β-TCP/α-CSH復(fù)合材料骨支架在骨缺損治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳海嘯，張超，3，Goryaeva GL，Kuzin VV，Skoroglyadov AV

(1俄羅斯聯(lián)邦國立醫(yī)科大學(xué)，莫斯科1179972；2俄羅斯聯(lián)邦國立醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院；3天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院)

β-TCP/α-CSH復(fù)合材料骨支架在骨缺損治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳海嘯1，2，張超1，2，3，Goryaeva GL2，Kuzin VV2，Skoroglyadov AV1，2

(1俄羅斯聯(lián)邦國立醫(yī)科大學(xué)，莫斯科1179972；2俄羅斯聯(lián)邦國立醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院；3天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院)

骨缺損的治療是骨科面臨的世界性難題之一，目前公認(rèn)的治療方法是通過骨組織工程支架進(jìn)行修復(fù)填充。理想的骨組織工程支架應(yīng)具備生物相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性及降解性，同時(shí)具有合適的孔徑、孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度。單一材料由于其理化性質(zhì)的局限性，無法滿足臨床需要。β-磷酸三鈣(β-TCP)/α-半水硫酸鈣(α-CSH)復(fù)合材料骨支架由于其在生物相容性、可吸收性及機(jī)械強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢(shì)，在體內(nèi)和體外試驗(yàn)中都取得了一定的效果，但β-TCP/α-CSH復(fù)合材料骨支架的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)隨α-CSH的完全降解而消失，因此目前其臨床研究主要集中在頜面和口腔領(lǐng)域。β-TCP/α-CSH復(fù)合材料骨支架修復(fù)骨缺損是目前臨床上較有潛力的治療方案，其聯(lián)合干細(xì)胞移植可能是未來提高臨床骨缺損修復(fù)率的新方向。

骨缺損；骨工程支架；β-磷酸三鈣；α-半水硫酸鈣

目前骨缺損的治療方法主要包括骨移植、二次手術(shù)內(nèi)固定及生物材料填充，但骨移植和二次手術(shù)內(nèi)固定治療后并發(fā)癥較多，使其臨床應(yīng)用受到限制[1～3]。近年來生物材料填充治療骨缺損逐漸引起臨床重視，理想的組織工程支架應(yīng)具備良好的生物安全性和相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性、生物降解性、三維立體多孔結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度和可塑性[4]。臨床上關(guān)注較多的是以可吸收生物聚合材料為代表的第三代生物支架，如β-磷酸三鈣(β-TCP)、α-半水硫酸鈣(α-CSH)，其優(yōu)勢(shì)在于可結(jié)合干細(xì)胞移植，直接刺激宿主骨組織原位再生[6]。目前，β-TCP/α-CSH復(fù)合材料骨支架逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，具有良好的生物相容性，且具有一定的骨引導(dǎo)性和成骨性，可調(diào)節(jié)三維多孔支架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)將其在骨缺損治療中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 α-CSH支架

1.1 α-CSH的生物學(xué)特性 α-CSH支架具有固化時(shí)間短且不放熱的特點(diǎn)，其固化后形成一致的針狀二水硫酸鈣晶體結(jié)構(gòu)，這些晶體可構(gòu)成微孔基質(zhì)，從而形成再生管道[7]。研究表明，α-CSH固化后機(jī)械強(qiáng)度明顯高于松質(zhì)骨，可支持早期負(fù)重[8]。同時(shí)，α-CSH支架具有較好的生物相容性，骨缺損患者術(shù)后不會(huì)出現(xiàn)因α-CSH降解而引起電解質(zhì)紊亂等并發(fā)癥。Strocchi等[9]采用α-CSH支架填充兔脛骨骨缺損，證實(shí)其骨傳導(dǎo)性和降解性較好，術(shù)后4周鏡下可見α-CSH降解產(chǎn)生的多孔狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)新骨和再生血管爬行生長(zhǎng)。Walsh等[10]將α-CSH支架用于羊股骨缺損模型，對(duì)支架的骨誘導(dǎo)性進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)骨缺損部位局部成骨能力明顯增強(qiáng)。但也有研究認(rèn)為，只有在骨膜存在的情況下α-CSH支架才具有骨誘導(dǎo)作用[11]。

1.2 α-CSH支架在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用 硫酸鈣在臨床上作為骨移植物至今已有百余年歷史。Kim等[12]觀察了骨腫瘤術(shù)后骨缺損患者植入α-CSH支架和脫骨鈣基質(zhì)(DBM)的治療效果，結(jié)果α-CSH、DBM對(duì)骨缺損的修復(fù)率分別為85.7%、88.9%，二者效果接近。也有研究以α-CSH聯(lián)合DBM治療股骨頭缺血性壞死，結(jié)果表明該方法與血管游離腓骨移植術(shù)的治療效果無明顯區(qū)別，患者術(shù)后未見明顯劇烈炎癥反應(yīng)[11]。但也有研究以α-CSH支架治療骨腫瘤術(shù)后骨缺損，隨訪發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)發(fā)生率為13.8%～19.0%，主要為無菌性漿液滲出，可能是由于硫酸鈣分解過程中形成的弱酸環(huán)境導(dǎo)致的，也可能與局部降解產(chǎn)物濃度過高有關(guān)[13]。

α-CSH支架的局限性：①降解速度與新骨的形成速度不能協(xié)調(diào)，因此不能保證穩(wěn)定的生物力學(xué)強(qiáng)度，不適用于負(fù)荷部位填充[14]；②缺乏誘導(dǎo)成骨能力；③患者術(shù)后不良反應(yīng)發(fā)生率較高。目前，單一α-CSH材料無法達(dá)到臨床治療要求，其在臨床的進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到限制。

2 β-TCP支架

2.1 β-TCP支架的生物學(xué)特性 β-TCP屬于磷酸三鈣的低溫相，為三方晶系，燒結(jié)溫度較低，可制備成與松質(zhì)骨相似的三維立體大孔結(jié)構(gòu)(50～400 μm)和廣泛連接的微孔結(jié)構(gòu)(1 μm)。大孔結(jié)構(gòu)能為細(xì)胞的黏附、增殖以及分泌細(xì)胞外基質(zhì)提供所需空間，有利于骨組織和血管長(zhǎng)入，而微孔結(jié)構(gòu)有利于組織液的滲透。支架孔徑率會(huì)影響骨細(xì)胞爬行速度和移植物本身的力學(xué)強(qiáng)度，孔隙率越低，支架的力學(xué)強(qiáng)度越高，越不利于細(xì)胞長(zhǎng)入，反之亦然。因此，理想的β-TCP支架孔隙率應(yīng)在40%以上才能滿足臨床需要[15]。

2.2 β-TCP支架在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用 Draenert等[16]分別將羥基磷灰石(HA)與β-TCP支架植入狗脛骨骨缺損部位進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)β-TCP組術(shù)后6周骨臨界面部位出現(xiàn)了骨再生并緊密結(jié)合，且無炎癥反應(yīng)；而HA組骨臨界面部位卻被纖維組織占據(jù)。既往研究表明，β-TCP支架植入體內(nèi)后開始降解，在多核巨細(xì)胞和破骨細(xì)胞吞噬材料的同時(shí)可釋放鈣離子到組織液中，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的成骨激活過程[17]。Martinez等[18]將β-TCP支架用于兔顱骨骨缺損模型，其術(shù)后第1周成骨分?jǐn)?shù)為24.9%，術(shù)后第52周上升至63.2%；β-TCP支架的降解速度先快后慢，在術(shù)后16周之前較快，16周以后降解速度逐漸減低，完全吸收需2年。

β-TCP支架在臨床上作為骨缺損的替代品可追溯到1920年，Albee和Morrinson將其應(yīng)用于因外傷造成的骨缺損，并取得了一定的療效[6]。Ozdemir等[19]研究發(fā)現(xiàn)，采用β-TCP/富血小板血漿(PRP)支架與β-TCP支架治療牙周骨缺損的效果均比較滿意，未見明顯不良反應(yīng)，但前者的成骨能力更強(qiáng)。

β-TCP支架的局限性：①生物力學(xué)強(qiáng)度較差，脆性大，缺乏自固化性能，抵抗外力沖擊能力差，不適用于負(fù)荷部位；②缺乏誘導(dǎo)成骨能力；③降解速度慢于新骨形成速度，無法達(dá)到理想生物材料的要求。國內(nèi)外學(xué)者圍繞β-TCP支架材料改性進(jìn)行了廣泛研究，希望通過β-TCP與其他材料復(fù)合，提高其力學(xué)和生物學(xué)性能，最終符合臨床應(yīng)用的要求。

3 β-TCP/α-CSH支架

3.1 β-TCP/α-CSH支架的生物學(xué)特性 為進(jìn)一步提高骨缺損修復(fù)率，聯(lián)合組織工程骨支架與干細(xì)胞是目前的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。支架材料種類繁多、特性各異，單一材料的應(yīng)用不足以滿足臨床應(yīng)用，而復(fù)合材料可發(fā)揮各單一材料的優(yōu)勢(shì)，并以復(fù)合方式互相彌補(bǔ)各單一材料的劣勢(shì)。因此，復(fù)合材料得到臨床廣泛關(guān)注。α-CSH具有良好的抑菌性、自固化性、固化強(qiáng)度和降解性，能在支架表面形成生物保護(hù)膜，阻止軟組織長(zhǎng)入，而β-TCP具有與天然骨相似的孔隙結(jié)構(gòu)，二者結(jié)合可使結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)更加突出。

3.2 β-TCP/α-CSH支架在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用 Lin等[20]對(duì)β-TCP/α-CSH支架的制備方法進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道：將α-CSH粉末按照固液比1 g/2 mL加入到無水乙醇中，其混懸液與β-TCP陶瓷粉末進(jìn)一步混合，待無水乙醇揮發(fā)后得到β-TCP/α-CSH支架。該支架與天然骨有相似的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備自固化特點(diǎn)。Mao等[21]對(duì)這種支架中α-CSH和β-TCP的最佳比例進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著α-CSH比例增加，支架的孔隙變少，同時(shí)降解速度加快，機(jī)械強(qiáng)度下降；而隨著β-TCP比例增加，支架的孔隙增多，結(jié)構(gòu)變松散，材料力學(xué)強(qiáng)度變?nèi)?；?dāng)二者的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，支架的固化強(qiáng)度達(dá)到8.95 mPa，高于松質(zhì)骨，同時(shí)降解速度介于兩種材料之間，降解過程可伴隨新骨形成，以提供相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度。既往研究表明，α-CSH的降解會(huì)使移植局部?jī)?nèi)環(huán)境pH值降低到5.2左右，這種酸性環(huán)境一方面加速了β-TCP的降解，另一方面潛在增加了無菌性炎癥的發(fā)生率；而β-TCP降解后局部?jī)?nèi)環(huán)境為弱堿性，可中和α-CSH降解后的酸性改變[10]。

Yang等[22]以β-TCP/α-CSH支架修復(fù)羊椎體骨缺損，結(jié)果表明移植后8周界面材料吸收，骨缺損部位表面被皮質(zhì)骨完全覆蓋，內(nèi)部骨小梁再生明顯；移植后16周骨小梁完全長(zhǎng)入材料內(nèi)部；移植后36周支架完全降解，骨小梁完成重塑，與周圍組織的骨小梁界面區(qū)分不明顯，新生骨再生和血管網(wǎng)重塑完成，未見明顯不良反應(yīng)。Leventis等[23]對(duì)兔顱骨骨缺損給予β-TCP/α-CSH支架治療，其術(shù)后3、6周新骨生成量分別為26.28%、38.47%，進(jìn)一步確定了該支架的成骨能力和骨傳導(dǎo)性。在臨床方面，Sukumar等[24]采用β-TCP/α-CSH支架對(duì)26例牙周骨缺損患者(共47個(gè)骨缺損部位)進(jìn)行修復(fù)，并進(jìn)行了為期2年的跟蹤隨訪，結(jié)果表明總體療效滿意，復(fù)合材料在降解吸收過程中可提供較為穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度，在修復(fù)過程中也表現(xiàn)出較好的成骨能力。

β-TCP/α-CSH支架的局限性：①機(jī)械強(qiáng)度會(huì)隨α-CSH的完全降解而消失，目前其臨床應(yīng)用主要集中在頜面和口腔領(lǐng)域[23,24]，難以應(yīng)用于承重骨。②支架缺乏骨誘導(dǎo)性，在骨缺損部位難以做到原位成骨，在修復(fù)大塊骨缺損的過程中局部血管網(wǎng)的重塑還有待于進(jìn)一步提高。

綜上所述，β-TCP支架、α-CSH支架及β-TCP/α-CSH支架修復(fù)骨缺損是目前臨床上較有潛力的治療方案，其聯(lián)合干細(xì)胞移植可能是未來提高臨床骨缺損修復(fù)率的新方向，但仍需進(jìn)一步研究。

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國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目(201406940004)。

張超(E-mail: chaozhang2015@gmail.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.038

R687.3

A

1002-266X(2016)32-0104-03

2015-12-20)