雙相磷酸鈣陶瓷化學組成對其材料性能的影響

尤琦，張贏心，李佳樂，劉敏，王梓霖，韓冰

(吉林大學口腔醫(yī)院口腔頜面外科1、急診科2，吉林 長春 130021)

雙相磷酸鈣陶瓷化學組成對其材料性能的影響

尤琦1，張贏心2，李佳樂1，劉敏1，王梓霖1，韓冰1

(吉林大學口腔醫(yī)院口腔頜面外科1、急診科2，吉林 長春 130021)

雙相磷酸鈣陶瓷是由一種由羥基磷灰石和β-磷酸三鈣按照不同比例混合構成的生物活性陶瓷，其化學組成與骨組織的無機成分十分相近，目前大量研究表明該材料具有優(yōu)良的生物相容性、骨誘導性、骨傳導性及降解速率可調控等特點，因此有望成為理想的骨替代材料。綜述雙相磷酸鈣陶瓷化學組成對其抗壓強度、降解性能、細胞生物學行為及骨誘導性的影響及相關機制的研究進展。

雙相磷酸鈣陶瓷；快速成型技術；組織工程

由于先天畸形、腫瘤、外傷、感染等造成的骨缺損，是臨床較為常見的病癥。骨缺損不同程度地影響患者缺損部位的形態(tài)和功能，給患者的正常生活帶來嚴重的困擾，甚至威脅患者的生命[1]。目前，臨床上用于修復骨缺損的方法主要有：自體骨移植、異體骨移植、人工骨移植、牽張成骨術等[2]。自體骨移植無機體自身免疫反應，無論在功能或結構上都能完全代替原組織，但需開辟第二術區(qū)，存在供區(qū)疼痛、來源有限、尺寸和形狀受限制等缺點。而異體骨雖然來源廣泛，并且避免開辟第二術區(qū)，但有致病性、移植免疫反應、制作成本高、存貯困難等缺陷[3]。組織工程學應用生物材料與生物學原理，結合工程學技術，用接近人體正常組織的生物活性代替物，修復人體已缺損或缺失的器官結構，維持人體器官的正常功能。將組織工程學技術應用于臨床中修復骨缺損逐漸呈現(xiàn)出巨大的潛力。

組織工程三要素為支架、種子細胞和生長信息，而支架作為種子細胞粘附及攜帶生長信息的基本框架，使得人們對支架材料的改進和研發(fā)成為研究的重點。在骨組織工程中，理想的支架材料應該具備以下性能：(1)良好的生物相容性；(2)生物力學性能優(yōu)良，且易加工成形；(3)合適的生物降解性，其降解速率應與新生骨的形成速度相匹配；(4)良好的骨誘導性；(5)價格適中，來源充足[4-5]。目前用于骨組織工程的支架材料主要有：一類是高分子聚合物，包括人工合成和天然高分子。人工合成高分子主要包括聚酯、聚己內酯等，這類高分子材料在體內能夠被降解、吸收；天然高分子中，殼聚糖、膠原蛋白、藻酸鹽的應用較為廣泛。另一類是無機材料，主要分為人工合成和天然無機材料。人工合成無機材料主要是生物陶瓷類產品，有羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(β-TCP)以及兩者的混合物：雙相磷酸鈣陶瓷(BCP)、磷酸鈣骨水泥、生物活性玻璃陶瓷等；而天然無機材料有珊瑚等。

BCP是一種由HA和β-TCP構成的生物活性材料，因其化學組成與骨組織的無機成分相似，且具有優(yōu)良的生物學相容性、骨誘導性、骨傳導性及降解速率可調控等特點，故在骨組織工程支架、藥物緩釋載體、種植體表面涂層等研究中得到較廣泛應用[6]。近年來，對BCP的研究表明，化學組成對其抗壓強度、降解性能、細胞生物學行為及骨誘導性都有一定程度的影響，文章將從上述幾個方面進行綜述，為進一步地研究與應用提供依據(jù)。

1 BCP化學組成對其抗壓強度的影響

BCP在物理結構(如孔隙結構及表觀微貌)等其他性質相同的前提下，材料的化學組成對其抗壓強度有一定程度的影響。Zyman等[7]利用快速成型技術制備出不同構成比的BCP并檢測其抗壓強度，結果顯示：隨著β-TCP含量的增加，材料的抗壓強度呈現(xiàn)出單調性上升的趨勢。同樣的，Castilho等[8]利用直接三維打印技術制備出孔隙率相近而組成比例不同的BCP支架，并對其抗壓強度進行檢測，因支架材料孔隙率較高(63%～68%)，造成支架的抗壓強度在松質骨抗壓強度范圍內(0.5～15 Mpa)，相較于皮質骨的抗壓強度范圍偏低，表明該種材料有望應用于修復非承重區(qū)的骨缺損。隨著進一步的研究筆者發(fā)現(xiàn)，逐漸提高β-TCP含量(由12%增加到71%)，該材料的抗壓強度由0.42 Mpa逐漸增加到1.81 Mpa，筆者認為出現(xiàn)該結果的原因可能是隨著β-TCP含量地提高，材料微孔率隨之降低，晶體之間或者晶粒之間接觸界面增大，使得材料抗壓能力得到增強。Castilho等[8]認為影響B(tài)CP機械性能最重要的兩個因素是微觀結構是否致密和材料中β-TCP的含量。

另一方面，Veljovi?等[9]比較化學組成不同的兩種BCP材料的斷裂韌性，結果表明斷裂韌性和材料的化學組成無關，而更大程度上取決于微孔率，隨著材料孔徑的減小、孔隙率的降低，材料抵抗裂紋擴展能力得到增強，相應的韌性模量也得到提高。

綜上所述，可以通過對材料顆粒大小、形狀、孔隙率、孔徑以及β-TCP含量的調整，使得BCP更符合骨組織工程支架機械性能方面的要求。

2 BCP化學組成對其降解性能的影響

HA在體內吸收速率比較緩慢，原因總結為以下兩點：(1)在燒結過程中，粒徑小于60 nm的微晶重結晶并進入較大的晶體中，對體內的破骨細胞更有抵抗力；(2)HA植入體內后，其表面會有新生骨覆蓋，從而削弱了破骨細胞對HA的作用。β-TCP在體外溶解速率明顯大于HA，并且在體內的吸收速率也明顯高于煅燒牛骨和人工合成HA顆粒。在體外實驗中，BCP溶解速率介于β-TCP和HA之間，并且隨著β-TCP含量地提高，BCP的溶解速率也隨之提高[10-11]。同時，在體內試驗中，BCP的吸收速率也取決于其中β-TCP的含量[12]。然而，Jensen等[13]將不同比例的BCP(HA/ β-TCP分別為20/80、60/40和80/20)植入小型豬的下頜骨缺損中，在長達52周的研究過程中，這三種不同比例的BCP都表現(xiàn)出較低并且相似的降解速率，作者認為這種現(xiàn)象可能是材料本身較高的結晶度(接近100%)引起的，因為隨著結晶度的提高，BCP表面的降解速率隨之降低。

通過對BCP中HA/β-TCP組成比例地調整及燒結過程中結晶度的控制，有望使材料的降解速率與組織新生速度相匹配，從而使得該種材料的性能更加滿足骨組織工程支架的要求。

3 BCP化學組成對細胞生物學行為的影響

Ebrahimi等[14]認為BCP中較高的β-TCP含量有利于早期的細胞增殖及分化，而較高的HA含量則在后期中顯現(xiàn)出優(yōu)勢。然而，Miramond等[15]、Gokcekaya等[16]將細胞接種在孔隙結構相似但HA和β-TCP含量不同的BCP支架表面，并在不同的時間點觀察細胞粘附、增殖等生物學行為，發(fā)現(xiàn)差異無統(tǒng)計學意義。Ebrahimi等[17]通過和前期的研究工作比較發(fā)現(xiàn)，當BCP的粒徑減小到納米等級并且具有適宜的表觀微貌時，接種到材料表面的細胞生物學行為就與材料的構成比無關。所以，細胞的生物學行為更大程度上取決于BCP材料的表觀微貌而不是其構成比。

4 BCP化學組成對其骨誘導性的影響

骨誘導性是指植入的材料具有誘導其周圍的間充質干細胞向成骨細胞方向分化并形成新骨的能力。Habibovic等[18]將孔隙結構、孔隙率相似的HA和BCP分別植入犬大腿肌肉內，分別在術后4周、8周取材，觀察植入材料及其周圍成骨情況，發(fā)現(xiàn)雖然兩組材料成骨過程相似，但BCP中成骨現(xiàn)象的發(fā)生要明顯早于HA。其原因可能為BCP中含有溶解性更好的β-TCP，而β-TCP是由鈣離子和磷酸根離子構成，隨著β-TCP的溶解不斷增多，使得游離的鈣磷離子在植入材料周圍局部微環(huán)境中不斷增多，并在早期就達到過飽和狀態(tài)，從而較早發(fā)生磷灰石(骨組織的無機成分)的沉積，同時過飽和的游離鈣離子促使植入材料部位骨形成蛋白(BMPs)的富集，從而誘導該區(qū)周圍的間充質干細胞向成軟骨細胞或成骨細胞分化，進而成骨[19]。Lim等[20]將不同構成比的BCP (HA/β-TCP質量比分別為70/30和30/70)植入兔上頜骨外側壁缺損，并分別在術后2周和8周后取材，觀察植入材料及其周圍新生骨的情況，發(fā)現(xiàn)兩組材料新骨形成量差異無統(tǒng)計學意義。其原因可能是BCP中β-TCP降解速率較快，引起初期機體的炎癥反應，使創(chuàng)口延期愈合，因此影響了材料的骨誘導性[20-21]。大量體內外實驗研究表明，通過對BCP組成比例、孔隙率、孔徑大小地調整及制備條件地優(yōu)化可以構建出較為理想的組織工程支架，既能保證支架結構的穩(wěn)定性，也能促進新骨的形成。

因BCP的化學組成與骨組織的無機成分十分相近，且具有優(yōu)良的生物相容性、骨誘導性、骨傳導性及降解速率可調控等特點，目前在組織工程支架材料研究中得到較為廣泛的應用。文章綜述了BCP的化學組成對其抗壓強度、降解性能、細胞生物學行為及骨誘導性地影響及相關機制的研究進展。研究表明，通過改變BCP中HA和β-TCP比例、粒徑、表觀微貌、孔隙率、孔徑大小等來對其進行改性，改性后的BCP有望成為較為理想的骨組織工程支架材料。

[1]Lozano R,Naghavi M,Foreman K,et al.Global and regional mortality from 235 causes of death for 20 age groups in 1990 and 2010:a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010[J]. Lancet,2013,380(9859):2095-2128.

[2]盧向東,郭慶華,劉強.轉基因干細胞構建組織工程骨的初步研究[J].中華顯微外科雜志,2010,33(2):143-147.

[3]Khan SN,Cammisa FP Jr,Sandhu HS,et al.The biology of bone grafting[J].JAmAcad Orthop Surg,2005,13(1):77-86.

[4]Oh SH,Park IK,Kim JM,et al.In vitro and in vivo characteristics of PCL scaffolds with pore size gradient fabricated by a centrifugation method[J].Biomaterials,2007,28(9):1664-1671.

[5]Jones AC,Arns CH,Hutmacher DW,et al.The correlation of pore morphology,interconnectivity and physical properties of 3D ceramic scaffolds with bone in growth [J].Biomaterials,2009,30(7): 1440-1451.

[6]Lindgren C,Mordenfeld A,Hallman M.A prospective 1-year clinical and radiographic study of implants placed after maxillary sinus floor augmentation with synthetic biphasic calcium phosphate or deproteinized bovine bone[J].Clin Implant Dent Relat Res,2012,14(1): 41-50.

[7]Zyman ZZ,Tkachenko MV,Polevodin DV.Preparation and characterization of biphasic calcium phosphate ceramics of desired composition[J].J Mater Sci Mater Med,2008,19(8):2819-2825.

[8]Castilho M,Moseke C,Ewald A,et al.Direct 3D powder printing of biphasic calcium phosphate scaffolds for substitution of complex bone defects[J].Biofabrication,2014,6(1):015006.

[9]Veljovi? D,Palcevskis E,Dindune A,et al.Microwave sintering improves the mechanical properties of biphasic calcium phosphates from hydroxyapatite microspheres produced from hydrothermal processing[J].J Mater Sci,2010,45(12):3175-3183.

[10]Sánchez-Salcedo S,Balas F,Izquierdo-Barba I,et al.In vitro structural changes in porous HA/beta-TCP scaffolds in simulated body fluid [J].Acta Biomater,2009,5(7):2738-2751.

[11]de Wild M,Amacher F,Bradbury CR,et al.Investigation of structural resorption behavior of biphasic bioceramics with help of gravimetry,μCT,SEM,and XRD[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2016,104(3):546-553.

[12]Jensen SS,Yeo A,Dard M,et al.Evaluation of a novel biphasic calcium phosphate in standardized bone defects:A histologic and histomorphometric study in the mandibles of minipigs[J].Clin Oral Implants Res,2007,18(6):752-760.

[13]Jensen SS,Bornstein MM,Dard M,et al.Comparative study of biphasic calcium phosphates with different HA/TCP ratios in mandibular bone defects.A long-term histomorphometric study in minipigs [J].J Biomed Mater Res BAppl Biomater,2009,90(1):171-181.

[14]Ebrahimi M,Pripatnanont P,Monmaturapoj N,et al.Fabrication and characterization of novel nano hydroxyapatite/β—tricalcium phosphate scaffolds in three different composition ratios[J].J Biomed Mater ResA,2012,100(9):2260-2268.

[15]Miramond T,Corre P,Borget P,et al.Osteoinduction of biphasic calcium phosphate scaffolds in a nude mouse model[J].J Biomater Appl,2014,29(4):595-604.

[16]Gokcekaya O,Ueda K,Narushima T,.et al.Synthesis and characterization of Ag-containing calcium phosphates with various Ca/P ratios [J].Mater Sci Eng C Mater BiolAppl,2015,53:111-119.

[17]Ebrahimi M,Pripatnanont P,Suttapreyasri S,et al.In vitro biocompatibility analysis of novel nanobiphasic calcium phosphate scaffolds in different composition ratios[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2014,102(1):52-61.

[18]Habibovic P,Sees TM,van den Doel MA,et al.Osteoinduction by biomaterials—physicochemicaland structuralinfluences [J].J Biomed Mater ResA,2006,77(4):747-762.

[19]Kim JW,Jung IH,Lee KI,et al.Volumetric bone regenerative efficacy of biphasic calcium phosphate-collagen composite block loaded with rhBMP-2 in vertical bone augmentation model of a rabbit calvarium[J].J Biomed Mater ResA,2012,100(12):3304-3313.

[20]Lim HC,Zhang ML,Lee JS,et al.Effect of different hydroxyapatite: β-tricalcium phosphate ratios on the osteoconductivity of biphasic calcium phosphate in the rabbit sinus model[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2015,30(1):65-72.

[21]Hong JY,Lee JS,Pang EK,et al.Impact of different synthetic bone fillers on healing of extraction sockets:An experimental study in dogs[J].Clin Oral Implants Res,2014,25(2):e30-e37.

Effect of different chemical composition of biphasic calcium phosphates on material properties.

YOU Qi1,ZHANG Yin-xin2,LI Jia-le1,LIU Min1,WANG Zi-lin1,HAN Bing1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery1,Department of Emergency2,Stomatology Hospital of Jilin University,Changchun 130021,Jilin,CHINA

Biphasic calcium phosphates,consisting of hydroxyapatite and beta-tricalcium phosphate,have been extensively applied as bone graft substitutes due to their similarity with the mineral portion of nature bone.They have been proved to have excellent biocompatibility,osteoinductivity and adjustable degradation,which are expected to become a good choice for bone graft substitutes.The paper is going to review influences of different chemical composition of biphasic calcium phosphates on the materials'compressive strength,degradation,biological compatibility,osteoinductivity and the research progress of related mechanisms.

Biphasic calcium phosphates;Rapid prototyping technology,Tissue engineering

R318

A

1003—6350（2016）15—2502—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.15.031

2015-10-22)

韓冰。E-mail：569869924@qq.com