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。結果與結論: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、有機化合物轉化膜、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間。但有機物與鎂合金之間的結合強度主要依靠物理機械力和化學鍵合,物理機械力不能夠滿足要求,必須要對鎂合金表面和有機物進行處理,應用合適的表面活性劑使鎂合金與有機物之間產生化學鍵合,從而達到要求。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)用無機非金屬材料和生物醫(yī)用復合材料等。生物醫(yī)用金屬材料具有高的強度,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,的綜合力學性能,足夠的柔韌性,“X射線”hHCaehipnnpaanyhxia@163Province,.com可視性和良好的擴張性。不可降解金屬內支架作為一種永久性的異物在血管內長期存留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、動脈瘤形成及反應性內膜增生。鎂是人體所必需的元素之一,是人體內含量僅次于鉀的細胞內正離子,參與體內一系列新陳代謝過程,鎂的化學性質十分活潑,易與水溶液發(fā)生反應而腐蝕,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將鎂及其合金發(fā)展為可降解硬組織植入材料,在應用的過程中材料被逐步降解并為人體所吸收或代謝。但鎂在腐蝕介質中產生的氧化膜疏松多孔(PBR=0.8),尤其在含有Cl離子的腐蝕介質中,鎂合金的化學穩(wěn)定性差,在使用環(huán)境中容易發(fā)生氧化,在濕熱條件下會發(fā)生嚴重的電化學腐蝕,MgO表面膜的完整性會遭到破壞,導致腐蝕加劇,使鎂合金植入材料在人體內不能維持足夠的時間而提前失效,因此,提高鎂及鎂合金耐蝕性是確保其在該領域獲得良好應用效果的前提條件。鎂合金的的耐蝕性直接關系到鎂合金的發(fā)展及應用,已經成為國內外關注的焦點,因此研究鎂合金的表面防護具有十分重要的理論價值和實際意義。生物高分子材料具有好的血液相容性,且已經廣泛應用于支架涂層實驗中,所以運用高分子材料做生物醫(yī)學鎂合金支架的涂層會有很好效果,整個支架具有可降解性,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數據和方法1.1u2004鎂合金表面改性的材料和納入標準由第一作者檢索1995至2010年Elsevier數據庫及CNKI數據庫,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納入與排除標準納入標準:(1)文章所述內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。(2)同一領域選擇近期發(fā)表或在權威雜志上發(fā)表的文章。排除標準:重復性研究。1.3文獻納入:文獻中的相關情況共檢索到文獻108篇,其中中文文獻80篇,英文文獻28篇,排除與研究目的相關性差及內容陳舊、重復的文獻61篇,納入47篇符合標準的文獻進行綜述。1.4u2004鎂合金表面有機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)勢和存在的問題,文獻[7-46]探討了幾種醫(yī)用高分子的優(yōu)缺點及研究現狀,文獻探討了鎂合金表面有機改性存在的結合力問題。2結果2.1膠原的功能特性膠原是生物體內一種具有高抗張強度的硬蛋白,由3條肽鏈擰成螺旋形的纖維狀糖蛋白質,在體內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之一,占哺乳動物所有蛋白質的30%。由于獨特的結構、生化和生物學性質,膠原作為醫(yī)學材料,有其自身的一些優(yōu)勢和特點:(1)低免疫原性。膠原作為醫(yī)學材料最大的特點是免疫惰性,如果去除端肽,其免疫原性更低。(2)生物相容性。因為膠原本身就是構成人體組織的物質,其本身獨特的結構使其不論是構成細胞外基質,還是被吸收成為宿主的一部分,都與細胞周圍的基質有很好的相互作用,表現出相互影響的協(xié)調性,并成為細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構,大多數蛋白酶只能打斷膠原側鏈,只有特定的蛋白酶才能把蛋白肽鍵打斷,造成肽鏈斷裂,破壞螺旋結構,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,以及促進細胞生長代謝的特點,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,產生血栓,進而血漿凝塊阻止血液流動。當利用膠原或膠原復合物做心血管裝置時要注意防止凝膠與血小板的作用。(5)力學性能。膠原是為結締組織提供強度的主要蛋白成分,其緊密的螺旋結構,天然的交聯(lián)是力學強度的主要保證,這種結構特點確保在膠原受到外力時能量耗散,避免破裂,滿足肌體對機械強度的要求。另外,膠原能與細胞相互作用,影響細胞的形態(tài)、增殖和分化,有利于細胞的存活和生長,且對細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性能得到了改善,顯著提高了利用小腸黏膜下層修復小口徑血管缺損的成功率。王永勝等制作幾丁質-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性能,組織相容性好,血管化能力強,體內外降解緩慢,具有良好的真皮替代功能。談偉強等以膠原膜為載體,復合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一定范圍的缺損。膠原蛋白也存在一些缺點,如成膜性能不好,膜延展性差,容易干燥,在體內降解快,抗水性差,遇水易膨脹,在潮濕環(huán)境中容易感染細菌,還可能引起副反應,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、幾丁質,廣泛存在于蟹、蝦殼中,在自然界中的含量僅次于纖維素。殼聚糖為甲殼素脫乙?；a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胞外基質的構成物,但其結構和性質與細胞外基質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電荷的細胞。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,在藥劑中用途廣泛,且可以作為藥物緩控釋載體進行應用,在骨組織工程中可加工成細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,在其他方面也應用廣泛,如降低膽固醇、抗菌、增強免疫力、抗腫瘤、抗癌、促進鈣與鐵的吸收、抗炎作用及關節(jié)炎組織修復。由于殼聚糖只溶解于乙酸等幾種稀酸溶液中,限制了它的應用,因此通過化學改性來拓展其應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)學領域得到應用,另外在金屬離子吸附和染料廢水方面也作出了貢獻。殼聚糖作為涂層材料已有學者進行了研究。許鑫華等以殼聚糖為涂層材料,對不同的鎂合金以不同結合方式制得了可降解生物鎂合金心血管支架,殼聚糖涂層會對鎂合金的腐蝕產生影響,使自然腐蝕點位升高,腐蝕電流減弱,殼聚糖與鎂合金結合方式不同影響也不同,然而其作用效果還是有限的,關鍵是結合強度和殼聚糖本身的腐蝕問題,進行深入研究可能會達到比較理想的效果。Wu等利用一種新復合技術在AZ91D鎂合金表面得到了羥基磷灰石-殼聚糖涂層,先對鎂合金進行微弧氧化,得到MAO-AZ91D,然后以MAO-AZ91D為負極,表面涂有鉑釕的鈦合金為正極,進行電泳沉積,得到羥基磷灰石-殼聚糖涂層。洪奕等采用氨解技術在聚乳酸微球表面引入自由氨基,利用戊二醛將氨基轉化為醛基,最后采用接枝涂層技術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胞微載體,與空白聚乳酸微球相比,軟骨細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聚乳酸的結構,可分為4種不同構型的聚合物,分別是右旋聚乳酸(D構型)、左旋聚乳酸、外消旋聚乳酸和內消型聚乳酸。其中左旋聚乳酸和外消旋聚乳酸是最常用、研究最多、應用最成熟的聚乳酸產品。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,其降解產物能參與人體代謝,已被美國食品醫(yī)藥局(FDA)批準,可用作醫(yī)用手術縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等。聚合物在體內的降解是由酶和其他化學因素導致的化學鍵斷裂引起的,材料的組成、結晶形態(tài)、合成方式和幾何形狀均會對其產生影響。目前,聚乳酸類產品在醫(yī)學領域廣泛應用于藥物控制釋放載體、組織工程、骨內固定、修復、手術縫合線、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,在浸涂時間和聚合物濃度一定時,通過改變浸入次數控制涂層厚度,通過硅烷偶聯(lián)劑處理表面增強其與金屬的結合力,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個月,血液相容性良好,雷帕霉素的緩釋周期超過1個月,可在內膜增生期內有效抑制支架置入后再狹窄的產生,滿足冠狀動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,延長鎂合金作用時間,達到良好的醫(yī)學適用性。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行的。2.4植酸轉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。植酸有獨特的結構和很強的螯合性,當其在金屬表面與金屬產生絡合時,容易在金屬表面產生一層致密的單分子保護膜,阻止O2的進入,從而保護金屬不受腐蝕,另外,植酸還有好的成膜性能,且無毒無污染,廣泛應用在食品、醫(yī)藥、化工、機械、冶金和環(huán)保等領域。植酸類物質在醫(yī)藥方面的應用歷史悠久,集多種療效于一身,具有抗炎作用、抗病毒作用、免疫調節(jié)作用、抑菌作用、抗?jié)冏饔?、對糖尿病并發(fā)癥的治療作用和治療腹瀉作用。陳東初等利用正交實驗對鎂合金植酸處理工藝進行了優(yōu)化,得到了影響植酸轉化膜耐腐蝕性能的因素排序,即處理時間>溫度>濃度>溶液pH值,植酸轉化膜有良好的抗腐蝕性能,腐蝕電流小于鉻酸鹽轉化膜,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個數量級。鄭潤芬等利用植酸對AZ91D鎂合金進行化學轉化處理,得到一層致密的具有網狀裂紋的轉化膜,該轉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。植酸轉化膜耐蝕性好,且無毒無害,將成為研究熱點。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雜化合物,其多酚羥基的結構賦予了它一系列獨特的化學特性和生理活性,如能與蛋白質、生物堿、多糖結合,使其物理化學行為發(fā)生變化。單寧酸具有很強的生物和藥理活性,在醫(yī)藥、食品、日化等方面具有廣泛的應用。韓茂生等實驗證明,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色化學轉化膜,膜層為非晶態(tài)的均相膜,是單寧酸與Fe3+形成的具有網狀結構的配合物膜。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化膜存在可能。2.5醫(yī)學耗材的應用聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯,是主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團的大分子化合物的統(tǒng)稱。聚rnpv酯是由多元醇構成的軟段和由異氰酸酯與小分子擴鏈劑構成的硬段聚合形成的共聚物。通過選擇適當的軟、硬鏈段結構及其比例,就可合成出既具有良好的物理機械性能,又具有血液相容性和生物相容性的醫(yī)用高分子材料。有微相結構的嵌段型聚氨酯具有良好的力學性能、高彈性、耐磨性、潤滑性、耐疲勞性、生物相容性,生物穩(wěn)定性,機械強度好等特點,被廣泛應用于醫(yī)學生物材料上。用作體外的醫(yī)學器材,如繃帶、敷料、止血棉等,用作體內的如人工器官、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合均勻厚度的聚氨酯膜,制出小口