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己内酯/环氧乙烷共聚物降解行为及生物相容性

【医学毕业论文网】【摘要】 目的 研究己内酯/环氧乙烷共聚物(PCLEO)在体内的降解规律和组织相容性,并对降解性输尿管支架材料的用途进行探讨。方法 20枚PCLEO试样及20只大鼠分别随机分成5个时间组。实验动物麻醉后,于无菌条件下将消毒后的PCLEO植入大鼠脊柱肌肉中。分别在2、4、6、8、12 w取出材料及周围组织。测量试件质量、分子量观察大体和微观形态变化。大鼠16只,分成4个时间组,PCLEO植入大鼠脊柱肌肉中,于2、4、8、12 w,取出植入材料及周围的组织块,用组织学方法分析生物相容性。结果 ①PCLEO在降解初期分子量下降迅速,随后趋缓,重量的损失滞后于分子量的损失,此种共聚物的降解为无规本体水解过程。②植入2 w时可见局部组织水肿,炎细胞浸润;4 w后,炎细胞数量减少,新生毛细血管形成。结论 PCLEO 降解缓慢,吸收时间较长,埋植初期组织有炎性反应,此后,炎性反应减轻。PCLEO适宜用作长期植入输尿管支架材料。
【关键词】 可生物降解材料;己内酯/环氧乙烷共聚物;体内降解;输尿管支架;组织相容性
用生物降解输尿管支架替代目前临床上常用的非降解性支架,置于输尿管病变区,在保持输尿管的完整性,保证尿流通过的同时还可以作为输尿管再生支架,在可吸收支架管周围将形成新的具有原来输尿管形态和功能的输尿管,达到修复和重建的目的,避免了手术取出。己内酯(PCL)及环氧乙烷(EO)作为生物降解支架材料均具有良好的强度、生物降解性及可加工性能〔1〕,降解性支架在国内处于领先水平。本研究利用中国科学院长春应用化学研究所生物医用高分子材料中心制备的己内酯/环氧乙烷共聚物(PCLEO)进行动物体内降解和相容性研究,评价该材料的应用前景,探索出适宜的泌尿外科使用的输尿管支架材料。
1 材料与方法
1.1 主要仪器、材料及实验动物 仪器:精密光电分析天平(上海天平仪器厂)、扫描电子显微镜、410型凝胶渗透色谱仪(GPC,美国WATERS公司)、真空干燥箱。材料:PCLEO(摩尔比50∶50)由中国科学院长春应用化学研究所生物医用高分子材料中心合成。将PCLEO试样截成10 mm×5 mm、厚约1 mm的片状,每片材料质量约100 mg。真空干燥48 h,除去残余有机溶剂,甲醛熏蒸消毒后备用。实验动物:健康成年SD大鼠36只(吉林大学动物实验中心提供),性别不限,体重250~300 g。
1.2 方法 SD大鼠20只随机分成5组,每组4只,分别为2、4、6、8和12 w组。大鼠腹腔注射1 ml氯胺酮,待麻醉生效后,背部皮肤消毒,于背部中线切开皮肤长约3 cm左右,逐层分离达脊柱肌肉。于无菌条件下将PCLEO试件植入各组大鼠脊柱肌肉中,逐层缝合,所有动物均笼养,喂以全价精饲料。分别在2、4、6、8和12 w取材。定期以过量麻醉处死大鼠,取出大鼠背部试件及外周的肌肉组织,小心去除包裹材料的组织包膜,用蒸馏水反复冲洗,试样真空干燥48 h后备用。
表征方法:测量材料的质量和分子量变化,并计算失重率及生物降解率。失重率:取出大鼠肌肉组织中试样,小心去除包裹材料的组织包膜,用蒸馏水反复冲洗,试样真空干燥48 h后,用精密光电分析天平称取材料的重量为残重。以下公式计算失重率。试样的原始重量为初重,约为100 mg。失重率=100%(初重-残重)/初重。分子量:凝胶渗透色谱仪测量材料的分子量。以聚苯乙烯(PS)为标样,氯仿为流动相,用GPC测量材料的相对分子量。生物降解率=100%(初始分子量-降解后分子量)/初始分子量。肌肉内植入实验:大鼠16只,每组4只,按2、4、8、12 w分成4组,常规麻醉、消毒,取背部正中切口,分别将受试材料(每侧两个)植入背部肌肉中。到时将动物处死,取出植入材料及周围的组织块,10%福尔马林浸泡、固定24 h,标本石蜡包埋、切片,HE染色,行病理学观察。观察急、慢性炎症反应的程度和纤维膜的厚度。
1.3 统计学方法 SPSS9.0统计软件,采用方差分析及U检验,T检验。
  2 结果
2.1 质量变化 PCLEO在体内实验中于2、4、6、8和12 w时的失重率分别是0.96%、1.48%、7.56%、14.6%、23.2%。PCLEO共聚物经过12 w的降解,试件均有失重情况,明显失重应在6~8 w之后(P<0.01)。体内埋植前4 w,重量损失不明显(P>0.05)。
2.2 分子量变化 2、4、6、8和12 w时,生物降解率分别为11.94%、28.05%、35.29%、36.22%、39.8%。共聚物开始时(0~4 w)分子量下降迅速,相应地其生物降解率较高,说明此阶段高分子链断裂速率较快(P<0.05),随后这种趋势趋于缓慢。试样的分子量下降表明聚合物酯键断裂成低分子量物质。
2.3 电镜观察 随着时间延长,试样逐渐发生降解,且程度进行性加重,8 w时表面可见断裂带出现、孔洞加深;断面出现深而连续的裂洞,试样结构疏松。从表面及断面的扫描电镜结果可以看出材料断面降解情况明显快于材料表面。
2.4 肌肉植入实验结果 2 w组组织水肿,炎性细胞主要是中性粒细胞及淋巴细胞。4 w组纤维膜与膜下肌肉分界清楚,炎性细胞数量减少,淋巴细胞多于中性粒细胞。8 w组炎性细胞数量明显减少,炎性反应减轻。12 w组炎性细胞数量明显减少,无炎性反应。PCLEO组织炎性反应是I级,纤维囊形成是I级,材料的组织反应结果是合格的(即植入90 d后,囊腔形成状况是I级)。
图1 体内PCLEO降解情况(略)
3 讨论
3.1 材料结构对降解性质的影响 体内实验8 w时PCLEO生物降解率为36.22%左右,PCLEO结构中的EO为亲水组份,吸水后促进聚合物水解,所以PCLEO降解快于单体PCL。PCL作为生物降解支架材料具有良好的强度、生物降解性及可加工性能〔2〕。文献报道,PCL降解时间较长,约需时1~2年,EO具有良好的亲水性,水合作用又是降解的重要步骤,EO本身机械强度不高,EO与PCL的共聚物,不但具有优良的强度而且具有可调控的生物降解周期。故笔者采用PCL和EO共聚物来缩短降解时间,以期达到临床应用。
3.2 重量损失、分子量变化规律及电镜下改变 在本实验中,重量的损失滞后于分子量的损失〔3〕,这表明共聚物的降解过程是同时发生于整个共聚物基体中的,即属于酯键断裂的本体水解范围。共聚物的体内失重率和生物降解率变化趋势相近,说明聚合物体内肌肉埋植实验中其降解过程主要是水解过程,但亦与体内酶、血液循环、应力等多种因素有关〔4~6〕。电镜下可见试样表面出现增多的凹陷,逐渐变成小孔洞,裂隙增宽、加深,密度降低,表明聚合物降解是一个酯键无规水解过程。
3.3 输尿管支架的临床应用 各种原因导致的输尿管狭窄或缺损的处理是目前临床上比较棘手的问题,为寻找理想的输尿管支架材料,国内外进行了大量的实验。本实验即在于寻求一种降解性输尿管支架,替代目前常用的非降解性输尿管支架。
生物可降解输尿管支架属于生物医学工程的范畴。以PCLEO(50∶50)这种比率的材料,就其性状的改变而言,可以满足输尿管支架材料的要求,但其完全降解吸收时间长,可以通过调整聚合物的比例和降低共聚物的分子量来缩短材料的降解周期,以期探索出一种更为适宜的作为泌尿外科使用的输尿管支架材料。
上述实验结果可以说明共聚物的降解是从较快的组分开始的,而且结晶区降解速度慢于非结晶区,亲水组分降解快于非亲水组分,这说明将两种或两种以上具有不同降解速率的单体进行共聚后,通过调节共聚物的组成,可以达到调节共聚物生物降解速率的目的。
3.4 植入材料的组织相容性 植入材料植入体内后会引起机体的组织反应(宿主反应),这是异物进入机体后引起机体对其排斥、包裹的一个病理生理过程。这个过程的进行依据自身的性质而有程度不同的表现,即与材料对机体的刺激程度有关,同时宿主的一般状况(年龄,体质)也决定这种反应的程度。因为组织反应控制着植入体植入后的功能发挥情况,所以,若评价一种材料的生物相容性,其组织反应的程度是一个非常重要的指标。
从体内植入实验的结果,PCLEO植入大鼠肌肉内2 w时是急性炎症末和慢性炎症反应的进行时。原因是:①材料作为异物植入体内,植入物中微量小分子物质渗出,刺激组织引起非感染性炎症;②手术过程造成的损伤;③植入物能抑制和吸附补体C3a、C5a,增加多核粒细胞在植入物局部组织的数量,使抑制局部炎症反应的能力减弱〔7〕。材料植入4 w后转成慢性炎症反应,12 w时炎细胞数量明显减少,仅有极少量的淋巴细胞。另外,各时间植入材料均有不同程度的纤维组织增生,2 w时纤维膜较厚,为126.70 μm;到12 w时纤维膜的厚度明显薄,为27.62 μm,且无明显的炎症反应,植入材料无组织的萎缩,可见PCLEO的组织反应结果是合格的。
【参考文献】
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