生物降解

生物降解金屬醫用材料是指金屬植入物在輔助並完成生物組織修復的過程中，在生物體內逐漸腐蝕直至完全溶解的一類金屬材料，同時材料的腐蝕產物對生物體不會產生或產生輕微的宿主反應。因此可生物降解金屬材料的主要組成元素應為可被生物體通過新陳代謝排出體外的基本金屬元素，並在生物體內具有一定的腐蝕速率。

生物降解金屬材料主要包括純鎂及鎂基合金、純鐵及鐵基合金、純鋅及鋅基合金、鎢和（鈣基、鋅基和鍶基）大塊非晶合金等。

生物陶瓷在生理環境中產生的結構或物質衰變，其產物被機體吸收利用或通過循環系統排出體外，稱為陶瓷的生物降解。生物可降解或生物可吸收陶瓷材料植入骨組織后，材料通過體液溶解吸收或被代謝系統排出體外，最終使缺損的部位完全被新生的骨組織所取代，而植入的生物可降解材料只起到臨時支架作用。在體內通過系列的生化反應一部分排出體外，一部分參與新骨的形成。

廣泛應用和研究的可降解和吸收的生物陶瓷主要是指磷酸鈣類生物陶瓷材料，它包括磷酸三鈣、磷酸四鈣和羥基磷灰石以及它們的混合物等，這類磷酸鈣類陶瓷材料植入體內后經過一段時間，可部分或全部吸收，發生陶瓷生物降解，其中生物降解顯著的為β-磷酸三鈣（β-TCP）陶瓷，它具有良好的生物降解性、生物相容性和無生物毒性，當其植入人體后，降解下來的 Ca、P 能進入活體循環系統形成新生骨。

可降解吸收生物高分子材料在體內一段時間可以充分發揮功能，一段時間后開始降解並失去原有的功能，其降解產物經新陳代謝后被吸收或排出體外。由於可降解吸收生物高分子材料無須再次施行外科手術將其移出，因而在要求臨時性存在的植入治療中有廣泛的應用前景。主要應用在手術縫合線、外科手術隔離材料、人造皮膚、人造血管、骨固定及修復、組織工程載體及藥物控制釋放等領域。

可降解吸收生物高分子材料根據其來源分為天然和人工合成兩類。

天然材料是指來源於動植物或人體內天然存在的大分子，如纖維素、甲殼素、澱粉、木質素、海藻酸等天然多糖類材料；膠原、纖維蛋白原等天然蛋白質類材料。

合成生物降解高分子合成類可降解吸收生物高分子材料通過控制工藝條件，具有可重複性，還能進行大量生產，並且通過簡單的物理、化學改性可獲得廣泛的性能來滿足不同需要，因此合成類可降解吸收生物高分子材料的應用更加廣泛。主要有聚α-羥基酸、聚酸酐、聚α-氨基酸和脂肪族聚酯。

根據待測材料的分類與性質，可參照下列醫療器械生物學評價標準對其降解產物進行定性與定量分析：

1.GB/T 16886.13-2001 醫療器械生物學評價 第13部分：聚合物醫療器械的降解產物的定性與定量

2.16886.14-2003 醫療器械生物學評價 第14部分:陶瓷降解產物的定性與定量

3. GB/T 16886.15-2003 醫療器械生物學評價 第15部分:金屬與合金降解產物的定性與定量

GB/T 16886.16-2003 醫療器械生物學評價 第16部分:降解產物和可溶出物的毒代 動力學研究設計

生物降解有機化合物的難易程度首先決定於生物本身的特性，同時也與有機物結構特徵有關。結構簡單的有機物一般先降解，結構複雜的一般后降解。具體情況如下：

①脂肪族和環狀化合物較芳香化合物容易被生物降解。

②不飽和脂肪族化合物(如丙烯基和羰基化合物)一般是可降解的，但有的不飽和脂肪族化合物（如苯代亞乙基化合物）有相對不溶性，會影響它的生物降解程度。有機化合物主要分子鏈上除碳元素外還有其他元素（如醚類、飽和對氧氮乷和叔胺等），就會增強對生物降解作用的抵抗力。

③有機化合物分子量的大小對生物降解能力有重要的影響。聚合物和複合物的分子能抵抗生物降解，主要因為微生物所必需的酶不能靠近並破壞化合物分子內部敏感的反應鍵。

④具有被取代基團的有機化合物，其異構體的多樣性可能影響生物的降解能力。如伯醇、仲醇非常容易被生物降解，而叔醇則能抵抗生物降解。

⑤增加或去除某一功能團會影響有機化合物的生物降解程度。例如羥基或胺基團取代到苯環上，新形成的化合物比原來的化合物容易被生物降解，而鹵代作用能抵抗生物降解。很多種有機化合物在低濃度時完全能被生物降解；而在高濃度時，生物的活動會受到毒性的抑制，酚便是一例。降解機理在水中溶解的有機物能否擴散穿過細胞壁，是由分子的大小和溶解度決定的。目前認為低於12個碳原子的分子一般可以進入細胞。至於有機物分子的溶解度則由親水基和疏水基決定的，當親水基比疏水基佔優勢時，其溶解度就大。溶於水的有機醇代謝開始時，羥基被氧化，醇便氧化為酸。在生物代謝中，酸是活化的中間產物，一部分酸被代謝為二氧化碳和水，所產生的能量使剩餘酸轉變為原生質的各種組分。不溶於水的有機質,其疏水基比親水基佔優勢,代謝反應只限於生物能接觸的水和烴的界面處。尾端的疏水基溶進細胞的脂肪部分並進行β－氧化。有機物以這種形式從水和烴的界面處被逐步拉入細胞中並被代謝。微生物和不溶的有機物之間的有限接觸面，妨礙了不溶解化合物的代謝速度。有機物分子中碳支鏈對代謝作用有一定影響。一般情況下，碳支鏈能夠阻礙微生物代謝的速度,如正碳化合物比仲碳化合物容易被微生物代謝,叔碳化合物則不易被微生物代謝。這是因為微生物自身的酶須適應鏈的結構，在其分子支鏈處裂解，其中最簡單的分子先被代謝。叔碳化合物有一對支鏈，這就要把分子作多次的裂解。代謝的步驟越複雜，生化的反應就越慢，代謝作用的速度是由微生物對有機物的適應能力和細胞中酶的濃度決定的。

降解途徑對環狀化合物和多環芳烴的代謝途徑一般有5種：

①在單一氧化酶的催化下氧化有機質。

②二羥基化，即有機物降解開始時接受兩個氧原子形成兩個羥基。

③在酶的催化下水中的氧原子作為羥基進入基質。

④在苯環裂解時必需雙氧化酶催化，使苯核帶上兩個羥基取代物。

⑤對於帶內酯的苯環裂解的代謝順序是先形成內酯，然後水解內酯而達到苯環裂解。研究有機物的降解途徑和形式，可為闡明微生物降解能力，以及為合成生物可降解的農藥和難降解的防腐劑提供依據。酚是構成芳香物的基本單元，是一種常見的有機污染物。酚類化合物是通過苯型化合物直接羥基化，需要一個氧分子進行羥基化和環的裂解反應，所以用微生物處理酚的廢棄物,可以採用強烈曝氣法。如果不曝氣,在處理生活污水時酚將轉化為難聞的氯酚。多環芳烴污染對生物有致突變作用和致癌作用。因此引起人們的重視。微生物代謝多環芳烴的途徑為順式羥基化，即需雙加氧酶的作用才能完成，而哺乳動物氧化這類化合物只要一個加氧酶就能完成。以後的反應有一種是加水作用產生反式二氫二醇。因此，微生物能氧化苯並(a)芘為順式9,10-二羥基-9，10-二氫苯並(a)芘，能氧化苯並(a)蒽為順式1,2-二羥基-1，2-二氫苯並(a)蒽，還能氧化聯苯為順式2,3-二羥基-1-苯基環己-4,6-二烯。微生物對萘、菲和蒽的降解途徑與上述類似。發展趨勢①研究自然環境中有機污染物和無機污染物的生物降解途徑，尋找自然界中具有生物凈化能力的特殊群體，探討生物降解和污染物的相互作用關係，以便制定消除污染的措施。②利用遺傳學方法將多種有益的特性基因重組成具有多功能、高降解能力的菌株。③利用酶的固定化技術製備成專一的或多功能的生物催化劑，以降解多種污染物。如將胰蛋白酶和核糖核酸酶吸附在硅膠或玻璃纖維上，以去除塵埃，阻留和溶化水中帶病毒的粒子。又如將酶吸附在氧化鐵粉末上，酶和污染物作用后，藉助磁鐵回收利用。