚相分離法合成了外表光滑的球形聚氨酯微膠囊,可用于包裹藥物,減緩藥物釋放,減小藥物刺激作用,增加藥物穩(wěn)定性,增加藥效。祝國成等通過在玻璃棒模具上復(fù)合均勻厚度的聚氨酯膜,制出小口