作者：孙磊，梁奇志，甘志华，于冬宏，徐莘香，景遐斌
【关键词】 聚酯
关键词: 聚酯;分子结构;生物降解;材料试验
摘 要:目的 探讨几种新型可生物降解聚酯类合物的结构及生物环境对降解规律的影响，为临床选择应用该类材料提供实验依据. 方法 将自行合成的聚己内酯（PCL）、聚丙交酯（PLA）、以及它们不同摩尔比的共聚物（PCLA2/1，PCLA1/2）分别置于胆汁、胰组织悬液和血浆中1～7d，植入兔肌肉内24wk，观察材料质量损失、超微形态变化和分子量变化. 结果 PCL在24wk内各种性质变化最慢:质量损失不明显，分子质量在胰腺悬液中下降19.8%，形态无明显变化;PCLA2/1在24wk时质量损失0.5%，分子质量下降61.7%，材料断面出现蚀刻形态;PCLA1/2在24wk质量损失40.4%，分子质量下降6.6%，形态出现空洞、碎裂;PLA在24wk质量损失79.2%，分子质量下降15.1%，形态完全降解. 结论 不同结构的材料在不同环境中体现不同的降解性质.
Keywords:polyester;molecular structure;biodegradation;marterial testing
Abstract:AIM To examine the effect of molecular structure and the bioenvironmental influence on new-type biodegrad-able polyesters in order to support the clinical application with laboratorial data.METHODS Homemade polyesters of variant molecular structures and poly-ε-caprolacton PCL;poly-DL-lactic acid PLA;and two kinds of their copolymer PCLA1/2and PCLA2/1）were dipped in gall，pancreas sus-pension and plasma within1～7days，planted into muscles of rabbits for4～24weeks.Their mass-loss，molecular changes and ultramicromorphology were observed.RESULTS Degra-dation of PCL was the slowest one.Mass-loss was not obvi-ous:molecular mass of pancreatic suspension lost by19.8%and no outstanding physical change was observed.PCL2/1loses mass by0.5%in24wk，and molecular mass loses by61.7%with etches on cuttings sections.PCLA1/2loses mass by40.4in24wk，molecular mass loses by6.6%，and cracks and holes were observed as the main physical charac-ter.PLA lost mass by79.2%in24wk，molecular mass lost by15.1%and this material was totally degraded.CONCLU┐SION Polyester degradation of variant molecular structure is characterized by a distinctivly different properties when in different biotic environment.
0 引言
目前广泛应用的聚丙交酯（PLA）、聚乙交酯（PGA）等，还存在降解速度过快、机械性能不理想和常引起无菌性炎症等问题［1，2］ .作者自行合成的聚己内酯具有生物相容性好、降解速度慢、力学性能好的特点［3］ .我们利用消旋的丙交酯价格低廉、降解速度快、生物相容性较好的特点，调节上述两种物质的共聚比例，制备出不同性质的生物降解材料［4］ .将这些生物材料置于体内、外不同生物环境中，探讨生物环境及材料结构对它们降解性质的影响.
1 材料和方法
1.1 材料
以稀土化合物开环聚合四种聚酯:聚己内酯（PCL）;聚丙交酯（PLA）;摩尔比2/1的己内酯/丙交酯共聚物（PCLA2/1）;摩尔比1/2的己内酯/丙交酯共聚物（PCLA1/2）.四种聚酯分别熔铸成d=3.5mm;l=15mm棒状材料，用以体内植入;再分别按一定量溶于甲苯中，平面蒸发成膜，裁成1cm×1cm的正方形，用以体外降解.
1.2 方法
无菌取健康壮年猪胰腺腺体中央部分组织100g，加生理盐水200mL，匀浆，过滤，制成胰腺组织悬液;取胆汁100mL，加生理盐水200mL，混匀，过滤，制成胆汁溶液;取全血离心，取血浆400mL.制成三种生物降解液.测定上述溶液的脂肪酶的活性:以每分钟催化产生的1微摩尔脂肪酸的酶的量为一个活性单位.测定胰腺组织悬液、胆汁溶液和血浆脂肪酶离体后，37℃时脂肪酶活性随时间变化的关系.
不同聚酯的体外生物降解:取每种样品膜各7枚，测其重量后，环氧乙烷消毒［5］ 分别置于无菌的10mL带盖玻璃瓶中.每种样品加含有保鲜剂的生物降解液5mL，37℃恒温水浴中静置.每隔4h更换生物降解液.每隔24h取出每种聚合物膜一枚，蒸馏水反复冲洗，通风橱中干燥24h.千分之一光电天平称质量，计算材料质量损失百分比;用Waters-410型凝胶渗透色谱，在柱温35℃，柱压180Pa、淋洗流速1mL min-1 条件下，测定材料降解前和降解7d后的Mr . 1.3 不同聚酯的体内生物降解 64只成年日本大耳白兔，按植入材料不同分为4组，每组16只;再将每个材料分为4个时间组，每组4只动物.用1g L-1 的戌巴比妥钠，按3mL kg-1 ，iv麻醉动物.将每只兔植入两枚同一种棒状材料于背部肌肉中.分别于4，8，12及24wk，取出材料，去除材料周围的包膜，蒸馏水反复冲洗，室温下干燥1wk，测量不同时期材料质量损失百分比;同时切取小块材料，表面向上置于电镜载物台上;取同样材料置于液氮中折断，断面向上置于电镜载物台上.以JAX-300扫描电镜，150kV，1000倍，观察材料的超微形态变化.
统计学处理:SPLM2.3统计分析软件，采用方差分析，对肌肉中24wk时不同聚合物质量损失结果行差异显著性检验.
2 结果
2.1 各生物降解液脂肪酶的活性变化
血浆脂肪酶活性6h前较稳定，为（4～25）kat kg-1 ;胆汁脂肪酶活性20h前较稳定，为（20～30）kat g-1 ;胰腺组织悬液仅在4h前较稳定，为333kat g-1 左右.
2.2 聚合物在生物降解液中质量变化
在血浆中:降解最快的是PLA;PCLA2/1;PCLA1/2相差不明显（Fig1）;PCL降解速度最慢.在胆汁溶液中:PLA依然降解最快;PCLA2/1和PCLA1/2的降解相差不明显;PCL降解最慢（Fig2）.胰腺组织悬液中:降解最快的还是PLA，PCL降解最慢.但PCLA1/2的降 解速度超过PCLA2/1（Fig3）.综合Fig1～3，在不同生物降解液中:PCL对各种生物降解液不很敏感，各点均在零以下，质量损失变化不大，略有下降.PCLA2/1在7d内，体外生物环境中发生了降解.多数点在零以上，范围-5%～15%，质量损失随时间变化稍有增加（由于材料植入体内吸收了水分，而它的质量损失低于吸收水分的量，材料的质量增加，质量损失可暂时呈现负值）.其中胰腺组织悬液、胆汁溶液和血浆对PCLA2/1降解能力依次减弱.PCLA1/2在胰腺组织液中，明显降解，7d时降解量高达20%（-10%～22%）以上.但胆汁溶液和血浆对聚合物降解不明显.PLA在三种生物环境中均发生降解，7d时质量降解20%左右，三种降解液对PLA的降解能力相差不明显.各点均在0（2%～20%）以上，生物降解液的不同对PLA降解的影响不明显，但PLA在三种生物降解液中均有明显的质量损失.
2.3 聚合物在生物降解液中的相对分子质量变化
GPC测量结果:四种材料相对分子质量Mr （PCL）=12.5×105 ;Mr （PCLA2/1）=1.2×105 ;Mr （PCLA1/2）=7.5×104 ，Mr （PLA）=9.3×104 （Fig4）.每材料在不同环境中均发生了分子质量的下降（Tab1）.表1 聚酯材料在体外降解7d后分子质量下降（略）
2.4 兔肌肉中聚合物质量损失
（Tab2）随植入时间延长，PLA降解最快;其次为PCLA2/1和PCLA1/2;PCL降解不明显.表2 不同聚合物在兔体内的重量损失百分比（略）
2.5 肌肉中聚合物降解后的超微形态
PCL表面和断面的超微形态在24wk内没有明显的变化（Fig5）.PCLA2/1在第4周开始，表面出现了有规律的蚀刻，并随着时间的延长加深;材料断面在早期没有明显变化，到24wk，断面出现有规律的花状结构，直径 60μm左右（Fig6）.PCLA1/2随时间延长，材料的表面最先出现细小的裂纹，12wk时材料发生了严重破碎（Fig7）;断面上，第4周时已破碎严重，以至12wk以后的扫描样品很难制备.PLA植入4wk，材料表面已出现较深大的裂纹，随着时间延长，裂纹加深、增多，到8wk，材料表面开始有部分脱落（Fig8），断面上也明显看到因降解而出现的空洞.同样由于降解速度快的原因，8wk后PLA的扫描电镜的样品难于制备，其降解情况无法以扫描电镜观察.
3 讨论
3.1 聚酯材料的结构与生物降解性质的关系
关于调整PLA和PGA单体的比率来改变材料的降解性质的研究报道较多，但这一类材料完全降解的速度由14d到6.5mo不等.这些材料应用于临床存在着力学强度不够、无菌性炎症等问题均与材料降解过快有关［5-7］ .因此，我们通过PCL和PLA共聚的方法，以期获得性质更为理想的生物材料.本实验中:PCL直到植入24wk，材料的形态、分子质量及在体内外的质量损失变化缓慢，一般情况下，PCL完全降解需1a以上［3］ .PCLA2/1植入体内24wk时，出现了有规律的直径约60μm的花状结晶.是由于其中的PCL为结晶聚合物，与非晶的PLA化学键联在一起，PLA组分较早降解，即出现PCL形成的球晶结构.其质量损失、分子质量变化也较PCL快.PCLA1/2中非晶的PLA组分占优势，材料的超微形态、质量损失和分子质量变化也明显比前两种材料快.PLA是非晶聚合物，它的降解与结晶的PCL完全不同.无论形态、质量损失和分子质量，与前三种材料相比，PLA的降解速率明显快得多.我们通过调节共聚物的组成，改变了共聚物的结构，获得了完全降解时间为24wk左右到1a以上的不同材料.
为了制备适宜于体内不同环境应用的材料，探讨不同聚酯在不同生物环境中的降解规律十分必要.本实验中的聚酯类化合物均含有可水解的化学键，但在活体内除水解作用以外，共聚物的降解还取决于酶的作用.在血浆和胆汁中，由于脂肪酶的含量比较少，材料的降解速度取决于易于水解的PLA组分的含量.所以，PLA的降解速度最快，其他依次为PCLA1/2，PCL2/1和PCL.但PCL的降解主要取决于环境中酶的种类和质量.猪胰酶对PCL降解十分敏感，而其他一些脂酶却对共聚物降解作用不大［6］ .在胰腺组织悬液中，酶的浓度比血浆及胆汁中高许多，对材料降解的作用便较突出，使得PCLA1/2的降解速度接近PLA.本实验中，聚合物在体内降解的规律与在体外实验时在血浆和胆汁溶液中的情况相似，可以认为这一系列材料在肌肉中仍以水解为主要方式.
3.3 不同降解性质与医学应用的意义
材料的性质是决定它的应用的主要因素.本实验中，PCL在24wk内始终保持形态完整，没有明显降解，而且它的初始强度较高（30MPa左右）［3］ ，接近或超过PLA，PGA及它们的共聚物［7］ ，这一性质用于要求力学性质保持时间较长的骨折内固定就比较合适［7］ .但PCL降解过于缓慢，在某种程度上影响了骨组织的完全修复.本实验中，PCLA2/1在12wk及24wk时开始发生了降解，而且在这个时期形态保持比较完整，其降解性质适合于作内固定材料.PCLA1/2在8～12wk质量丧失一半，形态的变化在8wk之前便出现了.这种显然不适于作为固定物.
材料降解速度与生物相容性有着一定的相关性.PLA，PGA等作为内固定材料时，会使一部分个体产生非特异性炎症反应，表现为无菌性囊肿［8，9］ .本实验中，PCL和PCLA2/1组未发生上述反应，而降解速度较快的PCLA1/2和PLA组均有2只动物在皮下出现了无菌性囊肿（另文报道）. 生物降解材料丙交酯、乙交酯等应用广泛 ［8-15］ 但原料比较昂贵［8］ .而本实验中合成PCL的原料已国产化，加之采用价格低廉的消旋的乳酸单体来调整共聚物的结构和降解性质，是一个比较经济的方法.
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