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可降解材料在医学上的应用带来了治疗技术的巨大进步。生物可降解材料已用于癌症治疗、疫苗培养、制造纳米材料、增加血浆半衰期、自规则药物释放体系、矫形固定装置和器官修复。然而,医学应用中仍存在一些问题,例如聚合物降解过程中化学环境不断变化,蛋白质、氨基酸类药物和残留细胞的稳定性、被降解聚合物机械强度下降过快、降解产物的浓度过高时出现毒性等。研究聚合物降解机理并控制降解过程是解决上述问题的关键之一,也是降解聚合物材料应用的基础(1)。降解材料是在使用过程中不断降解或在使用后快速降解。降解时,聚合物链断裂分解为齐聚物,最终成为小分子单体。齐聚物和小分子单体脱离聚合物引起的材料损失。聚合物降解有多种类型,如光降解、热降解、机械降解和化学降解。所有聚合物在UV光和γ-射线作用下都会发生降解;对于生物降解材料,除可其应用于γ-射线下,否则这种降解作用是微不足道的;热降解是非降解聚合材料的主要降解机理;在应力条件下机械降解是生物降解聚合物的主要降解方式之一,如不需拆除的手术缝线材料的降解,可通过水解或酶催化水解发生化学降解,后者常被称为生物降解。可降解聚合物的降解过程非常复杂,水进入聚合物本体(有的伴有溶胀过程)引起化学降解,产生齐聚物及小分子单体;同时在聚合物本体中形成较多孔洞,改变了聚合物的微观结构。而孔内pH值由齐聚合物和单体的酸碱性决定。最终齐聚物和单体的释放使聚合物质量损失。近二十年来,随着生物降解材料应用领域的扩大,生物可降解材料的研究也得到了飞速发展。可降解材料在医学中成功的应用包括:外科可吸收缝线(2)、软组织植入.(3)、骨固定材料.(4)、缓释药物控制系统以及制成胃肠道吻合套。新近用于神经修复和青光眼手术等.(5)。
1 生物可降解材料的降解生物可降解材料的降解主要以两种方式降解:以水解方式被动断裂和作用下主动水解,后者主要发生在天然聚合物如聚多糖、蛋白质(明胶和胶原)以及聚(β-羟基酸)等,这些物质可在相应的酶作用下降解。对大多数生物降解材料,特别是合成的聚合物材料,水解是降解的主要模式;聚合物化学链类型、pH值、共聚物组成和吸水率可影响其水解反应。聚合物降解过程中伴随着一些物理和化学过程,如齐聚物或单体的结晶、pH值改变、分子量减小、机械强度下降、聚合物全降解、单体和齐聚物释放,这些都可作为衡量聚合物降解的尺度;这些因素是相关的,但不一定具有相同的动力学过程。如聚(L-乳酸)降解过程中拉伸强度很快降低,而降解需要相当长的时间;同时水溶液中乳酸形成齐聚物也影响分子量的测定;单体释放和降解过程动力学也不尽相同,不同聚合物降解和腐蚀参数不同。尽管如此,降解过程和影响因素还是有规可循的。
1.1 化学键类型对降解的重要性聚合物主链化学键类型决定其水解速率。根据聚合物水解动力学数据,或以低分子量化合物(含有聚合物相同键型)水解动力学数据为根据,可将聚合物降解划分为几个等级。酸酐和原酸酯最具降解活性,其次为酯键和酰胺键。但是这种分类方式不是绝对的,在催化条件下降解活性可发生改变,相邻基团位阻效应和电场效应也影响降解过程。
1.2 pH值对降解的影响pH值通过催化作用影响降解速率,多数聚合物都进行过pH值对降解影响的研究。例如,不同pH值下脂水解反应速率可相差几个数量级,脂的水解可被酸性催化,也可被碱性催化。聚乙醇酸和乳酸-乙醇酸共聚物缝合线断裂强度与环境pH值密切相关;在中性介质中强度最高,而在高pH值和低pH值环境降解较快,低pH值时降解产生羧酸,使pH值进一步下降,形成自催化降解。应用酸性或碱性赋形剂可控制聚合物水解速率,也可由内部pH值调整聚合物降解速率。
1.3 组成对聚合物降解的影响在聚合物主链中加入第二种单体可影响聚合物结晶和玻璃化转变温度等性质。聚酸酐的降解同样也受到组成的影响。
1.4 吸水率对降解的影响水解反应是水与含官能团的活泼键之间的双分子反应,疏水性聚合物吸水量少,降解速度慢;相反,亲水性聚合物可吸收大量水分,降解速度快。所以在药物释放中吸水是重要指标。
2 生物可降解材料的应用前景可降解材料除上述品种已在医学中应用外,近年来研制的聚酐是最理想的表面降解聚合物材料。改变聚酐聚物单体中的比例,可制备降解1周至几年的聚合物。美国公共机构复审委员会(IRB)和美国食品药物管理局(FDA)已批准在美国33家医院使用聚酐与亚硝基脲(一种抗肿瘤药物)结合的药片。在脑肿瘤手术后将此药片埋植在手术部位,可有效提高药物浓度,杀伤局部残存的肿瘤细胞。现已有100多名患者接受此项治疗,生命期比常规用药者有显著的延长。人们也研究用于疫苗释放的可降解聚合物材料。该材料降解产物既能刺激免疫反应又同时在较长时间内释放抗原。现已研制了可水解的亚胺基碳链的酪氨酸或其衍生物组成的聚合物,可提供持续的佐药物质。同时,作为抗原仓库,在小鼠实验中已取得满意结果。近年在遗传工程领域合成了许多使人感兴趣的具有药理学活性的多肽。但多肽和大分子药物经口服无效。现研制的一种由乳酸一羟基乙酸共聚物和醋酸组成的注射微粒,可持续释放多肽达30天。FDA已批准将该多肽控制释放系统用于临床。近年该系统用于前列腺癌治疗,用于胰岛素、生长素和血管形成刺激因子的控制释放,类似的释放系统也正用于子宫内膜异位和其它疾病的治疗。在组织工程学领域可降解材料的应用有飞速的进展。如用聚乳酸等材料制备的新生软骨、角膜上皮细胞在聚乙烯醇材料上种植、聚羟基乙酸表面胚胎上皮细胞生长后用于皮肤移植等。聚β羟基苯酯(商品名Biopol)做为无需拆除的外科缝线和敷料,生物工程中的细胞外基质,显示出其巨大的应用前景。目前研究主要侧重在转基因菌株生产成本较低的聚β羟基丁酯(PHB)使生产费用更加低廉。综上所述,生物可降解材料具有广泛的应用和发展前景,在未来的10年将涉及医学的各个领域,并将取得突飞猛进的发展。进一步深入研究生物降解材料及其降解产物,研究其结构特征、性质、转归以及对机体的影响,将是重要的课题;这将有利于可降解材料的利用和开发,有利于我国对生物可降解材料学科的进一步发展。
参考文献
1 Nicholas A.New challenges in biomaterials.Scienee.1994;263:1715
2 Bourne RB.In vivo comparision of four absorbable sutures:Vicryl,Dexonpius,maxon and PDS.Canad J Surh.1988;31;43
3 Shich SJ.Prerliminany chanacteinzation of bioresorbable and nonresorbable synthetic fibers for the repair of soft tissue injury.J Biomed Mater Res.1990;24:78
4 Bastman O.Biodegradable internal fixation for malleolar fractures.J Bone J S urg1987;69B:61
5 Pollok JM.Future materials for to surgery semin pediatr Surg,1996;5(3):191
6 S.J.Holland,Am Jolly.Polymer for biodegradable medical devices.Biomateri 1990;ll,April206
7 Tabahisa lwata et al.Visubliyation of Enzymatc Degradation of Poly〔(R)-3-hydroxybutyrate〕single crystals by an Extracellular PHB Drplymerase Macnomolecules1997;30:833
8 Kohn J et al.Single-step immuniyalion using a controlled release,biodegradable polymer with sustained abjuvant activity.J Immunol Metod,1986;95:31
9 Brow L,et al.Controlled release of insulin from polymer matrice control of diabetes in rats.Diaberes 1986;35:692
10 Freed LE,et al. Compostion of cellpolymer cartilage implants.Biotecnology and/Bioengineermy 1994;43:605
11 Langer R et al.Tissue engineening.Science.1993;260:920
12 郭秀君,于昕.一种新型生物塑料(PHB)的研究进展和开发前景.生物医学工程进展.1997;l: 561～565
收稿日期 1999-07-15
编辑/姜如蓉
1 生物可降解材料的降解生物可降解材料的降解主要以两种方式降解:以水解方式被动断裂和作用下主动水解,后者主要发生在天然聚合物如聚多糖、蛋白质(明胶和胶原)以及聚(β-羟基酸)等,这些物质可在相应的酶作用下降解。对大多数生物降解材料,特别是合成的聚合物材料,水解是降解的主要模式;聚合物化学链类型、pH值、共聚物组成和吸水率可影响其水解反应。聚合物降解过程中伴随着一些物理和化学过程,如齐聚物或单体的结晶、pH值改变、分子量减小、机械强度下降、聚合物全降解、单体和齐聚物释放,这些都可作为衡量聚合物降解的尺度;这些因素是相关的,但不一定具有相同的动力学过程。如聚(L-乳酸)降解过程中拉伸强度很快降低,而降解需要相当长的时间;同时水溶液中乳酸形成齐聚物也影响分子量的测定;单体释放和降解过程动力学也不尽相同,不同聚合物降解和腐蚀参数不同。尽管如此,降解过程和影响因素还是有规可循的。
1.1 化学键类型对降解的重要性聚合物主链化学键类型决定其水解速率。根据聚合物水解动力学数据,或以低分子量化合物(含有聚合物相同键型)水解动力学数据为根据,可将聚合物降解划分为几个等级。酸酐和原酸酯最具降解活性,其次为酯键和酰胺键。但是这种分类方式不是绝对的,在催化条件下降解活性可发生改变,相邻基团位阻效应和电场效应也影响降解过程。
1.2 pH值对降解的影响pH值通过催化作用影响降解速率,多数聚合物都进行过pH值对降解影响的研究。例如,不同pH值下脂水解反应速率可相差几个数量级,脂的水解可被酸性催化,也可被碱性催化。聚乙醇酸和乳酸-乙醇酸共聚物缝合线断裂强度与环境pH值密切相关;在中性介质中强度最高,而在高pH值和低pH值环境降解较快,低pH值时降解产生羧酸,使pH值进一步下降,形成自催化降解。应用酸性或碱性赋形剂可控制聚合物水解速率,也可由内部pH值调整聚合物降解速率。
1.3 组成对聚合物降解的影响在聚合物主链中加入第二种单体可影响聚合物结晶和玻璃化转变温度等性质。聚酸酐的降解同样也受到组成的影响。
1.4 吸水率对降解的影响水解反应是水与含官能团的活泼键之间的双分子反应,疏水性聚合物吸水量少,降解速度慢;相反,亲水性聚合物可吸收大量水分,降解速度快。所以在药物释放中吸水是重要指标。
2 生物可降解材料的应用前景可降解材料除上述品种已在医学中应用外,近年来研制的聚酐是最理想的表面降解聚合物材料。改变聚酐聚物单体中的比例,可制备降解1周至几年的聚合物。美国公共机构复审委员会(IRB)和美国食品药物管理局(FDA)已批准在美国33家医院使用聚酐与亚硝基脲(一种抗肿瘤药物)结合的药片。在脑肿瘤手术后将此药片埋植在手术部位,可有效提高药物浓度,杀伤局部残存的肿瘤细胞。现已有100多名患者接受此项治疗,生命期比常规用药者有显著的延长。人们也研究用于疫苗释放的可降解聚合物材料。该材料降解产物既能刺激免疫反应又同时在较长时间内释放抗原。现已研制了可水解的亚胺基碳链的酪氨酸或其衍生物组成的聚合物,可提供持续的佐药物质。同时,作为抗原仓库,在小鼠实验中已取得满意结果。近年在遗传工程领域合成了许多使人感兴趣的具有药理学活性的多肽。但多肽和大分子药物经口服无效。现研制的一种由乳酸一羟基乙酸共聚物和醋酸组成的注射微粒,可持续释放多肽达30天。FDA已批准将该多肽控制释放系统用于临床。近年该系统用于前列腺癌治疗,用于胰岛素、生长素和血管形成刺激因子的控制释放,类似的释放系统也正用于子宫内膜异位和其它疾病的治疗。在组织工程学领域可降解材料的应用有飞速的进展。如用聚乳酸等材料制备的新生软骨、角膜上皮细胞在聚乙烯醇材料上种植、聚羟基乙酸表面胚胎上皮细胞生长后用于皮肤移植等。聚β羟基苯酯(商品名Biopol)做为无需拆除的外科缝线和敷料,生物工程中的细胞外基质,显示出其巨大的应用前景。目前研究主要侧重在转基因菌株生产成本较低的聚β羟基丁酯(PHB)使生产费用更加低廉。综上所述,生物可降解材料具有广泛的应用和发展前景,在未来的10年将涉及医学的各个领域,并将取得突飞猛进的发展。进一步深入研究生物降解材料及其降解产物,研究其结构特征、性质、转归以及对机体的影响,将是重要的课题;这将有利于可降解材料的利用和开发,有利于我国对生物可降解材料学科的进一步发展。
参考文献
1 Nicholas A.New challenges in biomaterials.Scienee.1994;263:1715
2 Bourne RB.In vivo comparision of four absorbable sutures:Vicryl,Dexonpius,maxon and PDS.Canad J Surh.1988;31;43
3 Shich SJ.Prerliminany chanacteinzation of bioresorbable and nonresorbable synthetic fibers for the repair of soft tissue injury.J Biomed Mater Res.1990;24:78
4 Bastman O.Biodegradable internal fixation for malleolar fractures.J Bone J S urg1987;69B:61
5 Pollok JM.Future materials for to surgery semin pediatr Surg,1996;5(3):191
6 S.J.Holland,Am Jolly.Polymer for biodegradable medical devices.Biomateri 1990;ll,April206
7 Tabahisa lwata et al.Visubliyation of Enzymatc Degradation of Poly〔(R)-3-hydroxybutyrate〕single crystals by an Extracellular PHB Drplymerase Macnomolecules1997;30:833
8 Kohn J et al.Single-step immuniyalion using a controlled release,biodegradable polymer with sustained abjuvant activity.J Immunol Metod,1986;95:31
9 Brow L,et al.Controlled release of insulin from polymer matrice control of diabetes in rats.Diaberes 1986;35:692
10 Freed LE,et al. Compostion of cellpolymer cartilage implants.Biotecnology and/Bioengineermy 1994;43:605
11 Langer R et al.Tissue engineening.Science.1993;260:920
12 郭秀君,于昕.一种新型生物塑料(PHB)的研究进展和开发前景.生物医学工程进展.1997;l: 561～565
收稿日期 1999-07-15
编辑/姜如蓉