01

可降解生物材料修复感染性骨缺损的特点

有源医疗设备展指出，在感染性骨缺损的治疗中，可降解生物材料发挥着重要作用，既可以为新生骨组织进入间隙生长提供桥梁，又可以为细胞和生长因子发挥生理作用提供平台。其特点见图1，基于这些材料的生物相容性、骨传导性、低免疫原性和非传染性的特点，特别强调了这些材料的生物降解性，如壳聚糖、聚乳酸和羟基磷灰石。生物降解性是指在骨缺损修复过程中，新生的骨组织可以取代缝隙中的材料，这些材料速度降解应与新骨生长速度相匹配。随着现代科学技术的快速发展，进入21世纪，越来越多的新型可降解生物材料应运而生。

图1  设计修复感染性骨缺损的抗菌和可生物降解支架时需考虑的主要因素：考虑到骨骼的复杂载荷条件，设计的支架应具有足够的机械强度和抗压强度，以证明其可用于承载负重；生物降解支架的结构完整性取决于支架结构中孔隙率的多少和连通孔的大小，在确定设计参数时需要进行思考；支架的功能特性（抗菌性、生物相容性、无毒性和抗菌性）

02

可降解生物材料应用于骨缺损的填充

聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）

聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）由两种单体——乳酸和羟基乙酸随机聚合而成，是一种可降解的功能高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能，被广泛应用于制药、医用工程材料和现代化工业领域。在PLGA应用于骨缺损的研究中，注射可降解材料在损伤、感染性骨缺损中表现出独特的优势。与不可降解聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥相比，注射可降解骨水泥因其生物活性而受到广泛关注。但其脆性、抗冲刷性差和不可控制的生物降解性是限制其进一步临床应用的主要难题。

有源医疗设备展研究表明，PLGA是一种广泛被使用的可降解生物聚合物，其具有良好的安全性、生物相容性，且无细胞毒性和降解可控等优点，但由于其骨传导性和疏水性较差，所以PLGA在修复感染性骨缺损的临床应用中仍受到限制，是未来生物工程学的重点研究方向。

聚己内酯（PCL）

聚己内酯（PCL）是一种脂肪族聚酯，是一种半结晶聚酯，由于其高度溶于各种有机溶剂，因此可以加工成各种形式。PCL是一种聚合物，与其他脂肪族聚合物相比具有非常高的热稳定性，具有良好的生物相容性和无毒性，被广泛用作医用降解生物材料及药物缓释系统。在PCL应用于骨缺损的研究中，临界尺寸骨缺损的修复仍然是临床实践中的一个重大挑战。

PCL是FDA批准的聚合物。尽管具有生物降解性和生物相容性，其经过大量的长期实验，研究人员发现PCL的降解速度慢，力学性能差，不是理想的骨缺损修复材料。但随着生物工程学的发展，其缺点正逐渐被完善。

聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）又称聚丙交酯，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物。在PLA应用于骨缺损的研究中，3D打印技术在治疗骨髓炎领域的研究不断加深，这使得很多针对患者病情制造的高精度医疗设备成为可能。

PLA作为新型的可降解生物材料，其生物相容性、抗拉强度、延展度、抑菌效果及抗霉特性均表现良好，并且已得到美国FDA的认可，聚乳酸凭借其自身优势，在骨缺损的临床治疗中将继续得到广泛的应用。

聚乙醇酸（PGA）

聚乙醇酸（PGA）又称聚羟基乙酸，是一种具有良好的生物降解性和生物相容性的合成高分子材料。在PGA应用于骨缺损的研究中，需要一种具有承载能力的生物相容性、生物可降解的支架，通过促进新骨形成过程中的附着、细胞增殖和血管化来增强骨缺损的修复。然而，同时保持孔隙度、生物降解性及机械性能（尤其是抗压强度）是一项挑战。

有源医疗设备展研究发现，由于PGA具有优异的拉伸性和可生物降解性，可以用作医用缝合线、药物控释载体、骨折固定材料、组织工程支架、缝合修补材料等。PGA因其降解特性和降解产物乙醇酸为天然代谢产物而被用于骨组织工程和医学应用。但由于其降解速率过快，单独的PGA支架并不适合修复骨缺损。因此，许多研究者将PGA与其他材料一起制备成复合支架，并评价其在骨缺损修复中的应用，取得了不错的临床效果。

β-磷酸三钙（β-TCP）

β-磷酸三钙（β-TCP）具有良好的生物降解性、生物相容性和生物无毒性，当其作为骨修补材料成功植入人体后，其降解下来的钙离子、磷离子能够自动进入人体循环系统，从而形成新的骨细胞，因此其作为新的骨替代材料已成为世界上各国学者研究的重点之一。在β-TCP应用于骨缺损的研究中，骨缺损再生的关键是早期血管化，中空管结构可以诱导内皮细胞构建血管系统。3D打印β-TCP是一种常见的修复骨缺损的生物活性支架材料。

由于β-TCP在结晶度和化学组成方面与骨矿物相似，因此具有良好的生物相容性和生物降解性，受到研究者的青睐。

羟基磷灰石（HA）

羟基磷灰石（HA）是一种被广泛使用的具有生物活性和可生物降解性的磷酸钙，是构成骨组织的大部分无机物成分，约占总骨量的65%。骨缺损的修复一直是骨科医生面临的主要挑战之一。新形成的微血管在骨组织工程中起着至关重要的作用。

虽然对于羟基磷灰石（HA）的研究己取得突破性的进展，但目前HA本身仍存在许多有待解决的问题：如HA的降解速率与成骨速度无法协调，复合的HA的材料相对较差而影响其细胞因子成活率及细胞因子的黏附和分布，且许多复合材料仍会引起人体机体的炎症反应等。

有源医疗设备展Medtec现场将设四大专区，囊括电子光学、AI、IVD诊断及影像、检测、临床、法规、研发设计& 大动物实验专区等展品，点击此处报名参展>>>

03

可降解生物材料应用于局部载药缓释系统

可降解生物材料可以作为一个平台来设计或定制治疗感染的复合支架。由于可降解生物材料具有合适的机械强度、可控的降解性能和良好的生物相容性，所以可用于治疗特定的感染性骨缺损。在复合支架制备过程中主要考虑控制孔径和孔隙率，加入抗生素的目的是在不牺牲生物相容性的情况下提高复合支架的抗菌性能，同时保持最佳的孔隙率，以提供足够的机械强度和降解性能，还可以最大限度地减少抗生素的过度使用。

局部载药缓释系统是一种前沿的骨组织工程学技术。局部载药缓释系统可以避免在生物体内大量使用有毒抗菌剂或产生抗生素耐药性。骨感染的主要病原体是革兰氏阳性球菌，而万古霉素和庆大霉素是治疗革兰氏阳性菌的主要抗生素，也是局部载药缓释系统中常用的抗生素。

04

总结与展望

目前，骨髓炎的主要治疗方法仍是抗生素治疗和手术干预相结合，治愈的标准是感染组织的彻底清创、坏死骨的切除与骨缺损的修复。但传统治疗方法仍然存在很多缺陷，如填充骨缺损的材料无法降解、需要再次取出，抗生素无法送达有效位置及产生耐药性等。因此，使用可降解生物材料去填充骨缺损，利用可降解生物材料建立局部载药缓释系统及利用可降解生物材料自身的特性去治疗骨髓炎，成为骨组织工程学的重点研究方向，其性能及机制见表1。

可降解材料虽然具有诸多优势，但也存在很多缺陷，如PLGA的骨传导性和疏水性较差，在骨修复的应用中存在限制、PCL的降解速度较慢、PLA的力学性能较差、β-TCP的机械强度略低、HA的生物降解速率相对较慢等，这些问题可能对感染性骨缺损修复产生负面影响。如何优化上述可生物降解材料的缺点，使其更好地释放抗生素、促进成骨细胞的生成，是目前骨组织工程学需要解决的问题。对于可降解生物材料的使用，除了需要长期严格的实验来验证其安全性外，还需要精确控制降解速率，使其与骨组织再生速率相匹配。

笔者相信，随着可降解生物材料制造方法的发展，这些问题将逐步得到解决。新型可降解生物材料复合支架从实验室成功过渡到骨髓炎的临床治疗是一条漫长而艰辛的道路，需要多领域科学家和研究人员的共同努力。

文章来源：生物骨科材料与临床研究