對常用接骨板材料的性能做了分析對比，并對目前臨床投入使用的金屬、高分子及復合材料接骨板進行了評價，著重介紹了納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料以及炭/炭復合材料接骨板。與其它材料相比，炭/炭復合材料與人體有著良好的生物相容性和力學相容性，在結構、彈性模量、孔隙度和密度上均與人骨接近。作為新一代生物醫用材料，隨著炭/炭復合材料編織技術和制備工藝的提高，炭/炭復合材料接骨板有著很好的應用前景。
引用本文： 李曉, 劉京, 吳強, 王艷杰, 肖濤, 劉立宏, 于澍. 接骨板用材料的研究現狀及發展前景. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(6): 1214-1219. doi: 10.7507/1001-5515.20160192 復制
引言
接骨板是根據人體骨骼的形狀仿生設計而成的生物醫用材料。當人體中骨骼發生斷裂時，接骨板起到“橋梁”的作用，運用外力使骨折處重新連接并痊愈，通過二次手術再取出。遵循堅強內固定原則的傳統加壓接骨板，對骨面的壓迫會干擾骨皮質的血運，引起接骨板下方骨的結構性改變，因而接骨板的設計逐漸轉向遵循生物學內固定原則的、具有良好穩定性和生物相容性的生物學接骨板[1-3]。
接骨板材料的研制發展主要涉及兩個方面：一是如何提高力學相容性，降低應力遮擋效應。傳統的金屬接骨鋼板與人骨的彈性模量有著較大的差異(人骨的彈性模量在10~30 GPa，而金屬彈性模量一般大于100 GPa)。這種差異使得接骨板植入人體后，會出現應力遮擋效應，從而導致骨質疏松、術后愈合不良、接骨板摘除后易再骨折等問題。就目前來看，應力遮擋效應還沒能得到很好的解決，例如人工髖關節植入后就無法減少其應力遮擋。通過改變固定材料的幾何形狀可以在一定程度上降低應力遮擋效應[4]，如采用長方形或橢圓形螺孔的低應力接骨板，降低應力遮擋效應的同時，在內力或外力的作用下，骨折端帶動螺釘，使螺釘頂端能在與接骨板的螺孔接觸面之間產生“微動”，有利于骨折愈合[5]。Beaupre等[6]的研究表明：改用一些低剛度的材料(如復合材料、高分子材料)制成的接骨板，可明顯降低應力遮擋所致的骨質疏松，從而降低因其導致的再骨折發生率[7]。
接骨板材料的研制發展面臨的第二個問題是如何提高材料的生物相容性。金屬材料接骨板如鈷鉻鉬合金接骨板，具有生物惰性，易加工成型，但在人體中無法降解，時間過長會因摩擦、體液的腐蝕導致金屬離子擴散，不僅對周圍組織產生毒副作用，還會因電位差的不同產生電化學腐蝕作用，降低材料的力學性能。無機非金屬材料生物活性強，如生物活性玻璃可通過離子交換反應在材料表面生成類骨羥基磷灰石[8]，因此無機非金屬材料中的羥基磷灰石、生物活性玻璃、生物陶瓷(含碳化硅、二氧化硅和氧化鎂等)多用做金屬基接骨板的表面涂層以提高其生物相容性[9-11]。高分子材料接骨板生物相容性好，有研究者用納米羥基磷灰石/聚酰胺66治療犬股骨骨折,實驗并未觀察到有排斥反應，接骨板和螺釘材料未見腐蝕及磨損[12]。但是高分子材料具有降解性，使得聚乳酸在骨折內固定的臨床和實驗研究中大部分只能作為骨墊，墊于接骨板與骨之間，接骨板還是需要金屬材料制成[13]。
因此，對于骨科固定和植入材料，不僅要有足夠的力學強度，與人骨接近的彈性模量，還要有良好的組織相容性，無毒，無抗原性，具有適當的生物降解能力，但又能維持一定的強度要求，且降解產物能被機體清除無殘留[3]。
1 接骨板的研究現狀
早在1886年，德國的Hansmann就報告了應用接骨板治療骨折的方法。經過一個世紀的發展與創新，并且隨著國際內固定研究學會(Association for the Study of Internal Fixation,AO/ASIF)的內固定理念從堅強機械式內固定向生物學內固定轉變，接骨板的發展從簡單的直鋼板到鎖定加壓接骨板(locking compression plate,LCP)，其在材料、制作工藝、治療技術及治療理念等方面都有著重大的改變。
目前臨床上已經投入使用的接骨板用材料包括金屬和非金屬兩種。金屬材料中主要包括不銹鋼和鈦合金，非金屬材料包括高分子和復合材料。表 1列舉了常見接骨板所用材料、生物性能、應用范圍以及主要品牌。
表1
不同類型接骨板的使用現狀
Table1.
Present usage status of different types of bone plate
1.1 金屬材料接骨板
應用于制作接骨板的金屬材料主要有不銹鋼和鈦合金。不銹鋼接骨板是最早使用的接骨板，成分含有鉻、鎳和鉬等合金元素，也包含很低量的炭。其優點在于成本低廉、制作工藝簡單，因為很早便投入臨床使用，有著完善的臨床經驗，迄今為止應用范圍仍然很廣。但是由于不銹鋼較高的彈性模量造成的應力遮擋和應力集中現象，一方面帶來接骨板斷裂風險，另一方面也不利于骨折愈合[14-15]。
鈦合金作為生物相容性最好的金屬，彈性模量低，是一種很有發展前景的醫用材料。杜建等[16]總結了鈦合金的表面改性方法并發現，采用熱氧化、分子自組裝和表面去合金化等簡便易行的技術在鈦合金表面制備納米結構二氧化鈦(TiO2)膜，并分別進行了與骨髓基質干細胞和真皮干細胞共培養、溶血率、動態凝血和血小板黏附等一系列生物相容性評價，取得良好結果。鈦合金的缺點是機械強度低，容易出現斷裂、松脫等并發癥，且造價高。
1.2 高分子材料接骨板
高分子材料不僅種類繁多，而且對材料表面容易進行改性，因此可以獲得具有良好生物相容性的生物材料，滿足醫學臨床的需求[17]。在接骨板領域中，聚乳酸是應用較為廣泛的生物降解可吸收高分子材料，同樣投入使用的也有聚酰胺66以及聚醚醚酮。高分子材料最主要的缺點是力學強度不足，所以一般使用炭纖維或者羥基磷灰石等生物相容性好的材料作為增強體與其復合，以提高其力學強度。如采用納米羥基磷灰石增強的聚乳酸復合材料，是目前臨床手術中較為新型的接骨板材料。
1.3 復合材料接骨板
生物醫用復合材料是采用多種不同特性的材料，通過相應的工藝方法復合而成，其性能均比單一單體組成材料的性能有所提高。接骨板所使用的復合材料通常以高分子基復合材料和炭基復合材料為主，而炭基復合材料作為生物醫學的新型材料，得到了飛速發展，尤其在內固定材料方面。良好的生物相容性、與人骨相近的彈性模量以及優異的抗疲勞性能使得炭基復合材料具有很大的開發潛力[18]，是今后研究的主要方向。目前主要的不足之處在于臨床應用經驗較少。
從接骨板用材料的發展以及使用現狀來看，生物相容性好的材料越來越受到人們的青睞。傳統的金屬材料接骨板雖然在早期通過堅強固定可以幫助斷骨愈合，但由于一系列術后并發癥以及材料本身所帶來的局限，金屬材料正在被新型材料取代。下面將主要介紹目前臨床已投入使用的納米羥基磷灰石/聚乳酸(nano hydroxyapatite/polylactic acid,nHA/PLA)復合材料接骨板，以及作為未來主要研究方向的炭/炭復合材料接骨板。
2 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料
nHA/PLA是一種新型納米仿生復合材料。該材料由納米羥基磷灰石晶體均勻分散在聚乳酸中復合構成，既能提高納米羥基磷灰石的力學性能，又能彌補聚乳酸材料在生物活性方面的不足，是一種比較理想的骨替代材料[19]。
2.1 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料的制備
nHA/PLA復合材料的制備主要包括納米羥基磷灰石的合成、聚乳酸的合成以及二者的復合，如圖 1所示。納米羥基磷灰石的合成方法主要有水熱法合成、沉淀法合成以及溶膠-凝膠法等。聚乳酸主要是由乳酸單體通過縮聚反應使分子間脫水縮合成高分子質量聚乳酸。最終再將二者混合均勻，通過退火等熱處理得到最終的nHA/PLA復合材料。
圖1
nHA/PLA復合材料的制備過程
Figure1.
Preparation process of nHA/PLA composites
2.2 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料的優勢及不足
聚乳酸根據分子結構可以分為結晶型聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)、結晶型聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)和聚消旋乳酸(poly-D-L-lactic acid,PDLLA)[20]。由于PLLA是結晶性高分子，降解速度較慢，初始彎曲強度又是PDLA的兩倍，比較適合骨內固定[21]。聚乳酸有著優異的生物相容性，屬于生物可吸收內固定材料，其在體內的代謝過程比較復雜，但最終轉變為無毒無害的 CO2和H2O。在目前臨床使用中，聚乳酸也存在著降解時間不可控以及釋放酸性降解產物引起局部炎癥反應等缺點[22-23]。而羥基磷灰石雖具有良好的生物活性和骨傳導性，能夠與骨直接形成鍵性結合，但是機械強度差，不能完全適應骨組織工程的要求。所以，nHA/PLA復合材料一方面可提高材料韌性，滿足骨替換植入材料的機械強度要求；另一方面聚乳酸的酸性降解產物可被納米羥基磷灰石緩沖，同時納米羥基磷灰石的骨誘導性還可提供良好的骨細胞黏附生長環境[24]。該材料現已進入臨床使用階段。
綜上所述，nHA/PLA復合材料的優勢在于，可控制二者比例來調節接骨板的機械強度和降解速率以達到使用要求，另外骨誘導性能優異，可促進骨組織生長[25]；缺點在于機械強度與人骨相比仍然有所不足，而且隨著材料的降解，強度下降，不能保證骨的后期愈合。
3 炭/炭復合材料
炭/炭復合材料是以炭纖維增強炭基體的復合材料，以其高比強度、高比模量、耐高溫而密度低的優點廣泛用于航天航空領域。同時，炭/炭復合材料與人骨接近的密度、孔隙度、彈性模量以及良好的生物相容性，使其在生物醫學領域逐漸得以應用。
3.1 炭/炭復合材料的制備
炭/炭復合材料的制造工藝主要包括制備炭纖維預制體、致密化處理、石墨化處理等環節。其基本工藝流程圖如圖 2所示。
圖2
炭/炭復合材料制備過程
Figure2.
Preparation process of carbon/carbon composites
在制備炭/炭復合材料之前，通常先將炭纖維編制成形狀類似于成品的預制體。炭纖維預制體的制造是制備炭/炭復合材料的過程中非常重要的一道工序。根據材料用途和使用環境的不同，預制體可以通過長纖維交錯纏繞、短纖維模壓成型、炭布疊層、Z向纖維針刺/穿刺無緯布成型等方法制取。
預制體成型之后，需要對其進行增密處理以提高其性能。目前炭/炭復合材料主要增密方法有化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)和樹脂浸漬等。不同的增密方法獲得的基體炭的結構、性能不同，以CVD方法制取的各向同性熱解炭生物相容性最高，已成功用于人工心臟瓣膜等醫學領域。
增密到合適密度的炭/炭復合材料需進行石墨化處理，該過程可以實現碳原子的亂層結構向有序結構的轉化，減少其內部缺陷，從而改善其穩定性，增強其物理性能[26]。
3.2 炭/炭復合材料的優勢
炭/炭復合材料的優勢主要有以下四點：
(1) 生物相容性好，整體結構主要由炭構成，機體組織對其適應性好[27]。Wang等[28]的研究表明：以熱解炭為基體炭的炭/炭復合材料對細胞的生長、增殖無明顯影響，材料無細胞毒性，無致突變、致敏作用，表現出良好的細胞相容性；將該材料植入新西蘭成年白兔脛骨，植入后12周未見其周圍組織有充血、壞死、積液、化膿等反應，證明其生物性能優異。
(2) 具有良好的生物力學相容性，與骨的彈性模量十分接近，可減弱由假體應力遮擋引起的骨吸收等并發癥，被認為是可承受較高載荷的、最具潛力的人工假體材料[29]。對人骨和炭/炭復合材料在密度、開孔率和力學性能上進行了實測，其對比見表 2[30]。
表2
人骨與炭/炭復合材料結構和力學性能的對比
Table2.
Comparison of the structure and mechanical properties of human bone and carbon/carbon composites
(3) 在生物體內穩定、不被腐蝕，不會像醫用金屬材料由于生理環境的腐蝕而造成晶界離子向周圍組織擴散，從而導致植入材料自身性質的退變。
(4) 適用范圍廣，可以通過結構設計滿足材料特定的力學要求。不僅可作為一般非承載骨，還可做作為大的皮質骨的骨折內固定板或骨釘材料[31]。
3.3 炭/炭復合材料目前存在的爭議和主要問題
炭/炭復合材料因其良好的生物相容性，早在20世紀80、90年代就已經在醫學上尤其是作為心臟瓣膜得到應用[32]，但后來并沒有在醫學其它領域得到應用，主要存在以下爭議和問題。
3.3.1 炭/炭復合材料是否降解
盡管有研究報道[27, 33-34]指出炭/炭復合材料植入生物體后，脫落的較大炭顆粒由于不能被巨噬細胞和淋巴細胞吸收，最終隨體液游走沉積到皮膚表面，造成“黑膚”效應，但對其材料中基體炭是降解還是機械脫落，研究者有不同的看法。Lewandowska-Szumie等[35]以炭纖維增強酚醛樹脂、羥基磷灰石和外科用不銹鋼三種材料在新西蘭白兔的脛骨上做植入試驗，三個月后做頂出(push-out)的試驗測試剪切強度以觀察植入物-組織界面的結合。實驗結果表明：剪切強度以羥基磷灰石最高，炭纖維增強酚醛樹脂居中，外科用不銹鋼最低。炭纖維增強酚醛樹脂在頂出試驗后的抗壓強度只有未植入時的1/6。材料強度的下降從側面說明有可能是降解或是表面熱解炭的涂層剝落，從而使得骨組織生長入多孔材料中。根據Peskov等[36]的研究，對T800K的炭纖維浸漬酚醛樹脂的復合材料，分別進行了1 000 ℃炭化、2 200 ℃石墨化、熱解炭涂層以及熱解炭涂層后拋光四種處理，并對以上四種材料進行了皮下植入(小白鼠)和骨中植入(豬)試驗。研究結果證明熱解炭涂覆表面的材料，其生物相容性優于樹脂材料。但是所有材料在植入動物體內后均發現有炭碎片的存在，研究者認為是試驗中炭/炭復合材料作為接骨板植入時由六個金屬螺釘的緊合造成的。Lewandowska-Szumie等[37]的研究同時也證明：動物實驗中，無論何種基體炭、是否有熱解炭的涂覆，在植入體-組織中的炭顆粒均是在植入過程中，骨與植入體之間的摩擦或復合材料本身的脆性所致；但炭顆粒均不至于引發炎癥，在脾或淋巴結中都未觀察到其留存。因此對于炭/炭復合材料用作植入材料，大多還是認為它不會降解。
3.3.2 炭/炭復合材料與人骨強度的適配
盡管炭/炭復合材料的強度優于羥基磷灰石，與人骨的彈性模量相當，但在抗彎、抗壓強度上仍然不及人骨的強度。有研究者為提高復合材料的彈性模量，利用玻璃纖維和炭纖維做成混雜纖維增強環氧樹脂的復合材料接骨板[38-39]。這種混雜纖維增強的方式確實給人們帶來了一種新的研究思路，同時也帶來了復合材料成份中的雜質，以及各組分增強體老化速度不一的問題。檢索文獻發現，對于炭/炭復合材料接骨板與人骨的強度適配，目前還沒有文獻和相關標準明確接骨板的強度和疲勞標準。
3.3.3 炭/炭復合材料的表面改性
在使用金屬和高分子植入材料時，為了降低植入材料與人骨的應力落差，提高植入材料的耐磨性、延緩降解速度，以及改善材料表面的生物相容性，研究者對植入材料的表面進行了改性處理，例如在復合材料表面涂覆羥基磷灰石以提高材料的生物活性[40-41]，但由于羥基磷灰石的脆性，其易脫落而導致效果不佳。近年來有報道在人工關節頭部表面涂覆SiO2和SiC以加強植入材料的耐磨性，發現人體必需的Si元素對正常軟骨和骨的成長有促進作用。例如，在鈣磷基體的材料合成中，引入痕量的Si可以有效地促進骨和周邊結締組織的生理結合過程[42]。同時，為檢測表面涂覆帶來的Si元素是否過量，通過皮下、骨內植入材料到新西蘭成年白兔體內，并對白兔的尿液進行24小時的收集和檢測，發現所有超過動物所需的多余Si均可以通過尿液排出體外，且在各主要臟器內無存留，從而驗證了過量的含Si元素涂層在動物體內的安全性[43]。植入材料的表面改性對于提高材料的生物相容性、耐磨性以及防止顆粒的脫落都起到了積極的作用。
4 結語
接骨板的發展從早期的遵循堅強內固定原則到現在的生物學內固定原則，要求接骨板用材料不僅要具有足夠的力學強度，還要具有優異的生物相容性。隨著新型材料工藝和性能的改進以及臨床經驗的豐富，傳統的金屬材料會逐漸被新型材料所取代。目前臨床中已經投入使用的新型材料接骨板以nHA/PLA復合材料為主，在保留一定力學強度的同時也具有優異的生物相容性，具有很好的應用前景。炭/炭復合材料接骨板作為未來接骨板的研究方向，應著眼于以下工作：在與人骨對比分析后，對植入材料的強度及壽命(疲勞)建立明確的標準，再通過材料設計，如坯體的增強方向、增強體含量、編制技術、增密工藝的選擇，制備滿足使用強度要求的接骨板。同時，通過對材料表面涂層以及涂層后的活化處理，研究其生物相容性和對人體骨組織再生的誘導機制。
引言
接骨板是根據人體骨骼的形狀仿生設計而成的生物醫用材料。當人體中骨骼發生斷裂時，接骨板起到“橋梁”的作用，運用外力使骨折處重新連接并痊愈，通過二次手術再取出。遵循堅強內固定原則的傳統加壓接骨板，對骨面的壓迫會干擾骨皮質的血運，引起接骨板下方骨的結構性改變，因而接骨板的設計逐漸轉向遵循生物學內固定原則的、具有良好穩定性和生物相容性的生物學接骨板[1-3]。
接骨板材料的研制發展主要涉及兩個方面：一是如何提高力學相容性，降低應力遮擋效應。傳統的金屬接骨鋼板與人骨的彈性模量有著較大的差異(人骨的彈性模量在10~30 GPa，而金屬彈性模量一般大于100 GPa)。這種差異使得接骨板植入人體后，會出現應力遮擋效應，從而導致骨質疏松、術后愈合不良、接骨板摘除后易再骨折等問題。就目前來看，應力遮擋效應還沒能得到很好的解決，例如人工髖關節植入后就無法減少其應力遮擋。通過改變固定材料的幾何形狀可以在一定程度上降低應力遮擋效應[4]，如采用長方形或橢圓形螺孔的低應力接骨板，降低應力遮擋效應的同時，在內力或外力的作用下，骨折端帶動螺釘，使螺釘頂端能在與接骨板的螺孔接觸面之間產生“微動”，有利于骨折愈合[5]。Beaupre等[6]的研究表明：改用一些低剛度的材料(如復合材料、高分子材料)制成的接骨板，可明顯降低應力遮擋所致的骨質疏松，從而降低因其導致的再骨折發生率[7]。
接骨板材料的研制發展面臨的第二個問題是如何提高材料的生物相容性。金屬材料接骨板如鈷鉻鉬合金接骨板，具有生物惰性，易加工成型，但在人體中無法降解，時間過長會因摩擦、體液的腐蝕導致金屬離子擴散，不僅對周圍組織產生毒副作用，還會因電位差的不同產生電化學腐蝕作用，降低材料的力學性能。無機非金屬材料生物活性強，如生物活性玻璃可通過離子交換反應在材料表面生成類骨羥基磷灰石[8]，因此無機非金屬材料中的羥基磷灰石、生物活性玻璃、生物陶瓷(含碳化硅、二氧化硅和氧化鎂等)多用做金屬基接骨板的表面涂層以提高其生物相容性[9-11]。高分子材料接骨板生物相容性好，有研究者用納米羥基磷灰石/聚酰胺66治療犬股骨骨折,實驗并未觀察到有排斥反應，接骨板和螺釘材料未見腐蝕及磨損[12]。但是高分子材料具有降解性，使得聚乳酸在骨折內固定的臨床和實驗研究中大部分只能作為骨墊，墊于接骨板與骨之間，接骨板還是需要金屬材料制成[13]。
因此，對于骨科固定和植入材料，不僅要有足夠的力學強度，與人骨接近的彈性模量，還要有良好的組織相容性，無毒，無抗原性，具有適當的生物降解能力，但又能維持一定的強度要求，且降解產物能被機體清除無殘留[3]。
1 接骨板的研究現狀
早在1886年，德國的Hansmann就報告了應用接骨板治療骨折的方法。經過一個世紀的發展與創新，并且隨著國際內固定研究學會(Association for the Study of Internal Fixation,AO/ASIF)的內固定理念從堅強機械式內固定向生物學內固定轉變，接骨板的發展從簡單的直鋼板到鎖定加壓接骨板(locking compression plate,LCP)，其在材料、制作工藝、治療技術及治療理念等方面都有著重大的改變。
目前臨床上已經投入使用的接骨板用材料包括金屬和非金屬兩種。金屬材料中主要包括不銹鋼和鈦合金，非金屬材料包括高分子和復合材料。表 1列舉了常見接骨板所用材料、生物性能、應用范圍以及主要品牌。
表1
不同類型接骨板的使用現狀
Table1.
Present usage status of different types of bone plate
1.1 金屬材料接骨板
應用于制作接骨板的金屬材料主要有不銹鋼和鈦合金。不銹鋼接骨板是最早使用的接骨板，成分含有鉻、鎳和鉬等合金元素，也包含很低量的炭。其優點在于成本低廉、制作工藝簡單，因為很早便投入臨床使用，有著完善的臨床經驗，迄今為止應用范圍仍然很廣。但是由于不銹鋼較高的彈性模量造成的應力遮擋和應力集中現象，一方面帶來接骨板斷裂風險，另一方面也不利于骨折愈合[14-15]。
鈦合金作為生物相容性最好的金屬，彈性模量低，是一種很有發展前景的醫用材料。杜建等[16]總結了鈦合金的表面改性方法并發現，采用熱氧化、分子自組裝和表面去合金化等簡便易行的技術在鈦合金表面制備納米結構二氧化鈦(TiO2)膜，并分別進行了與骨髓基質干細胞和真皮干細胞共培養、溶血率、動態凝血和血小板黏附等一系列生物相容性評價，取得良好結果。鈦合金的缺點是機械強度低，容易出現斷裂、松脫等并發癥，且造價高。
1.2 高分子材料接骨板
高分子材料不僅種類繁多，而且對材料表面容易進行改性，因此可以獲得具有良好生物相容性的生物材料，滿足醫學臨床的需求[17]。在接骨板領域中，聚乳酸是應用較為廣泛的生物降解可吸收高分子材料，同樣投入使用的也有聚酰胺66以及聚醚醚酮。高分子材料最主要的缺點是力學強度不足，所以一般使用炭纖維或者羥基磷灰石等生物相容性好的材料作為增強體與其復合，以提高其力學強度。如采用納米羥基磷灰石增強的聚乳酸復合材料，是目前臨床手術中較為新型的接骨板材料。
1.3 復合材料接骨板
生物醫用復合材料是采用多種不同特性的材料，通過相應的工藝方法復合而成，其性能均比單一單體組成材料的性能有所提高。接骨板所使用的復合材料通常以高分子基復合材料和炭基復合材料為主，而炭基復合材料作為生物醫學的新型材料，得到了飛速發展，尤其在內固定材料方面。良好的生物相容性、與人骨相近的彈性模量以及優異的抗疲勞性能使得炭基復合材料具有很大的開發潛力[18]，是今后研究的主要方向。目前主要的不足之處在于臨床應用經驗較少。
從接骨板用材料的發展以及使用現狀來看，生物相容性好的材料越來越受到人們的青睞。傳統的金屬材料接骨板雖然在早期通過堅強固定可以幫助斷骨愈合，但由于一系列術后并發癥以及材料本身所帶來的局限，金屬材料正在被新型材料取代。下面將主要介紹目前臨床已投入使用的納米羥基磷灰石/聚乳酸(nano hydroxyapatite/polylactic acid,nHA/PLA)復合材料接骨板，以及作為未來主要研究方向的炭/炭復合材料接骨板。
2 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料
nHA/PLA是一種新型納米仿生復合材料。該材料由納米羥基磷灰石晶體均勻分散在聚乳酸中復合構成，既能提高納米羥基磷灰石的力學性能，又能彌補聚乳酸材料在生物活性方面的不足，是一種比較理想的骨替代材料[19]。
2.1 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料的制備
nHA/PLA復合材料的制備主要包括納米羥基磷灰石的合成、聚乳酸的合成以及二者的復合，如圖 1所示。納米羥基磷灰石的合成方法主要有水熱法合成、沉淀法合成以及溶膠-凝膠法等。聚乳酸主要是由乳酸單體通過縮聚反應使分子間脫水縮合成高分子質量聚乳酸。最終再將二者混合均勻，通過退火等熱處理得到最終的nHA/PLA復合材料。
圖1
nHA/PLA復合材料的制備過程
Figure1.
Preparation process of nHA/PLA composites
2.2 納米羥基磷灰石/聚乳酸復合材料的優勢及不足
聚乳酸根據分子結構可以分為結晶型聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)、結晶型聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)和聚消旋乳酸(poly-D-L-lactic acid,PDLLA)[20]。由于PLLA是結晶性高分子，降解速度較慢，初始彎曲強度又是PDLA的兩倍，比較適合骨內固定[21]。聚乳酸有著優異的生物相容性，屬于生物可吸收內固定材料，其在體內的代謝過程比較復雜，但最終轉變為無毒無害的 CO2和H2O。在目前臨床使用中，聚乳酸也存在著降解時間不可控以及釋放酸性降解產物引起局部炎癥反應等缺點[22-23]。而羥基磷灰石雖具有良好的生物活性和骨傳導性，能夠與骨直接形成鍵性結合，但是機械強度差，不能完全適應骨組織工程的要求。所以，nHA/PLA復合材料一方面可提高材料韌性，滿足骨替換植入材料的機械強度要求；另一方面聚乳酸的酸性降解產物可被納米羥基磷灰石緩沖，同時納米羥基磷灰石的骨誘導性還可提供良好的骨細胞黏附生長環境[24]。該材料現已進入臨床使用階段。
綜上所述，nHA/PLA復合材料的優勢在于，可控制二者比例來調節接骨板的機械強度和降解速率以達到使用要求，另外骨誘導性能優異，可促進骨組織生長[25]；缺點在于機械強度與人骨相比仍然有所不足，而且隨著材料的降解，強度下降，不能保證骨的后期愈合。
3 炭/炭復合材料
炭/炭復合材料是以炭纖維增強炭基體的復合材料，以其高比強度、高比模量、耐高溫而密度低的優點廣泛用于航天航空領域。同時，炭/炭復合材料與人骨接近的密度、孔隙度、彈性模量以及良好的生物相容性，使其在生物醫學領域逐漸得以應用。
3.1 炭/炭復合材料的制備
炭/炭復合材料的制造工藝主要包括制備炭纖維預制體、致密化處理、石墨化處理等環節。其基本工藝流程圖如圖 2所示。
圖2
炭/炭復合材料制備過程
Figure2.
Preparation process of carbon/carbon composites
在制備炭/炭復合材料之前，通常先將炭纖維編制成形狀類似于成品的預制體。炭纖維預制體的制造是制備炭/炭復合材料的過程中非常重要的一道工序。根據材料用途和使用環境的不同，預制體可以通過長纖維交錯纏繞、短纖維模壓成型、炭布疊層、Z向纖維針刺/穿刺無緯布成型等方法制取。
預制體成型之后，需要對其進行增密處理以提高其性能。目前炭/炭復合材料主要增密方法有化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)和樹脂浸漬等。不同的增密方法獲得的基體炭的結構、性能不同，以CVD方法制取的各向同性熱解炭生物相容性最高，已成功用于人工心臟瓣膜等醫學領域。
增密到合適密度的炭/炭復合材料需進行石墨化處理，該過程可以實現碳原子的亂層結構向有序結構的轉化，減少其內部缺陷，從而改善其穩定性，增強其物理性能[26]。
3.2 炭/炭復合材料的優勢
炭/炭復合材料的優勢主要有以下四點：
(1) 生物相容性好，整體結構主要由炭構成，機體組織對其適應性好[27]。Wang等[28]的研究表明：以熱解炭為基體炭的炭/炭復合材料對細胞的生長、增殖無明顯影響，材料無細胞毒性，無致突變、致敏作用，表現出良好的細胞相容性；將該材料植入新西蘭成年白兔脛骨，植入后12周未見其周圍組織有充血、壞死、積液、化膿等反應，證明其生物性能優異。
(2) 具有良好的生物力學相容性，與骨的彈性模量十分接近，可減弱由假體應力遮擋引起的骨吸收等并發癥，被認為是可承受較高載荷的、最具潛力的人工假體材料[29]。對人骨和炭/炭復合材料在密度、開孔率和力學性能上進行了實測，其對比見表 2[30]。
表2
人骨與炭/炭復合材料結構和力學性能的對比
Table2.
Comparison of the structure and mechanical properties of human bone and carbon/carbon composites
(3) 在生物體內穩定、不被腐蝕，不會像醫用金屬材料由于生理環境的腐蝕而造成晶界離子向周圍組織擴散，從而導致植入材料自身性質的退變。
(4) 適用范圍廣，可以通過結構設計滿足材料特定的力學要求。不僅可作為一般非承載骨，還可做作為大的皮質骨的骨折內固定板或骨釘材料[31]。
3.3 炭/炭復合材料目前存在的爭議和主要問題
炭/炭復合材料因其良好的生物相容性，早在20世紀80、90年代就已經在醫學上尤其是作為心臟瓣膜得到應用[32]，但后來并沒有在醫學其它領域得到應用，主要存在以下爭議和問題。
3.3.1 炭/炭復合材料是否降解
盡管有研究報道[27, 33-34]指出炭/炭復合材料植入生物體后，脫落的較大炭顆粒由于不能被巨噬細胞和淋巴細胞吸收，最終隨體液游走沉積到皮膚表面，造成“黑膚”效應，但對其材料中基體炭是降解還是機械脫落，研究者有不同的看法。Lewandowska-Szumie等[35]以炭纖維增強酚醛樹脂、羥基磷灰石和外科用不銹鋼三種材料在新西蘭白兔的脛骨上做植入試驗，三個月后做頂出(push-out)的試驗測試剪切強度以觀察植入物-組織界面的結合。實驗結果表明：剪切強度以羥基磷灰石最高，炭纖維增強酚醛樹脂居中，外科用不銹鋼最低。炭纖維增強酚醛樹脂在頂出試驗后的抗壓強度只有未植入時的1/6。材料強度的下降從側面說明有可能是降解或是表面熱解炭的涂層剝落，從而使得骨組織生長入多孔材料中。根據Peskov等[36]的研究，對T800K的炭纖維浸漬酚醛樹脂的復合材料，分別進行了1 000 ℃炭化、2 200 ℃石墨化、熱解炭涂層以及熱解炭涂層后拋光四種處理，并對以上四種材料進行了皮下植入(小白鼠)和骨中植入(豬)試驗。研究結果證明熱解炭涂覆表面的材料，其生物相容性優于樹脂材料。但是所有材料在植入動物體內后均發現有炭碎片的存在，研究者認為是試驗中炭/炭復合材料作為接骨板植入時由六個金屬螺釘的緊合造成的。Lewandowska-Szumie等[37]的研究同時也證明：動物實驗中，無論何種基體炭、是否有熱解炭的涂覆，在植入體-組織中的炭顆粒均是在植入過程中，骨與植入體之間的摩擦或復合材料本身的脆性所致；但炭顆粒均不至于引發炎癥，在脾或淋巴結中都未觀察到其留存。因此對于炭/炭復合材料用作植入材料，大多還是認為它不會降解。
3.3.2 炭/炭復合材料與人骨強度的適配
盡管炭/炭復合材料的強度優于羥基磷灰石，與人骨的彈性模量相當，但在抗彎、抗壓強度上仍然不及人骨的強度。有研究者為提高復合材料的彈性模量，利用玻璃纖維和炭纖維做成混雜纖維增強環氧樹脂的復合材料接骨板[38-39]。這種混雜纖維增強的方式確實給人們帶來了一種新的研究思路，同時也帶來了復合材料成份中的雜質，以及各組分增強體老化速度不一的問題。檢索文獻發現，對于炭/炭復合材料接骨板與人骨的強度適配，目前還沒有文獻和相關標準明確接骨板的強度和疲勞標準。
3.3.3 炭/炭復合材料的表面改性
在使用金屬和高分子植入材料時，為了降低植入材料與人骨的應力落差，提高植入材料的耐磨性、延緩降解速度，以及改善材料表面的生物相容性，研究者對植入材料的表面進行了改性處理，例如在復合材料表面涂覆羥基磷灰石以提高材料的生物活性[40-41]，但由于羥基磷灰石的脆性，其易脫落而導致效果不佳。近年來有報道在人工關節頭部表面涂覆SiO2和SiC以加強植入材料的耐磨性，發現人體必需的Si元素對正常軟骨和骨的成長有促進作用。例如，在鈣磷基體的材料合成中，引入痕量的Si可以有效地促進骨和周邊結締組織的生理結合過程[42]。同時，為檢測表面涂覆帶來的Si元素是否過量，通過皮下、骨內植入材料到新西蘭成年白兔體內，并對白兔的尿液進行24小時的收集和檢測，發現所有超過動物所需的多余Si均可以通過尿液排出體外，且在各主要臟器內無存留，從而驗證了過量的含Si元素涂層在動物體內的安全性[43]。植入材料的表面改性對于提高材料的生物相容性、耐磨性以及防止顆粒的脫落都起到了積極的作用。
4 結語
接骨板的發展從早期的遵循堅強內固定原則到現在的生物學內固定原則，要求接骨板用材料不僅要具有足夠的力學強度，還要具有優異的生物相容性。隨著新型材料工藝和性能的改進以及臨床經驗的豐富，傳統的金屬材料會逐漸被新型材料所取代。目前臨床中已經投入使用的新型材料接骨板以nHA/PLA復合材料為主，在保留一定力學強度的同時也具有優異的生物相容性，具有很好的應用前景。炭/炭復合材料接骨板作為未來接骨板的研究方向，應著眼于以下工作：在與人骨對比分析后，對植入材料的強度及壽命(疲勞)建立明確的標準，再通過材料設計，如坯體的增強方向、增強體含量、編制技術、增密工藝的選擇，制備滿足使用強度要求的接骨板。同時，通過對材料表面涂層以及涂層后的活化處理，研究其生物相容性和對人體骨組織再生的誘導機制。
