骨組織工程材料在大段骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用進展

毛克亞，劉建恒，崔 翔

骨缺損是由先天性疾病、創(chuàng)傷、感染、腫瘤等原因引起的骨科常見病，大段骨缺損的治療是骨科醫(yī)師面臨的臨床難題[1]。臨床常用的治療方法包括自體骨移植、異體骨移植、帶皮瓣腓骨移植、Ilizarov骨搬移技術(shù)、Masquelet技術(shù)等。然而，這些方法都存在各自的局限性。自體骨移植是目前治療骨缺損的“金標準”[2]，但存在供區(qū)骨量有限、術(shù)后供區(qū)骨缺損及感染等一系列問題[3]。帶血管蒂的腓骨移植往往手術(shù)難度和風(fēng)險大，難以推廣[4]。異體骨移植存在免疫排斥反應(yīng)，會影響骨愈合[5]。Ilizarov骨搬移技術(shù)則存在治療周期長、外架操作安裝復(fù)雜、患者痛苦等問題。近年來，骨組織工程技術(shù)與材料的快速發(fā)展，為大段骨缺損的治療帶來了新的思路和策略。

理想的骨組織工程材料應(yīng)具有以下特征：(1)良好的生物相容性，不產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，無毒性分解產(chǎn)物；(2)生物可降解性，具有可控的降解速率，材料降解速度與成骨過程相匹配；(3)生物活性，含有促進成骨的細胞因子或藥物等活性成分，刺激細胞黏附、增殖和分化，促進新骨形成；(4)具有微米-納米級別梯度的相互連接的孔徑支架結(jié)構(gòu)，促進血管形成、細胞黏附和遷移；(5)良好的機械性能，與正常骨組織相似或優(yōu)于正常骨組織[6]。隨著材料學(xué)的發(fā)展，骨組織工程材料的種類也在不斷增多，其中主要包括生物醫(yī)用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等，其中很多材料已在動物模型和臨床研究中取得了顯著效果。因此，筆者按材料性質(zhì)的不同及其對大段骨缺損修復(fù)效果，對近年來骨組織工程材料的進展進行綜述。

1 生物醫(yī)用金屬材料

金屬材料是最早用于骨修復(fù)的骨組織工程材料，包括鉭、鈦及鈦基合金、鎂及鎂基合金等。生物醫(yī)用金屬材料具有高強度、良好的韌性和優(yōu)異的加工性能等特點。不同金屬材料的理化性質(zhì)有所差異，應(yīng)用不同加工及修飾方法，可以制備出性能不同的骨組織工程支架。

1.1 鉭金屬 具有高強度、延展性好、高摩擦系數(shù)和較強的耐磨損和耐腐蝕性，被稱之為“骨小梁樣金屬”[7]。研究表明，多孔鉭支架不僅與人體組織有優(yōu)異的組織相容性和生物活性，還可顯著促進干細胞和成骨細胞在支架表面的黏附、生長和分化[8]。Mrosek等[9]應(yīng)用多孔鉭支架修復(fù)綿羊股骨髁骨缺損，發(fā)現(xiàn)多孔鉭金屬支架可以有效促進新骨向材料內(nèi)部生長，且與宿主骨整合良好，是一種良好的骨缺損修復(fù)材料。目前，多孔鉭支架作為關(guān)節(jié)假體、軟骨支架等已用于臨床，并取得了良好的效果[10]。但其高昂的價格限制了其在大段骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。

1.2 鈦金屬 具有無毒、質(zhì)輕、強度高、生物相容性好等優(yōu)點，但目前也存在彈性模量過高、耐腐蝕性和抗菌性較差等問題。為了克服這些問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量探索，包括發(fā)展新型鈦基合金及鈦基復(fù)合材料、制備三維仿生結(jié)構(gòu)支架，以及對鈦及鈦合金進行表面改性等。Anne-Marie等[11]基于生物力學(xué)設(shè)計，通過3D打印方法制備了結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化的鈦網(wǎng)支架，并在支架中填充自體松質(zhì)骨，該支架克服了傳統(tǒng)鈦支架彈性模量過高產(chǎn)生的應(yīng)力屏蔽問題，可顯著促進綿羊大段骨缺損修復(fù)。Shen等[12]在鈦表面制備了鎂/鋅的金屬有機骨架涂層，修飾后的支架不僅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出強大的抗菌能力，還可以促進新骨再生。隨著近年來研究的不斷深入，一批綜合性能優(yōu)異的新型鈦合金材料有望開展臨床前研究。

1.3 金屬鎂 不僅具有良好的組織相容性和力學(xué)穩(wěn)定性，同時降解過程釋放的鎂離子具有良好的促成骨能力[13]。但是純鎂金屬在體內(nèi)降解偏快，無法長期維持牢固的支撐固定。而通過添加鈣、鋅、鍶、錳、鋯、稀土元素等開發(fā)新的鎂基合金，或?qū)︽V合金材料進行表面改性，不僅可使鎂支架降解速率與成骨速率相匹配，同時具有更好的力學(xué)性能[14-15]。Zhang等[16]制備了一種殼-核結(jié)構(gòu)的不銹鋼鎂髓內(nèi)釘，該髓內(nèi)釘力學(xué)強度好，同時鎂降解后釋放到骨缺損局部，可以刺激骨膜感覺神經(jīng)元末梢釋放CGRP，極大促進了新骨形成，顯示出對大段骨缺損的治療潛力。隨著對鎂在體內(nèi)降解、促成骨及吸收代謝機理研究的不斷深入，其臨床轉(zhuǎn)化進程有望進一步推進，并在將來造福大段骨缺損患者。

2 無機非金屬材料

目前，用于大段骨缺損修復(fù)的無機非金屬材料主要包括磷酸鈣、生物活性玻璃及碳素材料等，這些材料都與骨組織有良好的親和性及促成骨活性。

2.1 磷酸鈣 是人體天然骨的主要無機成分。天然磷酸鈣存在于動物骨骼、珊瑚等，而合成的磷酸鈣材料有羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(TCP)等。HA的生物成分與骨礦物質(zhì)較為接近，具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性。然而，傳統(tǒng)羥基磷灰石力學(xué)性能差、脆性大。近年來，納米羥基磷灰石(Nano-HA)材料的發(fā)展不僅克服了傳統(tǒng)HA材料力學(xué)強度不佳的缺點，還具有更好的促成骨特性，因而受到了越來越多的關(guān)注[17]。張興棟院士課題組通過3D打印方法制備了一種Nano-HA涂層的多孔支架，該支架用于兔腫瘤大段骨缺損模型中，不僅可以促進腫瘤微環(huán)境下的骨缺損再生，還可以通過上調(diào)腫瘤壞死因子TNF-α等基因引起腫瘤凋亡、移植腫瘤細胞轉(zhuǎn)移，并減少腫瘤引起的骨溶解[18]。

磷酸三鈣(TCP)分為α-TCP和β-TCP，而前者具有細胞毒性，因此應(yīng)用受到了限制[19]。β-TCP有良好的生物降解性、生物相容性和骨傳導(dǎo)性，但也存在機械強度不足、降解過快的問題，對此國內(nèi)外學(xué)者嘗試通過構(gòu)建磷酸鈣復(fù)合材料進行骨缺損修復(fù)。Lai等[20]通過低溫快速成型技術(shù)制備了PLGA/TCP/Mg支架，該支架力學(xué)性能得到顯著提高，并通過促進血管生成及介導(dǎo)新骨形成，實現(xiàn)骨缺損修復(fù)。

2.2 生物活性玻璃 是一種由硅、鈣、磷和鈉的氧化物組成的CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)，而新一代的生物活性玻璃通過添加MgO、B2O3、K2O、TiO2等成分改善其性能。生物活性玻璃在體內(nèi)降解釋放的硅離子具有促進生長因子生成、細胞增殖和活化細胞基因的作用，進而促進成骨細胞的增殖和成骨分化，是一種理想的無機非金屬替代材料[21]。LIN等[22]通過多孔生物活性玻璃搭載BMP-2和IL-8，用以治療兔橈骨大段骨缺損，發(fā)現(xiàn)這種人工支架具有優(yōu)異的骨再生能力，對于骨的形成和分化有明顯的促進作用。Ryan等[23]制備了摻雜銅的生物活性玻璃支架，該支架不僅可以促進血管和骨生成，同時展現(xiàn)出對金黃色葡萄球菌明顯的抗菌活性，因此為骨髓炎骨缺損的治療提供了新策略。但是生物活性玻璃釋放離子促進骨生長的具體生物化學(xué)機制尚未明確，其是否存在遠期風(fēng)險也需要進一步闡明，同時生物活性玻璃抗疲勞性能較差，無法應(yīng)用于負重區(qū)域的問題也需要改善。

2.3 碳素材料 包括碳納米管、石墨烯、富勒烯和納米金剛石等材料，不但擁有良好的機械強度，而且可以為骨細胞提供與人體天然骨相似的微環(huán)境，促進干細胞的黏附、增殖、分化，同時還可以促進組織礦化而修復(fù)大段骨缺損[24]。其中，石墨烯因具有良好的抗菌性和載藥緩釋性，近年來在骨缺損修復(fù)中受到了大量研究[25]。Wang等[26]將多壁碳納米管(MWCNT)粉末摻入甲基丙烯磷脂骨水泥制成骨組織工程支架，體外實驗證明，MWCNT的添加改善了干細胞的黏附和增殖。將不同MWCNT含量的支架植入新西蘭兔骨缺損模型中發(fā)現(xiàn)，大量成骨細胞聚集在支架內(nèi)形成新骨，并且隨著MWCNT含量增加，骨長入率也隨之增加。Huang等[27]通過3D打印技術(shù)制備了一種多孔MWCNT支架，該支架可顯著增強干細胞附著，因而可作為骨組織再生的良好支架材料。

3 高分子材料

高分子材料可分為天然高分子材料和人工高分子材料。天然高分子材料主要包括膠原蛋白、明膠、殼聚糖和絲素蛋白等，這些材料具有良好的組織相容性和可降解性，并可促進成骨細胞黏附和生長，但其存在機械強度不足，降解速度與成骨速度不匹配等問題，因此多與其他材料復(fù)合使用。

3.1 天然高分子纖維蛋白 絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，具有良好的柔韌性、抗拉伸強度和生物活性。同時，絲素蛋白在體內(nèi)的降解速度與骨缺損修復(fù)周期相匹配，其降解產(chǎn)生的氨基酸和多肽對周圍組織還有營養(yǎng)和修復(fù)作用，因此在骨缺損修復(fù)上展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢[28]。牛涵波等[29]通過化學(xué)交聯(lián)和冷凍干燥制作的絲素蛋白/殼聚糖三維多孔支架，體外研究發(fā)現(xiàn)，該支架材料無細胞毒性，并且具有良好的細胞黏附率和促成骨性能。Yang等[30]通過靜電紡絲技術(shù)制備了三維絲素蛋白支架，能夠顯著促進成骨細胞的黏附、增殖和分化，并在體內(nèi)實驗中有效促進大鼠顱骨缺損的愈合。

3.2 人工合成高分子材料 主要有聚乳酸(PLA)及其復(fù)合物，聚乙酸(PGA)、聚己內(nèi)脂(PCL)和聚乙二醇(PEG)等。其中PLGA、PLA、PCL、PEG已被美國FDA批準為生物降解性醫(yī)用材料，并用于骨缺損的研究[31]。Song等[32]將從鴨蹼中提取的膠原蛋白(DC)與PLGA混合制備了DC/PLGA支架，體內(nèi)外研究均顯示其可以有效促進骨再生，支架內(nèi)原始骨的形成和分化較對照組都有顯著增加。然而人工高分子材料生物相容性較差，聚乳酸及其共價復(fù)合物在降解過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì)，可導(dǎo)致植入材料周圍無菌性炎癥反應(yīng)的問題仍有待解決。

4 復(fù)合材料

復(fù)合材料是用材料制備技術(shù)將兩種或兩種以上不同性質(zhì)材料進行組合而成的新材料。復(fù)合材料可以有效彌補單一的天然或人工材料在生物和理化性質(zhì)方面的不足，從而顯著改善骨再生[33]。近年來復(fù)合材料制備的水凝膠支架在骨缺損修復(fù)中取得了很大的進展。Frasca等[34]通過化學(xué)交聯(lián)制備出孔徑200 μm的多孔支鏈淀粉/ 右旋糖酐基水凝膠復(fù)合支架材料，用于大鼠股骨骨缺損模型，90 d后在骨缺損部位可以觀察到大量新生骨和血管生成，獲得了良好的骨缺損修復(fù)效果。而國內(nèi)學(xué)者范先群等[35]采用化學(xué)交聯(lián)和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠構(gòu)建的方法制備透明質(zhì)酸-明膠雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其不僅在保水性能、力學(xué)性能和降解性能等方面有了較大的提升，而且在骨缺損修復(fù)方面展現(xiàn)了良好的前景。

目前多種類型的納米復(fù)合材料逐步被開發(fā)并應(yīng)用，其中納米羥基磷灰石復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于骨缺損修復(fù)。這類復(fù)合材料不僅延續(xù)了納米羥基磷灰石良好的機械性能和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，還降低其免疫原性，同時有些復(fù)合材料還可作為藥物載體，應(yīng)用于骨缺損修復(fù)。李冬梅[36]利用將新西蘭大白兔骨髓基質(zhì)干細胞與納米相羥基磷灰石膠原復(fù)合能成功制備納米級細胞型組織人工骨，將其用于新西蘭大白兔下頜骨骨缺損中效果理想，能有效促進缺損部位愈合。納米羥基磷灰石-殼聚糖復(fù)合材料作為骨缺損修復(fù)材料的同時，有望成為抗癌藥物釋放載體，可針對性應(yīng)用于因腫瘤引起的骨缺損，進一步拓寬了在醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的使用[37]。除此以外Nano-Ha聚乳酸復(fù)合材料、Nano-Ha聚酰胺復(fù)合材料、Nano-HA聚乙烯醇復(fù)合材料等都在臨床應(yīng)用中有很好的治療效果。

由于傳統(tǒng)方法治療大段骨缺損存在一定局限性，開發(fā)修復(fù)效果更好的骨修復(fù)材料顯得尤為重要。例如，以3D打印為代表的增材制造技術(shù)，可制備具有優(yōu)異骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨整合特性的骨修復(fù)支架[38]。隨著工程和材料學(xué)發(fā)展，以及對骨重建再生機制研究的不斷深入，在不久的將來，有望研制出更加符合骨缺損修復(fù)要求的理想人工骨移植材料，為臨床骨缺損修復(fù)提供新策略，造福廣大患者。