基于納米羥基磷灰石的生物復(fù)合材料研究進(jìn)展

周 鑫，藍(lán)藝鑫，程麗佳

中國外科植入物專委會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2005年我國骨質(zhì)疏松患者已超過1億人，隨著老齡化的進(jìn)程加速，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到2.12億，占人口總數(shù)的13.2%，而超過30%老年骨折患者與骨質(zhì)疏松相關(guān)。 我國各種關(guān)節(jié)炎重癥患者超過8 000萬人，現(xiàn)有肢殘患者75萬人，同時(shí)，每年新增骨損傷患者300萬人。這也就意味著：隨著我國老齡化進(jìn)程的加快，我國骨科疾病的患病人數(shù)將加速增長，使得骨修復(fù)替代材料成為臨床需求量最大的生物醫(yī)用材料之一。骨修復(fù)替代材料是骨組織工程發(fā)展的基礎(chǔ)。理想的骨修復(fù)材料應(yīng)該具備生物相容性、機(jī)械耐受、可生物降解、可誘導(dǎo)再生等特性。納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite，nHA)具有表面活性大、溶解度高、生物活性好等特點(diǎn)，但是在復(fù)合材料中nHA含量越多生物力學(xué)性能越差，脆性越大。生物復(fù)合材料較單一材料在生物相容性、生物活性及成骨能力方面有更強(qiáng)的塑造能力，更容易滿足臨床需求。本文將綜述5種基于nHA的生物復(fù)合材料的性能、制備方法及臨床應(yīng)用情況。

1 nHA/聚酰胺(polyamide，PA)

聚酰胺是臨床上使用較多的一線材料，該材料具有較好的生物相容性和降解性。PA66是PA的一個(gè)品種，nHA/PA66在臨床上廣泛運(yùn)用于脊髓的修復(fù)，PA能增加nHA材料的韌性，nHA /PA66復(fù)合材料的抗壓、抗彎強(qiáng)度和彈性模量與人體骨皮質(zhì)的力學(xué)性能相近。2005年，醫(yī)用nHA /PA66復(fù)合骨充填材料(YZB /國 0063-2003)被批準(zhǔn)上市，現(xiàn)已在全國1 300多家甲級(jí)醫(yī)院應(yīng)用，取得了良好的臨床治療效果[1]。

nHA/PA也用于臨床頸椎治療，梁欣潔等[2]在臨床頸椎前路椎間融合術(shù)中應(yīng)用n-HA/PA66 cage，展現(xiàn)出優(yōu)良的生物活性及力學(xué)特性，能提供早期良好的支撐和穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境而保障了較高的融合率，從而維持了術(shù)后頸椎前中柱重建的穩(wěn)定性，且術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率低達(dá)1.6%。Chen等[3]制作了一種新型高度可以調(diào)節(jié)的nHA /PA66椎體來矯正頸椎畸形，治療7例脊柱腫瘤患者，恢復(fù)脊柱高度矯正畸形，患者脊柱壓迫均明顯減輕。為研究nHA/PA在更多骨相關(guān)疾病中的應(yīng)用價(jià)值，大量的臨床前實(shí)驗(yàn)正在開展。徐顯春等[4]應(yīng)用nHA/PA人工肱骨頭置換兔肱骨頭，結(jié)果顯示在不同時(shí)期假體上端皮質(zhì)均未出現(xiàn)骨皮質(zhì)變薄、異位骨化等現(xiàn)象，人工假體均無碎裂跡象，骨覆蓋范圍達(dá)到80%～100%。另外，nHA/PA復(fù)合材料中的HA能夠電解出Ca、P等離子，在材料表面沉積，對(duì)成骨細(xì)胞很好的吸附能力[5]。

2 nHA/聚乳酸(polylactic acid，PLA)

聚乳酸是一種具有良好生物相容性和生物降解特性的聚合物，降解終產(chǎn)物為CO2和H2O，降解中間產(chǎn)物乳酸也是體內(nèi)正常代謝的產(chǎn)物，成為當(dāng)前仿生細(xì)胞外基質(zhì)中最受重視的生物材料之一[6]，已被美國FDA批準(zhǔn)為生物降解性醫(yī)用材料，在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可生產(chǎn)一次性輸液用具、免拆型手術(shù)縫合線等，低分子聚乳酸還可作為藥物緩釋包裝劑。

nHA/PLA復(fù)合材料具有良好的生物力學(xué)，生物活性和降解性；但復(fù)合材料的孔隙越大力學(xué)性能越低[7]。隨著nHA含量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量均先增加后減少，在nHA含量為 20%時(shí)nHA/ PLA復(fù)合材料達(dá)到峰值，適用于松質(zhì)骨骨組織修復(fù)及骨內(nèi)固定材料，能為骨折愈合提供堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定及修復(fù)愈合的醫(yī)療效果[8-9]。

nHA/PLA有多種制備方法，黃江鴻等[8]通過靜電紡絲方法制備的nHA/PLA復(fù)合材料中，10%nHA/90% PLA復(fù)合材料的孔隙率、結(jié)晶性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度綜合起來效果最好。Ma等[10]采用了鑄造-滲透法制備nHA/PLA Janus膜實(shí)驗(yàn)顯示nHA側(cè)具有較高的細(xì)胞存活率和高效的誘導(dǎo)成骨作用，PLA側(cè)具有抑制細(xì)胞黏附的作用；大鼠下頜骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，PLA側(cè)可以防止術(shù)后骨與鄰近肌肉粘連，nHA側(cè)具有較強(qiáng)的促進(jìn)缺損修復(fù)和骨再生的能力。Wan等[11]采用層插法制備nHA/PLA復(fù)合材料研究力學(xué)性能及細(xì)胞毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)nHA的加入對(duì)PLA降解產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物有一定的中和作用，從而降低體內(nèi)酸性物質(zhì)的囤積。

nHA與PLA材料混合后nHA/PLA復(fù)合材料的彈性模量得到明顯提高，其在體內(nèi)抗拉伸、壓縮性能較nHA單獨(dú)應(yīng)用更佳，同時(shí)有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在材料中進(jìn)行良好的增殖和分化；并且復(fù)合材料中PLA 降解速率減緩，可以改變nHA的降解速度，但nHA的降解仍與成骨速度不相匹配，難以進(jìn)行有效的控制，可能導(dǎo)致材料降解過快，使缺損局部失去力學(xué)支撐[12]。所以在材料的降解速度控制上還要進(jìn)一步研究。

3 膠原(collagen,COL)/nHA/PLA

天然骨由低結(jié)晶的磷灰石、微量碳酸鈣COL纖維組合形成特殊的空間結(jié)構(gòu)。磷酸鈣和I型膠原是天然骨基質(zhì)的主要成分，COL的纖維蛋白在凝血酶的作用下可聚合成可塑性良好的纖維蛋白原膠，彌補(bǔ)nHA在可塑性上的缺陷[13-15]。

柴雅琳等[16]進(jìn)行的重組COL/nHA復(fù)合材料的研究中指出COL的加入使COL/HA復(fù)合材料與骨骼結(jié)構(gòu)更加相似，膠原蛋白還有助于骨骼對(duì)鈣的吸收和利用。然而，在前期nHA所載藥物的突釋現(xiàn)象明顯，難形成長期、穩(wěn)定有效的藥物濃度，骨生成速度與材料藥物分解速度不一致。而高分子材料如PLA不僅具有很好的相容性，還可減慢成骨材料的降解速度，可逐步降解，且不影響組織修復(fù)并能緩慢釋放藥物[17]。

體外實(shí)驗(yàn)中，Hatakeyama等[18]利用所制備的nHA/豬I型膠原復(fù)合材料與人成骨細(xì)胞共培養(yǎng)，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在材料上黏附狀態(tài)良好，表型維持穩(wěn)定，同時(shí)堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨鈣蛋白(osteocalcin,OC)等的表達(dá)明顯增加，且表達(dá)量隨培養(yǎng)時(shí)間而增高。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，Komaki等[19]在兔脛骨節(jié)段性缺損模型修復(fù)中發(fā)現(xiàn)COL/nHA復(fù)合材料可與骨組織形成鍵性結(jié)合，材料被破骨細(xì)胞逐漸吸收，新骨形成過程中，無任何毒性、炎癥等不良反應(yīng)發(fā)生；該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，COL/nHA復(fù)合材料與骨改建代謝中產(chǎn)生的新生骨間形成的交聯(lián)可以改變材料本身的力學(xué)強(qiáng)度和在體內(nèi)的吸收過程，并在維持復(fù)合材料的強(qiáng)度和形狀中起到關(guān)鍵性作用。Hao等[20]先將nHA與人重組膠原蛋白混合，然后與PLA按比重1∶1混合得到nHA/COL/PLA復(fù)合材料，將其應(yīng)用于兔橈骨缺損修復(fù)，12周后骨缺損基本愈合，且支架已基本降解完成。呂玉明等[21]在納米晶重組類人膠原基/ 聚乳酸復(fù)合支架材料研究中表明了復(fù)合材料中COL/nHA按1∶1混合后再與PLA組成復(fù)合材料各個(gè)方面均符合良好人工骨的性能。

4 nHA/殼聚糖(chitosan,CS)

殼聚糖具有生物相容性、生物降解性、與陰離子結(jié)合能力和抗菌性，且其成孔能力優(yōu)越[20,23]。

EI-Meliegy等[22]將右旋殼聚糖與nHA復(fù)合發(fā)現(xiàn)，隨著nHA增加，復(fù)合材料密度和力學(xué)性能增加，孔隙率降低。凍干法制備nHA/CS時(shí)通過冰晶核沿?zé)崽荻确较蛏L，能夠在聚合物中提供優(yōu)良的孔隙，還可以限制結(jié)晶器的孔隙方向[23]。采用凍干技術(shù)-粒子瀝濾復(fù)合工藝制nHA/CS微球/聚乳酸/醋酸復(fù)合支架中，CS與nHA的復(fù)合物在藥物緩釋的過程中發(fā)揮重要的作用，不僅能降低材料的降解速度，還能提高細(xì)胞的增殖能力和材料的抗壓強(qiáng)度[23-24]。張利等[25]采用共沉淀法制備了nHA/CS復(fù)合材料，當(dāng)nHA與CS 質(zhì)量比為7∶3時(shí)，可達(dá)最理想抗壓強(qiáng)度(120 MPa)，能夠滿足人工骨的力學(xué)要求。Ruphuy等[26]最近研究了一種超臨界CO2純化CS支架，使制作工藝從5步縮減到3步，制作周期縮短，且材料具有高純度無菌的特點(diǎn)，還避免了常用方法冷凍干燥制備支架中殘留的乙酸對(duì)支架的破壞或阻礙細(xì)胞生長。石國華等[27]用nHA/CS復(fù)合材料修復(fù)兔顱頜骨實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)材料可以吸收移植部位的鈣，并刺激新骨的形成，移植材料的部位完全愈合，骨面平整，材料完全被新生的自體骨取代。

5 凹凸棒(attapulgite，ATTP)/nHA/膠原

凹凸棒石是一種具鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂硅酸鹽黏土礦物，屬于海泡石族[28]。ATTP晶體呈棒狀，單根晶體的直徑為20～70 nm，長度為0.5～5 μm，具有良好的柔韌性、可塑性及生物相容性。研究表明，ATTP作為一種無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定的非金屬礦產(chǎn)，由于具有納米結(jié)構(gòu)、大的比表面積和空間和較好的骨誘導(dǎo)性和生物相容性，對(duì)骨修復(fù)有積極的促進(jìn)作用。但ATTP具有較大的膨脹容，太過柔韌等缺陷[29-31]。

張曉敏等[32]通過I型膠原/聚己內(nèi)酯/ATTP復(fù)合材料體外誘導(dǎo)成骨的研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的生物相容性及骨誘導(dǎo)性，有望成為一種理想的骨組織工程支架材料。在實(shí)驗(yàn)中，HA的加入明顯改善了ATTP復(fù)合材料的性能，優(yōu)化了復(fù)合材料的孔隙率、透氣性和吸水膨脹率，顯著改善ATTP的膨脹容，此改變有利于細(xì)胞進(jìn)入復(fù)合材料生長代謝，以及支架與組織之間的物質(zhì)交換與營養(yǎng)代謝。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，ATTP/缺鈣羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯/膠原、ATTP /羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯/膠原合成的復(fù)合材料分別植入大鼠顱骨1個(gè)月，在染色結(jié)果顯示材料與骨連接緊密，材料有輕微降解且有骨樣細(xì)胞形成，有很好的生物相容性，能夠明顯促進(jìn)骨生成[33]。該類復(fù)合材料為一種新的骨組織工程材料，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步評(píng)價(jià)材料對(duì)骨缺損修復(fù)效果的研究，以期獲得更好的成骨效果。

研究表明人骨力學(xué)性能壓縮強(qiáng)度為80～150MPa、彎曲強(qiáng)度50～120MPa、彈性模量3～20GPa[34]。查閱大量上述五種材料相關(guān)文獻(xiàn)，研究人員對(duì)材料的物理性的測試顯示5種材料的物理性能均滿足人骨物理性能，上述5種材料的物理性能之間沒有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，生物相容性均良好，無明顯的免疫反應(yīng)，主要差別是在于成骨能力的強(qiáng)弱。nHA/PA已經(jīng)通過臨床運(yùn)用批準(zhǔn)，在頸椎修復(fù)手術(shù)中也取得了明顯的成果，具有良好的成骨能力；而其余4種材料中，COL/nHA/PLA成骨能力相對(duì)較高，可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞生成，其他3種材料成骨能力相對(duì)較弱。

理想的人工骨應(yīng)具有以下特點(diǎn)：良好的孔隙率、力學(xué)性能、降解性、骨誘導(dǎo)能力、生物相容性、可塑性、黏附性和吸水膨脹率。目前的人工骨種類繁多，已完成了從單一材料到復(fù)合人工骨的轉(zhuǎn)換，使人工骨更加符合人骨的性質(zhì)和需求。但是，人工骨復(fù)合材料還存在許多不足，如材料的降解率與成骨速度不協(xié)調(diào)、部分材料與骨組織不能有效黏附、人工骨孔隙率與可塑性研究不足等問題，使得人工骨研究處于一個(gè)瓶頸期。隨著納米技術(shù)、組織工程技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展與綜合, 人工骨必將迎來重大突破，為臨床上治愈骨相關(guān)疾病提供更好的選擇。