生物陶瓷材料在骨組織工程中的應(yīng)用

劉齊海 崔 磊

生物陶瓷材料在骨組織工程中的應(yīng)用

劉齊海 崔 磊

組織工程學(xué)是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)的原理在體外或在體內(nèi)制造組織和器官，從而達(dá)到修復(fù)損傷組織和改善其功能的一門交叉學(xué)科[1]。骨組織工程學(xué)是組織工程研究領(lǐng)域中專門從事組織工程化骨組織研究的一個(gè)分支，處于組織構(gòu)建與缺損修復(fù)的最前沿。由于骨組織具有相對(duì)單一的組織成分，客觀上降低了體外構(gòu)建的難度，因此，骨組織工程被認(rèn)為是可能率先進(jìn)入臨床應(yīng)用的研究領(lǐng)域之一[2]。骨組織工程的基本方法是，將分離得到的高濃度種子細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)、誘導(dǎo)、擴(kuò)增后，種植于具有良好生物相容性和生物可降解性的支架材料上，然后將這種細(xì)胞－生物材料復(fù)合體植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時(shí)，種植的種子細(xì)胞不斷增殖、分化、分泌細(xì)胞外基質(zhì)，局部形成新的類骨基質(zhì)，從而達(dá)到修復(fù)骨組織缺損的目的[3]。

在骨組織工程研究中，支架材料占據(jù)著非常重要的地位。它主要起著模板的作用，保持原有組織的形狀，為種子細(xì)胞提供賴以黏附、增殖和分化的場(chǎng)所，引導(dǎo)受損組織的再生和控制再生組織的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，支架材料還會(huì)影響種子細(xì)胞的各項(xiàng)生物學(xué)特性，從而決定回植后能否與受體很好地結(jié)合，并發(fā)揮其修復(fù)缺損的作用[4]。與其他支架材料相比，生物陶瓷由于在細(xì)胞相容性與生物相容性、生物可降解性、三維多孔立體結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)性能等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一直以來都是骨組織工程生物支架材料的研究重點(diǎn)，同時(shí)也是目前應(yīng)用最多的骨組織工程支架材料。

生物陶瓷材料按其生物學(xué)特性可分為生物惰性陶瓷（如Al2O3）、生物降解陶瓷（如磷酸三鈣）和生物活性陶瓷（如羥基磷灰石）三大類。其中，生物降解陶瓷和生物活性陶瓷是骨組織工程支架材料的研究重點(diǎn)。

1 生物惰性陶瓷材料

生物惰性陶瓷材料的物理機(jī)械性能及功能特性與人體組織相匹配，與組織接觸不產(chǎn)生炎癥或凝血現(xiàn)象，無急性毒性或刺激反應(yīng)，一般無補(bǔ)體激活產(chǎn)生的免疫反應(yīng)[5]。這類材料的應(yīng)用是基于對(duì)材料本身性能的全面了解，是人類應(yīng)用最早的生物材料。

氧化鋁（Al2O3）陶瓷由高純氧化鋁粉體燒結(jié)而成，是生物惰性陶瓷材料的代表。由于燒結(jié)條件不同，主要生成α和γ兩種晶型。γ-氧化鋁屬兩性氧化物，在酸、堿作用下易發(fā)生化學(xué)變化；α-氧化鋁為三方晶系，屬化學(xué)惰性晶體，也就是通常所說的氧化鋁生物惰性陶瓷材料。該材料具有優(yōu)異的生物相容性，在生理環(huán)境中相當(dāng)穩(wěn)定，抗腐蝕，沒有溶出物，低膨脹，而且強(qiáng)度高，主要用作外科矯形手術(shù)的承重假體（如人工髖關(guān)節(jié)、人工膝關(guān)節(jié)等）。在制作氧化鋁生物種植體時(shí)，制品的外部形態(tài)對(duì)種植體與受體組織（尤其是骨組織）的結(jié)合有重要影響，表面300 μm左右的微小凹凸有利于早期骨組織長(zhǎng)入固定，而表面數(shù)毫米大小的凹凸有利于與骨組織長(zhǎng)期牢固的固定[6]。

除了常用的氧化鋁生物陶瓷外，惰性氧化物生物陶瓷還有氧化鋯、氧化鎂、氧化硅以及混合氧化物陶瓷。這些陶瓷材料在性能上各有其特點(diǎn)，在機(jī)械強(qiáng)度、加工性能等方面彌補(bǔ)了氧化鋁生物陶瓷的某些不足。

總體而言，惰性生物陶瓷材料由于其生物惰性，在生物體內(nèi)很難降解，無法被新生組織所替代，主要作為永久替代物應(yīng)用于臨床骨科以修復(fù)骨缺損。因此，嚴(yán)格來講，其并不能作為傳統(tǒng)意義上的組織工程支架材料。

2 生物降解陶瓷材料

細(xì)胞－生物材料復(fù)合體回植體內(nèi)后，能隨著時(shí)間推移而逐漸被吸收的材料被稱為生物降解材料[7]。生物降解陶瓷材料主要包括磷酸鈣陶瓷、硫酸鈣陶瓷等，其最大優(yōu)點(diǎn)是回植后最終無異物存留。材料完全吸收后，所形成的新骨塑形不再受材料存在的影響，而強(qiáng)度優(yōu)于新骨與材料結(jié)合的強(qiáng)度。

磷酸三鈣（TCP）的結(jié)構(gòu)分為高溫相（α-TCP）和低溫相（β-TCP）。α-TCP具有自固化性質(zhì)，可作為骨水泥使用；而β-TCP生物相容性好，降解產(chǎn)物參與新骨形成，是最常用于骨組織工程的生物支架材料。β-TCP的Ca/P為1.50，屬三方晶系，是生物降解陶瓷材料的代表。生物可降解β-TCP主要是多孔型和顆粒型的，而致密的β-TCP在生理環(huán)境中較穩(wěn)定。1972年，Driskell等[8]研制出多孔β-TCP陶瓷材料，并將其作為骨植入材料回植于犬與白鼠體內(nèi)。植入20～25 d后，大約有25%～30%左右的β-TCP被吸收，顯示出較好的降解性能。同時(shí)，在被吸收部位發(fā)現(xiàn)有成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，提示了其作為骨組織工程支架材料的可行性。近來，Yuan等[9]以多孔β-TCP復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（Bone marrow stromal cells，BMSCs）修復(fù)犬下頜骨部分缺損，材料降解與新骨生成良好，且修復(fù)處所生成新骨各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)與對(duì)照組自體骨無顯著性差異，說明可降解β-TCP陶瓷材料是一種較好的骨組織工程支架材料。另有研究結(jié)果顯示，β-TCP陶瓷材料的降解主要有3個(gè)途徑：①體液中的生理化學(xué)溶解，其溶解速度取決于多種因素，包括材料的比表面積、相組成、結(jié)晶度以及周圍體液的pH值等；②物理解體，體液浸入陶瓷中燒結(jié)不完全而殘留的微孔，使得連接晶粒的“細(xì)頸”溶解，從而使得陶瓷解體為微粒；③細(xì)胞（主要是破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）的吞噬，在β-TCP的生物降解過程中，在其臨近的淋巴核中發(fā)現(xiàn)有陶瓷顆粒，表明材料的生物降解過程首先是材料解體為小的顆粒，然后由吞噬細(xì)胞遷移至臨近組織并被全部或部分吞噬。因此，可以通過改進(jìn)燒結(jié)條件以優(yōu)化β-TCP的體內(nèi)降解速率。另外，可吸收β-TCP的力學(xué)性能受其孔隙率、晶粒度以及相組成的影響，強(qiáng)度相對(duì)較低，主要用于不承力部位的骨缺損修復(fù)。

硫酸鈣（CaSO4·2H2O）陶瓷屬單斜晶系，晶體集合體一般為纖維狀、葉片狀、針狀等，常具有燕尾形雙晶結(jié)構(gòu)。醫(yī)用硫酸鈣陶瓷體內(nèi)可降解，且生物相容性好，無明顯細(xì)胞毒性、致敏性和遺傳毒性，于1996年6月獲FDA及CE標(biāo)志，臨床應(yīng)用上千例，證明是安全、有效的。Turner等[10]在犬雙側(cè)股骨近端進(jìn)行硫酸鈣、自體骨以及空白移植實(shí)驗(yàn)，通過比較發(fā)現(xiàn)硫酸鈣陶瓷材料體內(nèi)降解良好，且在骨缺損修復(fù)處有14.3%的新骨形成，而自體骨組為8.6%，空白組僅為3.6%。硫酸鈣陶瓷促進(jìn)成骨機(jī)制目前還沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其并不具備刺激新骨生成的特性，而僅具有骨引導(dǎo)作用，能很好地提供成骨所需的環(huán)境條件，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用；另一方面，硫酸鈣溶解的鈣離子為新骨形成提供了豐富的鈣源，促進(jìn)了骨缺損的修復(fù)。硫酸鈣陶瓷材料的力學(xué)性能與松質(zhì)骨相近，同時(shí)可作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）、抗生素等的載體，在組織工程化骨組織構(gòu)建中具有較好的應(yīng)用前景。

珊瑚是珊瑚蟲分泌的外骨骼沉積，其化學(xué)成分中99%為碳酸鈣，還有少量的其他元素和有機(jī)成分。珊瑚的三維多孔結(jié)構(gòu)與生物體的松質(zhì)骨相似，且孔隙率高，生物降解性好，易加工成型，已廣泛應(yīng)用于骨組織工程構(gòu)建。Vacanti等[11]將患者自體骨膜成骨細(xì)胞與天然珊瑚材料復(fù)合用于指骨再造，取得了良好的效果。Cui等[12]將脂肪干細(xì)胞（Adipose-derived stem cells，ASCs）體外成骨誘導(dǎo)后與珊瑚復(fù)合，成功修復(fù)了犬臨界大?。–ritical-size）的顱骨缺損，進(jìn)一步顯示出其作為骨組織工程細(xì)胞支架材料的優(yōu)勢(shì)。但是，珊瑚材料也有其缺點(diǎn)：①力學(xué)性能較差，與人體骨組織的抗壓強(qiáng)度差異較大；②體內(nèi)降解過快，與新骨生成速度不相匹配。不少學(xué)者使用各種材料改性技術(shù)以彌補(bǔ)珊瑚材料的這些缺陷，其中熱液交換反應(yīng)[13]能夠使珊瑚的部分碳酸鈣成分轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基磷灰石(HA)，使它的降解速度下降，而原有孔隙率不變，硬度提高，細(xì)胞相容性也得到一定程度的提升。

3 生物活性陶瓷材料

生物活性是指生物材料與骨組織之間的鍵合能力。生物活性陶瓷材料在體內(nèi)有一定溶解度，釋放物為對(duì)機(jī)體無害的某些離子，能參與體內(nèi)代謝，對(duì)新骨生成有刺激或誘導(dǎo)作用，能促進(jìn)缺損組織的修復(fù)，顯示有生物活性。材料與骨組織親和性好，界面新生骨細(xì)胞活躍，材料與骨組織能形成穩(wěn)定的結(jié)合界面。

羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是人體和動(dòng)物骨骼無機(jī)物的主要成分，因而是骨組織構(gòu)建中最常使用的一種生物活性陶瓷材料。1972年，Aoki[14]成功合成了HA并燒結(jié)成陶瓷。不久，Jarcho等[15-16]也燒結(jié)成HA陶瓷并發(fā)現(xiàn)其具有良好的生物相容性。自此之后，各國(guó)學(xué)者對(duì)HA進(jìn)行了廣泛而深入的研究。HA的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P為1.67，屬六方晶系。HA具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，植入體內(nèi)安全、無毒，既能引導(dǎo)新骨生長(zhǎng)，又能與骨形成緊密的化學(xué)鍵合，成骨細(xì)胞可在其表面直接分化形成骨基質(zhì)，產(chǎn)生一個(gè)無定形的電子密度帶，膠原纖維束長(zhǎng)入此區(qū)域和成骨細(xì)胞間，骨鹽結(jié)晶在這個(gè)無定形帶中發(fā)生。隨著礦化成熟，無定形帶逐漸縮小，HA植入體同骨的鍵合就是通過此窄帶的鍵接來實(shí)現(xiàn)的[17]。HA的抗壓強(qiáng)度和彈性模量都比較高，適合作為骨組織替代物，但其降解性能差，體內(nèi)降解速度慢，不利于新骨長(zhǎng)入。因此，可將HA同其他生物材料復(fù)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以得到更為優(yōu)良的骨組織工程支架。將HA與β-TCP復(fù)合所形成的HA/β-TCP雙相陶瓷材料顯示出具有比單純的HA和β-TCP更好的生物學(xué)、力學(xué)以及降解性能，其原因可能在于HA/β-TCP雙相陶瓷更近似于天然骨的礦物質(zhì)組成。同時(shí)，HA/β-TCP雙相陶瓷能夠強(qiáng)烈吸附BMP、表皮生長(zhǎng)因子（Epidermal growth factor，EGF）、睪丸素等成骨誘導(dǎo)因子，這使其同樣具有成骨誘導(dǎo)活性。

除了以上傳統(tǒng)的幾種生物陶瓷以外，近年來，有關(guān)鈣-硅基生物活性陶瓷材料的研究成了骨組織工程支架材料領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。這類硅酸鹽陶瓷材料具有良好的生物活性和降解性，有望成為新一代骨修復(fù)材料。

從元素組成來看，鈣是人體的重要元素之一，直接影響骨的鈣化過程，而硅也是人體的一種重要的微量元素，其吸收水平直接影響到骨的質(zhì)量。Xynos等[18-22]發(fā)現(xiàn)含有鈣和硅的生物活性玻璃的離子溶出物能夠刺激成骨細(xì)胞的增殖與基因表達(dá)。進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示，硅對(duì)于誘導(dǎo)磷灰石在生物材料表面的沉積具有重要作用[23]。因此，不少學(xué)者在生物陶瓷材料中引入硅以提高其成骨活性，取得了良好效果。Nakajima等[24]對(duì)透輝石（CaMgSi2O6）陶瓷材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在模擬體液中誘導(dǎo)了HA的沉積，提示其可能被用作牙科修復(fù)材料。此研究小組后來有關(guān)兔下頜骨缺損的修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，回植的透輝石陶瓷材料與骨組織形成了骨性結(jié)合[25]。Wu等[26-28]首先以溶膠-凝膠法高溫?zé)Y(jié)制成致密鈣鎂黃長(zhǎng)石陶瓷材料，又以海綿支架法制成三維多孔鈣鎂黃長(zhǎng)石陶瓷。其研究結(jié)果證實(shí)，這種生物陶瓷材料不但具有可控的降解速率和力學(xué)性能，在體外培養(yǎng)過程中還能釋放各種活性離子，并且能在材料表面形成鈣磷礦化沉積，顯示出良好的生物相容性和成骨誘導(dǎo)活性。Sun等[29]的研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的骨組織工程支架材料β-TCP相比，鈣鎂黃長(zhǎng)石陶瓷更能促進(jìn)BMSCs在體外的黏附、增殖以及成骨分化。

骨組織工程支架材料是構(gòu)建骨組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。雖然目前對(duì)生物陶瓷材料的研究很多，發(fā)展很快，但尚未找到一種非常理想的骨組織工程用生物陶瓷材料，還有很多問題需要解決。除了尋找新的生物陶瓷之外，最近迅速發(fā)展起來的納米技術(shù)、三維打印技術(shù)、分子仿生技術(shù)以及各種材料加工技術(shù)可以幫助我們對(duì)現(xiàn)有生物陶瓷材料進(jìn)行有目的的加工、復(fù)合及修飾，使其更符合骨組織工程支架材料的要求。

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R318.08

B

1673－0364（2009）－02－0114－03

2008年8月13日；

2009年1月11日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.04.018

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科；200235上海市上海組織工程研究與開發(fā)中心。