硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合支架材料生物學(xué)活性研究進(jìn)展

劉宇光(綜述)，胡　敏，劉玉艷(審校)

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)系，長(zhǎng)春 130021； 2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 a.正畸科，b.牙體牙髓科,長(zhǎng)春 130021)

硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合支架材料生物學(xué)活性研究進(jìn)展

劉宇光1△(綜述)，胡敏2a※，劉玉艷2b(審校)

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)系，長(zhǎng)春 130021； 2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 a.正畸科，b.牙體牙髓科,長(zhǎng)春 130021)

摘要：骨缺損修復(fù)支架材料一直是生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。β-磷酸鈣作為骨修復(fù)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床，但由于其缺乏生物活性離子、機(jī)械性能不理想，使其在臨床上的應(yīng)用受到限制。而硅酸鈣含有生物活性離子——硅離子，它具有良好的誘導(dǎo)成骨作用，因此將硅灰石加入β-磷酸鈣制備成復(fù)合支架材料近來(lái)成為熱點(diǎn)。該文將從基本構(gòu)成組分、相對(duì)配比問(wèn)題及潛在成骨機(jī)制等方面對(duì)這一熱點(diǎn)生物支架材料予以闡述。

關(guān)鍵詞：骨修復(fù)；硅灰石；β-磷酸鈣；支架材料；生物學(xué)活性

天然骨包括自體骨和異體骨，因含有骨祖細(xì)胞及各種骨引導(dǎo)生長(zhǎng)因子而廣泛應(yīng)用于臨床[1]。但由于自體骨的來(lái)源有限和異體骨的免疫排斥反應(yīng)等制約了其發(fā)展。近年來(lái)，人工骨修復(fù)支架材料在骨組織工程學(xué)上成為研究熱點(diǎn)。骨修復(fù)支架材料不僅應(yīng)具有三維結(jié)構(gòu)，能提供細(xì)胞生長(zhǎng)平臺(tái)[2]，還應(yīng)具有良好的理化特性及生物學(xué)特性等[3-4]。β-磷酸鈣作為生物活性支架材料已經(jīng)應(yīng)用于臨床，它能引導(dǎo)骨組織重構(gòu)，但缺乏刺激細(xì)胞分化的能力；而硅酸鈣不僅能促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，也能增加基因?qū)ο鄳?yīng)蛋白的編碼，最終刺激成骨細(xì)胞樣細(xì)胞的增殖、分化和鈣化[3，5]?，F(xiàn)就硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合支架材料應(yīng)用于骨修復(fù)的生物學(xué)活性進(jìn)行綜述。

1成分與性質(zhì)

1.1β-磷酸鈣β-磷酸鈣，化學(xué)分子式為Ca3(PO4)2。相比于其他目前應(yīng)用于臨床的骨修復(fù)支架材料，β-磷酸鈣的降解性能更加適應(yīng)新骨的形成，它的溶解產(chǎn)物能使材料在幾個(gè)月內(nèi)降解，而α-磷酸鈣材料的降解需幾周，羥基磷灰石的降解則需要幾年[2]。β-磷酸鈣具有骨引導(dǎo)特性，在植入骨組織后能引導(dǎo)新骨在其表面形成，隨著自身的降解最終被新生骨所替代。它的構(gòu)成與天然骨相似，在生物學(xué)相容性、生物學(xué)活性方面均優(yōu)于羥基磷灰石，因此在整形外科學(xué)以及口腔醫(yī)學(xué)中是最常見的材料之一[6]。

1.2硅灰石硅灰石，化學(xué)分子式為CaSiO3，結(jié)構(gòu)式為Ca3[Si3O9]，為一種鏈狀硅酸鹽。它屬于三斜晶系，具有細(xì)板狀晶體，集合體呈放射狀或纖維狀。硅元素能誘導(dǎo)類骨組織礦化，可以引起人成骨細(xì)胞活性升高，在正常骨代謝中起重要作用[7]。研究表明，生物活性玻璃釋放的大量硅離子能提高人胚胎成骨細(xì)胞的活性[8]。有學(xué)者對(duì)硅灰石水泥進(jìn)行了一系列測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其具有生物活性，能促進(jìn)成骨以及血管再生；而且在模擬體液中，與其他生物玻璃或者玻璃水泥相比，其表面能較快地形成磷灰石[9]。而近年來(lái)，含硅玻璃和玻璃陶瓷由于具有比磷酸鈣還高的生物學(xué)活性，引起了學(xué)者們極大的關(guān)注。有學(xué)者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，與β-磷酸鈣相比，硅酸鈣更能促進(jìn)成骨樣細(xì)胞黏附、增殖和分化[10]。但由于其降解速度較快，可引起成骨特性的降低，因此在臨床上的使用受到了制約。

2不同百分比的硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料的生物學(xué)活性

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，復(fù)合材料中的硅酸鈣含量達(dá)到50%以上時(shí)材料的生物學(xué)活性最有利于成骨[11-15]。Ni等[12]合成了不同比例的硅酸鈣和β-磷酸鈣復(fù)合支架材料，并對(duì)其成骨特性進(jìn)行比較。結(jié)果表明，當(dāng)硅酸鈣的含量提高到50%時(shí)，除了在模擬體液中能更快形成羥基磷灰石外，成骨樣細(xì)胞的增殖率和堿性磷酸酶活性也顯著提升。在Shie等[16]的研究中，當(dāng)硅酸鈣含量達(dá)到50%時(shí)，形成硅灰石的能力與純硅酸鈣相同，并且更能促進(jìn)人牙髓細(xì)胞釋放成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2。Wang等[13]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，與單一材料相比，當(dāng)復(fù)合材料中含有50%～80%的硅酸鈣時(shí)，植入兔骨缺損模型后能發(fā)現(xiàn)新骨生成增多，分解率降低。在其后的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，同樣證明了50%～80%硅酸鈣含量的復(fù)合材料能通過(guò)誘導(dǎo)成骨與成血管途徑促進(jìn)骨的生成[11]。雖然在體外實(shí)驗(yàn)中，硅酸鈣/β-磷酸鈣的降解速率高于純?chǔ)?磷酸鈣[12]，但是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻相反；Wang等[13]認(rèn)為這可能是由于硅酸鈣的刺激成骨作用使新骨迅速生成而引起的結(jié)果，而且由于體內(nèi)外微環(huán)境的不同，材料的生物學(xué)反應(yīng)也有所不同。機(jī)體內(nèi)骨的形成是多個(gè)細(xì)胞相互反應(yīng)的結(jié)果，因此在體外研究中僅使用一種細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是不準(zhǔn)確的[17]。而費(fèi)麗莎和孫皎[14]認(rèn)為，含有硅酸鈣的生物陶瓷的體外成骨效應(yīng)與硅酸鈣的含量成正比，并進(jìn)行了與Ni等[12]相似的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，使用流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期，發(fā)現(xiàn)含有硅酸鈣材料浸提液處理過(guò)的細(xì)胞在G0/G1期時(shí)DNA含量高于β-磷酸鈣組，且100 wt% 硅酸鈣組高于50 wt% 硅酸鈣組；同時(shí)指出，硅酸鈣促進(jìn)細(xì)胞增殖與細(xì)胞周期有直接關(guān)系，能在DNA水平上影響細(xì)胞的增殖。雖然以上實(shí)驗(yàn)方法及手段有所不同，但研究者們所得到的結(jié)論大致相同，即當(dāng)復(fù)合材料的硅酸鈣含量達(dá)到50%以上時(shí)，對(duì)于新骨的形成十分有利。但由于機(jī)械性能是隨著β-磷酸鈣的含量增多而提高的[4，15]，因此探討硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料應(yīng)用于骨修復(fù)的最佳比例時(shí)，除考慮成骨性能外，還要考慮材料應(yīng)有的機(jī)械強(qiáng)度以及其他特性。

3硅酸鈣提高復(fù)合材料生物學(xué)活性的潛在機(jī)制

生物活性材料向周圍環(huán)境釋放的離子(如鈣離子等)及材料表面特性可能會(huì)參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的成骨性能[18]。磷酸鈣材料的骨引導(dǎo)性主要來(lái)源于以下兩方面。①表面形貌：其表面形貌、粗糙度促進(jìn)細(xì)胞黏附增殖，并有利于骨形態(tài)發(fā)生蛋白的駐留；②化學(xué)成分：材料表面析出的鈣離子、無(wú)機(jī)磷可明顯促進(jìn)材料周圍骨形成，賦予材料骨誘導(dǎo)性[19-20]。與磷酸鈣材料相同，除表面特性與鈣、磷離子的特性相同外，主要是生物活性離子——硅離子在硅酸鈣材料的生物活性進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用[7，21]。

3.1硅離子的成骨活性Shie等[7]證明了適宜濃度的硅離子(4 mmol/L)能促進(jìn)MG63細(xì)胞Ⅰ型膠原基因的表達(dá)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶的分泌，從而激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶途徑，有利于促進(jìn)成骨細(xì)胞分化以及骨的發(fā)育。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，高濃度的硅離子(6 mmol/L)會(huì)因?yàn)闈B透壓過(guò)高而加速細(xì)胞的凋亡[22]。還有學(xué)者制備了不同硅/鈣比例的硅酸鈣材料，證明了硅離子可以促進(jìn)MG63細(xì)胞的黏附，并能上調(diào)骨唾液酸蛋白、骨鈣素的表達(dá)水平，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[16]。有學(xué)者通過(guò)研究相關(guān)基因探索了硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖、分化的機(jī)制，F(xiàn)ei等[3]使用硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料離子浸提液培養(yǎng)成骨細(xì)胞樣細(xì)胞，證明了硅酸鈣溢出的硅離子能通過(guò)刺激成骨樣細(xì)胞表達(dá)骨形態(tài)形成蛋白2/轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β的基因和蛋白，進(jìn)一步促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子Runx2基因和蛋白的表達(dá)，最終影響堿性磷酸酶的活性和骨鈣素的沉積，促進(jìn)成骨樣細(xì)胞的增殖和分化；并認(rèn)為硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料不僅能促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，也能增加基因?qū)ο鄳?yīng)蛋白的編碼，最終導(dǎo)致對(duì)成骨細(xì)胞樣細(xì)胞的增殖、分化和鈣化的調(diào)控。

3.2硅離子的抑制破骨活性除成骨作用外，硅離子還能抑制破骨進(jìn)程。有研究表明，活性硅能夠調(diào)控骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κB配體受體激活劑(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)的比率[23]。RANKL能引導(dǎo)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的分化途徑以及破骨細(xì)胞的活性[19]，在破骨活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。它的功能與活性是由干細(xì)胞和成骨細(xì)胞分泌的OPG所調(diào)控的。特異性的OPG黏附到RANKL上，通過(guò)抑制RANKL/RANK途徑來(lái)抑制破骨細(xì)胞活性，達(dá)到阻止骨基質(zhì)過(guò)度吸收的目的。因此，骨組織中RANKL的表達(dá)與OPG的相對(duì)濃度決定了骨量與骨強(qiáng)度[24]。而在Wiens等[23]的研究中，硅離子能促進(jìn)成骨細(xì)胞的OPG基因和蛋白的表達(dá)，并且RANKL含量沒(méi)有明顯改變。由此證明，活性硅提高了OPG/RANKL比例，從而能抑制破骨途徑。Schr?der等[25]將成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞共培養(yǎng)，得到了與Wiens等[23]相同的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞分泌的OPG抑制了破骨細(xì)胞的生成。而Hung等[26]的實(shí)驗(yàn)則說(shuō)明，硅離子除能抑制破骨細(xì)胞分化過(guò)程中RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成外，還能使破骨細(xì)胞活性的良好標(biāo)志物——抗酒石酸酸性磷酸酶的水平下降。

3.3硅離子的成血管活性新骨的形成與血管的新生密不可分，一些研究已經(jīng)證明了含硅的生物玻璃能直接或間接促進(jìn)成血管因子的生成[27-28]。Li等[9]認(rèn)為，硅酸鈣中的硅離子除能促進(jìn)成骨外，還能通過(guò)上調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的方式激活人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體，引導(dǎo)成血管通路，最終促進(jìn)血管生成。除這種內(nèi)分泌途徑，硅離子還能通過(guò)旁分泌途徑發(fā)揮促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的成血管作用[29-30]。除此之外，Shie和Ding[5]證明，通過(guò)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/絲裂原活化蛋白激酶和p38/絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路，硅酸鈣能促進(jìn)細(xì)胞的生物學(xué)活性。Chou等[31]為了進(jìn)一步研究其機(jī)制，將人牙髓細(xì)胞與硅酸鈣支架材料共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)與空白對(duì)照組相比，硅酸鈣組的p38蛋白分泌與血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量明顯增加，而加入了p38抑制劑的p38蛋白和血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量低于加入同樣抑制劑的空白對(duì)照組。由此證明，硅酸鈣材料釋放的硅離子能提高細(xì)胞滲透壓，通過(guò)激活p38通路的途徑提高成血管相關(guān)因子的分泌，最終促進(jìn)細(xì)胞的成血管作用。

4小結(jié)

生物材料用于骨缺損修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的進(jìn)程，受很多因素(如材料的降解速率、生物活性以及骨缺損處的生物環(huán)境等)影響。而硅灰石特有的硅離子能賦予單純的β-磷酸鈣支架材料以成骨誘導(dǎo)特性，故此種復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展前景。但β-磷酸鈣支架材料的研究仍處于起步階段，今后應(yīng)進(jìn)一步研究?jī)烧吖且龑?dǎo)、骨誘導(dǎo)特性的生物學(xué)機(jī)制；研究?jī)烧邚?fù)合材料的物理化學(xué)性能；研究能更加精確控制硅灰石/β-磷酸鈣復(fù)合材料降解速率的成分。

參考文獻(xiàn)

[1]Idowu B,Cama G,Deb S,etal.In vitro osteoinductive potential of porous monetite for bone tissue engineering[J].J Tissue Eng,2014,5:1-14.

[2]Bose S,Tarafder S.Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering:a review[J].Acta Biomater,2012,8(4):1401-1421.

[3]Fei L,Wang C,Xue Y,etal.Osteogenic differentiation of osteoblasts induced by calcium silicate and calcium silicate/β-trical-cium phosphate composite bioceramics[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2012,100(5):1237-1244.

[4]Liu S,Jin F,Lin K,etal.The effect of calcium silicate on in vitro physiochemical properties and in vivo osteogenesis,degradability and bioactivity of porous β-tricalcium phosphate bioceramics[J].Biomed Mater,2013,8(2):025008.

[5]Shie MY,Ding SJ.Integrin binding and MAPK signal pathways in primary cell responses to surface chemistry of calcium silicate cements[J].Biomaterials,2013,34(28):6589-6606.

[6]Fielding G,Bose S.SiO2 and ZnO dopants in three-dimensionally printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds enhance osteogenesis and angiogenesis in vivo[J].Acta Biomater，2013,9(11):9137-9148.

[7]Shie MY,Ding SJ,Chang HC.The role of silicon in osteoblast-like cell proliferation and apoptosis[J].Acta Biomater,2011,7(6):2604-2614.

[8]Tsigkou O,Jones JR,Polak JM,etal.Differentiation of fetal osteoblasts and formation of mineralized bone nodules by 45S5 Bioglass conditioned medium in the absence of osteogenic supplements[J].Biomaterials,2009,30(21):3542-3550.

[9]Li H,Chang J.Stimulation of proangiogenesis by calcium silicate bioactive ceramic[J].Acta Biomater，2013,9(2):5379-5389.

[10]Ni S,Chang J,Chou L,etal.Comparison of osteoblast-like cell responses to calcium silicate and tricalcium phosphate ceramics in vitro[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2007,80(1):174-183.

[11]Wang C,Lin K,Chang J,etal.The stimulation of osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and vascular endothelial growth factor secretion of endothelial cells by β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2scaffolds[J].J Biomed Mater Res A,2014,102(7):2096-2104.

[12]Ni S,Lin K,Chang J,etal.β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite materials for hard tissue repair:in vitro studies[J].J Biomed Mater Res A,2008,85(1):72-82.

[13]Wang C,Xue Y,Lin K,etal.The enhancement of bone regeneration by a combination of osteoconductivity and osteostimulation using β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite bioceramics[J].Acta Biomater，2012,8(1):350-360.

[14]費(fèi)麗莎,孫皎.不同含量硅酸鈣生物陶瓷體外成骨效應(yīng)的初步研究[J].上?？谇会t(yī)學(xué),2011,20(3):241-245.

[15]Su CC,Kao CT,Hung CJ,etal.Regulation of physicochemical properties,osteogenesis activity,and fibroblast growth factor-2 release ability of β-tricalcium phosphate for bone cement by calcium silicate[J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl,2014,37:156-163.

[16]Shie MY,Chang HC,Ding SJ.Effects of altering the Si/Ca molar ratio of a calcium silicate cement on in vitro cell attachment[J].Int Endod J,2012,45(4):337-345.

[17]Chen Z,Wu C,Yuen J,etal.Influence of osteocytes in the in vitro and in vivo β-tricalcium phosphate-stimulated osteogenesis[J].J Biomed Mater Res A,2014，102(8):2813-2823.

[18]Jell G,Stevens MM.Gene activation by bioactive glasses[J].J Mater Sci Mater Med,2006,17(11):997-1002.

[19]LeGeros RZ.Calcium phosphate-based osteoinductive materials[J].Chem Rev,2008,108(11):4742-4753.

[20]Schramek D,Leibbrandt A,Sigl V,etal.Osteoclast differentiation factor RANKL controls development of progestin-driven mammary cancer[J].Nature,2010,468(7320):98-102.

[21]Zhao Q,Qian J,Zhou H,etal.In vitro osteoblast-like and endothelial cells′ response to calcium silicate/calcium phosphate cement[J].Biomed Mater,2010,5(3):35004.

[22]Ge C,Xiao G,Jiang D,etal.Critical role of the extracellular signal-regulated kinase-MAPK pathway in osteoblast differentiation and skeletal development[J].J Cell Biol,2007,176(5):709-718.

[23]Wiens M,Wang X,Schr?der HC,etal.The role of biosilica in the osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells[J].Biomaterials,2010,31(30):7716-7725.

[24]Wang X,Schr?der HC,Wiens M,etal.Bio-silica and bio-polyphosphate:applications in biomedicine (bone formation)[J].Curr Opin Biotechnol,2012,23(4):570-578.

[25]Schr?der HC,Wang XH,Wiens M,etal.Silicate modulates the cross-talk between osteoblasts (SaOS-2) and osteoclasts (RAW 264.7 cells):inhibition of osteoclast growth and differentiation[J].J Cell Biochem,2012,113(10):3197-3206.

[26]Hung CJ,Kao CT,Chen YJ,etal.Antiosteoclastogenic activity of silicate-based materials antagonizing receptor activator for nuclear factor kappaB ligand-induced osteoclast differentiation of murine marcophages[J].J Endod,2013,39(12):1557-1561.

[27]Zhai W,Lu H,Wu C,etal.Sitmulatory effects of the ionic products from Ca-Mg-Si bioceramics on both osteogenesis and angiogenesisin vitro[J].Acta Biomater，2013,9(8):8004-8014.

[28]Zhai W,Lu H,Chen L,etal.Silicate bioceramics induce angiogenesis during bone regeneration[J].Acta Biomater,2012,8(1):341-349.

[29]Li H,Chang J.Bioactive silicate materials stimulate angiogenesis in fibroblast and endothelial cell co-culture system through paracrine effect[J].Acta Biomater,2013,9(6):6981-6991.

[30]Li H,Xue K,Kong N,etal.Silicate bioceramics enhanced vascularization and osteogenesis through stimulating interactions between endothelia cells and bone marrow stromal cells[J].Biomaterials,2014,35(12):3803-3818.

[31]Chou MY,Kao CT,Hung CJ,etal.Role of the P38 pathway in calcium silicate cement-induced cell viability and angiogenesis-related proteins of human dental pulp cell in vitro[J].J Endod,2014,40(6):818-824.

Research Progress on the Biological Activity of Wollastonite/β-calcium Phosphate Composite Scaffold MaterialLIUYu-guang1,HUMin2a,LIUYu-yan2b.(1.DepartmentofOralMedicine,SchoolofStomato-logy,JilinUniversity,Changchun130021,China; 2a.DepartmentofOrthodontics,b.Endodontics,Stomato-logyHospitalofJilinUniversity,Changchun130021,China)

Abstract:Scaffold materials used to repair bone defect has been one of the research hot spots in the field of biological materials.As a typical bone repair material,β-calcium phosphate has been widely used in clinical,which is limited because of the lack of bioactive ions and dissatisfying mechanical properties.While calcium silicate contains bioactive ion-silicon ions,which endow it with osteoinductive capacity,β-calcium phosphate doped with wollastonite to construct a composite scaffold material has recently become a hot topic.Here is to make a review of this popular biomaterial′s basic components,relative ratio and underlying mechanism of bone formation.

Key words:Bone repair; Wollastonite; β-calcium phosphate; Scaffold materials; Bioactivity

收稿日期：2014-11-11修回日期：2015-02-06編輯：鄭雪

基金項(xiàng)目：吉林省衛(wèi)生廳科技計(jì)劃(2012-Z-043)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.028

中圖分類號(hào)：R318.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)17-3147-03