骨修復(fù)生物材料臨床研究進(jìn)展

陳巖松 陳 哲 王碩凡

植入融合材料在臨床上應(yīng)用廣泛，研究[1]表明，在骨性融合中生物骨材料植骨與自體骨移植植骨相當(dāng)，卻明顯降低了復(fù)位后骨缺損較大，形成“空殼樣變”及二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能更好地改善椎體功能障礙指數(shù)。近幾十年來，已經(jīng)開發(fā)了自體骨、各種同種異體移植和合成移植物，包括脫礦骨基質(zhì)、膠原、磷酸鈣（羥基磷灰石和b-磷酸三鈣）、陶瓷、硫酸鈣和生物可降解聚合物。不同植入物植入體內(nèi)與組織有著不同程度融合，人體也對植入物也存在著不同程度的免疫反應(yīng)。通過比較合成骨移植替代品、自體骨移植或同種異體移植物用于治療骨缺損的效果和安全性選擇移植材料，骨愈合和椎間融合取決于移植物的特性[2]。評價(jià)合成生物材料對骨愈合的安全性和優(yōu)越性的依據(jù)是評價(jià)骨缺損術(shù)后的穩(wěn)定性和人體對移植物的免疫排斥反應(yīng)[3]。因此，關(guān)于使用這些合成材料的定論或建議應(yīng)該是謹(jǐn)慎的并在臨床證據(jù)限制范圍內(nèi)。

1 自體骨

現(xiàn)自體骨依據(jù)來源不同可分為松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、皮質(zhì)松質(zhì)骨，此外還有帶肌蒂骨移植、吻合血管移植骨等多種不同類型。盡管自體移植物具有比同種異體移植物更高的融合速率和更低的間隙塌陷率[4]，但自體骨來源相對較窄，手術(shù)過程中容易產(chǎn)生疼痛、出血、感染或瘢痕等并發(fā)癥[5]，術(shù)后并發(fā)癥高達(dá)30%[6]，自體骨的移植不僅需要患者承受額外的手術(shù)創(chuàng)傷，還會增加手術(shù)時(shí)間，并不能在臨床上獲得良好的運(yùn)用。髂嵴骨移植患者仍需經(jīng)歷供體部位6周時(shí)的疼痛，在某些情況下延長至術(shù)后36個月[3]，有研究[7]指出，在自體骨中，顱骨移植并發(fā)癥率較低，但它必須由有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師進(jìn)行，以減少神經(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。松質(zhì)骨是脊柱融合術(shù)中較為理想的移植骨，該材料能夠最大限度的保留成骨細(xì)胞[8]，并且能夠與自體存在良好的生物相容性，成骨速度也比較快[9]，具備骨生成特性：擁有大量的成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等細(xì)胞能夠促進(jìn)骨生成；骨誘導(dǎo)特性：其結(jié)構(gòu)為由膠原蛋白I、骨基質(zhì)等構(gòu)成多孔的三維立體結(jié)構(gòu)能夠誘導(dǎo)血管長入，特別是骨膜帶血管的自體骨有助于快速進(jìn)行骨誘導(dǎo)，促進(jìn)骨形成，促進(jìn)骨融合增加其穩(wěn)定性；骨傳導(dǎo)特性：基質(zhì)或細(xì)胞中含有大量骨誘導(dǎo)蛋白可誘導(dǎo)未分化細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞促進(jìn)骨的生成。皮質(zhì)骨對比與松質(zhì)骨其成骨細(xì)胞及干細(xì)胞較少，組織更致密，因此其骨生成、骨誘導(dǎo)、和骨傳導(dǎo)特性較差。但能夠提供更大的機(jī)械支持力。

2 同種異體骨

同種異體骨較自體骨具有取材廣泛，不受限制，具備縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)后發(fā)病率及縮短住院時(shí)間的優(yōu)勢[10]，也具備骨形態(tài)發(fā)生以及骨誘導(dǎo)作用等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同的植骨部位可選擇不同形狀、不同構(gòu)造的同種異體骨，因此在近幾年同種異體骨已被大量脊椎融合手術(shù)應(yīng)用[11]。有研究[12]證明，同種異體間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞分化成軟骨細(xì)胞系，產(chǎn)生硫酸糖胺聚糖和單碘乙酸可以減少疼痛和促進(jìn)軟骨的形成。按照制備的方法不同，同種異體骨的早期嚴(yán)重并發(fā)癥是免疫排斥反應(yīng)，異體骨移植免疫排斥的病理組織學(xué)表現(xiàn)為慢性炎細(xì)胞浸潤和血管病變，發(fā)生局部交叉感染而出現(xiàn)血管病變可能是異體骨移植失敗的主要原因[13]。同種異體骨可分為新鮮骨、深凍骨和凍干骨。雖然深凍骨移植部位成骨細(xì)胞活性增強(qiáng)，可減低免疫排斥反應(yīng)，但深凍骨非常脆，具有移植物碎裂，沉降等問題[6]，不能在術(shù)中隨意塑形。并且有疾病傳播可能，且制備成本相對較高。使用羥基磷灰石和同種異體骨行椎體間融合的融合率分別為48.8%和51%[14]。

3 骨移植代替材料

3.1 陶 瓷 硫酸鈣、生物活性玻璃和磷酸鈣類是現(xiàn)代研究較多的陶瓷材料。硫酸鈣因不可預(yù)測的生物降解性，及在體內(nèi)釋放大量硫酸根離子造成的不良反應(yīng)在臨床應(yīng)用較少[15]。生物活性玻璃脆性較高[16]，具有移植物碎裂，沉降和融合處穩(wěn)定性下降等問題。磷酸鈣水泥的化學(xué)成分非常類似于骨細(xì)胞外基質(zhì)的礦物成分因此被廣泛地研究作為骨組織工程支架，但其重塑成骨的能力有限[17]。在對高齡的椎體壓縮性骨折的患者進(jìn)行手術(shù)時(shí)，開放手術(shù)治療由于軟組織創(chuàng)傷較大、螺釘固定強(qiáng)度不足、并發(fā)癥發(fā)生率較高、手術(shù)時(shí)間增加等因素受到限制，在缺少其他刺激因素的條件下，在植入陶瓷數(shù)月后，才能發(fā)現(xiàn)植骨融合，骨折再發(fā)的可能性也會大大增加，患者的術(shù)后康復(fù)及生活質(zhì)量會進(jìn)一步受到影響，所以對早期植骨融合的穩(wěn)定性有待考量。有研究[18]發(fā)現(xiàn)，與其他類型的無水泥全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)相比，使用陶瓷植骨的患者術(shù)后滿意結(jié)果率顯著降低，并發(fā)癥發(fā)生率相對較高。所以陶瓷的應(yīng)用有待臨床進(jìn)一步考量。

3.2 膠 原 骨的有機(jī)基質(zhì)的主要組成是I型膠原（90%干重）、大量非膠原基質(zhì)蛋白、至少兩種糖蛋白（二聚糖和核心蛋白多糖）和一些次要膠原（主要是III型和X型）。I型膠原具有良好的骨傳導(dǎo)性[19]，缺少I型膠原可能發(fā)生成骨不全癥類型的遺傳性疾病，且其溶解能力較低且骨脆弱性較高，患者通常有多處骨折或肢體畸形[20]。有研究[21]表明，胰島素原C肽通過激活成骨細(xì)胞和其調(diào)節(jié)骨重塑蛋白的表達(dá)可以防止I型膠原的表達(dá)的減少。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）以I型膠原作為載體，可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞產(chǎn)生新的骨組織，且此類骨組織在組織和功能上和自體骨完全一致[22]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白，屬于轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）超家族，顯示出在成骨部位促進(jìn)細(xì)胞聚集和誘導(dǎo)分化成成骨細(xì)胞的巨大的潛力。

重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（rhBMP-2）復(fù)合材料是近年來研究較多的一種復(fù)合材料，它是一種可溶的、低分子跨膜糖蛋白，在機(jī)體內(nèi)具有良好的成骨作用[23]。rhBMP-2復(fù)合體能夠促進(jìn)脊柱愈合，能夠獲得較高脊柱融合強(qiáng)度[24]，rhBMP-2能夠有效提高成骨分化相關(guān)因子堿性磷酸酶、骨鈣素、骨橋蛋白的合成與分泌，促進(jìn)成骨分化[25]。雖然使用的rhBMP-2在后腰椎間融合不被美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)，但是北部美國脊椎學(xué)會建議將其用于輻射暴露，吸煙和患糖尿病和高血壓的患者或具有骨不愈合的高風(fēng)險(xiǎn)的患者，包括接受多節(jié)段融合手術(shù)，老年骨質(zhì)疏松癥的患者。但rhBMP-2具有較多的并發(fā)癥主要是異位骨化、骨溶解、硬膜外囊腫形成、淋巴炎等具有rhBMP-2誘導(dǎo)的根性炎癥。其他報(bào)告指出這些并發(fā)癥可能與使用的較高劑量有關(guān)[26]。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7（BMP-7）是轉(zhuǎn)換生長因子-β家族的一員，現(xiàn)代研究[27]證實(shí)，它不僅能夠促進(jìn)骨缺損愈合，還能刺激植骨部位的間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)骨形成，BMP-7可以以去礦物質(zhì)凍干同種異體骨為載體，并且在早期促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。BMP-7在椎體骨折的治療中，合成骨移植材料使用可以促進(jìn)骨愈合，改善患者生活質(zhì)量。BMP-2，-6和-7可以誘導(dǎo)人體牙周韌帶干細(xì)胞的骨組織相關(guān)基因mRNA表達(dá)和礦化[28]。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白-9（BMP9）也被稱為生長和分化因子2（GDF-2），最近被確定為能夠在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)成骨分化和骨形成的[29]。BMP-9促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑可能起著充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)成骨（MSCS）至關(guān)重要的作用[30]，其中c-Jun N-末端激酶（JNK）途徑可能涉及的有效成骨活性。JNK抑制由特異性抑制劑SP600125或腺病毒表達(dá)靶向JNK（ADR-SI-JNK）顯著下降BMP9誘導(dǎo)的基因和小干擾RNA（siRNA）蛋白質(zhì)的早期和晚期成骨標(biāo)記物，如侏儒相關(guān)表達(dá)式轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2），堿性磷酸酶（ALP），骨橋蛋白（OPN）和骨鈣蛋白（OCN）[31]。我們還證實(shí)異位JNKs信號通路的體內(nèi)積極作用骨通過注射到無胸腺裸鼠和BMP9體外基因遞送的肌肉hPDLSCs誘導(dǎo)形成[31]。

3.3 高分子聚合物 合成移植物包括羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、骨誘導(dǎo)膜、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）、生物相容性骨傳導(dǎo)聚合物（biocompatible osteoconductive polymer，BOP）。PMMA骨水泥聚合放熱過程對骨組織活性無明顯影響，PMMA微結(jié)構(gòu)孔隙可作為化療藥及抗生素的良好載體[32]，復(fù)合化療藥及抗生素后對PMMA機(jī)械性能無明顯不利影響。對PMMA支架的研究沒有表現(xiàn)出優(yōu)于自體移植骨的任何優(yōu)勢。且PMMA易導(dǎo)致假關(guān)節(jié)生成和移植物遷移[32]。PMMA和BOP移植物導(dǎo)致較低的融合速率，以及PMMA和BOP與髂嵴骨移植相比，具有更大的移植物碎裂，沉降的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

骨誘導(dǎo)膜通過向骨缺損部位提供成骨相關(guān)細(xì)胞和高濃度的成骨因子從而促進(jìn)骨缺損的修復(fù)重建。誘導(dǎo)膜在植入骨水泥后4～6周主要成骨相關(guān)生長因子含量最高，成骨能力最強(qiáng)[33]，此時(shí)是最佳的植骨時(shí)間;誘導(dǎo)膜生長因子含量及促成骨活性與骨膜接近；誘導(dǎo)膜能為移植骨提供生長因子和細(xì)胞從而促進(jìn)滅活移植骨成骨。

β-磷酸三鈣生物陶瓷透明質(zhì)酸混懸液有良好的組織相容性，無刺激性[34]，使用β-磷酸三鈣不增加感染或并發(fā)癥的發(fā)生率[35]且β-磷酸三鈣支架材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)目紫堵蔥25]。研究[36]表明，β-磷酸三鈣具有比羥基磷灰石優(yōu)異的吸收性，但骨傳導(dǎo)未見顯著差異。β-磷酸三鈣的對免疫系統(tǒng)有輕度至中度的刺激作用，β-磷酸三鈣顆粒增強(qiáng)共刺激表面分子，包括CD86，CD80和CD40在巨噬細(xì)胞中表達(dá)[37]。已有研究證明[38]細(xì)胞可在含有的膠原的α-磷酸三鈣/膠原復(fù)合體局部微環(huán)境中黏附和生長及發(fā)揮成骨特性。α-磷酸三鈣/膠原復(fù)合體較少引起免疫反應(yīng)，融合效果穩(wěn)定聚乳酸是一種無毒且加工性強(qiáng)的生物降解性材料。

羥基磷灰石（HA）是天然骨的無機(jī)成分，生物相容性好，骨傳導(dǎo)性強(qiáng)，是理想的骨替代物。膠原/羥基磷灰石一體化修復(fù)體能在軟骨缺損修復(fù)過程中有效地抑制炎癥因子的活化表達(dá)，減少細(xì)胞外基質(zhì)的破壞和降解，為軟骨修復(fù)提供良好的細(xì)胞增殖、分化環(huán)境。但膠原羥基磷灰石比純陶瓷支架更容易降解[39]。跨越兩個脊柱區(qū)域，合成移植物和自體骨融合效果相同或甚至更好。碳酸化羥基磷灰石水泥具有一定的骨傳導(dǎo)性，其理化性質(zhì)與骨組織相似，生物相容性良好。碳酸化羥基磷灰石水泥治療骨質(zhì)疏松性胸腰椎體壓縮性骨折能迅速鎮(zhèn)痛，能較好恢復(fù)脊椎高度。無放熱反應(yīng)，對周圍神經(jīng)血管無熱損害，與正常骨小梁基本融合具有較好的臨床效果[39]。結(jié)合異體材料和自體材料的目的是減慢移植物的骨吸收速率，這是異體移植物的特征，并且刺激新生骨細(xì)胞形成，這是自體移植物的特征。

4 討論

這些骨移植替代品或補(bǔ)充劑的使用成為商業(yè)競爭的一項(xiàng)重要項(xiàng)目，但沒有臨床證據(jù)支持廣泛使用這類產(chǎn)品。了解移植物如何影響骨的生物愈合至關(guān)重要。在體間融合位點(diǎn)的骨愈合和融合取決于三個主要因素：有受體位點(diǎn)狀況，融合底物，和宿主特征，骨缺損的長期穩(wěn)定依靠骨愈合的質(zhì)量，有賴于其本身生物穩(wěn)定的建立，骨性融合才能保證永久性穩(wěn)定，準(zhǔn)確的選擇植骨材料是其融合的關(guān)鍵。已經(jīng)有許多臨床研究對各種合成移植物的相容性、潛力及缺點(diǎn)進(jìn)行分析。評價(jià)合成生物材料對椎體的使用的優(yōu)越性和弊端，很大程度上是由于樣本大小和手術(shù)植骨方式所影響。因此，關(guān)于這些合成材料的使用的確定結(jié)論或建議應(yīng)該是謹(jǐn)慎地并在證據(jù)的限制范圍內(nèi)的。所以新興材料的安全性和有效性有待臨床進(jìn)一步考量。不同的骨填充材料有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在骨愈合過程中，各種因子、各種細(xì)胞具有的不同功能，以及各種因子和細(xì)胞之間的有著不同的相互作用和調(diào)節(jié)機(jī)制。