骨組織工程材料的研究進(jìn)展

韓倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 湯京龍 王春仁

骨組織工程材料的研究進(jìn)展

韓倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 湯京龍 王春仁

嚴(yán)重創(chuàng)傷和骨腫瘤切除所導(dǎo)致的骨缺損，是無法自行愈合修復(fù)的，需要施加外源性骨誘導(dǎo)材料才可得以有效恢復(fù)。在醫(yī)療器械分類管理方面，外源性骨誘導(dǎo)材料歸三類醫(yī)療器械管理。在產(chǎn)業(yè)化方面，已有獲得注冊(cè)證的骨填充材料。本文對(duì)現(xiàn)有可用于骨組織工程的材料進(jìn)行整理，包含人工合成無機(jī)材料、人工合成高分子材料和天然高分子材料，以及復(fù)合材料等。

骨缺損 修復(fù) 組織工程

各種原因?qū)е碌墓侨睋p給患者帶來了嚴(yán)重的心理和生理創(chuàng)傷，而骨缺損的治療一直是臨床的難題。傳統(tǒng)的骨缺損治療包括自體骨移植和異體骨移植，均有明顯的局限性。自體骨取材受限，并且會(huì)產(chǎn)生二次創(chuàng)傷；異體骨具有抗原性，可能出現(xiàn)免疫排斥反應(yīng)而導(dǎo)致植入失敗。近年來，發(fā)展迅速的組織工程學(xué)為骨缺損的修復(fù)提供了新的途徑。組織工程作為一門新興的交叉學(xué)科，其定義為：應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，認(rèn)識(shí)哺乳動(dòng)物正常和病理組織中的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，并開發(fā)生物替代品，用以恢復(fù)、維持或改善組織的功能和形態(tài)[1]。骨組織工程的基本原理是將成骨細(xì)胞作為種子細(xì)胞，種植到可降解并且具有良好生物相容性的支架材料上，然后將復(fù)合物移植進(jìn)體內(nèi)或者繼續(xù)體外培養(yǎng)，成骨細(xì)胞經(jīng)過增殖、分化等過程，形成成熟骨組織；同時(shí)，支架材料被逐漸降解，從而達(dá)到治療骨缺損的目的。組織工程的核心在于種子細(xì)胞、支架材料、生長因子三大因素。在骨組織工程中，支架材料不但為種子細(xì)胞提供適宜的微環(huán)境，影響種子細(xì)胞的功能和生物學(xué)特性，還決定了移植后人工骨是否能與受體穩(wěn)定地結(jié)合，從而達(dá)到治療骨缺損的目的。因此，理想的支架材料是骨組織工程研究中的熱點(diǎn)問題。本文將對(duì)幾種常用的骨組織工程支架材料進(jìn)行綜述。

1 人工合成無機(jī)材料

1.1 羥基磷灰石（HAP）

羥基磷灰石是人體骨骼中主要的無機(jī)成分，是目前應(yīng)用較為廣泛的無機(jī)材料。其優(yōu)點(diǎn)是有良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和骨傳導(dǎo)性，可與人體自然骨形成牢固的化學(xué)鍵合[2]。但力學(xué)性能較差，材料的抗彎強(qiáng)度低，脆性大，在生理環(huán)境中抗疲勞與破壞強(qiáng)度不高，為典型的脆性材料，使其應(yīng)用受到一定限制[3]。 孟純陽等[4]將納米羥基磷灰石與聚酰胺66復(fù)合成人工骨，成功修復(fù)兔橈骨損傷。術(shù)后16周，支架材料網(wǎng)孔里已長滿成熟的骨小梁，網(wǎng)孔間新生骨小梁相互連接。實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合材料顯示了良好的生物相容性、力學(xué)特征，以及骨傳導(dǎo)性。張斌等[5]利用納米羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合骨填充材料，修復(fù)114例良性骨腫瘤術(shù)后骨缺損。術(shù)后3個(gè)月，植骨愈合率65%；6個(gè)月后愈合率達(dá)到96.2%，證明了納米羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合材料具有良好的骨傳導(dǎo)性。

1.2 β-磷酸三鈣

β-磷酸三鈣與羥基磷灰石一樣屬于鈣磷陶瓷材料，僅僅因?yàn)殁}/磷比不同而被區(qū)分。β-磷酸三鈣有非常高的生物相容性，植入后與受體骨直接融合，無全身炎癥反應(yīng)，但其體內(nèi)降解速度過快[6]。

孫偉等[7]將兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與β-磷酸三鈣復(fù)合培養(yǎng)，用于兔股骨頭壞死模型，成功修復(fù)骨缺損。復(fù)合材料組術(shù)后6周新生骨從宿主骨長出，12周可見成熟骨組織的連續(xù)平行纖維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及較多成骨細(xì)胞。表明磷酸三鈣是良好的骨組織工程支架材料，可用于股骨頭的修復(fù)。

1.3 生物活性玻璃（BG）

生物活性玻璃具有良好的生物相容性及骨傳導(dǎo)性，生物活性高。此外，還具有良好的機(jī)械性能，抗壓強(qiáng)度高，能為骨組織重建提供足夠的強(qiáng)度，可用于承重部位的骨缺損修復(fù)[8]。張建新等[9]證明骨髓基質(zhì)細(xì)胞復(fù)合生物活性玻璃構(gòu)建的人工骨，可以很好地修復(fù)兔橈骨的損傷。在臨床上，BG也有一定的應(yīng)用。殷浩等[10]應(yīng)用BG成功治療了四肢骨不連和骨缺損患者83例，表明BG可在一定程度上替代自體骨移植。

1.4 磷酸鈣骨水泥（CPC）

磷酸鈣骨水泥是一類以各種磷酸鈣鹽為主要成分的無機(jī)材料。CPC與人類骨骼成分類似，生物相容性良好，骨傳導(dǎo)能力強(qiáng)，無細(xì)胞毒性，而且具有隨意塑形的特點(diǎn)。因此，CPC受到了廣泛重視，臨床應(yīng)用也取得了令人滿意的效果。目前，CPC主要應(yīng)用于骨缺損修復(fù)、骨折治療、口腔以及藥物載體等領(lǐng)域。由于CPC解決了鈣磷陶瓷材料難以降解、不能任意塑形的難題，所以CPC在修復(fù)骨缺損和骨填充方面應(yīng)用頗多。1991年美國食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)在臨床修復(fù)顱骨損傷中使用CPC[11]。此外，CPC還可作為藥物的緩釋載體，植入體內(nèi)后可持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢地釋放載體中的藥物或生物因子，在促進(jìn)骨損傷修復(fù)的同時(shí)還可以進(jìn)行藥物治療。肖琦科等[12]將CPC作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的載體，用以修復(fù)兔股骨踝骨缺損。結(jié)果表明，CPC能夠作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的良好載體材料，而且可以較好地修復(fù)兔股骨踝骨的缺損。

此外，其他的無機(jī)材料，如二氧化鈦、碳納米管等材料，也被用于不同領(lǐng)域的骨組織工程材料研究中。

2 人工合成高分子材料

目前，應(yīng)用最廣泛的人工合成高分子材料，主要有聚乳酸 （PLA）、聚羥基乙酸 （PGA）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）等。這幾種材料的共同優(yōu)點(diǎn)是有良好的降解吸收性和生物相容性，在體內(nèi)逐步降解成乳酸和羥基乙酸等小分子物質(zhì)，通過體內(nèi)代謝排出。張雁儒等[13]將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞種植到雙層PLGA材料上，用于修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損，結(jié)果顯示骨缺損修復(fù)效果良好，表明PLGA可以作為軟骨缺損修復(fù)的載體。盡管PLA、PGA和PLGA有良好的降解吸收性和生物相容性，但代謝產(chǎn)物均為酸性，對(duì)于體內(nèi)微環(huán)境有一定干擾，對(duì)其進(jìn)行改性處理，有助于解決體內(nèi)降解過程中微環(huán)境過酸的問題。

3 天然高分子材料

目前，用于骨組織工程支架材料的天然高分子材料主要包括膠原、海藻酸鹽和殼聚糖等。這些高分子材料有良好的生物相容性、可降解性、無毒，而且細(xì)胞親和性好，有利于種子細(xì)胞的黏附、生長和擴(kuò)增。但是這類材料的缺點(diǎn)是強(qiáng)度較差，力學(xué)性能不佳，而材料來自于生物體，可能會(huì)傳播疾病，且由于材料來源不同，故質(zhì)量的重復(fù)性較差。

3.1 膠原

膠原是一種天然蛋白質(zhì)，是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架，廣泛存在于骨、皮膚和血管等組織中。膠原為組織細(xì)胞提供支持作用，并與細(xì)胞的增殖分化有密切關(guān)系。膠原材料的優(yōu)點(diǎn)是生物相容性好、免疫原性低、來源廣、可降解吸收；缺點(diǎn)是力學(xué)性能較差，價(jià)格昂貴。所以，現(xiàn)階段研究中為多與其他材料復(fù)合，以克服其不足。

崔運(yùn)利等[14]將Ⅱ型膠原蛋白、透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素和聚乙烯酸制作成復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)種子細(xì)胞在材料上分布均勻，支架的孔隙均勻，表明該復(fù)合材料可為種子細(xì)胞生長提供適宜環(huán)境，有良好的生物相容性。另外，Zou等[15]發(fā)現(xiàn)β-磷酸三鈣/膠原復(fù)合物的降解速率可控，降解產(chǎn)物無毒性并可代謝排出，可能是比較理想的骨組織工程復(fù)合材料。

3.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是從天然海藻中分離獲得的一類多糖，可在一定條件下形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠，為細(xì)胞的增殖分化提供適宜環(huán)境。其來源豐富，具有良好的親水性和易成形性；但力學(xué)強(qiáng)度較低，在生物體內(nèi)難以降解，并且有一定的抗原性。羊書勇等[16]將骨髓基質(zhì)干細(xì)胞接種于海藻酸鹽，用于修復(fù)兔顱骨損傷。海藻酸鹽復(fù)合物植入8周后，大部分骨缺損得以修復(fù)，表明海藻酸鹽復(fù)合骨髓基質(zhì)干細(xì)胞能提高骨缺損的修復(fù)效果。

3.3 殼聚糖（CTS）

殼聚糖是一種多糖，是自然界廣泛存在的甲殼素經(jīng)脫乙酰化后得到的產(chǎn)物。在體內(nèi)酶的作用下，殼聚糖水解為無毒性的氨基葡萄糖。殼聚糖不僅有良好的生物相容性、可降解性、無毒性等優(yōu)越性能，還有一定的抗炎和抗凝作用，可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和組織修復(fù)，有利于傷口的愈合。殼聚糖與其他材料的復(fù)合物在骨組織工程中已有廣泛的應(yīng)用，但是力學(xué)性能較差的缺點(diǎn)影響了殼聚糖在承重部位的應(yīng)用。呂洪磊等[17]制成殼聚糖/羥基磷灰石/聚乳酸復(fù)合支架，接種293T細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)復(fù)合支架材料有較高的孔隙率、力學(xué)性能良好、親水性良好，種子細(xì)胞生長情況正常。

4 復(fù)合材料

由于每種材料都有其明顯的缺點(diǎn)，所以常將幾種生物材料通過一定的技術(shù)手段按一定比例組合，制成復(fù)合材料用以滿足骨組織工程支架材料的要求。目前，應(yīng)用較多的復(fù)合材料有不同類型材料的復(fù)合材料、添加活性因子的復(fù)合材料和納米復(fù)合材料等。

4.1 不同類型材料的復(fù)合材料

單一材料都有明顯的不足，例如膠原材料的機(jī)械強(qiáng)度較差、羥基磷灰石材料的脆性較大等。多種材料的復(fù)合，可保留各自的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，使復(fù)合材料具有良好的生物相容性、可降解性、高機(jī)械強(qiáng)度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地應(yīng)用于骨組織工程中。劉星綱等[18]應(yīng)用多孔β-磷酸三鈣/膠原復(fù)合材料修復(fù)兔下頜牙槽骨損傷，12周時(shí)骨缺損完全修復(fù)。表明多孔β-磷酸三鈣/膠原復(fù)合材料可以有效、快速地修復(fù)兔下頜壓槽骨損傷。另外，劉洪亞等[19]應(yīng)用殼聚糖/羥基磷灰石復(fù)合材料成功修復(fù)兔關(guān)節(jié)軟骨損傷，表明殼聚糖/羥基磷灰石復(fù)合材料可以促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨損傷的修復(fù)。

4.2 添加活性因子的復(fù)合材料

活性因子在骨修復(fù)過程中有重要作用，但是內(nèi)源性活性因子不能滿足需求，而外源性活性因子加入后會(huì)被很快降解。因此，將活性因子與支架材料復(fù)合，利用支架材料的緩釋作用和降解性，使活性因子在較長時(shí)間段內(nèi)保持有效濃度，以促進(jìn)骨修復(fù)。崔玉明等[20]制成PLGA/BMP復(fù)合材料和膠原海綿/BMP復(fù)合材料，均可用于修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷。

4.3 納米復(fù)合材料

納米技術(shù)是近年來備受關(guān)注的高新技術(shù)，納米材料能賦予材料以新的性能。在骨組織工程中，將支架材料與納米技術(shù)復(fù)合，已成為研究熱點(diǎn)。沈鐵城等[21]將納米晶膠原骨材料用于修復(fù)骨缺損，發(fā)現(xiàn)納米晶膠原骨材料有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)作用，可用于臨床上四肢粉碎性骨折造成的骨缺損。崔福齋教授團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上發(fā)明的“瑞?！奔{米晶膠原基骨修復(fù)材料，2005年獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局發(fā)布的三類植入產(chǎn)品注冊(cè)證，成為了國內(nèi)第一個(gè)可以公開銷售的醫(yī)用納米產(chǎn)品，在骨組織工程領(lǐng)域有重要的意義。

5 結(jié)束語

骨組織工程材料是離產(chǎn)業(yè)化較近的一種醫(yī)療器械產(chǎn)品。在骨愈合過程中，一些多孔的無機(jī)材料具有非常好的血管化效果和骨誘導(dǎo)效果。所以，對(duì)于骨組織工程而言，加強(qiáng)支架材料本身的結(jié)構(gòu)和成分研究至關(guān)重要。優(yōu)越的材料結(jié)構(gòu)意味著細(xì)胞能良好地生長，并獲得充分的血管化；良好的材料成分構(gòu)成，則意味著材料將具有更好的降解特性和生物相容性。

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Research Progress of Material for Bone Tissue Engineering

HAN Qianqian,XUE Bin,WANG Han,SHI Jianfeng,WANG Ying,TANG Jinglong,WANG Chunren．Medical Device Control,National Institute of Food and Drug Control,CFDA,Beijing 102629,China.Corresponding author:WANG Chunren (E-mail:chunrenwang@263.net);TANG Jinglong (E-mail:tang-jinglong@163.com).

【Summary】Clinically,the bone defects may be caused by acutely trauma and bone tumor resection.In this situation,the self-repairing capability could not be enough for bone regeneration.The materials for bone regeneration are used for filling bone defects and induce bone repair.In the medical device registration regulation,these materials are belong to the classⅢmedical device.There are several products which had registration license of CFDA.In this paper,the materials used for the production of bone inducing products were summarized,including artificial inorganic materials,artificial polymer materials,natural polymer materials and composite materials.

Bone defect; Repair; Tissue engineering

Q813.1+2

B

1673－0364（2017）06－0343－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.06.012

102629 北京市 中國食品藥品檢定研究院。

王春仁（E-mail：chunrenwang@263.net）；湯京龍（E-mail：tang-jinglong@163.com）。

注：韓倩倩、薛彬?yàn)楣餐谝蛔髡摺?/p>

2017年10月23日；

2017年11月18日）