Drug delivery from internally implanted biomedical devices used in traumatology and in orthopedic surgery

Importance of the field: Millions of people receive annually an internal device aimed to repair or reconstruct damaged bone, and different therapeutic moieties are administered during or after surgery generally using systemic routes. The local administration of those moieties using in situ drug-eluting devices emerges as an alternative to minimize undesired side effects in healthy tissues, optimize the amount of drug needed, and reduce the costs.

Areas covered in this review: In vitro and in vivo published evidence regarding the performance of internally implantable drug-loaded biomedical devices for traumatology and orthopedic surgery are reviewed in this article, the problems that are encountered, and the main challenges in the development of a new generation of devices.

What the reader will gain: An insight of past and current efforts to control the rate of drug release from devices, as well as the requirements that future developments may fulfill, such as responding ‘on demand’ after biological signaling or communicating the device with the exterior.

Take home message: The main drawback for proper design of devices having improved capabilities mainly remains in the lack of understanding with regards to the complex regulation of physiopathological mechanisms and the thermodynamics at the interface between the implant surface and the surrounding tissue. The potential toxicity and risk versus benefits of any new drug-eluting device need to be evaluated carefully.     

自膨胀式支架在脑血管介入中的应用

背景：随着冠脉血管支架和外周血管支架置入技术的成熟,如今自膨胀式支架正成为国内外医疗器械厂商致力于开发的重点和热点产品,由于脑血管相当迂曲和细小,以及置入风险比其他部位血管高很多,因此自膨胀式支架的开发要难度很大。首要任务就是选用合适的生物医用材料,如何提高脑血管病支架材料的安全性、减少并发症是该项技术的要点和难点。目的：分析不同自膨胀式支架材料在脑血管介入中的应用的相关文献,比较自膨胀式支架置入与传统的脑血管病治疗方法的优势,以及安全性和相关并发症等问题。方法：收集不同自膨胀式支架治疗不同脑血管病的相关文献,就临床开始使用以及正在研究开发的各类自膨胀式支架材料的物理性能、化学性能和生物相容性进行对比分析,比较不同治疗方法的优缺点。结果与结论：关于血管内治疗的方案,仍然缺乏统一的标准。不同治疗方法都存在一定的弊端,各种治疗方案的安全性及有效性尚需要大规模、前瞻性、随即对照试验予以证实。随着自膨胀式支架材料的更新与发展,自膨胀式支架的应用可成为脑血管病的重要治疗方法。     

Vitallium铸造合金的理论研究与临床应用

背景：Vitallium的引进是铸造可摘义齿支架材料方面的一个突破性进展。目的：综述Vitallium的合金成分、材料性能优势、在临床医学及其他领域的应用。方法：应用计算机检索Medline数据库（1970年1月至2012年1月）,以＂alloying constituent,performance superiority,interdisciplinary application＂为检索词;应用计算机检索中国知网数据库（1970年1月至2012年1月）、万方数据库（1970年1月至2012年1月）,以＂合金成分,性能优势,跨领域应用＂为检索词。结果与结论：Vitallium由于其独有的合金成分、明显的材料性能优势获得了在口腔医学及临床医学如骨科以及肝胆外科等其他领域的广泛认可。与常用钴铬合金相比较,Vitallium具有较高的延展系数和维氏硬度,在临床应用中用其铸造的义齿支架刚性较大,变形小,不易折断,美观且舒适易调改,拓展了修复体的用途,延长了修复体的使用寿命。     

脱细胞近交系微型猪肌腱修复兔跟腱缺损

背景：异体肌腱移植是目前修复肌腱缺损的理想方法,但移植后的排斥反应是其使用受到限制的主要原因. 目的：观察脱细胞处理的版纳近交系微型猪肌腱移植修复兔跟腱缺损的疗效,以及其作为异种肌腱移植支架材料的可行性. 方法：将40只日本大白兔制作双后肢跟腱缺损实验动物模型后,随机均分为2组,脱细胞猪肌腱组用脱细胞版纳近交系微型猪肌腱修复,自体肌腱组用自体肌腱修复,术后用3-0肌腱线改良HEMI-KESSLER法进行端端原位吻合. 结果与结论：①移植后2周内,脱细胞猪肌腱组与自体肌腱组白细胞计数、C-反应蛋白测量结果差异无显著性意义（P 〉0.05）.②两组移植后局部反应小,伤口一期愈合,屈踝功能恢复正常.③组织学检查均未见明显淋巴细胞浸润,肌腱缝合处胶原纤维相互衔接.结果说明脱细胞版纳近交系微型猪肌腱能成功修复兔跟腱缺损,且具有组织相容性好、移植排斥反应轻的优点.     

鹿脱蛋白松质骨的生物相容性

背景：经过脱蛋白去抗原处理的异种松质骨作为骨移植材料,具有天然的多孔结构、可塑性及一定的机械强度。目的：观察鹿脱蛋白松质骨的生物相容性。方法：①热源实验与急性毒性实验：将鹿新鲜骨、脱蛋白松质骨及深低温冻干脱蛋白松质骨浸提液分别注入家兔耳缘静脉与小鼠腹腔。②溶血实验：将兔血混悬液分别加入鹿新鲜骨、脱蛋白松质骨、深低温冻干脱蛋白松质骨、碳酸钠（阳性对照）、生理盐水（阴性对照）中。③凝血实验：将鹿新鲜骨、脱蛋白松质骨及深低温冻干脱蛋白松质骨分别加入兔正常混合血浆中。④肌袋实验：在小鼠大腿肌袋处分别植入新鲜鹿骨、鹿脱蛋白松质骨及深低温冻干脱蛋白松质骨。结果与结论：鹿脱蛋白松质骨及深低温冻干鹿脱蛋白松质骨无热源反应,未引起毒性、溶血及凝血反应,植入小鼠肌肉内后未发生排斥反应。新鲜鹿骨6种实验有轻度异常,但无动物死亡。表明鹿脱蛋白松质骨及深低温冻干鹿脱蛋白松质骨具有良好的生物相容性。     

合成材料神经导管与自体神经移植修复周围神经缺损的比较

背景：生物可降解材料制成的神经导管可在体内降解,避免出现的神经卡压等问题,因而受到越来越多的关注. 目的：比较自体神经移植与3种合成可生物降解材料神经导管在修复周围神经损伤的效果差异. 方法：通过电生理学检测,形态学观察等神经恢复效果评价方法,对比分析近年来常用的胶原神经导管、DL-乳酸-ε-己内酯神经导管、聚乙醇酸神经导管与自体神经移植修复周围神经缺损的效果. 结果与结论：虽然神经导管与自体神经移植相比在理论上有其优势的一面,但不同合成材料的神经导管之间在神经功能恢复中存在明显差异性,DL-乳酸-ε-己内酯神经导管修复效果与自体神经移植无明显差异,是较为理想的神经导管材料,聚乙醇酸神经导管因自身的因素影响其降解性能,在3种神经导管中的修复周围神经损伤效果最差,胶原神经导管需要交联剂改善其机械性能,其修复周围神经损伤效果居于前两者之间,因此,这3种神经导管在神经功能再生方面还有潜在的缺陷,不能完全替代自体神经移植,而且3者之间的性价比,还缺少足够的大样本长期随机对照实验结果来验证,还需要进一步的实验观察.     

创面敷料封闭负压引流治疗慢性创面

背景：前期研究发现采用生物材料创面敷料封闭负压引流装置治疗创面后期由于局部创面的血污、组织分泌物或细菌滋生原因会出现堵管,而堵管区域下方的软组织修复往往不能获得满意效果. 目的：观察采用间隙冲洗式生物材料创面敷料封闭负压引流治疗慢性创面的临床效果. 方法：36例慢性创面患者采取自愿选择治疗的方式,分为间隙冲洗式生物材料创面敷料封闭负压引流、合成敷料封闭负压引流、常规换药处理治疗. 结果与结论：与合成敷料封闭负压引流组及常规换药处理组比较,间隙冲洗式生物材料创面敷料封闭负压引流组创面细菌检出率明显降低（P〈0.05）,愈合时间明显缩短（P〈0.05）;间隙冲洗式生物材料创面敷料封闭负压引流组治疗期间疼痛目测类比评分明显优于常规换药组（P 〈0.05）,与合成敷料封闭负压引流组比较差异无显著性意义（P 〉0.05）.提示采用间隙冲洗式生物材料创面敷料封闭负压引流能有效促进慢性创面愈合,降低创面感染率,减轻患者治疗时的痛苦,且无不良反应.     

骨髓基质干细胞复合煅烧骨的皮下成骨

背景：研究证明骨髓基质干细胞与煅烧骨支架材料结合后可形成组织工程化骨,但在动物体内的生物相容性及皮下诱导成骨的能力国内报道较少. 目的：观察骨髓基质细胞复合异种煅烧骨植入BALB/c裸鼠背部皮下的成骨性能及煅烧骨材料作为组织工程骨支架材料的可行性. 方法：选用经脱脂及脱蛋白处理后高温煅烧形成的骨支架材料与梯度密度离心法分离培养至第3代的羊骨髓基质干细胞构建细胞-煅烧骨复合物植入 BALB/c 裸鼠背部皮下,选同期对侧背部皮下植入单纯煅烧骨为对照组. 结果与结论：煅烧后的松质骨块为白垩色,表面呈蜂窝状多孔结构,保留了天然松质骨的多孔状空间结构.骨小梁结构完整,孔隙相互连通.骨髓基质干细胞接种到煅烧骨后24 h可见大量细胞黏附于支架上,7 d后细胞分泌大量细胞外基质,细胞与基质分界不清,细胞能在材料上良好地黏附、增殖与生长,细胞活性未受到支架材料的影响.植入4周后,两组均可见煅烧骨边缘出现少量残片,细胞-煅烧骨复合物组煅烧骨孔隙周边可发现骨细胞,对照组煅烧骨表面可见纤维结缔组织包绕.植入后8周,两组均可见到煅烧骨部分降解为片状类骨质,周围有成纤维细胞包绕,排列紧密,形态多样,细胞-煅烧骨复合物组煅烧骨孔隙内可见煅烧骨表面有排列成行的成骨细胞,孔隙间有散在淋巴细胞浸润.对照组标本可见孔隙内有大量结缔组织长入,未见明显成骨迹象.结果说明,经高温煅烧后的松质骨材料,具有良好的生物相容性和生物安全性,可作为骨髓基质干细胞的良好载体,复合后植入体内能够诱导新生骨组织形成,可作为骨缺损组织工程修复的支架材料.     

胸腰段椎体内血管分布与安全区内穿刺减少骨水泥的渗漏

背景：研究发现骨水泥渗漏大多与椎体成形治疗椎体压缩性骨折中椎体静脉回流相关。目的：分析胸腰段椎体血管分布规律,为施行椎体成形治疗时预防骨水泥渗漏提供理论依据。方法：选择100例胸腰段压缩性骨折患者,其中T11椎体骨折组30例,T12椎体骨折组17例,L1椎体骨折组25例,L2椎体骨折组28例,术前CT检查观察及测量椎体血管沟角度分布、安全区位置、血管沟所处于椎体内的位置。结果与结论：各组椎体血管沟角度分布差异无显著性意义,表明椎体间血管沟走向及安全区范围相对恒定。各组椎体平均高度、椎弓根平均高度和血管沟平面占椎体的平均高度差异无显著性意义,表明椎弓根位于椎体的上2/3,血管沟所在位置相对恒定于椎弓根的上2/3。提示胸腰段椎体都有相对恒定的安全区范围,椎体成形治疗时改善穿刺角度且穿刺至安全区可减少骨水泥渗漏。     

氧化海藻酸钠应用于体外循环管路

背景：目前体外循环肝素涂层管路应用较广,但是价格昂贵,限制了其广泛应用。目的：将多醛基海藻酸钠涂层到医用聚氯乙烯体外循环管路,筛选出最佳涂层条件和所制备管路的稳定性及抗凝性能。方法：利用高碘酸钠氧化海藻酸钠,制备高碘酸钠和海藻酸钠摩尔比分别为1∶8、1∶10和1∶12的多醛基氧化海藻酸钠,采用化学结合的方法将不同氧化度海藻酸钠固定到医用聚氯乙烯体外循环管路表面,筛选出最佳氧化度。以硫酸浓度、聚乙烯亚胺浓度、氧化海藻酸钠浓度、氧化海藻酸钠pH值和温度为因素,采用正交实验筛选最佳涂层条件,评价所制备管路氧化海藻酸钠固定的稳定性及抗凝血性能,并与空白对照组和肝素涂层组进行比较和分析。结果与结论：氧化海藻酸钠最佳氧化度为高碘酸钠和海藻酸钠摩尔比为1∶10。筛选出的最佳涂层条件为50%浓硫酸、0.05%聚乙烯亚胺、反应溶液pH值为3.5、反应温度为40℃和氧化海藻酸钠质量浓度为2g/L。氧化海藻酸钠涂层管路组脱落率与肝素涂层组有相似的结果,抗凝血性能稍劣于肝素涂层组（P〈0.05）,但显著优于空白对照组。表明氧化海藻酸钠涂层体外循环管路具有良好的抗凝血性能和较好的稳定性。