治療骨缺損的組織工程支架研究進展▲

程志琳 秦 豪 許 林

(貴港市人民醫(yī)院骨科，廣西貴港市 537100)

【提要】 臨床上的骨缺損主要由創(chuàng)傷、感染、腫瘤等因素導致。對于輕微的、小范圍的局部骨缺損，人體骨組織能夠憑借其自我修復能力恢復骨組織的連續(xù)性和完整性，但是在更多情況下，大段、大面積的骨缺損無法進行自我修復。因此，尋找更安全、有效的骨缺損修復方法和材料一直是骨科臨床亟須解決的問題。

人體骨質(zhì)的缺失稱為骨缺損。相關調(diào)查研究顯示，全球每年有超過2 000萬的骨缺損患者[1]，而僅在美國，每年就有超過50萬的骨缺損患者接受治療，人均治療費用超過5 000美元[2]。對于無法自我修復的骨缺損，自體骨移植是首選的治療方法。自體骨移植具有最佳的組織相容性、良好的生物活性和無免疫原性等優(yōu)勢，被認為是治療骨缺損的“金標準”[3]。但自體骨移植也有其顯著的局限性[4-5]，如自體的骨供應量有限和不可避免的供骨部位并發(fā)癥(如供區(qū)出血、感染、疼痛和神經(jīng)損傷等)，這些缺點嚴重限制了自體骨移植在臨床中的廣泛應用。異體骨移植能夠解決自體骨移植取材量有限的缺點，還能減少患者的創(chuàng)傷與不確定的風險。經(jīng)過處理后的異體骨，雖然降低了免疫原性，但骨組織卻缺少了細胞生物活性成分，因此異體骨的骨誘導和骨傳導能力及成骨作用也會大大減弱，且具有傳播疾病和免疫排斥的潛在風險[6]。

近年來，骨組織工程技術的不斷發(fā)展給患者帶來了希望。隨著組織工程學、材料學、生命科學和制造業(yè)的飛速發(fā)展，利用骨組織工程技術修復骨缺損成為研究的熱點。目前常用的支架材料類別主要有生物陶瓷、金屬、天然高分子聚合物、人工合成高分子聚合物及復合材料等，這些材料各有優(yōu)缺點。與此同時，其制備的方法也在不斷地發(fā)展。雖然應用傳統(tǒng)方法制作骨組織工程支架已取得一定成就，但在支架的三維結(jié)構(gòu)、力學強度、支架個性化方面仍不太滿意，而通過3D打印技術制備的組織工程支架有望避免這些缺點。3D打印技術不僅為支架材料的制作提供了更好的方法，而且其可以通過混合不同的活性成分，賦予支架新的生物活性，為臨床醫(yī)生治療骨缺損提供新的選擇。

1 修復骨缺損的理想支架材料應具有的特性

雖然目前用于骨缺損修復的骨組織工程支架可由多種材料、多種方法制成，但其治療成功的關鍵在于這些支架在移植后能夠長入正常的新鮮骨組織并由此代替原來的骨組織發(fā)揮作用。因此，這些用于骨缺損修復的理想支架材料應具有以下幾種特性。(1)生物相容性：作為人體外來物，支架材料移植到人體后不引起免疫排斥反應、炎癥反應和毒性反應。(2)生物可降解性：移植的支架材料應隨著時間的推移逐漸被生物體降解，并最終由自身骨組織所替代，而其降解速率也應與骨組織再生速率相匹配，并且在降解過程中應能保持一定的機械強度。(3)良好的機械力學性能：骨組織是人體的支撐結(jié)構(gòu)，在骨組織再生之前，移植的支架材料在為新生組織提供力學支撐的同時，還要有與原人體骨組織相匹配的機械力學性能。(4)生物活性：移植的支架材料應具有良好的骨傳導性(刺激骨細胞生長)和骨誘導性(促進干細胞分化成骨細胞)，從而有利于周圍組織與其結(jié)合，并促進骨祖細胞、新生血管向缺損區(qū)遷移、生長。(5)合適的孔隙率與孔徑：支架材料的孔狀結(jié)構(gòu)與合適的孔徑[7]使其具有更大的作用表面積，這不僅有利于細胞的擴散和遷移，還有利于血管系統(tǒng)的生長，促進細胞的增殖分化和骨組織的再生。(6)可塑性：支架材料的可塑性可以使其被制作成不同的形狀和尺寸，從而在一定程度上模擬骨組織的孔狀結(jié)構(gòu)和機械力學特性[8-9]。

2 制作骨組織工程支架的常用材料

2.1 金屬材料 金屬材料是骨科臨床應用較為廣泛的一類材料。常用的金屬材料包括鈦及其合金、鈷、鎳合金、不銹鋼。與其他生物材料相比，生物金屬材料具有更高的機械強度及韌性[10]，可為新組織的生長提供良好的支撐。而鈦及其合金因具有良好的生物相容性及優(yōu)異的機械力學性能而被廣泛應用于骨科疾病的臨床治療中[11]。然而，由于鈦及其合金缺乏生物降解性，鈦合金的組織形態(tài)對其力學性能的影響很大，限制了其在骨組織工程中的應用。而近年來，新型的可降解金屬材料走進了人們的視野，如鎂、鐵、鋅等金屬。鎂金屬在植入體內(nèi)后可降解成無毒物質(zhì)排出體外，且降解過程中釋放的鎂離子還可促進成骨反應。然而純鎂在生理環(huán)境中降解的速度太快，使其在骨組織愈合之前就失去機械力學性能，因此當前許多研究側(cè)重于制備鎂合金材料或構(gòu)建其他保護涂層以增強鎂金屬的抗腐蝕性能[12-13]。而作為可降解金屬材料的鋅金屬主要以氧化鋅的形式存在，氧化鋅因具有獨特的抗菌能力[14]、良好的生物相容性及骨誘導性[15]受到了廣泛的關注，被應用于骨缺損的治療中。值得關注的是，有研究表明氧化鋅對內(nèi)生軟骨瘤、骨巨細胞瘤有一定的治療作用[16]。在新型復合支架材料的基礎上添加氧化鋅，能結(jié)合氧化鋅獨特的抗菌能力和骨誘導性的優(yōu)勢，進行材料之間的優(yōu)勢互補，應用3D打印技術可制作出用于修復骨缺損的新型骨組織工程支架材料。這或可為因腫瘤而致骨缺損的患者提供一種全新的治療方法。

2.2 生物陶瓷材料 人體骨組織主要由有機成分和無機成分構(gòu)成。而生物陶瓷具有類似于人體骨組織的無機成分，具有良好的骨傳導能力及促進新鮮骨組織生長的能力[17-18]。與此同時，生物陶瓷材料還具有良好的生物相容性、生物降解性及機械力學性能。但生物陶瓷材料因脆性大，不能完全降解及難以控制降解速率，使其在臨床中的應用受到了限制。其中骨組織工程中最常用的生物陶瓷材料主要有羥基磷灰石、磷酸三鈣、雙相磷酸鈣、磷酸八鈣、焦磷酸鈣、磷酸氫鈣、磷酸鎂等。其中羥基磷灰石是骨組織的主要無機成分，其具有良好的生物相容性、生物活性和骨傳導性，且來源廣泛，不僅可以在天然材料中獲得，也可以通過化學方法制備，被廣泛用作骨缺損的修復材料[19]。但其降解速度慢，且自身并不具備良好的機械強度，單純的羥基磷灰石材料難以滿足骨缺損修復的需求，目前對它的研究主要是將它與其他材料(如金屬材料、高分子材料)相結(jié)合，整合其與其他材料的優(yōu)勢以改變其性能，使其成為更適用于治療骨缺損的支架材料。

2.3 高分子聚合材料 高分子聚合材料可分為天然聚合材料和人工合成聚合材料。天然聚合材料主要有膠原、蠶絲、藻酸鹽、殼聚糖和透明質(zhì)酸。天然聚合材料具有良好的可塑性、生物相容性和生物可降解性等諸多優(yōu)點，但使用天然聚合物也受到一定程度的限制，如難以大批量獲取，且其降解速率過快，缺乏支撐骨組織的生物力學特性，因此其亦較少單獨用作組織工程支架材料，常作為生物活性材料應用于復合支架材料的制備[20]。

人工合成聚合材料主要有聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚乙醇酸、聚乳酸羥基乙酸共聚物等。這類材料來源廣泛，具有良好的生物相容性及生物降解性，更有意義的是，這類材料可塑性強，可以按要求定制機械強度和降解的速率。但是這類材料在制備過程中多需要使用有機溶劑，而有機溶劑的殘留會導致相應的毒性反應，影響細胞活性[21]。此外，人工合成聚合物具有疏水表面性質(zhì)，不利于細胞黏附，限制了該類材料在骨科臨床中的應用。

2.4 復合材料 由上述可知，作為修復骨缺損的材料，不論是哪一種材料都存在一定缺點，單純用一種材料作為修復骨缺損的支架材料均不能滿足要求。而復合材料是指將2種或2種以上材料結(jié)合，使其形成同時具備多種材料的優(yōu)良特性的新材料，克服單一材料某些性能上的不足，更大限度地滿足骨組織工程支架材料的需求。而且，從生理角度來說，骨組織由無機基質(zhì)(羥基磷灰石及水等)和混合有機成分(Ⅰ型膠原、脂質(zhì)及非膠原蛋白等)組成[22]。因此在支架的制造過程中，多種不同類型的材料組合產(chǎn)生的復合支架似乎是更加合理的選擇，特別是有機材料與無機材料之間的復合材料，可以實現(xiàn)良好的機械性能與生物活性的整合。如聚合物聚己內(nèi)酯+人工骨粉具有生物降解性、良好的生物相容性和形狀保持性能，被廣泛用于制作骨組織工程的支架。但將其用于骨組織工程時，因聚己內(nèi)酯存在生物活性不足的問題，新生成的骨組織不能與聚合物表面緊密結(jié)合。而羥基磷灰石卻具有較高的生物活性和促骨形成能力，因此，羥基磷灰石與聚己內(nèi)酯制成的復合材料結(jié)合了兩種材料的優(yōu)勢，具有更好的生物相容性、生物可降解性和力學性能的優(yōu)勢[8]。

3 骨組織工程支架的傳統(tǒng)制作方法

制作骨組織工程支架不是材料的簡單堆積，在制作過程中，不僅要考慮支架的孔隙率和孔徑大小，還要考慮其支架結(jié)構(gòu)的力學支撐特性。傳統(tǒng)的組織工程支架制造方法主要有溶劑澆鑄/顆粒浸出、氣體發(fā)泡、冷凍干燥等，每種方法都有其不同的優(yōu)缺點。

溶劑澆鑄/顆粒浸出技術是將致孔劑與材料溶液相混合后，形成聚合物-致孔劑網(wǎng)絡復合物結(jié)構(gòu)，復合物中的溶劑蒸發(fā)使支架硬化，隨后用水或有機溶劑溶解致孔劑，從而形成了具有孔隙結(jié)構(gòu)的支架[23]。這種制作方法需要的技術相對簡單，可形成具有規(guī)則孔隙率和孔徑的支架。但是此方法難以控制支架產(chǎn)生的孔隙形狀和使孔隙互相連通，且在制作過程中需要使用有機溶劑，因此不能將細胞或生長因子直接添加于支架中，還可能導致有機溶劑的殘留， 目前已很少使用此方法制造骨組織工程支架。

氣體發(fā)泡法與溶劑澆鑄/顆粒浸出技術的主要區(qū)別是，氣體發(fā)泡法使用氣體作為致孔劑，其優(yōu)點是避免了制作過程中使用有機溶劑。但是通過氣體發(fā)泡技術制作的支架材料仍然很難控制孔徑大小、孔隙率及孔隙的連通性[24]。

冷凍干燥技術的原理是將聚合物溶液與水或有機溶液在低溫條件下冷凍結(jié)晶而得到聚合物相和固溶相，然后在真空條件下使固溶相升華而去除溶劑，從而得到具有互連多孔結(jié)構(gòu)的干燥聚合物支架。與其他方法相比，冷凍干燥技術的優(yōu)勢是其制備支架的過程是在低溫狀態(tài)下進行，可最大限度地保留材料原有的理化性質(zhì)和生物特性，而且制作過程避免了固體致孔劑的應用。但采用冷凍干燥技術制作支架的過程仍需要使用有機溶劑，且處理時間較長，仍存在孔隙率難以控制的問題。

4 生物3D打印技術制作骨組織工程支架

由前述可知，采用傳統(tǒng)的骨組織工程支架制作方法所制作的支架存在的主要問題是難以精確控制支架的孔隙大小、孔隙分布、孔隙率及孔隙之間的連通性。與之相比，3D 打印技術在一定程度上克服了這些問題。

3D 打印技術是以計算機數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎，通過逐層疊加材料的方式，精確制造出三維立體實物模型的技術[25]。近年來，3D打印技術在骨組織工程中的研究和應用極大地推動了骨缺損再生修復的研究和發(fā)展[26]。利用3D打印技術能對骨組織工程支架制作過程進行精準控制，如3D打印技術可以有效并精準地控制支架的孔隙大小、分布及孔隙率，從而達到使孔隙間相互連通的效果。此外，通過CT、MRI等方式獲取骨缺損的個體化數(shù)據(jù)，然后結(jié)合3D打印技術進行精確的數(shù)字化設計，可以使支架形態(tài)與骨缺損的形態(tài)相匹配，從而實現(xiàn)支架的個性化制造。

近年來，利用生物源性羥基磷灰石作為骨缺損修復材料逐漸受到關注。羥基磷灰石主要來源于魚、牛、豬或其他生物的骨組織，其主要優(yōu)勢是來源廣、成本低，不僅具有良好的生物相容性，而且其化學成分與人體骨組織的礦物成分有很大程度的相似性[27-28]。

與人工合成的羥基磷灰石相比，羥基磷灰石更加安全，因為在羥基磷灰石的制作過程中不需要添加化學物質(zhì)[29]。而且羥基磷灰石通常含有少量的碳酸鹽、鎂和鈉等微量元素，這些微量元素在促進骨代謝過程中起著非常重要的作用[30]。但羥基磷灰石的缺點也很明顯，如生物脆性大，不能提供良好的機械力學性能。因此有學者根據(jù)羥基磷灰石的特點，將其與聚己內(nèi)酯相結(jié)合，并運用3D打印技術開發(fā)了聚己內(nèi)酯/羥基磷灰石復合材料用于骨缺損修復，其在動物實驗中取得了良好的效果，且應用40%含量的羥基磷灰石與60%含量的聚己內(nèi)酯混合制作而成的復合材料有著與人體松質(zhì)骨相似的力學性能[31]。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，以羥基磷灰石為載體的復合修復材料被認為是與人體骨組織生物性能最接近的人工合成材料，其具有綜合的力學性能、生物相容性和促成骨生成等優(yōu)點，但是應用該類材料時仍需解決復合材料在人體內(nèi)的降解速率與新骨生長速率的匹配、聚合物材料與羥基磷灰石表面結(jié)合的能力、復合材料在植入部位對細胞和蛋白質(zhì)的吸附問題，以及材料力學強度匹配、復合材料的促成骨、促血管化能力等多方面的問題。隨著科技的進步，用于修復骨缺損的材料會源源不斷地被研制出來，而最優(yōu)的骨組織修復材料不單單是對材料的選擇，材料的制作工藝也決定著材料的性能，如何將材料與制作工藝相結(jié)合也是今后研究的重點。期待未來能夠早日制作出用于修復骨組織缺損的理想支架材料，并將其廣泛應用于臨床，造?；颊?。