酶的降解作用對生物支架材料的機(jī)械性能的影響
采用補(bǔ)片的無張力疝修補(bǔ)術(shù)是20世紀(jì)末劃時代的手術(shù)，被譽(yù)為20世紀(jì)疝修補(bǔ)手術(shù)的“里程碑”。
理想的腹壁缺損修補(bǔ)材料要有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械張力，耐受感染，盡量減少切口疼痛、局部不適、切口感染、血清腫、腸粘連和腹壁腸漏等較難處理的后遺癥發(fā)生，以免影響生活質(zhì)量。
疝和腹壁外科使用修補(bǔ)材料的研究進(jìn)展與學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。近年來，各類生物源性材料的疝修補(bǔ)片（biological mesh）不斷涌現(xiàn)，由于其植入后不引起強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，有可吸收、可降解的特點(diǎn)，且具有可觀的抗拉伸強(qiáng)度及耐受感染能力，應(yīng)用前景良好。
但是由于生物補(bǔ)片在體內(nèi)會逐步降解，如果生物補(bǔ)片的降解快于宿主細(xì)胞浸潤細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞分裂、膠原沉著和新生血管形成，那么新形成組織的總體量和強(qiáng)度將不能充分達(dá)到腹壁修補(bǔ)的目的。
今天，我們選取了一篇美國國立衛(wèi)生研究院于2013年發(fā)表的關(guān)于生物材料強(qiáng)度方面研究的文獻(xiàn)進(jìn)行解讀。
美國國立衛(wèi)生研究院，簡稱NIH，位于美國馬里蘭州貝塞斯達(dá)（Bethesda），是美國最高水平的醫(yī)學(xué)與行為學(xué)研究機(jī)構(gòu)，初創(chuàng)于1887年，任務(wù)是探索生命本質(zhì)和行為學(xué)方面的基礎(chǔ)知識。
注：由于水平有限，翻譯中有錯誤之處，萬望海涵。
酶的降解作用對生物支架材料的機(jī)械性能的影響
摘要
研究背景——植入的生物材料支架在促進(jìn)自體組織重構(gòu)的過程中必須能夠發(fā)揮復(fù)雜的平衡酶的降解作用。本研究是為了在體外評估酶對生物支架機(jī)械性能的影響。一般的設(shè)想認(rèn)為，在含有酶的溶液作用下，生物支架的拉伸強(qiáng)度會降低，而經(jīng)過交聯(lián)的支架材料比沒有交聯(lián)的支架材料更能有效地抵抗酶的降解作用。
研究方法——本研究評估了九種生物支架材料，四種來源于豬皮：Permacol，CollaMend，Strattice，XenMatrix；兩種來源于人皮：AlloMax，F(xiàn)lexHD；兩種來源于牛心包：Veritas，PeriGuard；一種來源于豬小腸粘膜：Surgisis。先將每種材料的10個樣品放在37℃的鹽水中水合后進(jìn)行了單向拉伸測試，以此作為材料性能對照基線。然后將50個樣品泡入37℃膠原酶溶液，分別經(jīng)過2,6,12,24,30小時后，進(jìn)行單向拉伸測試（每10個樣品一組，5個時間點(diǎn)取出，合計50個樣品）。
結(jié)果——經(jīng)過30小時候以后，CollaMend，AlloMax，Veritas，Strattice，XenMatrix，Permacol，F(xiàn)lexHD的拉伸強(qiáng)度明顯降低，而PeriGuard的拉伸強(qiáng)度反而略有上升。經(jīng)過交聯(lián)的牛心包材料（PeriGuard）在任何時間節(jié)點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度都比沒有經(jīng)過交聯(lián)的牛心包材料（Veritas）要高。同樣地，經(jīng)過交聯(lián)的豬皮（Permacol）比沒有交聯(lián)的豬皮（Strattice，XenMatrix）也顯示出了相同的特性。
結(jié)論——材料在體外酶溶液中迅速退化，而同樣的情況在體內(nèi)也會有相同的存在，特別是暴露在創(chuàng)傷的組織環(huán)境下，此處基質(zhì)金屬蛋白酶水平明顯提高。Permacol，CollaMend，Strattice，F(xiàn)lexHD，PeriGuard經(jīng)受了最長的30小時酶溶液的作用并且仍能完成機(jī)械性能測試（其他材料都已經(jīng)退化變質(zhì)了）。
XenMatrix，AlloMax，Veritas，Surgisis四種材料迅速退化變質(zhì)，在最長的酶溶液作用后（30小時）已經(jīng)不復(fù)存在。生物支架在體外膠原酶的作用下能保持強(qiáng)度，這對于需要長時間恢復(fù)的疝修補(bǔ)來說是非常有利的，因?yàn)樾迯?fù)部位酶的水平會有提升預(yù)期。
關(guān)鍵詞——Hernia repair; Biologic mesh; Tensile strength; Enzymes; Matrix metalloproteinases; Strain
人工合成材料的補(bǔ)片廣泛應(yīng)用于疝修復(fù)及泌尿婦科應(yīng)用領(lǐng)域，如聚丙烯，膨體聚四氟乙烯等。然而，合成材料作為永久性植入材料會產(chǎn)生慢性炎癥反應(yīng)，而且無法被宿主重塑。生物材料近來作為合成材料的替代品出現(xiàn)，其主要由不同的動物或人體的細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，來源包括表皮，心包，小腸粘膜。
這些生物材料的特性取決于來源的物種以及部位，也和處理方式有關(guān)。所有的生物補(bǔ)片都會經(jīng)過初始的脫細(xì)胞處理，而有些后期進(jìn)行了化學(xué)交聯(lián)劑處理。交聯(lián)劑的處理使得材料內(nèi)細(xì)胞基外蛋白纖維之間產(chǎn)生連接，從而增加了材料的強(qiáng)度，以避免在體內(nèi)膠原酶和白明膠酶的作用下材料過快的強(qiáng)度損失。
采用生物材料的優(yōu)勢是它含有的細(xì)胞外基質(zhì)包含膠原、彈性纖維、生長因子以及其他的成分可以促進(jìn)組織在修復(fù)部位重塑。生物材料可以被逐漸降解后被新的含有血管的宿主自體組織替代。最終，長期以后宿主體內(nèi)將不會存在植入材料，因此將最大限度的減少慢性炎癥反應(yīng)。生物材料的另外一個優(yōu)勢是它可以用于需要盡快血管化和避免細(xì)菌長入的創(chuàng)傷部位。
盡管有很多優(yōu)勢，生物材料也存在一些問題，例如相比合成材料成本過高，有些材料過早降解使得修復(fù)失效等。對酶的降解作用有一定的抵御作用是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樾扪a(bǔ)的傷口部位往往酶的含量較高，例如炎癥細(xì)胞和中性粒細(xì)胞產(chǎn)生的間質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）。生物材料必須在修復(fù)的過程中，在復(fù)雜的抵御降解和提升細(xì)胞的附著、新組織沉積及生成血管方面取得平衡。
MMPs在傷口愈合和組織重塑的過程中會對細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原及彈性蛋白有分解作用。MMPs包含膠原酶及白明膠酶，例如MMP-1，-2，-8及-9。膠原酶MMP-1,-8通常在在愈合的傷口中可以被檢測到，MMP-1由成纖維細(xì)胞產(chǎn)生，可以降解III型膠原蛋白，而MMP-8由嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生，可以降解I型膠原蛋白。白明膠酶，例如MMP-2及MMP-9也是分別由成纖維細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生，可以降解膠原及彈性蛋白。生物材料由細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，主要成分是I型及III型膠原蛋白，以及一些彈性蛋白，生長因子和其他一些生物活性成分。
由于MMPs中的膠原酶及白明膠酶在體內(nèi)對生物材料的降解其主要作用，我們選取了一個復(fù)合膠原酶（Sigma#C0130）進(jìn)行了本文如下的實(shí)驗(yàn)。這個復(fù)合酶包含了膠原酶以及其他與降解膠原有關(guān)的蛋白酶。這種蛋白酶和膠原酶的綜合作用使組織發(fā)生重塑，文中將采用這樣的復(fù)合酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
生物材料已經(jīng)發(fā)展出很多潛在應(yīng)用，如疝修補(bǔ)及乳房重建，不同部位的植入需要不同的生物材料特性。這些生物材料經(jīng)過脫細(xì)胞、交聯(lián)、滅菌等工藝，成為可以作為長期修補(bǔ)的材料植入人體。本文的研究就是評價酶的降解作用對不同生物材料性能的影響。通過考察不同來源經(jīng)過不同交聯(lián)處理的生物材料，我們評價了交聯(lián)及其他處理?xiàng)l件對材料抵抗酶降解作用的特性，看材料是否能保持其強(qiáng)度的完整性。普遍認(rèn)為，在復(fù)合酶溶液中浸泡的材料經(jīng)過一段時間后其強(qiáng)度會下降。即使對于同一來源的從生物材料，相比于沒有經(jīng)過交聯(lián)處理的材料，經(jīng)過交聯(lián)處理的材料可以更加有效抵抗酶的降解作用，從而保持其初始強(qiáng)度。
在酶的作用下，識別出什么樣的變化會影響材料性能的改變，這樣就可以讓外科醫(yī)生在不同的應(yīng)用下選取合適的生物材料。一些如疝修補(bǔ)及乳房重建的應(yīng)用需要生物材料在相對長時間內(nèi)保持其初始強(qiáng)度。另外一些如表皮修復(fù)及預(yù)防切口疝的材料就可以允許早期損失一些強(qiáng)度。對不同材料抵抗酶解 深入對比也可以增加外科醫(yī)生對材料降解速度差異的理解，尤其是破評估傷口環(huán)境MMPs水平提升情況下的應(yīng)用風(fēng)險。
材料及方法
所評估的材料
本文評估了九種生物材料（豬皮： Permacol, CollaMend, Strattice, XenMatrix；人皮： AlloMax, FlexHD；牛心包：Veritas, PeriGuard；豬小腸粘膜： Surgisis）。其中三個是經(jīng)過交聯(lián)的材料： Permacol， CollaMend，PeriGuard；表1給出了每一種材料的處理情況，以往的文獻(xiàn)中有他它們的處理細(xì)節(jié)。
樣品準(zhǔn)備
每種材料準(zhǔn)備了60個樣品（n=60）。單向拉伸的標(biāo)準(zhǔn)試樣為“狗骨頭”形狀，寬25px，長150px，中部變細(xì)的部位為10px寬，37.5px長（尺寸根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)#D638-03制備），如圖1所示。制備樣品時采用了一個不銹鋼的樣品模板，利用手術(shù)刀進(jìn)行裁剪，以保證樣品的一致性。
機(jī)械性能評估
如前述文章提及，先將每種材料各10片放入37 °C 的鹽水中充分浸泡（約2小時）。這些材料作為沒有酶的作用的的“零時間”基線樣本，代表植入前材料的機(jī)械性能。再將每種材料的10個樣本放入37 °C的0.1M緩沖液中（PH7.4）,其中包含0.05M的CaCl2和，20U/mL膠原酶，在浸泡的各個時間點(diǎn)取出進(jìn)行機(jī)械性能評測(2, 6, 12, 24, 30 h)。膠原酶酶溶液的濃度及浸泡時間的選擇來自未發(fā)表的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，與實(shí)際臨床應(yīng)用并無對應(yīng)關(guān)系。
在每個時間點(diǎn)，取出樣品，除去多余的溶液，然后進(jìn)行單向拉伸測試。
拉伸應(yīng)力的計算是通過拉力（單位N）除以樣品的橫截面積（mm2）得到的，橫截面積是中間段的寬度（10px）和材料厚度的乘積。材料厚度是通過激光測量，應(yīng)變是通過樣品拉伸時長度變化除以樣品原始長度獲得。簡單地說，應(yīng)變是樣品在拉伸試驗(yàn)中的變形程度。最后，彈性模量（楊氏模量）是應(yīng)力和應(yīng)變的比，它代表了材料的彈性，即抵抗變形的能力。
材料受到酶的降解作用后，其受拉強(qiáng)度，應(yīng)變，及模量都應(yīng)該發(fā)生劇烈變化，機(jī)械性能下降。由于膠原酶分解了材料膠原結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞外基質(zhì)，所以其受拉強(qiáng)度會降低，相比基線材料，受酶作用后的材料在更小的變形下就會被拉斷，而且更容易變形伸長（楊氏模量更?。＝宦?lián)處理增加了膠原之間的連接，所以材料的初始強(qiáng)度更高，彈性模量更大，相比沒有交聯(lián)的材料更不容易變形。而且我們相信經(jīng)過交聯(lián)的材料更能有效抵抗酶的降解作用，隨作用時間的增加，經(jīng)過交聯(lián)的材料的機(jī)械性能改變更小。
統(tǒng)計分析
統(tǒng)計p值設(shè)定為p<0.05，采用Systat軟件進(jìn)行單變量分析。
結(jié)果
樣品很少在中間以外的區(qū)域被破壞，遇到這樣的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接被剔除，不計入統(tǒng)計。圖2,3,4中，帶星號標(biāo)注就是只有9個樣品的統(tǒng)計結(jié)果。
另外，有些樣品在經(jīng)歷一段時間酶溶液作用后已經(jīng)被降解到無法正常完成拉伸測試的程度，這種情況下，強(qiáng)度計為0MPa，但應(yīng)變和彈性模量無法計算。
所有Permacol和PeriGuard的樣品在所有酶解時間后都獲得了正常數(shù)據(jù)，多數(shù) CollaMend,Strattice,FlexHD樣品獲得了正常數(shù)據(jù)，而 XenMatrix, AlloMax,Veritas,Surgisis 在長時間酶溶液作用后無已經(jīng)法完成強(qiáng)度測試。因此，圖2,3,4中不適用（N/A）表示無法計算應(yīng)變和彈性模量數(shù)值，因?yàn)榇藭r，材料已經(jīng)被酶解到無法完成機(jī)械性能測試的程度。
拉伸應(yīng)力（MPa）
圖2給出了拉伸強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)。最大拉伸強(qiáng)度是受試樣品破壞前承受的最終拉伸載荷。在酶溶液作用30小時以后，CollaMend, AlloMax, Veritas, Strattice, XenMatrix, Permacol, and FlexHD 拉伸強(qiáng)度都發(fā)生了明顯降低，而PeriGuard的拉伸強(qiáng)度還有一些提升， Surgisis無明顯變化。經(jīng)過交聯(lián)的牛心包材料（Peri-Guard）在酶溶液作用的任何時間段都比未交聯(lián)的牛心包材料（Veritas）的強(qiáng)度高。同樣地，經(jīng)過交聯(lián)的豬皮（Permacol）相比沒有交聯(lián)的豬皮材料（Strattice 和 XenMatrix）也有相同的特性。
在進(jìn)行了最大拉伸強(qiáng)度測試后，這些生物材料就按照來源類型和是否交聯(lián)進(jìn)行分類分析。
其中一種交聯(lián)的豬皮(Permacol）在任何酶溶液作用時間段其強(qiáng)度不但明顯大于沒有交聯(lián)的豬皮(Strattice 和 XenMatrix），而且明顯大于其他交聯(lián)的豬皮（CollaMend）。
另一種交聯(lián)的豬皮（CollaMend）顯示了某種混合結(jié)果，特別是長時間酶溶液作用以后。在初始狀態(tài)下，CollaMend比沒有交聯(lián)的Strattice強(qiáng)度明顯要差，然而在酶溶液作用后的所有時間段，CollaMend和Strattice都顯示了非常類似的強(qiáng)度。
CollaMend和XenMatrix在酶溶液作用之前拉伸強(qiáng)度類似，然而 CollaMend在酶溶液分別作用2,6,12小時后比XenMatrix在相同時間作用下的強(qiáng)度都要高。它們在酶溶液作用24及30小時后的強(qiáng)度基本相同。
兩個沒有交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和 XenMatrix）在酶溶液作用之前的強(qiáng)度基本一致。而在酶溶液作用2,6,12小時后，Strattice的強(qiáng)度要明顯好于XenMatrix。而作用24及30小時后，它們的強(qiáng)度又基本一致。
兩種沒有交聯(lián)的人皮材料顯示了不同來源材料的顯著區(qū)別。初始狀態(tài)下AlloMax比FlexHD的強(qiáng)度明顯要強(qiáng)，而酶溶液作用后的所有時間段FlexHD的強(qiáng)度顯著強(qiáng)于AlloMax。
對牛心包材料來說，交聯(lián)材料（PeriGuard）初始有很高的強(qiáng)度，而且在酶溶液作用的所有時間段都保持了很高的強(qiáng)度。沒有交聯(lián)的牛心包材料（(Veritas）卻沒有這樣的特性。
應(yīng)變（%）
圖3給出了應(yīng)變測試的結(jié)果。簡單地說，應(yīng)變就是材料在拉伸強(qiáng)度測試中的拉伸變形程度的度量。經(jīng)過酶溶液作用30小時以后，Permacol, AlloMax, FlexHD, PeriGuard,Surgisis的材料應(yīng)變都沒有變化，而Strattice和CollaMend的應(yīng)變顯著減小。
我們分析了不同種類的材料應(yīng)變特性隨酶溶液作用時間的變化，而且也對同種材料是否交聯(lián)的情況進(jìn)行了對比。
經(jīng)過交聯(lián)的豬皮材料（Permacol）初始應(yīng)變小于未經(jīng)交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和 XenMatrix）。然而經(jīng)過酶溶液作用后，它們的應(yīng)變差異消除，例外情況是12小時后，Permacol的應(yīng)變比XenMatrix要大。
另一種經(jīng)過交聯(lián)的豬皮材料（CollaMend）的應(yīng)變特性在初始狀態(tài)下和沒有交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和 XenMatrix）相似，酶溶液作用2小時以后，CollaMend顯示出應(yīng)變大于其他兩種材料，而6小時后它們之間的應(yīng)變差異減小，12小時后CollaMend的應(yīng)變又要大于其他兩種材料。
對比兩種交聯(lián)的豬皮材料我們發(fā)現(xiàn)，在初始狀態(tài)及酶溶液作用早期，Permacol的應(yīng)變小于 CollaMend，酶溶液作用一段時間后，差異減小。兩種未交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和 XenMatrix）在應(yīng)變特性上沒有顯著差異。比較兩種未經(jīng)交聯(lián)的人皮材料（FlexHD和AlloMax），它們在初始狀態(tài)下，應(yīng)變基本一致，然而在酶溶液作用2,6,12小時后， FlexHD的應(yīng)變明顯大于AlloMax。
牛心包材料的應(yīng)變水平基本沒有顯著差異。交聯(lián)的牛心包材料（PeriGuard）有更低的應(yīng)變基線。然而，酶溶液作用2小時和6小時以后，這兩種材料的差別就不大了。
彈性模量
圖4顯示了材料彈性模量的結(jié)果。彈性模量是材料彈性特征，它表示材料抵抗變形的特性。在酶溶液作30小時后，CollaMend, XenMatrix, AlloMax, FlexHD, PeriGuard, Veritas, Surgisis的彈性模量沒有發(fā)生顯著變化，而 Permacol和 Strattice的彈性模量明顯減小。
我們來看看根據(jù)材料來源和是否交聯(lián)進(jìn)行分類比較的結(jié)果。
經(jīng)過交聯(lián)的豬皮材料Pernacol，其彈性模量在任何時間段都明顯大于沒有交聯(lián)（Strattice和XenMatrix）和另一種交聯(lián)（CollaMend）的豬皮材料。CollaMend和未交聯(lián)的兩種豬皮材料（Strattice和XenMatrix）在所有時間段的彈性模量基本一致，除了在6小時作用后CollaMend的彈性模量比XenMatrix明顯要大。類似地，兩種未經(jīng)交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和XenMatrix）的彈性模量基本一致，除了6小時作用后Strattice的彈性模量比XenMatrix明顯要大。
比較兩種未經(jīng)交聯(lián)的人皮材料可以看出，F(xiàn)lexHD的初始彈性模量明顯小于 AlloMax。而2,6,12小時的酶溶液作用后，F(xiàn)lexHD的彈性模量就大于 AlloMax了。
對牛心包材料來說，交聯(lián)的材料（PeriGuard）初始彈性模量及所有酶溶液作用時間段的彈性模量都要大于未交聯(lián)的材料(Veritas）。
討論
越來越多的生物材料應(yīng)用于不同的植入領(lǐng)域，全面了解它們在潛在應(yīng)用中（如疝修補(bǔ)）的特性非常關(guān)鍵。處理這些材料的工藝過程如脫細(xì)胞、交聯(lián)、滅菌等對于植入材料的遠(yuǎn)期修補(bǔ)效果都產(chǎn)生重要的作用。脫細(xì)胞的過程就是用化學(xué)方法或利用酶的作用使生物材料里面的細(xì)胞溶解，然后把溶解后的雜質(zhì)去除。不同來源的材料需要不同的脫細(xì)胞的方法，各個材料生產(chǎn)廠家用他們各自獨(dú)特的工藝完成這一過程，所以很難評估原始纖維材料的性能是否受到脫細(xì)胞工藝的影響。交聯(lián)是生物材料處理中額外的一步，通過交聯(lián)可以增加膠原纖維之間的鏈接，從而提高材料其拉伸強(qiáng)度和酶解的抵御作用。與脫細(xì)胞類似，交聯(lián)工藝也是通過不同的化學(xué)媒介完成，如碳二亞胺，戊二醛，六亞甲基二異氰酸酯。通常滅菌是生物材料處理的最后一步。一般采用乙醇、射線、環(huán)氧乙烷、電子束等方式滅菌。在這三個工藝步驟中，只有交聯(lián)被設(shè)計用來改變材料的初始特性。然而，在其他工藝中，可能在脫細(xì)胞或滅菌過程中發(fā)生材料脫水或發(fā)生意外的交聯(lián)，最終也可能影響材料的特性。
除了不同的處理工藝之外（脫細(xì)胞、交聯(lián)、滅菌），不同生物來源（人、豬、牛）不同組織（表皮、心包、小腸粘膜）不同解剖位置（背部、手臂、腿部）的材料也都會因?yàn)槠渖砉δ懿煌w現(xiàn)出不同的初始材料特性。這些不同加上后期處理工藝的特異性，使得很難區(qū)分什么因素對材料最后的性能起決定性作用。由于影響因素眾多，我們選擇通過材料力學(xué)性能的變化來評估酶解對材料的影響。評估相同來源（例如豬皮）不同交聯(lián)狀態(tài)的材料，其他的處理工藝條件如脫細(xì)胞滅菌就需要非常明確。由此，我們希望確定除了交聯(lián)之外其他處理體條件是否會影響酶解對材料保持力學(xué)性能的效果。也希望確認(rèn)不同的交聯(lián)劑對相同來源的材料（如豬皮）抵抗酶解并保持力學(xué)性能的作用。
材料被降解從而失去機(jī)械性能的完整性導(dǎo)致其拉伸強(qiáng)度、應(yīng)變及彈性模量隨酶解時間的顯著損失。由于膠原酶對材料中膠原結(jié)構(gòu)細(xì)胞外基質(zhì)的分解，我們直觀地就可以理解為材料的強(qiáng)度下降，相比于基線材料在一定拉伸變形下更容易破壞（應(yīng)變更?。?，而且更容易變形（彈性模量更小）。交聯(lián)可以使材料中產(chǎn)生更多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接。因此相比于未交聯(lián)的材料，交聯(lián)過的材料初始強(qiáng)度更高，應(yīng)變和彈性模量更小。而且其抵抗酶解的作用也更強(qiáng)，表現(xiàn)為隨時間的推移，其力學(xué)性能變化更少。材料能夠在酶的作用下長時間保持其初始力學(xué)性能對需要長期修復(fù)的部位（如疝修復(fù)）有特別的優(yōu)勢，特別是這些部位的酶水平會預(yù)期提升。
開始我們評價了四種豬皮材料材料，包含兩種交聯(lián)的材料（Permacol 和 CollaMend）以及兩種未交聯(lián)的材料（Strattice 和 XenMatrix）。由于四種材料來源相同，對比的變量相對受到限制。對兩種未交聯(lián)的材料，唯一潛在的差異就是它們的脫細(xì)胞和滅菌工藝。這兩種材料都是采用電子束滅菌，所以實(shí)驗(yàn)中觀察到它們的差異性就應(yīng)該僅來源于它們脫細(xì)胞工藝的差異，這些復(fù)雜的工藝涉及到材料生產(chǎn)廠家的技術(shù)專利從而并沒有明確。
交聯(lián)豬皮材料（Permacol 和 CollaMend）的處理工藝差異更加復(fù)雜，首先在于它們采用的交聯(lián)劑不同。而且它們的脫細(xì)胞工藝（專利保密）和滅菌工藝（射線和環(huán)氧乙烷滅菌）都存在差異。因此這兩種材料的性能差異可能來源于上述的任何工藝差異。
從初始力學(xué)性能來看，交聯(lián)的豬皮材料Permacol是所有材料里強(qiáng)度最高的，而且隨著酶解時間的推移，其強(qiáng)度在所有時間段（2，6，12，24，30小時后）都保持了最高的狀態(tài)。Permacol隨酶解時間增加雖然體現(xiàn)了少量的強(qiáng)度損失，但由于其初始強(qiáng)度很高，使得它的強(qiáng)度并沒有在任何酶解時間段小于其他材料。而且Permacol的應(yīng)變和彈性模量水平也一直保持很小的變化，顯示了其對酶解的抵抗作用使得其整體力學(xué)性能變化不大。
另一種交聯(lián)的豬皮材料（CollaMend）其初始強(qiáng)度比Permacol要小很多，它和兩種未交聯(lián)的豬皮材料（Strattice和XenMatrix）初始強(qiáng)度相當(dāng)。然而，隨著酶解作用時間的推移，Strattice和XenMatrix的強(qiáng)度損失明顯，而CollaMend直到24及30小時之前基本能夠維持其初始強(qiáng)度。應(yīng)變的對比更加明顯，30小時酶解作用后兩種未交聯(lián)的豬皮材料應(yīng)變性能顯著下降。他們的彈性模量基本維持不變。經(jīng)過交聯(lián)的CollaMend材料由于有更多的內(nèi)部纖維連接，有效抵抗了酶解作用。然而，同樣經(jīng)過交聯(lián)的Permacol材料的出色表現(xiàn)表明它采用的特有的交聯(lián)劑和脫細(xì)胞或滅菌工藝使得它在抵抗酶解保持力學(xué)性能方面更加突出。
Strattice和XenMatrix的初始強(qiáng)度相似，但酶解后損失嚴(yán)重。而Strattice表現(xiàn)要好于XenMatrix，XenMatrix在酶作用12小時后就無法得到有效的載荷數(shù)據(jù)，Strattic可以順利完成30小時酶解后的測試。這表明雖然都未經(jīng)交聯(lián)處理，材料抵抗酶解作用的能力也是不同的。重申一下，這兩種材料的區(qū)別僅僅是脫細(xì)胞工藝的差別。這樣的差別導(dǎo)致其在長時間酶的作用下保持了初始力學(xué)性能，也可能是脫細(xì)胞的過程中無意發(fā)生了特定性交聯(lián)作用。兩種材料在30小時酶解作用后的應(yīng)變性能都顯著減小了，表明沒有交聯(lián)的豬皮材料的拉伸變形能力都下降了。XenMatrix的彈性模量基本維持不變，而Strattice在30小時酶解作用后彈性模量顯著下降。但是要注意到，Strattice的初始彈性模量要大于XenMatrix。因此，經(jīng)過一段時間作用后，即使 Strattice的彈性模量有顯著下降，也比XenMatrix要大。這個結(jié)論也符合強(qiáng)度測試結(jié)果，表明Strattice在處理工藝中的某些方面使得在保持力學(xué)性能上優(yōu)于XenMatrix。
同樣來評價一下兩種未經(jīng)交聯(lián)的人皮材料（FlexHD及AlloMax）。由于人皮材料不需要最后的滅菌工藝，兩種材料處理工藝的差異僅局限于脫細(xì)胞流程。FlexHD采用了乙醇和過氧乙酸溶液，而AlloMax采用了低劑量射線處理。然而，由于來源于人體，材料也會存在其他的一些差異，如年齡性別體表指數(shù)吸煙史糖尿病史及其他并發(fā)癥，還有皮膚部位（背部，手臂，下肢等）的不同。人體皮膚特性一定會隨著取材來源的不同而有差異，如年輕人和老人，健康和肥胖糖尿病人等等都會不同，同樣一個人，也會因部位不同，如背部和腿部的皮膚，而發(fā)生不差異。這些差異對外科醫(yī)生來說如果需要進(jìn)行材料對比就會非常困難，也無法因這些不同改變手術(shù)中材料的使用方式。
雖然AlloMax的初始強(qiáng)度是FlexHD的兩倍，但在酶解作用下很短的時間內(nèi)（2小時6小時）就發(fā)生嚴(yán)重?fù)p失，而且在24小時和30小時作用后由于強(qiáng)度損失過大而變得不可測量。而FlexHD的強(qiáng)度能夠有效保持，表明由于處理工藝的不同使得其可以有效抵抗酶解的作用。當(dāng)然，如上所述，材料來源的不同造成的差異也不應(yīng)被忽視。除此之外，F(xiàn)lexHD的應(yīng)變性能和彈性模量在酶解作用初期（2，6，12小時）都大于AlloMax。
由此評估了兩種牛心包材料（Veritas 和 PeriGuard）。PeriGuard經(jīng)過了戊二醛交聯(lián)處理，而Veritas沒有經(jīng)過交聯(lián)處理。Veritas的滅菌工藝是電子束，而PeriGuard采用乙醇和環(huán)氧丙烷進(jìn)行處理。兩種材料來源于同一家制造廠商，而且動物種類及部位來源相同，雖然由于專利保密未公開，但可以認(rèn)為其脫細(xì)胞工藝一致。由此兩種材料的區(qū)別僅僅是戊二醛的交聯(lián)處理以及潛在的滅菌工藝不同造成的影響。
PeriGuard初始強(qiáng)度比Veritas遠(yuǎn)高，而且在酶解作用30小時以后強(qiáng)度、應(yīng)變性能及彈性模量都保持的很好。而Veritas在酶解作用初始階段就明顯損失了強(qiáng)度，在6，12，24，30小時作用的時間段幾乎無法有效評估其力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，戊二醛的交聯(lián)作用可以有效抵抗酶解造成的材料力學(xué)性能的損失。
Surgisis是評價的第九種材料。它是目前市場上用于疝修補(bǔ)唯一來源于豬小腸粘膜的生物材料。這種材料未經(jīng)交聯(lián)，脫細(xì)胞工藝未公開。該材料在酶解的所有作用時間段，其強(qiáng)度應(yīng)變及彈性模量都沒有發(fā)生明顯變化。然而其初始力學(xué)性能較弱，三個指標(biāo)都很低，是所有材料中最差的。Surgisis在酶解作用6，12，24及30小時以后，都完全被降解。結(jié)果表明，這樣的材料在酶水平提升的部位不適用于臨床修補(bǔ)。
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交聯(lián)的處理可以有效增加生物材料對酶解的抵抗作用，并使材料保持其初始力學(xué)性能水平。這一點(diǎn)在交聯(lián)的牛心包（(PeriGuard）和豬皮材料（(Permacol）上尤其明顯。它們不但初始力學(xué)性能比未經(jīng)交聯(lián)的同種來源材料要好，在酶解作用的各個時間段也表現(xiàn)出了更優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，這一點(diǎn)不能推廣至所有交聯(lián)和未交聯(lián)材料的廣泛對比。在未交聯(lián)的材料比中，不同來源不用部位的材料也顯示了抵抗酶解的不同性能，而且對同樣來源的材料，脫細(xì)胞工藝的不同也會導(dǎo)致這樣的性能差異。
雖然結(jié)果很能說明問題，但也存在一些限制。
首先是體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是體內(nèi)極限的條件，不可能考慮體內(nèi)所有的復(fù)雜情況，特別是因人而異的患者傷口愈合情況。
其次，采用20U/mL的膠原酶濃度和體內(nèi)酶的濃度的對應(yīng)關(guān)系還缺乏相關(guān)證據(jù)。這個條件僅來源于一些基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不代表任何實(shí)際臨床情況條件。
第三，僅僅考慮酶解對材料的作用不符合體內(nèi)患者細(xì)胞長入及其他細(xì)胞外基質(zhì)蛋白結(jié)構(gòu)的影響。在體內(nèi)，植入材料的降解和新組織的沉積同時發(fā)生，體外實(shí)驗(yàn)很難模擬這樣的過程。另一方面，應(yīng)該對材料進(jìn)行雙向拉伸測試而不僅僅做單向拉伸測試。會在今后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行在人體腹壁的環(huán)境條件下進(jìn)行材料的雙向性能測試。
第四，材料樣品切割時并未考慮其方向。由于生物材料有特定的纖維方向，使得其性能有指向性。由于經(jīng)過處理后這樣的指向性減弱而且不容易被測量出來，所以在實(shí)驗(yàn)中沒有對材料的應(yīng)力方向性的不同加以區(qū)分。
最后，所有材料都準(zhǔn)備了60個測試樣本，并未對材料本身的來源差別加以區(qū)分。材料的纖維方向性和來源于相同部位不同個體也會造成力學(xué)性能差異。如果不考慮以上這些差異，本文的研究結(jié)果可以作為醫(yī)生在手術(shù)室選擇不同生物材料的依據(jù)。
總之，本研究給出了不同生物材料由于其來源和處理工藝的不同對其力學(xué)性能造成差異的第一手測試數(shù)據(jù)，有助于我們理解哪些材料在傷口環(huán)境酶的水平提高的條件下有被降解的風(fēng)險。
結(jié)論
在體外酶解作用下很快失效的生物材料在體內(nèi)環(huán)境下也會很快破壞，尤其是在傷口愈合處酶的水平有明顯提升。本研究證實(shí)了 Permacol, CollaMend, Strattice, FlexHD, PeriGuard 在酶解作用下維持了最長的時間周期（30小時）且保持了一定的力學(xué)性能。而 XenMatrix, AlloMax, Veritas,和Surgisis在酶的作用下很快降解。
