生物降解材料简介

用于组织工程的生物材料与其他应用的生物材料相比，生物降解行为是其独特的性能，尤其是材料降解速率的调节是目前组织工程支架材料的研究的一个关键问题，有必要向读者简要介绍生物降解材料的一些基本常识。

一、降解的基本概念与类型

1．降解的定义　降解是物质分子量变小的化学反应总称，其中包括分子链的解聚、无规断链、侧基和低分子物的脱除等反应。生物降解通常是指能在分泌酶的微生物（细菌、真菌）的作用下导致材料分子量降低的过程。对于医用生物降解材料而言，是指在生物体内的体液、酶、细胞等多种因素的综合作用下，材料分子量减小的过程。

2．降解材料的分类

（1）按材料降解的机制可分为生物降解、物理降解、化学降解、机械降解等。

（2）按材料降解的破裂方式和程度可分为完全降解材料（如天然高分子及其衍生物合成高分子微生物合成高分子等）和不完全降解材料（如共混、复材料等）。

（3）生物降解材料同样可分为完全降解材料和不完全降解材料。一般情况下组织工程用生物材料已完全降解最佳。完全生物降解材料包括天然材料（淀粉、甲壳素、纤维素、蛋白质等）；合成材料（脂肪酯、聚醚、聚乙烯醇等）；微生物合成材料（聚乳酸、甲壳素、PHA类等）和天然矿物质等。

3．常见的几种生物降解材料　目前已经工业化的生物降解材料从原料的来源可分为天然材料和合成材料。

天然材料主要包括淀粉、纤维素、甲壳素、胶原、多糖等，甚至包括稻草、麦秸、谷壳、木屑在制造一次性餐具和地膜中的应用。合成材料主要有三大类。

（1）微生物聚酯：由微生物利用各种碳源发酵合成的种种不同结构的脂肪族共聚酯，如3－羟基丁酸，3－羟基戊酸酯的共聚物。乙二醇与脂肪族二元酸的缩合产品，以及聚ε－己内酯（PCL），均为微生物合成的完全降解材料。

（2）聚乳酸：由玉米经乳酸菌发酵得到的乳酸聚合后得到的聚合物，这种聚合物中含有大量的酯键，在水、酶和微生物的作用下最终可完全降解为水和二氧化碳。

（3）其他：聚酰胺共聚物、聚氨基酸、脂肪酯、芳香族聚酯的共聚物等。

二、降解机制与过程

1．热降解　热氧化分解是高分子降解的最基本形式，热降解主要有解聚、无规断链、侧基脱除三类。研究热降解的方法有热重分析法、恒温加热法和差势分析法。一些高分子受热时，主链的任何部位都可能断裂，分子量迅速下降，但单体收率很低，称为无规断链。例如PE、PST的降解几乎无单体产生。一些大分子的侧链或取代基也会脱除下来，PVC在180～200℃时开始脱氯化氢。

2．机械降解　高分子材料在塑炼、熔融挤出，高分子的溶液的搅拌，超生处理等都能使大分子断链而降解。机械力作用过大时，大分子会断裂形成一对自由基。有氧存在时，则形成过氧自由基。机械降解时，分子量的降低与力的作用时间有关，但降低到某一值时不再变化。

3．氧化降解　材料中的一些化学键可以发生氧化反应，使分子链断裂降解。分子可氧化的顺序是：

烯丙基上的氧＞三级碳上的氢＞二级碳上的氢＞一级碳上的氢

一般高分子材料在玻璃化温度以上，无定型序区易被氧化而结晶区不易被氧化。

4．光解和光氧化　能否进行光解主要取决于光的能量和键能的相对强弱，一般光能大于化学键的离解能就能使键断裂。在光解过程中如果有氧的存在，光解后的激发态的C—H键易被氧所脱除，形成氢过氧化物，然后按氧化机制降解。

5．化学降解　化学降解多指水解反应，一般而言，高分子材料在实际应用过程中，所处的环境与水的接触是不可避免的。含极性基团的聚合物，如尼龙和纤维素，含水量不多时，水分起着一定增塑、降低刚性、硬度和屈服强度的作用，但在温度较高湿度较大时就会发生水解反应。聚乳酸在温和的条件下就极易水解成乳酸，乳酸再经生物作用生成水和CO2。

6．生物降解　天然高分子材料和部分合成高分子材料在有利微生物产生的酶的作用下，使蛋白质和多糖类物质之间的肽键和糖苷键水解成水溶性产物。而合成材料的生物降解过程会伴有一定的水解过程，例如聚酯类合成材料在活性组织内的降解可分为五个过程：①水合作用。植入体内的材料从周围环境中吸收水分，该过程可维持几天甚至几个月，取决材料的性能和表面积。②主链的水解和酶解使化学链断裂，导致分子量和力学性能下降。③强度消失以后，样品成低聚物碎片。④低聚物碎片被吞噬细胞吸收或进一步水解成为单体而溶解。⑤进一步水解，最终产物通过新陈代谢和呼吸作用被吸收和排除体外。

三、降解与吸收

组织工程支架材料最重要的性能之一就是材料的降解速率和降解产物的可吸收性，对与细胞构成复合体的生物材料要求更高。对用于人体的可降解吸收材料，人们首先关心的是它的归宿和降解产物是否有毒，以及如何人为地控制降解速度。为此，首先要了解引起降解的原因以及如何人为地控制降解速度。

材料在体内的降解和吸收是受生理环境作用的复杂过程，包括物理、化学和生化因素。物理因素主要是外应力，化学因素主要有水解、氧化及酸碱作用，生化因素主要是酶解和免疫系统的吞噬。由于植入体内的材料主要接触组织和体液，因此水解（包括酸碱作用和自催化作用）和酶解是最主要的降解机制，另外降解后期，材料变成小碎片后，巨噬细胞的吞噬作用也是不容忽视。

1．材料在体内的吸收和排泄　组织和细胞生物学方法是研究材料在体内吸收过程的主要手段。将聚合物微粒或纤维包埋在动物体内的特定部位，定期地取出所包埋的材料及周围的组织，用光学或电子显微镜观察组织反应和材料变化，直到材料消失和组织反应结束。这种研究还可评价材料的组织反应和生物相容性。

用放射性核素标记方法可以定量地研究材料在体内的降解、吸收和排泄。Pitt将3　H标记的聚己内酯材料植入大鼠体内，系统研究了聚己内酯在体内降解为碎片后的吸收和排泄过程，表明其降解产物最终是从粪、尿和呼吸道排出体外的。

2．影响降解的因素和降解速率的调控

聚合物的降解是由多种因素共同作用的结果，表5－1中列举出近20多种影响降解速度的因素。

表5－1　影响聚合物降解的可能因素

上述诸因素中起决定作用的是材料本身的化学结构，其中聚合物主链的易水解性和单体的亲水性是最主要的因素。主链结构相同的合成高分子在中性水介质中降解的难易程度从大到小排列如下：

聚酸酐＞聚原酸脂＞聚羧酸脂＞聚氨基甲酸脂＞聚碳酸脂＞聚醚＞聚烃类

因此可以根据聚合物主链的结构预言降解趋势对聚合物进行分子设计，以制备不同降解速度的聚合物。

除主链结构外，降解速度极大程度上与材料对水的亲／疏水性有关。聚合物的亲水性与亲脂性是由单体的化学结构和性能决定的，因此单体的亲水性对聚合物的降解有决定性的影响。例如同样是聚酸酐，由憎水的双对羟基苯氧基丙烷制成的聚酸酐，比由亲水的癸二酸制成的聚酸酐的降解速度慢3个数量级。

在实际应用中，不能仅仅根据化学结构来判断材料的降解能力，聚合物的形态、起始分子量、加工过程、是否存在催化剂和其他助剂以及植入装置的整体形状等，都能影响材料的降解速度。在上述诸因素中，首先应考虑那些与水渗透性有关的因素。一般认为，凡是能影响材料水渗透性的物理形态和结构因素都能明显影响降解性，其中形态是重要因素。聚合物的形态可分为结晶态和无定形态。

增加比表面积和多孔状结构等都有利于水的渗透，因而可加快降解速度。交联结构、规整的分子结构、高度取向的结构等不利于水渗透的因素，都可使降解程度减小。分子量的大小虽不影响降解速度，但分子量越大，达到失重极限的时间就越长，因而对于同一聚合物，分子量越大，有效寿命就越长。

加工过程可以影响材料的致密性，从而影响它的降解速度。例如用熔融法制成的微球是致密的，而溶剂挥发制成的微球是微孔结构，因而后者的降解速度要比前者快得多。许多水解过程，如酯类水解，是酸、碱催化的，因此催化剂及其他助剂（增塑剂等）的存在，有可能加快降解。加工过程中高温和应力作用及灭菌过程的辐射作用等外界因素均会导致分子量下降和降解。