磷酸鈣人工骨修復(fù)骨缺損的研究進(jìn)展*

李忠杰 李紹波*

骨缺損（bone defect）是指各種嚴(yán)重創(chuàng)傷、感染、腫瘤等因素導(dǎo)致骨質(zhì)喪失而形成的間隙[1]，怎樣修復(fù)骨缺損區(qū)及如何選擇適合的植骨材料，日趨成為臨床外科醫(yī)生面臨的一大挑戰(zhàn)。常用的植骨材料可分為自體骨、異體骨以及人工骨三大類(lèi)。自體骨因無(wú)免疫反應(yīng)，兼具成骨活性、骨誘導(dǎo)性及骨傳導(dǎo)性?xún)?yōu)點(diǎn)而被視為目前臨床治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)，但其存在來(lái)源有限、存在供區(qū)手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥等缺陷[2]。異體骨避免了取骨區(qū)的并發(fā)癥，來(lái)源相對(duì)廣泛，但宿主可能有炎癥反應(yīng)、傳播血源性疾病等不足，使其臨床運(yùn)用受到一定限制。人工骨即人工合成生物材料，由于人工骨修復(fù)材料來(lái)源豐富、性能良好，能夠更好地解決生物安全性和組織相容性問(wèn)題，作為骨替代材料已廣泛應(yīng)用于骨科、口腔頜面外科等領(lǐng)域。

磷酸鈣（calcium phosphate，CAP）人工骨與天然骨無(wú)機(jī)組分非常相似，目前研究得較多也相對(duì)較理想的磷酸鈣材料主要有3種：羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、磷酸三鈣（tertiarycalcium phosphate，TCP）、羥基磷灰石/磷酸三鈣復(fù)合而成的雙相磷酸鈣（bidirectional calcium phosphate，BCP）。HA為骨無(wú)機(jī)相的主要成分，單純HA材料脆性大、抗張強(qiáng)度低、彈性低，較難塑形成理想的支架形狀[3]，因其顆粒較大、不均勻、降解速度慢等缺點(diǎn)，正逐漸被納米羥基磷灰石（nano-hydroxyapatite，nHA）取代，nHA尺寸更接近人體骨組織HA的大小，具有表面活性大、溶解度高、生物活性好等特點(diǎn)，被普遍用于骨修復(fù)支架材料中[4]，TCP是目前研究最多的磷酸鈣之一，組成與HA相似，但不是機(jī)體骨組織成分，其中-TCP易塑形，力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)，生物降解速率快，被廣泛用于提高磷酸鈣類(lèi)材料的生物相容性[5]。BCP包括HA和-TCP按不同鈣磷比制備而成，也具有良好的成骨性能[6]，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩者比例來(lái)改變其降解速度。磷酸鈣材料因其在結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成方面與天然骨的礦物質(zhì)含量相似，在修復(fù)過(guò)程中能促進(jìn)與宿主整合而不會(huì)形成瘢痕，表現(xiàn)出良好的生物相容性及成骨性。材料的孔隙率對(duì)骨傳導(dǎo)過(guò)程至關(guān)重要，通過(guò)磷酸鈣人工骨顆粒的孔隙，破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞等可以與炎癥過(guò)程、金屬蛋白酶一起作用，誘導(dǎo)與骨形成相關(guān)的細(xì)胞增殖，促進(jìn)了間充質(zhì)細(xì)胞的黏附和分化，促進(jìn)新骨生成[7]，其磷酸鈣材料復(fù)合各種生物因子、微量元素以及與其他不同材料也能促進(jìn)血管及骨生成[8]，由于有良好的理化性質(zhì)和促成骨的生物學(xué)特性，使磷酸鈣材料成為一種重要的人工骨材料，廣泛地應(yīng)用于臨床骨組織的修復(fù)與再生[9]。本文將總結(jié)以磷酸鈣為基質(zhì)的各類(lèi)人工骨修復(fù)材料的研究進(jìn)展。

1 磷酸鈣人工骨的運(yùn)用

1.1 與聚合物復(fù)合的磷酸鈣材料

天然骨組織的成分主要由無(wú)機(jī)物和有機(jī)物構(gòu)成，磷酸鈣作為骨礦物質(zhì)組分，與聚合物相結(jié)合，形成具有生物活性的微結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化磷酸鈣陶瓷材料的生物學(xué)功能。目前，用于骨組織工程的聚合物包括天然聚合物和人工合成聚合物（見(jiàn)表1），天然聚合物有明膠、膠原、殼聚糖、蠶絲纖維、藻酸鹽及透明質(zhì)酸等，合成聚合物包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、聚乙二醇及共聚物聚乳酸-乙醇酸等[10-11]。

表1 常用于磷酸鈣復(fù)合的聚合物分類(lèi)及特點(diǎn)

1.1.1 磷酸鈣與天然聚合物復(fù)合材料

Cojocaru等[12]采用仿生共沉淀法制備了基于聚合物（殼聚糖、透明質(zhì)酸和牛血清白蛋白或明膠）磷酸鈣的復(fù)合材料，體外實(shí)驗(yàn)研究表明，明膠與殼聚糖等其他生物聚合物結(jié)合，可增加細(xì)胞黏附和遷移，復(fù)合材料的降解過(guò)程緩慢，聚合物基體與磷酸鈣緊密連接，有良好的生物相容性，但未進(jìn)行相關(guān)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。Lee等[13]研究了一種新的磷酸鈣水泥（calcium phosphate cement，CPC）體系，即摻入殼聚糖-海藻酸鈉復(fù)合物的磷酸鈣骨水泥，研究表明聚合物加入提高了最終骨水泥的功能性能和生物相容性，使CPC中有新的大孔隙形成，同時(shí)縮短了骨水泥凝固時(shí)間及提高了抗壓強(qiáng)度，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明聚合物的加入增加了成骨，含聚合物的CPC體系作為可注射骨替代物具有潛在的價(jià)值，隨著組織工程的發(fā)展，可將其發(fā)展為更有利于成骨的控釋系統(tǒng)。

復(fù)合纖維的新型CPC支架具有較高的強(qiáng)度和其他良好的特性。Zhou等[14]制備了蠶絲纖維（silk fibre，SF）/磷酸鈣水泥（CPC）生物復(fù)合材料用于修復(fù)兔橈骨骨缺損，結(jié)果表明SF能提高CPC的力學(xué)和生物學(xué)性能，加速骨化和修復(fù)骨缺損。SF的加入可以減少植入后CPC松動(dòng)的發(fā)生，降低肺栓塞的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高CPC的安全性。當(dāng)SF在體內(nèi)降解時(shí)，復(fù)合材料的孔隙率增加，再加上SF的血管活性作用，有利于骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，在骨組織工程中應(yīng)用SF/CPC可以在一定程度上降低對(duì)自體骨顆粒的要求。

1.1.2 磷酸鈣與合成聚合物復(fù)合材料

王松等[15]從家兔中提取骨基質(zhì)明膠，制備聚乳酸-乙醇酸（polylactic acid-glycolic acid，PLGA）微球，采用骨基質(zhì)明膠和PLGA微球復(fù)合磷酸鈣水泥研制了新型多孔水泥，隨著PLGA微球增加，凝固時(shí)間縮短、孔隙率增加；其中5%PLGA微球磷酸鈣/骨基明膠復(fù)合水泥具備良好的可操作性、機(jī)械強(qiáng)度和細(xì)胞相容性、降解性和骨誘導(dǎo)性。

PLGA/-TCP復(fù)合材料在骨組織工程中具有廣泛的研究?jī)r(jià)值，但普通PLGA/-TCP支架由于其細(xì)胞黏附性差和成骨不理想而阻礙了其在骨生物材料中的進(jìn)一步發(fā)展。Xu等[16]利用3D打印制備聚多巴胺（polydopamine，PDA）包被的PLGA/-TCP復(fù)合材料支架，發(fā)現(xiàn)復(fù)合支架的力學(xué)性能和孔隙相關(guān)參數(shù)不受涂層的影響，PDA涂層使表面親水性明顯提高，促進(jìn)細(xì)胞黏附和增殖，包被支架在成骨誘導(dǎo)早期具有促進(jìn)成骨分化的優(yōu)勢(shì)，改善成骨，這表明PDA涂層這種改性方法具有很大的潛力。

1.2 以磷酸鈣為基質(zhì)的合金材料

骨骼中含有包括鍶（Sr）、鋅（Zn）、鈰（Ce）等多種微量元素，在周期表中與Ca同一族，在磷酸鈣材料中添加這些元素可增加細(xì)胞活性，極大地增強(qiáng)骨誘導(dǎo)的功能[17]。研究表明，含Sr磷酸鈣水泥具有良好的生物相容性，可廣泛應(yīng)用于組織工程研究[18]。另外可以通過(guò)在其組成中加入銀（Ag）、鋅（Zn）和銅（Cu）等微量元素來(lái)獲得抗菌性能的材料，可用于感染性骨缺損治療。Sedelnikova等[19]利用微弧氧化（MAO）方法制備Ag、Zn、Cu-CAP涂層，結(jié)果表明Zn-CAP和Cu-CAP涂層由于其較高的孔隙率和粗糙的形貌，比Ag-CAP涂層具有更高的親水性，Ag-CAP涂層可緩慢溶解而允許實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間釋放銀離子到人體提供抗菌作用，并盡量減少其毒性影響。

1.3 添加藥物的復(fù)合材料

繼發(fā)于在骨感染、骨質(zhì)疏松或腫瘤發(fā)生等情況下的大面積骨質(zhì)缺損，除了骨缺損的重建，局部藥物治療也是治療成功的關(guān)鍵，局部給藥較全身系統(tǒng)給藥而言有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，藥物可以直接到達(dá)病灶，提高局部組織的藥物濃度。載藥人工骨可直接接觸病變部位，在植入后緩慢降解并釋放出藥物，是局部治療理想的載體。磷酸鈣（CAP）因其有整合和保留活性物質(zhì)能力，隨著時(shí)間的變化以可控的方式在局部傳遞，逐漸降解而被新形成的骨組織所取代，被用作治療骨科疾病的載體，載藥CAP釋藥可以通過(guò)CAP載體的多孔網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散以及進(jìn)行性的生物降解兩種主要機(jī)制進(jìn)行，載藥支架特性（即微觀(guān)結(jié)構(gòu)、孔隙率、比表面積等）以及載藥劑量參與了釋放動(dòng)力學(xué)和釋放劑量的控制[20]。通過(guò)負(fù)載抗感染、抗腫瘤等藥物，磷酸鈣材料局部植入可實(shí)現(xiàn)局部藥物治療的同時(shí)修復(fù)骨缺損（見(jiàn)表2）。

表2 常用幾類(lèi)載藥磷酸鈣人工骨及特點(diǎn)

繼發(fā)感染的骨缺損，在骨缺損修復(fù)的同時(shí)，通常伴隨抗感染的治療，局部直接使用抗生素或通過(guò)控制藥物釋放支架治療，如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）球，但需要II期手術(shù)取出，在取出過(guò)程中有細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此可以選擇負(fù)載抗生素控制釋放的生物材料，生物材料在藥物釋放過(guò)程中降解，以便在整個(gè)治療期間將藥物濃度保持在骨組織的適當(dāng)水平，且無(wú)需再次手術(shù)取出。Cao等[21]制備了負(fù)載萬(wàn)古霉素骨樣羥基磷灰石/多氨基酸（V-BHA/PAA）復(fù)合材料，體外釋藥及兔慢性骨髓炎模型體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合材料對(duì)慢性骨髓炎模型的治療率明顯超過(guò)負(fù)載萬(wàn)古霉素的PMMA復(fù)合材料。為解決載藥單一性的問(wèn)題，載多藥的緩釋材料也被廣泛研究，針對(duì)萬(wàn)古霉素主要對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抗菌活性，以及慶大霉素對(duì)革蘭氏陰性菌的主要靶點(diǎn)，Roth等[22]研究了萬(wàn)古霉素和慶大霉素對(duì)TCP和HA顆粒，以及混合豬膠原的TCP復(fù)合材料的負(fù)載能力和釋放速率，結(jié)果表明在與負(fù)載萬(wàn)古霉素和慶大霉素TCP和HA顆粒相比，-TCP-膠原復(fù)合材料顯示出明顯更高的負(fù)載能力和穩(wěn)定釋放能力，表明磷酸鈣材料可實(shí)現(xiàn)多藥負(fù)載，且將藥物與聚合物微球相結(jié)合可以提高藥物緩釋性能。Trombetta等[23]用3D打印制備負(fù)載利福平和西他沙星的PLGA-CAP復(fù)合材料，并研究其在植入相關(guān)骨髓炎的小鼠模型的療效，復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)控制釋放長(zhǎng)達(dá)2周以上，I期植入負(fù)載利福平和西他沙星的PLGA-CAP復(fù)合材料與I期植入含慶大霉素的PMMA，II期取出PMMA再植入CAP相比，有效降低細(xì)菌的定植率，因此利用3D打印技術(shù)可以制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的載藥人工骨支架，實(shí)現(xiàn)局部藥物聯(lián)合治療以改善感染性骨缺損的管理。此外，一些新材料的引入可提升CAP的載藥量，Prokopowicz等[24]用磷酸鈣和介孔二氧化硅材料（CAP@MSI）的新型雙相復(fù)合材料作為鹽酸多西環(huán)素載體，表明介孔二氧化硅對(duì)抗生素輸送的高載藥量與CAP的礦化潛力的綜合作用是復(fù)合支架用于骨感染局部治療的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

磷酸鈣納米粒子具有提高抗增殖藥物治療的潛能，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫呢?fù)載效率、生物降解性和控釋行為。Mohiyuddin等[25]合成的5-氟尿嘧啶（fluorouracil，F(xiàn)U）負(fù)載磷酸鈣納米粒子（CAP@5-FUNPS）的新體系，與單獨(dú)使用5-FU相比，Cap@5-FUNPS具有更高的抗腫瘤潛力，可作為抗有絲分裂藥物的改進(jìn)替代品，相關(guān)研究可能為繼發(fā)腫瘤骨缺損的治療提供思路。

含中藥成分的人工骨治療骨缺損近年也有研究，將中藥成分載入修復(fù)材料中并植入骨缺損區(qū)域，使其緩慢釋放而促進(jìn)骨組織愈合。薛鵬等[26]利用3D打印技術(shù)將-TCP支架和淫羊藿苷/PLGA微球懸浮液混合制備淫羊藿苷/-TCP復(fù)合支架，體外試驗(yàn)證明了復(fù)合支架具有良好的力學(xué)性能和緩釋性能。

1.4 添加細(xì)胞因子的復(fù)合材料

理想的骨組織工程支架應(yīng)含有支架材料、生長(zhǎng)因子和種子細(xì)胞，細(xì)胞、因子的添加可以促進(jìn)血管化和骨再生，對(duì)骨組織工程有著重要意義。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是骨組織工程中常用的種子細(xì)胞，閆偉等[27]將自體骨髓富集的MSCs復(fù)合HA/-TCP運(yùn)用于脊柱融合中，結(jié)果表明，MSCs復(fù)合HA/-TCP應(yīng)用于脊柱融合可以獲得與自體髂骨移植相當(dāng)?shù)呐R床效果。此外，人牙髓源性干細(xì)胞（dental pulp stem cells，DPSCs）能夠在不發(fā)生移植物排斥反應(yīng)的情況下分化為成骨細(xì)胞，Asutay等[28]研究了負(fù)載DPSC的HA/TCP（BCP）支架對(duì)大鼠顱骨缺損修復(fù)，結(jié)果表明負(fù)載DPSC的BCP支架具有更好的成骨性能。Xing等[29]研究了負(fù)載尿源性干細(xì)胞（urine-derived stem cells，USCs）的表面礦化BCP在體外和體內(nèi)的成骨作用，研究顯示10周時(shí)負(fù)載USCs的表面礦化BCP支架在家兔骨缺損中新骨的形成量最高，表面礦化BCP促進(jìn)USCs的成骨蛋白和基因表達(dá)，顯著增強(qiáng)USCs的成骨潛能，而不改變BCP的生物學(xué)特性，USCs可作為一種新的種子細(xì)胞用于骨組織再生。

促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）可增加血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達(dá)，作為血管生成的生長(zhǎng)因子促進(jìn)血管生成，進(jìn)而能促進(jìn)骨的生成，并在骨組織再生中發(fā)揮其特殊作用，Kharkova等[30]使用富集EPO的TCP支架修復(fù)大鼠橈骨骨缺損，結(jié)果表明該復(fù)合材料具有良好的生物相容性和特定的孔隙率，促進(jìn)了與周?chē)M織的相互作用，并誘導(dǎo)了骨再生。因此，EPO是刺激骨組織發(fā)育的一種很有前途的生長(zhǎng)因子，可與磷酸鈣復(fù)合用于骨組織工程。

2 展望

目前用于骨缺損修復(fù)的人工骨種類(lèi)繁多，磷酸鈣人工骨因其各方面的良好性能被廣泛研究，但目前相關(guān)研究大多仍處于實(shí)驗(yàn)階段，暫未有性能完美而廣泛臨床運(yùn)用的材料，有以下幾點(diǎn)原因應(yīng)該考慮：①磷酸鈣支架材料本身的缺陷，如HA有脆性大、彈性低、難塑形、降解速度慢等缺點(diǎn)，需要對(duì)材料本身改進(jìn)，因此性能更好的nHA，以及與易塑形、溶解度高的TCP混合制成BCP的運(yùn)用需被深入研究；②為了優(yōu)化磷酸鈣支架性能及彌補(bǔ)單純支架材料性能的不足，有研究者在復(fù)合材料中添加了各類(lèi)聚合物、微量元素、藥物、種子細(xì)胞及相關(guān)細(xì)胞因子等，但單一類(lèi)物質(zhì)與磷酸鈣支架的結(jié)合仍不能滿(mǎn)足臨床運(yùn)用的需要，通常需與不同材料復(fù)合，以改善材料的機(jī)械性能、降解性能、生物相容性及成骨性能，優(yōu)化其藥物或細(xì)胞因子負(fù)載能力等，但這需要更加復(fù)雜的制作工藝，進(jìn)而限制了性能優(yōu)越的復(fù)合支架的生產(chǎn)及運(yùn)用；③隨著3D打印及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支架材料更加精準(zhǔn)地用于生產(chǎn)，但生產(chǎn)成本隨之升高，這很大程度上限制了其臨床廣泛運(yùn)用。當(dāng)然，越來(lái)越多以指導(dǎo)臨床應(yīng)用為前提的相關(guān)礎(chǔ)研究將為治療各種具有挑戰(zhàn)性的疾病提供希望，未來(lái)在優(yōu)化材料性能的同時(shí)改進(jìn)制作工藝，以期獲得符合臨床實(shí)際需要且價(jià)格適中的材料，這將對(duì)磷酸鈣人工骨用于骨缺損修復(fù)提供更廣泛幫助。