国产聚-DL-乳酸螺钉力学和生物降解吸收性能的实验研究
国产聚-DL-乳酸螺钉力学和生物降解吸收性能的实验研究
段宏 宋跃明 熊敏
摘 要 目的 探讨国产聚-DL-乳酸(PDLLA)螺钉的力学和生物降解吸收性能。 方法 用黏均分子量(Mv)达43×104的PDLLA螺钉内固定32只犬股骨外髁骨折，并以金属螺钉固定为对照。动物于术后2,4,8,12周处死，行X线摄片、螺钉力学以及骨组织内PDLLA的生物降解率(BDR)、生物吸收率(BAR)测定。 结果 PDLLA螺钉初始剪切强度为74.74 MPa，4周时为48.71 MPa，8周时为27.61 MPa。12周时，PDLLA Mv为初始的11%,重量保持了86%。X线显示12周后两组骨折均正常愈合。 结论 国产PDLLA螺钉不需取出，比金属螺钉更适用于负重或非负重松质骨骨折和关节内骨折。
关键词：骨折固定术，内；聚-DL-乳酸；生物降解
, 百拇医药
40多年来的研究表明，聚乳酸(polylactic acid, PLA) 在骨折愈合方面与金属内固定物无明显差异。国内文献报道的自制PLA材料分子量仅为(18～25)×104左右[1，2]，尚无成品可吸收螺钉达到临床实用要求。笔者旨在通过国产黏均分子量(Mv)达43×104的聚-DL-乳酸(poly-DL-lactic acid,PDLLA)螺钉固定犬股骨外髁骨折模型，研究其力学和生物降解吸收性能。
材料与方法
1. PDLLA螺钉规格：该螺钉由中国科学院成都有机化学研究所和华西医科大学应用技术研究所提供，Mv为43×104，螺钉长25 mm，螺距4.5 mm，螺杆直径3.5 mm。
2. 动物骨折固定模型：随机选择32只健康成年犬，体重15～20 kg，随机分为2,4,8,12周组，每组8只。用质量浓度为30 g/L的戊巴比妥钠静脉注射麻醉(1.0 ml/kg)后，术区剃毛，消毒铺巾。取膝关节外侧入路，用薄骨刀造成股骨外髁骨折。左、右后肢分别用2枚PDLLA螺钉和2枚金属螺钉固定骨折，未行外固定。
, 百拇医药
3. 观察指标：(1) X线摄片：术后当天及2,4,8,12周摄正、侧位片，投照条件50 kV、50 mA、15 s、100 cm。(2 )PDLLA螺钉剪切强度及其衰减率：采用WD-10A万能试验机(广州试验机厂)及自制夹具测其剪切力，再计算剪切强度及其衰减率。(3)生物降解率(BDR)：溶剂为纯氯仿，温度为30.5℃，用自制黏度计测出其特性黏度，计算Mv、BDR。(4)生物吸收率(BAR)：分析天平测植入前、取出后质量，算出BAR。
4. 统计学方法：所有数据用±s表示，进行相关分析。
结 果
1. X线平片检查：术后当天显示双侧骨折固定良好，PDLLA螺钉未显影，正、侧位片均可见螺钉孔道影。第2周,两组骨折均无移位，骨折线稍模糊。第4周，两组骨痂生长量稍增多，实验组正位PDLLA螺钉孔道开始模糊。第8周，两组骨折线基本消失，骨折区密度增高，实验组正位PDLLA螺钉孔道影基本消失。第12周，两组骨折线消失，但实验组侧位片仍可见PDLLA螺钉孔道。
, http://www.100md.com
2. Mv、BDR和BAR：各组PDLLA螺钉Mv、BDR、BAR变化分别见表1，2。8周时，BDR为81.61%，BAR为9.80%，8周后降解速度稍变缓慢。吸收在前4周较慢，4周后变化速度增加，降解与吸收相关系数r=0.948 2。
3.PDLLA螺钉剪切强度：各组PDLLA螺钉剪切强度变化见表1，2。前8周剪切强度衰减较快，8周后变化趋缓，12周时剪切强度为22.90 MPa。剪切强度与Mv的相关系数r=0.930 6。
讨 论
目前PLA材料主要有自身增强聚-L-乳酸(SR-PLLA)、左旋聚乳酸(PLLA)和PDLLA等。Bergsmaju等[3]报告PLA植入体内5～7年仍未完全吸收，且有较严重迟发组织反应[4]。研究表明，这是由于该材料较高的结晶度所致。而PDLLA为非晶态，24周～18个月即可在体内完全吸收[5]，故目前更受重视。
, 百拇医药
PLA在体内水解，其最终产物为H2O和CO2。PLA与体内液体环境接触即开始降解，而质量丧失则应在寡聚物和单体从材料内扩散出去之后开始表现。本实验中BDR与BAR高度相关，但吸收滞后于降解，与阮狄克等[1]和王立等[2]报告的结果类似。说明该PDLLA螺钉降解产物不会在骨组织局部堆积而造成局部甚至全身副作用。但本实验中，BDR和BAR在同等随访时间内比上述作者报告的数值高得多，可能与本实验中PDLLA螺钉的大小、表面形状、粗糙程度和制造工艺过程，以及材料所植入骨组织的耐受和清除能力与肌肉组织不同等因素有关。
本实验骨折模型中，主要由螺杆承受剪切力，故仅测试螺杆剪切力。松质骨骨折一般在3～4周修复，6周左右即坚固愈合。PDLLA螺钉初始剪切强度为74.74 MPa,4周后下降为48.71 MPa，12周后为22.90 MPa，相当于松质骨剪切强度(12.00～24.00 MPa)。PDLLA螺钉剪切强度衰减速度值比王立等[2]报告的高得多，这可能是由于本实验PDLLA螺钉用于负重部位松质骨骨折，存在应力-破裂现象，从而导致负荷部位材料的强度衰减加快[6]。PDLLA材料完全吸收需要24周～18个月[5],对于内固定来说，时间较长。但因为负载部位的PDLLA螺钉剪切强度快速衰减，可将应力转移给骨组织，从而利于骨折愈合和重塑改建[7]。X线片结果也表明，两组骨折均无移位，12周后骨折线均完全消失。说明PDLLA螺钉具有足够强度来维持松质骨骨折复位，保护骨折修复组织正常生长，使骨痂有足够强度防止再移位和再骨折。
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本实验中PDLLA螺钉为国产材料，黏均分子量高，机械性能佳，价格便宜，勿需再次手术，骨折愈合情况与金属螺钉无明显差异，因而更适用于负重或
表1 犬骨折聚-DL-乳酸螺钉固定术后黏均分子量和剪切强度的变化(±s)
指标
术后时间(周)
0
2
4
8
12
黏均分子量(×104)
, http://www.100md.com 43.11±0.63
27.79±1.43
17.45±0.71
7.93±1.08
4.64±0.36
剪切强度(MPa)
74.74±4.81
58.21±4.85
48.71±3.91
27.61±2.94
22.90±3.51
表2 犬骨折聚-DL-乳酸螺钉固定术后生物降解率、生物吸收率和剪切强度衰减率的变化[百分率(%)，±s]
, 百拇医药
指标
术后时间(周)
2
4
8
12
生物降解率
35.54±2.12
552±1.92
81.61±2.84
89.23±1.54
生物吸收率
3.54±0.26
, 百拇医药
4.64±0.64
9.80±0.42
14.03±1.02
剪切强度衰减率
22.12±1.22
34.83±1.96
63.10±2.02
69.36±3.14
非负重松质骨骨折和关节内骨折。
基金项目：四川省科委重点科技资助项目(98-135)
段宏(610041 成都，华西医科大学附属第一医院骨科)
, http://www.100md.com
宋跃明(610041 成都，华西医科大学附属第一医院骨科)
熊敏(东风汽车公司总医院骨科)
参考文献
1，阮狄克，沈根标，邹宏恩，等.可吸收性聚乳酸材料生物相容性与生物降解的研究.中华外科杂志,1993,31:568-570.
2，王立,金大地,林献章,等.生物降解聚丙交酯棒的体内实验研究.中华骨科杂志,1996,16:656-658
3，Bergsmaju E, Bruijn W, Rozema FR, et al. Late degradation tissue response to poly-L-lactide bone plate and screws. Biomaterials, 1995,16:25-31.
, 百拇医药
4，Bergsmauju E, Rozema FR, Bos RRM, et al. Foreign body reactions to resorbable poly-L-lactide bone plates and screws used for the fixation of unstable zygomatic fractures. J Oral Maxillofac Surg,1993,51:666-670.
5，Pihlajamaki H, Bostman O, Manninen M, et al. Absorbable plugs of self-reinforced poly-L-lactic acid in the internal fixation of rabbit distal femoral osteotomies. Clin Orthop,1994,(298):277-285.
6，Bos RRM, Rozema FR, Boering G, et al. Bio-absorbable plates and screws for internal fixation of mandibular fractures: a study in six dogs. Int J Oral Maxillofac Surg,1989,18:365-369.
7，Bostman O, Pihlajamaki HK, Partio EK, et al. Clinical biocompatibility and degradation of polylevolactide screws in the ankle.Clin Orthop, 1995,(320): 101-109., http://www.100md.com
段宏 宋跃明 熊敏
摘 要 目的 探讨国产聚-DL-乳酸(PDLLA)螺钉的力学和生物降解吸收性能。 方法 用黏均分子量(Mv)达43×104的PDLLA螺钉内固定32只犬股骨外髁骨折，并以金属螺钉固定为对照。动物于术后2,4,8,12周处死，行X线摄片、螺钉力学以及骨组织内PDLLA的生物降解率(BDR)、生物吸收率(BAR)测定。 结果 PDLLA螺钉初始剪切强度为74.74 MPa，4周时为48.71 MPa，8周时为27.61 MPa。12周时，PDLLA Mv为初始的11%,重量保持了86%。X线显示12周后两组骨折均正常愈合。 结论 国产PDLLA螺钉不需取出，比金属螺钉更适用于负重或非负重松质骨骨折和关节内骨折。
关键词：骨折固定术，内；聚-DL-乳酸；生物降解
, 百拇医药
40多年来的研究表明，聚乳酸(polylactic acid, PLA) 在骨折愈合方面与金属内固定物无明显差异。国内文献报道的自制PLA材料分子量仅为(18～25)×104左右[1，2]，尚无成品可吸收螺钉达到临床实用要求。笔者旨在通过国产黏均分子量(Mv)达43×104的聚-DL-乳酸(poly-DL-lactic acid,PDLLA)螺钉固定犬股骨外髁骨折模型，研究其力学和生物降解吸收性能。
材料与方法
1. PDLLA螺钉规格：该螺钉由中国科学院成都有机化学研究所和华西医科大学应用技术研究所提供，Mv为43×104，螺钉长25 mm，螺距4.5 mm，螺杆直径3.5 mm。
2. 动物骨折固定模型：随机选择32只健康成年犬，体重15～20 kg，随机分为2,4,8,12周组，每组8只。用质量浓度为30 g/L的戊巴比妥钠静脉注射麻醉(1.0 ml/kg)后，术区剃毛，消毒铺巾。取膝关节外侧入路，用薄骨刀造成股骨外髁骨折。左、右后肢分别用2枚PDLLA螺钉和2枚金属螺钉固定骨折，未行外固定。
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3. 观察指标：(1) X线摄片：术后当天及2,4,8,12周摄正、侧位片，投照条件50 kV、50 mA、15 s、100 cm。(2 )PDLLA螺钉剪切强度及其衰减率：采用WD-10A万能试验机(广州试验机厂)及自制夹具测其剪切力，再计算剪切强度及其衰减率。(3)生物降解率(BDR)：溶剂为纯氯仿，温度为30.5℃，用自制黏度计测出其特性黏度，计算Mv、BDR。(4)生物吸收率(BAR)：分析天平测植入前、取出后质量，算出BAR。
4. 统计学方法：所有数据用±s表示，进行相关分析。
结 果
1. X线平片检查：术后当天显示双侧骨折固定良好，PDLLA螺钉未显影，正、侧位片均可见螺钉孔道影。第2周,两组骨折均无移位，骨折线稍模糊。第4周，两组骨痂生长量稍增多，实验组正位PDLLA螺钉孔道开始模糊。第8周，两组骨折线基本消失，骨折区密度增高，实验组正位PDLLA螺钉孔道影基本消失。第12周，两组骨折线消失，但实验组侧位片仍可见PDLLA螺钉孔道。
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2. Mv、BDR和BAR：各组PDLLA螺钉Mv、BDR、BAR变化分别见表1，2。8周时，BDR为81.61%，BAR为9.80%，8周后降解速度稍变缓慢。吸收在前4周较慢，4周后变化速度增加，降解与吸收相关系数r=0.948 2。
3.PDLLA螺钉剪切强度：各组PDLLA螺钉剪切强度变化见表1，2。前8周剪切强度衰减较快，8周后变化趋缓，12周时剪切强度为22.90 MPa。剪切强度与Mv的相关系数r=0.930 6。
讨 论
目前PLA材料主要有自身增强聚-L-乳酸(SR-PLLA)、左旋聚乳酸(PLLA)和PDLLA等。Bergsmaju等[3]报告PLA植入体内5～7年仍未完全吸收，且有较严重迟发组织反应[4]。研究表明，这是由于该材料较高的结晶度所致。而PDLLA为非晶态，24周～18个月即可在体内完全吸收[5]，故目前更受重视。
, 百拇医药
PLA在体内水解，其最终产物为H2O和CO2。PLA与体内液体环境接触即开始降解，而质量丧失则应在寡聚物和单体从材料内扩散出去之后开始表现。本实验中BDR与BAR高度相关，但吸收滞后于降解，与阮狄克等[1]和王立等[2]报告的结果类似。说明该PDLLA螺钉降解产物不会在骨组织局部堆积而造成局部甚至全身副作用。但本实验中，BDR和BAR在同等随访时间内比上述作者报告的数值高得多，可能与本实验中PDLLA螺钉的大小、表面形状、粗糙程度和制造工艺过程，以及材料所植入骨组织的耐受和清除能力与肌肉组织不同等因素有关。
本实验骨折模型中，主要由螺杆承受剪切力，故仅测试螺杆剪切力。松质骨骨折一般在3～4周修复，6周左右即坚固愈合。PDLLA螺钉初始剪切强度为74.74 MPa,4周后下降为48.71 MPa，12周后为22.90 MPa，相当于松质骨剪切强度(12.00～24.00 MPa)。PDLLA螺钉剪切强度衰减速度值比王立等[2]报告的高得多，这可能是由于本实验PDLLA螺钉用于负重部位松质骨骨折，存在应力-破裂现象，从而导致负荷部位材料的强度衰减加快[6]。PDLLA材料完全吸收需要24周～18个月[5],对于内固定来说，时间较长。但因为负载部位的PDLLA螺钉剪切强度快速衰减，可将应力转移给骨组织，从而利于骨折愈合和重塑改建[7]。X线片结果也表明，两组骨折均无移位，12周后骨折线均完全消失。说明PDLLA螺钉具有足够强度来维持松质骨骨折复位，保护骨折修复组织正常生长，使骨痂有足够强度防止再移位和再骨折。
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本实验中PDLLA螺钉为国产材料，黏均分子量高，机械性能佳，价格便宜，勿需再次手术，骨折愈合情况与金属螺钉无明显差异，因而更适用于负重或
表1 犬骨折聚-DL-乳酸螺钉固定术后黏均分子量和剪切强度的变化(±s)
指标
术后时间(周)
0
2
4
8
12
黏均分子量(×104)
, http://www.100md.com 43.11±0.63
27.79±1.43
17.45±0.71
7.93±1.08
4.64±0.36
剪切强度(MPa)
74.74±4.81
58.21±4.85
48.71±3.91
27.61±2.94
22.90±3.51
表2 犬骨折聚-DL-乳酸螺钉固定术后生物降解率、生物吸收率和剪切强度衰减率的变化[百分率(%)，±s]
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指标
术后时间(周)
2
4
8
12
生物降解率
35.54±2.12
552±1.92
81.61±2.84
89.23±1.54
生物吸收率
3.54±0.26
, 百拇医药
4.64±0.64
9.80±0.42
14.03±1.02
剪切强度衰减率
22.12±1.22
34.83±1.96
63.10±2.02
69.36±3.14
非负重松质骨骨折和关节内骨折。
基金项目：四川省科委重点科技资助项目(98-135)
段宏(610041 成都，华西医科大学附属第一医院骨科)
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宋跃明(610041 成都，华西医科大学附属第一医院骨科)
熊敏(东风汽车公司总医院骨科)
参考文献
1，阮狄克，沈根标，邹宏恩，等.可吸收性聚乳酸材料生物相容性与生物降解的研究.中华外科杂志,1993,31:568-570.
2，王立,金大地,林献章,等.生物降解聚丙交酯棒的体内实验研究.中华骨科杂志,1996,16:656-658
3，Bergsmaju E, Bruijn W, Rozema FR, et al. Late degradation tissue response to poly-L-lactide bone plate and screws. Biomaterials, 1995,16:25-31.
, 百拇医药
4，Bergsmauju E, Rozema FR, Bos RRM, et al. Foreign body reactions to resorbable poly-L-lactide bone plates and screws used for the fixation of unstable zygomatic fractures. J Oral Maxillofac Surg,1993,51:666-670.
5，Pihlajamaki H, Bostman O, Manninen M, et al. Absorbable plugs of self-reinforced poly-L-lactic acid in the internal fixation of rabbit distal femoral osteotomies. Clin Orthop,1994,(298):277-285.
6，Bos RRM, Rozema FR, Boering G, et al. Bio-absorbable plates and screws for internal fixation of mandibular fractures: a study in six dogs. Int J Oral Maxillofac Surg,1989,18:365-369.
7，Bostman O, Pihlajamaki HK, Partio EK, et al. Clinical biocompatibility and degradation of polylevolactide screws in the ankle.Clin Orthop, 1995,(320): 101-109., http://www.100md.com