納米羥基磷灰石復合材料在骨組織工程中的研究

孫云鵬 張松林 郭萬厚

(華北煤炭醫(yī)學院附屬醫(yī)院 唐山 063000)

近年來,常用的骨骼替代品是金屬、塑料以及陶瓷等,其中以鈦和鈦合金為主。但由于金屬是生物惰性材料,與骨的結合僅僅是一種機械鎖合的方式,會產(chǎn)生磨損和成分擴散等問題。因此,在組織工程與人工器官、軟硬組織修復與重建方面,對材料的功能提出了新的挑戰(zhàn)。材料不僅是惰性植入體,而且要具有生物活性,能引導和誘導組織、器官的修復和再生。殼聚糖具有殺菌、消炎、促進細胞粘附和增殖等作用,且在自然界中儲量豐富。因而,近年來羥基磷灰石/殼聚糖復合材料的研究受到廣泛關注。

1 納米羥基磷灰石殼聚糖特點

1.1 納米材料的特性 納米(nm)是長度的度量單位,相當于百萬分之一毫米或億萬分之一米。納米技術(Nanotechnology)是指在小于 100nm的度量范圍內(nèi)對物質(zhì)結構進行研究和制造新物質(zhì)的技術[1]。就廣義而言,納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。材料細微化所產(chǎn)生的小尺寸效應、表面效應、量子效應、宏觀量子隧道效應等使納米材料的出現(xiàn)具有不同于許多常規(guī)材料的新奇特性。納米技術在 90年代獲突破性進展,它對生物醫(yī)學工程的發(fā)展與影響是顯而易見的,納米技術的應用在 21世紀生物醫(yī)學工程領域?qū)⒊蔀楸厝坏陌l(fā)展方向。羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)被認為是目前最有吸引力的骨組織替代材料,然而,純HA機械性能比較差,在潮濕的環(huán)境中weibull因子較低(n=5～12),作為人工植入體,其可靠性較差。因此到目前為止,單純HA陶瓷材料在醫(yī)學上的應用僅限于小的非負重部位[2,3]。而納米物質(zhì)所展現(xiàn)的非凡的物理特性正好使這一難題迎刃而解?；瘜W合成的普通 HA是多晶體,其大小、形狀、結構、成分類似人體內(nèi)生物礦化生成的HA,但二者仍有所不同。人體內(nèi)的 HA晶體是不規(guī)則形狀,平均寬度 50nm×25nm,厚度 2～3nm。從生物學角度講,合成的 HA晶體與人體內(nèi) HA越相似,骨結合和骨誘導性越好。納米微粒的大小為 1～100nm,由于其尺寸小,表面積大,表面能較高,因而具有更高的生物學活性。納米材料與普通HA比較在物理、化學、力學、擴散及燒結性能上都有顯著變化。

1.2 羥基磷灰石基本特點 羥基磷灰石屬于磷酸鹽系無機非金屬材料,化學結構式為Ca10(P04)6(OH)2。羥基磷灰石是人體硬組織(骨和牙)的無機質(zhì)的物質(zhì)組成成份,其晶體結構和化學成分與脊椎動物骨的礦物質(zhì)成分非常接近。這種材料與人體組織的生物相容性好,且無毒性,并能與骨組織形成很好的骨性結合。早在 1871年,羥基磷灰石就被人工成功合成,1926年,Bassett在X-射線衍射分析時發(fā)現(xiàn)牙和骨的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的 X射線譜相似。1930年,Naray-Szabo和 Mehmel獨立地應用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結構。1928年,Lcrichc和Policard就開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料,但由于技術限制,至 1972年,Aokizz和 Jarcho才成功燒結了羥基磷灰石,制得了羥基磷灰石陶瓷,并在隨后的幾年中發(fā)現(xiàn)燒結羥基磷灰石具有良好的生物學活性[4]。從此以后,羥基磷灰石作為生物材料,包括人工牙根、骨、關節(jié)等被廣泛研究。1978年羥基磷灰石陶瓷引入臨床醫(yī)學,隨后 Dem issen進一步研究了羥基磷灰石陶瓷種植體,1983年 Deputter等人報道了緊密羥基磷灰石種植體,1980年Ogiso等人開始緊密型羥基磷灰石種植體臨床應用研究,并對兩段式種植體進行了 5年時間的觀察,成功率達95%。大量實驗證實,HA植入骨組織后能在界面上和骨形成很強的化學性鍵合,具有骨傳導和骨誘導性,是一種性能優(yōu)異的生物活性材料。目前認為鈣磷陶瓷的生物化學相容性較鈦合金類好,能相對較早地形成骨性結合界面。將種植體與原骨組織的間隙增大超過 1mm,磷灰石類材料仍能形成骨性結合界面,而鈦合金則不能,這是因為不同材料的骨引導能力不同的緣故。然而,羥基磷灰石在力學性能方面卻有著明顯不足。其抗張強度和剪切強度明顯低于抗壓強度,各種應力隨單位體積內(nèi)孔隙率的增加而相應減低,隨結晶度和密度的增加而增加。由于力學強度不足、脆性大,在負重和受扭轉力時易造成折斷和碎裂。羥基磷灰石機械性能差,特別是斷裂韌性較小。因此,不能被使用在體內(nèi)負載部位,極大限制了它的實際應用。

1.3 殼聚糖基本特點 殼聚糖(chitosan,簡稱 CS)是一種天然的生物可降解多糖,其降解產(chǎn)物為氨基葡萄糖,對人體及組織無毒、無害。它對多種組織細胞的粘附和增殖具有促進作用,是一種較理想的天然可降解的陽離子多糖。殼聚糖可由甲殼類動物的殼中提取的甲殼素脫乙?；?也可用蛆皮和蛹殼以及黑曲霉纖維素酶等來制備。殼聚糖具有天然的藥物活性、抗腫瘤活性、消炎作用,能加快創(chuàng)傷愈合,作為細胞、生長因子載體和支架材料已被用于皮膚、神經(jīng)、骨和軟骨以及肝臟組織工程中,還成功地用作手術縫合線、傷口敷料、藥物緩釋劑、缺損填充物及組織工程支架。殼聚糖作為術后防粘連膜、透析膜、藥物控制、毒物吸附分離劑、載藥微球、骨科齒科修復材料在生物醫(yī)學中也被廣泛的應用。另外殼聚糖還與硫酸軟骨素共混形成透光性、通透性、生物降解性、生物相容性很好的膜片,為活性人工角膜培養(yǎng)提供了適合角膜細胞貼附生長、無免疫原性、可生物降解性的載體支架[5]。雖然殼聚糖的研究取得了很大進展,但由于殼聚糖缺乏骨鍵合生物活性,單獨使用時的力學性能不夠理想,缺乏彈性和柔韌性,從而限制了在骨組織工程中的應用。為了彌補這方面的不足,許多學者將羥基磷灰石、殼聚糖兩種材料復合,所得到的復合材料不僅具有二者的優(yōu)點,而且兩者之間的協(xié)同作用賦予復合體優(yōu)異的力學性能,可以適用于人體的生理負載環(huán)境,從而為開發(fā)出新型實用的骨組織修復和替代材料帶來了新的希望。

2 納米羥基磷灰石/殼聚糖 -骨組織工程的良好載體/支架

骨組織工程是將具有成骨或成軟骨潛能的細胞誘導分化、增殖,種植到可生物降解的支架材料上,形成組織工程化人工骨,并用其修復骨缺損的過程。此方法比以往的生物材料修復缺損具有顯著的優(yōu)越性。它試圖結束以往醫(yī)用生物材料在人體中作為宿主異體永久存在的歷史,使骨缺損的修復達到理想水平。在組織工程化人工骨的制備中,作為細胞載體的支架材料起到了十分重要的作用,特別是支架材料對于生理環(huán)境的響應能力,以及由此而產(chǎn)生的物理、化學變化和有利于新骨形成的表面反應產(chǎn)物直接影響了材料與人體組織及細胞的親和性,也決定了材料能否隨著新生骨組織生長而本身逐漸在體內(nèi)降解,這是骨修復材料及骨組織工程支架研究的重要內(nèi)容。理想的組織工程用支架材料應該具有無細胞毒性、無免疫原性、生物可降解性,與骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)復合簡便,易獲取、易消毒、易儲備等特性。納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體已經(jīng)和人類骨組織環(huán)境很相似,而且已經(jīng)基本達到理想的組織工程用支架材料的要求。Yamaguchi等利用共沉淀法制備了殼聚糖/羥基磷灰石均相納米復合材料,觀察發(fā)現(xiàn),復合材料中的羥基磷灰石結晶呈長230nm寬50nm的橢圓狀聚集態(tài),與殼聚糖分子長度相對應,且該結晶生長排布(C軸)與殼聚糖分子鏈相平行。表明殼聚糖分子的氨基可能與鈣離子結合成核,促進羥基磷灰石在此處的結晶生長。壓實的復合材料具有機械韌性,在飽和蒸汽高壓下120℃加熱 20m in,材料的機械韌性得到進一步提高,殼聚糖按10%的比例與納米級多孔羥基磷灰石基(HAP)構成具有粘彈性的復合體,可牢固地粘附HAP材料,同時具有柔韌性,不損傷周圍組織。這種復合體在 HBS溶液中的降解速度明顯快于單純HAP材料。趙峰等[6]采用冷凍相分離法制備殼聚糖 -明膠網(wǎng)絡/羥基磷灰石(CS-Gel/HA)復合材料多孔支架,通過控制組分配比和預冷凍溫度可制備不同密度和孔隙率的 CS-Gel/HA多孔支架,對大鼠顱骨成骨細胞在CS-Gel/HA復合材料支架上的生長情況進行的研究實驗表明,成骨細胞在適當孔隙率的支架中粘附性和生長狀態(tài)均良好,呈組織化趨向,且不同孔隙率的支架材料和細胞合成組織工程材料均非常有利于鈣質(zhì)沉積,CS-Gel/HA復合材料有望成為培養(yǎng)自體成骨細胞的材料,以重建新的骨組織。納米羥基磷灰石/殼聚糖復合材料是好的骨組織工程支架,但是沒有報道稱它有直接成骨作用。

3 N-HA/CS與成骨活性物的復合 -組織工程化人工骨之一

自體骨移植被認為是治療骨缺損的金標準,自體骨移植在治療中的作用機制有兩點:①作為支架起爬行替代的作用;②成骨活性。但是自體骨移植受自身供體有限性的限制,組織工程化人工骨已具備這兩個特點,其中,納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體就是好的骨組織支架之一。一般來說,骨組織工程包含三個關鍵要素:信號分子(骨生長因子、骨誘導因子)、支架材料、靶細胞。支架材料一方面作為信號分子的載體,將其運送至缺損位置,另一方面提供新骨生長的框架骨,誘導因子的靶細胞通常指血管周圍的、游走的、未分化的間充質(zhì)細胞,其具有多向分化的特性,即可分化形成肌組織、纖維組織、脂肪組織或骨組織,但在骨誘導因子的作用下,將不可逆地向軟骨細胞、骨細胞的方向分化,從而增補成骨性細胞,滿足修復大范圍缺損的需要。骨生長因子則可以刺激成骨性細胞的有絲分裂,從而形成大量新骨。這種成骨的方式稱為“誘導成骨”,因此,骨組織工程的基本出發(fā)點是以“誘導成骨”的方式而不是單純以“爬行替代”的方式實現(xiàn)骨的修復與再生。

從理論上講,納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體與成骨活性物的復合-組織工程化人工骨與人類骨組織的環(huán)境已很接近,是好的移植材料。但目前還未見國內(nèi)、外雜志報道應用納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體與BMP、骨髓基質(zhì)細胞復合制成組織工程化人工骨在動物實驗和臨床研究。

4 展望

納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體是骨組織工程的良好載體與支架,具有無細胞毒性、無免疫原性、生物可降解性,與BMP復合簡便,易獲取、易消毒、易儲備等特性。同時,納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體和人類骨組織微觀環(huán)境相似,但它沒有直接成骨作用。從理論上講,納米羥基磷灰石/殼聚糖復合體與成骨活性物的復合-組織工程化人工骨是不可多得地移植材料,有進一步研究價值。

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[6] 趙 峰,尹玉姬,姚康德,等.殼聚糖一明膠網(wǎng)絡/羥基磷灰石復合材料支架的研究 -成骨細胞培養(yǎng)[J].中國修復重建外科雜志,2002,15(2):130