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医用可降解材料的降解机理和应用前景

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。

1.2pH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