制备生物可降解网状人工胸壁：性能及在胸壁缺损中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.34.008

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
人工合成可降解高分子材料：主要包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯材料等，这些材料的组成成分及降解产物均为生物体内本身存在的一些小分子产物，具有天然的生物相容性和安全性。近年来，随着医疗技术的飞速发展，生物可降解材料在胸壁缺损中得到应用，该材料主要是由聚羟基乙酸及乳酸聚合而来，在临床上得到应用，如手术缝合线、骨科固定、组织材料修复等。聚乙丙交酯分解时其产物经过肾脏等能排出体外，代谢产物无毒，具有良好的生物相容性。
人工胸壁修复材料：具备良好的生物相容性，修复过程中更加有利于细胞的贴附、增殖，并且材料必须对机体不会产生毒害作用；材料必须具备良好的生物降解性，置入机体后应该能与细胞的生长速率相适应，更加符合组织的生长规律；修复材料必须具备一定的机械强度，能够为缺损部位组织提供足够的支撑，保证新生组织的生长；材料具备良好的细胞界面，更加利于细胞的聚合。

背景：传统修复胸壁缺损的材料由于无法降解，需要长期留在体内且组织反应较大，并发症发生率较高，难以满足修复的需要。
目的：制备生物可降解网状人工胸壁，分析其性能及在胸壁缺损中的应用效果。
方法：将蚕丝纤维来源与聚己内酯熔融共混，制备生物可降解网状人工胸壁材料，检测其孔隙率与弹性模量。取22只家兔，建立胸壁缺损模型，随机分2组，实验组置入生物可降解网状人工胸壁材料，对照组置入聚己内酯材料，置入后4周，苏木精-伊红染色观察缺损部位；置入后2个月，CT检查骨缺损部位。
结果与结论：①生物可降解网状人工胸壁材料孔洞分布较均匀，孔隙率为54.4%，直径200-300 µm，材料中纤维分布相对稳定，弹性模量高于聚己内酯(P < 0.05)；②CT显示，实验组材料与肋骨断端紧密接触，胸壁板与脏层胸膜之间出现新生组织；对照组材料与断端处接触，边界不清，存在高密度影；③苏木精-伊红染色显示，实验组有大量纤维细胞，胶原纤维较疏松，炎细胞数少；对照组纤维肌膜与肌肉边界不清，存在水肿，有较多炎细胞浸润；④结果表明：生物可降解网状人工胸壁可促进缺损胸壁的修复。

ORCID: 0000-0002-9960-6920(王新)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 材料相容性, 生物可降解网状人工胸壁, 制备方法, 性能, 胸壁缺损, 动物模型, 聚已内酯, 多孔复合材料, 力学性能, 修复效果

Abstract:

BACKGROUND: Due to their inability to be degraded, the traditional repair materials for chest wall defects require a long-term stay in the body. Therefore, severe tissue reaction and the high incidence of complications make the traditional materials unable to meet the requirements of restoration.
OBJECTIVE: To prepare an artificial reticular chest wall using biodegradable materials, and to analyze its performance and application in the repair of chest wall defect.
METHODS: Mixture of silk fiber and polycaprolactone was used to prepare the biodegradable chest wall, and its porosity and modulus of elasticity were measured. Twenty-two rabbits were selected to build chest wall defect models, which were randomized into two groups. The artificial reticular chest wall was implanted into experimental group, and polycaprolactone implanted into control group. At 4 weeks after implantation, the chest defect was observed by hematoxylin-eosin staining; at 2 months, the chest defect region was observed by CT examination.
RESULTS AND CONCLUSION: The holes were uniformly distributed in the artificial chest wall, with the porosity of 54.4% and the diameter of 200-300 μm, fiber distribution in the material was relatively stable, and the modulus of elasticity was significantly higher than that of the polycaprolactone (P < 0.05). CT showed that in the experimental group, the implant material was in close contact with the rib ends, and new tissues appeared between the chest wall plate and visceral pleura; in the control group, the material contacted the broken ends with unclear border, and a visible high density. Hematoxylin-eosin staining showed that in the experimental group there were numerous fibroblasts and a small amount of inflammatory cells, and collagen fibers were loose; in the control group, the boundary between the muscle fiber membrane and the muscle became obscure, accompanied by appearance of edema and more inflammatory cells. These results show that the artificial reticular chest wall made of biodegradable materials can promote the chest wall repair.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Thoracic Wall, Elastic Modulus, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 4

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引言

临床上，胸壁缺损尚缺乏理想的修复材料，常用的材料仍然存在许多问题，如：结合能力差，难以与组织有机融合，后期修复时容易引起松动、移位、活动甚至脱出等。同时，材料长期置入后容易引起血清肿、疼痛、感染等并发症，且患者后续需要再次手术。近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们对于自身健康要求提出了更高的要求，对医疗材料上的高效、舒适、无感染等提出了新的要求^[1]。同时，医疗技术的飞速发展，推动了器官移植治疗技术，并且对缺损修复材料的性能等提出了更高的要求。由于高分子材料与天然高分子材料具有相同的化学结构，使其在外科学中得到应用^[2-3]。近年来，材料学的发展为寻找并研制理想修复材料提供了新途径^[4-5]。

目前，临床上使用的新型生物材料主要包括可降解高分子聚合物、天然生物材料和生物陶瓷材料等，均具有良好的生物相容性、可降解性和优越的加工性能。通过适当的工艺和方法能将不同的生物材料复合起来，将其运用于组织修复，能为人工胸壁的修复拓展思路。人工合成可降解高分子材料主要包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯材料等，这些材料的组成成分及降解产物均为生物体内本身存在的一些小分子产物，具有天然的生物相容性和安全性^[6-7]。近年来，随着医疗技术的飞速发展，生物可降解材料在胸壁缺损中得到应用，该材料主要是由聚羟基乙酸及乳酸聚合而来，在临床上得到应用，如手术缝合线、骨科固定、组织材料修复等。聚乙丙交酯分解时其产物经过肾脏等能排出体外，代谢产物无毒，具有良好的生物相容性^[8-9]。相关研究显示，聚乙丙交酯降解时分为两个阶段，材料置入机体后在水环境下及相关微生物在酶的促进下能转变为低分子聚合物，裂解后的产物开始溶解，最终生成二氧化碳和水^[10-13]。但临床上对于生物可降解网状人工胸壁在胸壁缺损中的应用尚缺乏报道。

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材料方法

1.1 设计观察性实验。

1.2 时间及地点于2013年12月至2015年12月在新疆医科大学第一附属医动物实验中心完成。

1.3 材料

实验动物：6-8周龄家兔22只，体质量2.0-2.5 kg，平均(2.2±0.1) kg，雌雄随机，由解放军第二军医大学长征医院动物实验中心提供，严格遵守相关标准进行饲养，合格证号为许可证号：SCXK(新)2007-0010。对家兔进行等条件喂养，对家兔的处理符合《关于善待实验动物的指导性意见》中相关规则^[14-15]。将22只家兔采用随机对照方法分为实验组和对照组，每组11只。

1.4 实验方法

生物可降解网状人工胸壁的制备：将聚已内酯放置在平板硫化机上进行热压，使其变成薄片，将其剪成 10 mm×10 mm×1 mm的样品待用，见图1A^[16-17]。将50 g蚕丝纤维及50 g聚已内酯放置在HaakeRhe0COrd900 Rheometer转矩流变仪上熔融共混，放入适量的致孔剂，指导扭矩达到一种动态平衡，将获得的复合材料去离子后放入水中浸泡1周，保证致孔剂能够充分溶解，从而形成蚕丝纤维增强聚已内酯多孔复合材料，并将获得的材料剪成10 mm×10 mm×1 mm的样品待用，见图1B^[18-19]。

生物可降解网状人工胸壁的性能：①孔隙率测定：采用全自动压汞仪测量生物可降解网状人工胸壁材料的孔隙率，获得生物可降解网状人工胸壁的密度及体积密度^[20-21]。②力学性能测定：将生物可降解网状人工胸壁材料放置在万能材料试验机上进行压缩实验，压缩速率控制在0.5 mm/min，样品被压缩了1.5 mm时读取其弹性模量，测定5次，求取平均值。试样横截面为圆形，直径为25 mm，厚度3 mm^[22]。③孔洞结构观测：将生物可降解网状人工胸壁放置在液氮中，去离子浸泡1周后冻干，在扫描电镜下观察材料形态^[23-24]。

家兔胸壁缺损动物模型的建立及处理：22只家兔均禁食12 h，手术前肌肉注射0.5 g阿托品，采用浓度为3.6%水合氯醛进行全身麻醉，待麻醉生效后进行消毒、铺巾，背部对家兔进行剃毛、备皮，沿着背部正中线做纵行切口，然后依次切口皮肤、皮下组织到肌层，沿着背部肌层向脊柱两侧分离，形成囊状的间隙，在囊底部切口处切除长度为10 cm的组织，切除后造成的胸壁缺损范围约10 cm×10 cm，对照组置入聚己内酯进行修复，实验组采用生物可降解网状人工胸壁进行修复，两组家兔创面缝合后采用油纱、无菌纱布双层敷料覆盖创面、包扎，根据家兔情况给予抗生素预防感染，待家兔清醒后，送回笼中饲养^[25-26]。

1.5 主要观察指标 ①观察生物可降解网状人工胸壁的孔隙率、力学性能及孔洞结构。②观察两组家兔胸壁缺损修复大体情况；置入后2个月，两组各取8只，CT检查家兔胸壁缺损修复情况；置入后4周，两组各取3只，苏木精-伊红染色观察家兔胸壁缺损修复结果^[27-28]。

1.6 统计学分析采集数据采用SPSS1 8.0进行统计学处理，计数资料行χ² 检验，采用n/%表示；计量资料行t 检验，采用x(_)±s表示，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

人工材料被广泛运用于胸壁重建，它能进一步推动胸壁重建的发展。但到目前为止，临床上尚缺乏理想的胸壁代用品，目前常用的人工材料虽然能满足修复的需要，但容易引起组织结合不牢，长期置入后容易引起相关并发症。可降解高分子生物复合材料由于具备良好的生物相容性及适宜的降解吸收性，以及优良的生物学强度而在临床上得到应用。胸壁修复材料也从传统的惰性非生物活性材料、单组分材料向可降解材料、生物活性材料转变。

理想的胸壁修复材料应该具备以下特征：材料具备良好的生物相容性，修复过程中更加有利于细胞的贴附、增殖，并且材料必须对机体不会产生毒害作用^[29-30]；材料必须具备良好的生物降解性，置入机体后应该能与细胞的生长速率相适应，更加符合组织的生长规律；修复材料必须具备一定的机械强度，能够为缺损部位组织提供足够的支撑，保证新生组织的生长；材料具备良好的细胞界面，更加利于细胞的聚合^[31-32]。

材料的选择和结构设计决定了人工胸壁的机械性能和生物学特性，是胸壁重建是否能取得成功的关键。常用的可降解生物材料类型较多，包括聚乳酸、聚乙醇酸及聚已内酯等。其中，聚乙醇酸具有天然的生物相容性，可降解性，更加容易塑性成形和加工，是胸壁缺损中比较理想的修复材料^[33-34]。研究中获得的生物可降解网状人工胸壁材料表观密度为1.18 g/cm³，体积密度为0.53 g/cm³，孔隙率为54.4%，复合材料内部材料存在明显的多孔结构，并且材料内部的孔是连通的。聚乙醇酸由于分子链相对比较规整，结晶性也比较强，使得材料具有良好的疏水性，该材料能够采用挤出、吹塑等方法制作成纤维、薄片及片材^[35]。与单一的聚乙醇酸相比，多孔复合材料加入了蚕丝纤维，显著提高了材料的力学性能，能够避免修复过程中的塌陷，保证材料置入机体后具备一定的力学性能，能够为新生组织提供支撑^[36]。研究中生物可降解网状人工胸壁材料的弹性模量等得到进一步增加，保证其置入机体后材料具备一定的力学性能。同时，多孔复合材料的分解产物为水和二氧化碳，并不会对机体产生明显的创伤^[37]。研究中在扫描电镜下观察显示，生物可降解网状人工胸壁空洞分布相对比较均匀，直径为200-300 µm，并且材料中纤维分布相对稳定，在受外力下传递给纤维。

近年来，多孔复合材料在家兔胸壁缺损修复中得到应用且效果理想。研究中实验组置入后2个月CT显示，材料与肋骨断端紧密接触，并且两端肋骨断端处出现明显增生，胸壁板与脏层胸膜之间出现新生组织。对照组家兔置入后2个月CT显示，材料与断端处接触，边界不清，存在高密度影。由此看出，多孔复合材料更加有利于胸壁缺损的修复，能够与缺损部位周围的细胞相互融合，并随着细胞的增殖而出现降解，避免了组织排斥反应，更加有利于缺损部位的愈合。研究中，实验组修复4周后可见大量纤维细胞，但胶原纤维较疏松，炎细胞数少；对照组纤维肌膜与肌肉边界不清，存在水肿，有较多炎细胞浸润。但生物材料置入人体后，容易受到物理、化学、机械等因素的共同影响，同时也会受到体内生物学环境的影响，如与其接触的体液、有机大分子、自由基、细胞等多种因素会对生物材料产生相互作用。在机体内这一复杂环境和多种因素的综合作用下，可降解材料的降解变化不同于体外降解过程，并且生物因素也会影响材料的降解速度和降解性能。并且，生物医用材料也会受到本身组成、性质等影响。因此，临床上胸壁缺损修复时应该选择相应的修复材料，使得机体修复更具针对性，提高修复效果，促进机体早期恢复。

综上所述，多孔复合材料性能较好，韧性较好且制备方法相对简单，是理想的人工壁修复材料，将其运用与兔胸壁缺损中效果理想，能对胸壁提供有效支撑。

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