电子束灭菌对生物玻璃复合形状记忆支架的影响

《Macromolecular Materials and Engineering》：Impact of E-Beam Sterilization on Bioglass Composite Shape Memory Scaffolds

颅颌面骨缺损的自适应SMP-BG复合材料支架在电子束辐照灭菌后仍保持优异的结构稳定性、机械性能和生物活性，其中含10 wt.% BG的支架降解速率略有增加，但羟基磷灰石矿化效果不受影响。

　　本研究探讨了一种基于形状记忆聚合物（SMP）和45S5生物玻璃（BG）的“自适应”生物活性复合支架材料，用于治疗不规则形状的颅面骨缺陷。这种材料的创新之处在于其能够在植入体内后，根据骨骼的形状自动适应，从而实现良好的骨组织接触，提高再生效率。研究重点评估了电子束（E-beam）灭菌（25 kGy）对这种材料的性能影响，包括其结构完整性、机械性能、热行为、形状记忆特性以及生物活性。

在颅面骨修复领域，复杂的骨缺损往往具有不规则的几何形态，这使得传统治疗方法如自体移植面临诸多挑战。自体移植虽然被认为是“黄金标准”，但其在骨与移植材料接触方面存在局限性，容易导致移植材料过早吸收，同时由于供体部位的并发症，自体移植的可用性也受到限制。因此，研究开发具有“自适应”能力的支架材料成为一种可行的替代方案。这些支架能够通过形状记忆效应，在植入体内后，根据缺损的形状进行塑形，并在冷却后恢复原有结构，从而紧密贴合缺损区域，促进骨组织再生。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种称为“溶剂铸造-颗粒沥滤法”（SCPL）的方法，通过融合盐与生物玻璃模板来制备支架。这种方法能够确保生物玻璃均匀分布在支架的孔壁上，而不会影响其整体结构。支架主要由线性聚己内酯-二丙烯酸酯（linear-PCL-DA）组成，其中部分材料还包含线性聚乳酸（linear-PLLA），以形成半互穿网络（semi-IPN）。这种设计不仅提高了支架的机械强度，还加快了其降解速率，有助于在体内逐渐被吸收，从而促进新生骨组织的形成。

为了确保这些支架能够用于临床，它们必须能够承受现代灭菌方法。传统的灭菌方式如环氧乙烷（EtO）虽然广泛应用，但存在一些健康和安全方面的担忧，同时处理时间较长。相比之下，电子束灭菌因其快速处理时间、高剂量控制以及符合国际标准（如ISO 11137）而受到越来越多的关注。此外，电子束灭菌可以在最终包装中完成，减少了灭菌过程对材料的额外影响，提高了操作的便利性。

本研究系统评估了25 kGy电子束灭菌对SMP复合支架及其对照组（非复合支架）的影响。通过一系列实验，包括溶剂含量测定、孔结构分析、压缩性能测试、热性能分析、形状记忆行为评估以及生物活性测试，研究人员发现电子束灭菌对支架的结构和性能影响较小。具体而言，灭菌后的支架在溶剂含量、孔结构特征（如孔径和孔隙率）以及压缩性能方面均保持良好，表明其在灭菌过程中未发生显著的结构破坏。

此外，电子束灭菌对形状记忆行为的保留也十分关键。形状记忆效应是SMP支架的核心特性之一，其依赖于材料的结晶区（即形状转变温度T_trans）和交联网络（即网络点）。研究表明，即使经过电子束灭菌，这些材料的形状记忆性能依然保持在95%以上，表明其在实际应用中具有良好的适应性和稳定性。

在热性能方面，研究发现电子束灭菌对PCL的结晶温度（T_m）和结晶度（%X_c）影响较小。尽管某些支架在灭菌后显示出轻微的结晶度变化，但整体而言，这些变化并不显著，不会对材料的性能造成明显影响。同时，由于PCL的交联网络在灭菌过程中未受到破坏，其热行为和机械性能得以维持。

在生物活性方面，研究评估了支架在模拟体液（SBF）中的羟基磷灰石（HAp）矿化能力。结果表明，所有经过电子束灭菌的复合支架均表现出良好的生物活性，能够在1天内诱导HAp矿化，而对照组的非复合支架则未发生类似现象。这表明，电子束灭菌不会影响材料的生物活性，其在体内仍能有效促进骨组织的再生。

降解速率也是影响材料性能的重要因素。研究发现，含有较高浓度生物玻璃（10 wt.%）的复合支架在灭菌后降解速率有所加快。这一现象可能与生物玻璃的高亲水性有关，其促进了水分子的渗透，进而加速了材料的水解过程。然而，对于含有较低浓度生物玻璃（5 wt.%）的支架，其降解速率变化不明显。这表明，生物玻璃的含量对降解速率有显著影响，而电子束灭菌在一定程度上放大了这一效应。

在表面特性方面，研究发现电子束灭菌对支架的表面形态和粗糙度（Sa）影响不大。通过静态接触角分析，研究人员进一步验证了电子束灭菌对支架表面亲水性的影响，结果显示其亲水性未发生显著变化。这表明，灭菌过程不会影响支架与组织之间的相互作用，从而确保其在体内良好的生物相容性。

总体来看，电子束灭菌对这些SMP复合支架的影响非常有限，能够保持其结构完整性、机械性能、热行为和生物活性。这一结果对于推动这些材料在临床中的应用具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨电子束灭菌对PCL交联网络密度和表面特性的影响，以及在生理条件下材料降解和机械性能的变化情况。此外，为了确保这些材料的安全性和有效性，还需要进行更全面的生物相容性评估，如符合ISO-1993标准的测试。

本研究不仅为SMP复合支架的临床应用提供了重要的理论依据，也为其他类似材料的开发提供了参考。电子束灭菌作为一种高效的灭菌方法，能够满足现代医疗设备对灭菌过程的要求，同时保持材料的生物活性和机械性能。因此，这种材料有望成为治疗不规则形状颅面骨缺损的首选方案，同时也可能在其他骨组织修复领域，如骨科和牙科中发挥重要作用。未来，随着更多临床研究的开展，这些支架材料的潜力将进一步得到验证和拓展。