基于 PLA 的复合种植体用于下颌骨折修复：迈向可生物吸收的解决方案

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：PLA-based composite implants for mandibular fracture: towards bioresorbable solutions

本研究采用聚乳酸（PLA）复合纳米羟基磷灰石和改性壳聚糖材料，通过挤出-注塑成型制备生物可吸收骨固定装置，以解决传统钛合金植入物的离子释放、应力屏蔽和二次手术等问题。结合有限元分析和力学测试，证实该复合材料在低负荷区域如下颌骨折固定中具有可行性，且细胞毒性实验表明其生物相容性良好。

　　

Devleena Bose|Pratik Nag|Manoj Kumar Dhal|Vimal Katiyar

印度古瓦哈提理工学院化学工程系，北古瓦哈提，阿萨姆邦-781039，印度

摘要

下颌骨折是最常见的面部损伤之一，通常需要手术治疗。传统上使用钛板和螺钉进行刚性固定。虽然这些方法有效，但常用的金属固定植入物（如钛及其合金（例如Ti-6Al-4V）、不锈钢和钴铬合金）存在一些并发症，包括离子释放、由于弹性模量不匹配导致的应力屏蔽、成像伪影，以及在某些临床情况下需要二次手术，从而增加了患者的负担。为了解决这些问题，可吸收聚合物成为了一种有前景的替代方案。在这项研究中，选择了聚乳酸（PLA）作为材料，因为它具有生物降解性、生物相容性和可再生性，并通过添加纳米羟基磷灰石（HAp）和改性壳聚糖（MCS）填料来提高其柔韧性和机械性能。使用挤出-注塑成型技术制备了PLA/nHAp/MCS复合材料，并在万能试验机下对其进行了机械性能测试。此外，还采用了有限元（FE）分析来模拟下颌骨折的固定情况，以便对载荷传递、骨折稳定性和植入物性能进行临床前评估。结果表明，基于PLA的生物复合材料适用于下颌骨折的固定，有望减少并发症并消除二次手术的需要。细胞毒性研究表明，即使在较高浓度下，该生物复合材料也对小鼠成纤维细胞系无毒。

引言

由于外伤、跌倒、个人攻击、口腔癌或机动车事故导致的面部骨折和畸形发病率不断上升，下颌区域的外科手术需求显著增加[Marx, 2003; Ferlay, 2013; Cai, 2016; Zhang, 2024]。下颌骨位于面部下方，负责下牙和颌线的运动，因此在受到外伤时容易发生骨折。处理此类骨折的主要目标是尽快恢复受伤前的解剖结构，稳定骨折区域以恢复功能。因此，颅颌面手术涉及通过植入刚性内固定装置来重建受影响的髁部区域的缺损[Park, 2018; Narra, 2014]。传统的开放复位技术包括钢丝骨缝合和颌内固定。这些技术的常见并发症包括感染（如骨髓炎）、面部变宽、错颌和植入物失败。由于钛板和螺钉的刚性固定效果，它们是首选治疗方法，其中螺钉头部紧密插入板中，避免了外部切口可能造成的神经损伤。此外，微型钢板也便于在颌骨的任何位置进行固定[Levy, 1991]。目前，钛微板和螺钉被广泛用于下颌骨折的刚性固定。然而，金属板和螺钉也存在一些缺点，如金属离子的溶解及其在局部淋巴结和其他器官中的积累、应力屏蔽现象，以及在CT成像中产生的伪影[Davis et al., 2022; Iannitti et al., 2011]。因此，往往需要在骨折愈合后进行二次手术以移除金属植入物，这会增加患者的总体社会经济负担。

开发一种可吸收的聚合物固定系统可以作为一种有效的替代方案[Neumann, 2019]。一旦骨折愈合，聚合物系统的降解产物会自然从体内排出，从而避免二次手术。生物相容性和可吸收的聚合物，特别是聚酯类，因其优异的机械性能、生物降解性和低免疫原性而在生物医学应用中受到关注。一些值得注意的可吸收聚酯包括聚甘醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）及其共聚物。PLA是一种脂肪族聚酯，与其他可吸收聚合物相比具有可再生性、生物相容性和加工性等优点[Lee et al., 2023; Pina, 2012]。PLA的单体乳酸来自可再生自然资源，通过农业原料的发酵获得。PLA可以通过乳酸的聚缩合或内酯的开环聚合来生产[Torres-Hernández, 2018]，并在生物医学领域引起了广泛关注。PLA的降解产物对人体既无毒也不致癌，是植入物和药物输送系统的理想材料[Lee et al., 2024; Peng, 2015]。然而，由于PLA本身具有脆性且断裂时的伸长率非常低，需要通过加入HAp、壳聚糖（CS）等生物填料来改善其柔韧性[Cheung, 2015; Kumar, 2005]。为了增强物理性能和表面特性，可以通过缩合聚合工艺将CS改造成改性壳聚糖（MCS），后者在组织工程应用中表现出色[Pal, 2016; Bose, 2024]。

可以使用多种计算机模拟技术对这类复合材料的性能进行临床前评估。基于有限元（FE）的计算机模拟方法已成为评估与骨折骨骼相关的各种植入材料和设计的可靠方法。Lovald等人在他们的研究中使用FE分析对下颌骨折用骨板进行了参数优化，优化了骨板的条形宽度、圆角半径、板厚和螺钉孔的空间位置等参数，以在最小植入体积的情况下实现最大的骨折稳定性[Lovald, 2006]。Cox等人研究了聚乳酸和聚甘醇酸的可吸收塑料共聚物作为典型下颌角骨折的板-螺钉（植入物）材料[Cox, 2003]。通过FE分析，他们得出结论，这些材料具有足够的强度和刚度，适用于下颌角骨折的刚性固定。其他作者也使用FE分析评估了金属板在下颌关节骨折固定中的性能；然而，关于基于PLA的骨折板的FE研究非常有限[Peng, 2015; Ilavarasi, 2011; Vajgel, 2013; Tarashi, 2006; Mohamed Haneef, 2019]。大多数现有的关于聚合物植入物的FE分析基于简化假设或来自其他报告实验的数据[Vajgel, 2013; Tarashi, 2006; Mohamed Haneef, 2019]。

随着对口腔生物力学的了解加深和生物复合材料的进步，FE分析可以成功预测下颌骨折处的载荷传递，评估不同植入材料的性能，并评价各种植入技术的有效性。本研究的特定目的是通过FE分析验证所制备的生物复合材料作为下颌骨折金属固定装置的替代材料的可行性。据作者所知，几乎没有研究系统地制备了基于PLA的复合材料，并通过FE进行临床前评估以确定其作为植入物的可行性。在这里，我们介绍了一种新型生物复合材料，可以用作下颌骨折等低载荷区域的植入材料，替代传统的金属植入物。本研究的目标分为两部分：第一部分是通过挤出-注塑成型实验制备PLA/nHAp/MCS复合材料，并在万能试验机（UTM）下对其进行机械性能测试；第二部分是使用FE分析对制备的复合材料进行临床前评估，以确定其作为低载荷下颌骨折植入物的适用性。我们假设将nHAp和MCS加入PLA基体中（通过挤出成型后进行注塑），可以提高复合材料的机械强度，使其适合用于低载荷固定应用。

部分摘录

基于PLA的复合材料的合成

如图1所示，在“对流加微波”模式下，以110°C和240 W的功率在微波炉中进行了30分钟的缩合聚合反应，制备了OLLA-g-CH母料。然后使用挤出-注塑成型技术制备了PLA/nHAp/MCS复合材料（图1d）。将挤出的混合物按照ISO 527–2-1BA标准浇铸在微注射模具中，并对其机械性能（如拉伸强度）进行了表征

3D FE模型开发及制备样品的机械强度评估

为了评估制备的生物复合材料的强度，在万能试验机（UTM）下进行了机械测试。目的是验证该材料是否可以用作与下颌骨相关的低载荷植入物。为此，根据CT扫描数据集创建了相应的下颌关节3D FE模型（图2A）。然后将板和螺钉虚拟植入下颌关节（图2B）。考虑将100 N的载荷作为咬合力

讨论

评估机械性能是制造特定生物相容性复合材料以设计生物医学设备的关键参数之一。在生物医学应用中，需要评估其承受机械载荷的能力以满足特定功能。了解材料的物理化学响应对于开发植入物材料也至关重要。因此，我们重新审视了之前发表的研究，使用了相同的材料PLA/nHAp/MCS

CRediT作者贡献声明

Vimal Katiyar：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Manoj Dhal：方法论、正式分析、数据管理。Pratik Nag：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法论、研究、概念化。Devleena Bose：撰写 – 初稿撰写、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理

未引用的参考文献

Cai et al., 2016; Cheung et al., 2015; Cox et al., 2003; Ferlay et al., 2013; Iannitti et al., 2010; Ilavarasi and Anburajan, 2011; Kumar et al., 2005; Levy et al., 1991; Lovald et al., 2006; Mohamed Haneef et al., 2019; Narra et al., 2014; Neumann and Kevenhoerster, 2009; Pal et al., 2018; Park et al., 2018; Peng et al., 2015; Pina and Ferreira, 2012; Soballe et al., 1992a; Tarashi, 2016; Torres-Hernández et al., 2018; Vajgel et al., 2013; Zhang et al., 2024.

利益冲突

作者之间不存在利益冲突。

资助

本工作得到了FICCI和Orthotech India Pvt Ltd.在总理博士研究计划下的财政支持。

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。