可誘導(dǎo)組織再生骨植入材料的研究進(jìn)展

陳 麗,向 慶,代 燕,楊 峰*

(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州師范大學(xué) 校醫(yī)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著全球范圍人口老齡化、飲食變化、糖尿病和其他健康問題的增加，因骨質(zhì)疏松癥、運(yùn)動(dòng)損傷、意外事故等導(dǎo)致的骨損傷患者越來越多，嚴(yán)重威脅了人體的健康與生活質(zhì)量[1-2]。臨床上，通常需要利用移植手術(shù)替代骨組織和修復(fù)骨缺損。其中，骨自體移植是大骨缺損再生的黃金標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兙哂袃?nèi)在的骨導(dǎo)性[3]。然而，自體移植物的使用仍然受到供體部位、發(fā)病率和可用性的限制[4]。同種異體移植物收到供體限制，同時(shí)也有免疫反應(yīng)和傳染病傳播的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，人工合成的生物醫(yī)學(xué)材料越來越受到重視，合成骨替代物作為最佳替代策略受到越來越多的關(guān)注。

“十四五”規(guī)劃中明確提出“加快發(fā)展生物醫(yī)藥、生物育種、生物材料、生物能源等產(chǎn)業(yè)，做大做強(qiáng)生物經(jīng)濟(jì)”。在過去的幾十年里，骨再生材料已從第一代發(fā)展演變到現(xiàn)今第三代。其中，第一代生成生物材料是以金屬、合成聚合物和陶瓷為代表的惰性生物材料；第二代生物材料是以聚酯，磷酸鈣和生物活性玻璃為代表的可生物降解聚合物材料[6]；而第三代骨修復(fù)和植入材料主要關(guān)注其能否可控降解，最關(guān)鍵是能否促進(jìn)人體骨組織的自修復(fù)和再生。因此，生物材料的復(fù)合化、納米化、活性化已成為第三代骨修復(fù)和植入材料的發(fā)展趨勢(shì)和熱點(diǎn)[7]。骨植入材料的設(shè)計(jì)思路是通過將接近人體骨骼力學(xué)性能參數(shù)的支架材料、有助于實(shí)現(xiàn)骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)的活性材料以及可控降解材料組成復(fù)合材料植入人體，從而實(shí)現(xiàn)材料與骨細(xì)胞及周圍組織的融合；活體材料與非活性材料的雜化；干細(xì)胞向骨細(xì)胞的分化，在骨植入體環(huán)境中產(chǎn)生生物學(xué)響應(yīng)；骨植入體的終身使用等功能。鑒于此，筆者梳理了近年來可誘導(dǎo)組織再生骨植入材料的研究、應(yīng)用現(xiàn)狀和最新動(dòng)態(tài)，并對(duì)第三代骨修復(fù)和植入材料的主要發(fā)展方向進(jìn)行了闡述。

1 骨植入材料的分類

1.1 無機(jī)非金屬骨植入材料

無機(jī)非金屬骨植入材料主要是生物陶瓷，可分為惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷兩類。惰性生物陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯、氧化鋅等。惰性陶瓷生物相容性好，性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，但其彈性模量遠(yuǎn)高于骨組織，不具備生物活性，應(yīng)用較少；活性生物陶瓷主要有羥基磷灰石(HAP)、磷酸三鈣(TCP)、磷酸鈣骨水泥等，而HAP和TCP為最常用。HAP是骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分，鈣磷比為1.67，20世紀(jì)70年代開始在臨床應(yīng)用，其不僅具備骨傳導(dǎo)作用，還能產(chǎn)生骨誘導(dǎo)功能，可讓植入體與原骨組織形成骨性結(jié)合，是骨植入體最常用材料。但HAP的脆性大、生物活性不足，降解性較差，不宜單獨(dú)使用[8]。TCP是磷酸鈣鹽的高溫相，鈣磷比為1.5，雖然TCP不是機(jī)體骨組織的礦物成分，但其在模擬體液中易溶解，是一類較好的可降解生物陶瓷。將TCP與HAP適當(dāng)搭配可構(gòu)成雙相陶瓷，進(jìn)而獲得適宜的降解速率，滿足骨修復(fù)材料的需要。但TCP同樣存在脆性大、力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，無法單獨(dú)使用[9]。

1.2 聚合物骨植入材料

醫(yī)用聚合物材料作為骨植入和修復(fù)材料應(yīng)用較早，19世紀(jì)硫化橡膠和賽璐珞就被制成骨植入體應(yīng)用于臨床，但其副反應(yīng)較大，生物相容性差。隨著科技的發(fā)展，生物相容性更好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)逐漸被應(yīng)用于人工假體和骨組織的修復(fù)，但這些聚合物還是存在組織相容性、免疫反應(yīng)和疲勞性等問題[10-11]。有研究者嘗試采用與活性陶瓷復(fù)合化的技術(shù)改善聚合物植入體的生物性能和力學(xué)性能，目前聚合物基復(fù)合材料已部分應(yīng)用于臨床[12-13]。

1.3 金屬骨植入材料

金屬基骨植入材料應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是力學(xué)性能好，同時(shí)兼具良好的生物相容性，目前最常用的是不銹鋼、鈦合金、鋅合金和鎂合金等。鈦合金的優(yōu)點(diǎn)是密度低、導(dǎo)熱率低、無毒、生物相容性好[14]，在矯形材料、固定螺釘、人工骨等方面均有應(yīng)用。特別是純鈦在生物環(huán)境中會(huì)在表面生成一層薄而致密的二氧化鈦薄膜，這層氧化物具有良好的生物相容性，可促進(jìn)植入體與周圍組織的融合。Alves等[15]研究發(fā)現(xiàn)，純鈦植入體在經(jīng)過手術(shù)初期輕微感染的酸性環(huán)境后，表面的二氧化鈦薄膜層還會(huì)誘導(dǎo)纖維蛋白原、磷酸鈣的堆積，形成20 nm左右的鈍化層，以抑制鈦金屬中離子的滲出，可進(jìn)一步增加植入體的生物相容性。但純鈦?zhàn)鳛橹踩氩牧?，還存在如下問題：純鈦不具備生物活性；彈性模量較高，達(dá)到108 GPa，遠(yuǎn)大于自然骨組織；表面強(qiáng)度低，耐磨性差。

鋅合金是極具潛力的骨植入材料。Zn是人體必須元素，在機(jī)體內(nèi)參與了大部分生理代謝過程。Yang等[16]研究顯示，Zn作為人體骨骼的必須元素，在轉(zhuǎn)錄因子、蛋白合成等過程中起著催化或構(gòu)建作用。另外，鋅在人體內(nèi)有適宜的降解速度，也是生物植入體的潛在候選材料。但人體內(nèi)鋅蓄積過多，會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性，因此，鋅不能作為大塊植入骨的主體材料。

其他諸如Mg、不銹鋼、鈷合金和鋯合金等植入體候選材料，由于在骨植入領(lǐng)域均存在一定的問題，任一單一材料都無法實(shí)現(xiàn)骨材料的再生和自修復(fù)功能，因此，在保持支架材料的力學(xué)、生物學(xué)性能基礎(chǔ)上，對(duì)材料進(jìn)行復(fù)合化和表面改性，可提高材料的生物活性，及賦予其新的功能性。

2 骨植入材料的生物學(xué)設(shè)計(jì)

骨植入體植入人體后，在人體活的骨組織和種植體之間將發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能上的聯(lián)系。在這個(gè)過程中細(xì)胞會(huì)在種植體材料表面黏附、鋪展等，在很多時(shí)候還會(huì)發(fā)生免疫反應(yīng)，血管、骨組織也會(huì)沿著植入體表面或內(nèi)部空隙攀附生長(zhǎng)，植入材料最終會(huì)誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，完成骨修復(fù)過程。因此，對(duì)植入體而言，必須具備良好的生物相容性、與人體骨骼匹配的力學(xué)性能、合適的降解性，之中最重要的是具備骨組織誘導(dǎo)再生性。

2.1 生物相容性

影響植入體生物相容性的材料學(xué)因素主要有：

1)材料成分：普遍認(rèn)為，羧基、磺酸基、氨基、酰胺基及亞氨基等基團(tuán)有利于細(xì)胞的黏附和增殖[17]。在金屬離子方面，由于細(xì)胞表面整合素與配體的結(jié)合受到諸如鎂、鈣、錳等離子的調(diào)控，因此在支架材料中引入相關(guān)的金屬陽(yáng)離子可以改善細(xì)胞的黏附行為[18]。

2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：生物植入體的表面粗糙度、孔隙率及分布、溝槽尺寸及取向等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞黏附行為影響極大。如：細(xì)胞可以根據(jù)溝槽而取向生長(zhǎng)，形成接觸引導(dǎo)；粗糙度提高增加細(xì)胞的接觸表面積，增加細(xì)胞黏附強(qiáng)度；人工胞外基質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可改變應(yīng)力分布，從而改變細(xì)胞形態(tài)；材料的孔隙率增加可加快細(xì)胞的新陳代謝，也會(huì)增加細(xì)胞的黏附[19]。

3)親水性：強(qiáng)親水性表面不利于蛋白質(zhì)吸附，故也不利于細(xì)胞的黏附；而強(qiáng)疏水表面也會(huì)大大阻礙蛋白質(zhì)的吸附和細(xì)胞黏附。因此，對(duì)細(xì)胞黏附而言，材料表面需要有一個(gè)合適的親疏水平衡[20]。

4)組織反應(yīng)性：植入體周圍的生理性物質(zhì)中含有氯離子、溶解氧、蛋白質(zhì)、脂肪、有機(jī)酸、酶等，會(huì)與金屬材料或無機(jī)非金屬材料產(chǎn)生反應(yīng)，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移和離子交換，造成有害離子釋放，產(chǎn)生細(xì)胞毒性、炎癥以及細(xì)胞異常分化等[21]。另外，機(jī)體的免疫系統(tǒng)對(duì)植入體內(nèi)的非己成分也會(huì)產(chǎn)生一系列免疫應(yīng)答防御行為[22]。因此，生物材料的植入必須考慮進(jìn)入人體后的腐蝕、細(xì)胞毒性及炎癥反應(yīng)等。

5)力學(xué)相容性：骨修復(fù)材料要求具有與人體骨組織匹配的強(qiáng)度、韌性、硬度和楊氏模量，以承受和傳遞負(fù)載，同時(shí)還要避免因力學(xué)性能適配產(chǎn)生應(yīng)力集中、應(yīng)力遮擋等力學(xué)效應(yīng)而形成的骨吸收[23]。

2.2 降解性

植入材料的降解過程伴隨：細(xì)胞滲入→替代細(xì)胞外基質(zhì)(由外源性到內(nèi)源性轉(zhuǎn)變，細(xì)胞開始自分泌細(xì)胞外基質(zhì)→空間的展開和功能的擴(kuò)展[24]。組織誘導(dǎo)性生物材料必須具有合適的降解性?？缮锝到獾幕|(zhì)材料在降解過程中可形成通道供募集的細(xì)胞從材料表面遷移到細(xì)胞內(nèi)部。另外，細(xì)胞行使功能也需要物理空間，降解過程為細(xì)胞的不斷增殖、鋪展和分化提供空間，同時(shí)緩慢形成細(xì)胞微環(huán)境，故要求材料的降解速率要與內(nèi)源性細(xì)胞基質(zhì)分泌能力相匹配?？梢?，材料的降解過程伴隨著骨組織的傳導(dǎo)和再生，是重要的材料基本特性之一。

2.3 骨組織誘導(dǎo)再生性

邱凱等[25]研究顯示，組織誘導(dǎo)再生是指無生命的生物材料通過自身優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以誘導(dǎo)有生命的人體組織或器官形成。2018年，我國(guó)學(xué)者張興棟院士建議將“組織誘導(dǎo)性生物材料”列入“生物材料定義”。具體表述為：在不添加細(xì)胞和/或生物活性因子的情況下能夠誘導(dǎo)受損或確實(shí)的組織或器官再生的一類生物材料。這類材料具備兩個(gè)主要特征：一是材料本身具備特殊的結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)特征；二是誘導(dǎo)受損或缺損的組織或器官再生，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)材料的生物功能性[26]。對(duì)骨植入材料而言，其組織誘導(dǎo)再生性主要表現(xiàn)為骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性。

2.3.1 骨傳導(dǎo)性

材料植入骨環(huán)境中后，骨組織沿著植入體表面或內(nèi)部空隙攀附生長(zhǎng)，并與材料形成化學(xué)鍵合，完成骨傳導(dǎo)。從材料成分來說，以HAP和TCP為代表的磷酸鈣陶瓷能與宿主骨直接結(jié)合，顯示出良好的骨傳導(dǎo)性[27]。

從材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，骨組織本身是由膠原蛋白和納米羥基磷灰石構(gòu)成的多級(jí)有序、各向異性的微納結(jié)構(gòu)。包括三維多孔結(jié)構(gòu)、溝槽、微柱等在內(nèi)的亞微米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是骨傳導(dǎo)的基本條件[19]?？紫堵矢?、比表面積大、降解性合適的材料有利于體液在材料內(nèi)的循環(huán)和新骨生長(zhǎng)。尹光福等[28]研究發(fā)現(xiàn)，100～500 μm的大孔為骨組織長(zhǎng)入提供空間，起到骨傳導(dǎo)作用，而1～10 μm的微孔有利于體液滲透、循環(huán)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給。

2.3.2 骨誘導(dǎo)性

骨誘導(dǎo)性是植入材料能夠誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力，其特征是具有誘導(dǎo)非骨區(qū)域細(xì)胞成骨分化功能的“骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)”。磷酸鈣材料是最早發(fā)現(xiàn)的具有骨誘導(dǎo)性的材料，其功能類似于BMP[29]，可以在體內(nèi)發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)并形成自然骨組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引導(dǎo)機(jī)體自身間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)長(zhǎng)入材料的孔隙，形成新骨。鄧煒等[30]研究顯示，鈦在模擬體液中也會(huì)出現(xiàn)磷酸鈣沉積并發(fā)生鈣化，可作為骨植入材料的優(yōu)勢(shì)之一。

發(fā)生骨誘導(dǎo)的材料學(xué)特性包括：相組成、離子環(huán)境、類骨磷灰石沉積、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、力學(xué)特征、孔隙率等，見圖1。具體為：具有骨誘導(dǎo)的材料大部分包含磷酸鈣成分[31]；彈性模量為30～35 kPa的材料有利于干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[32]；表面粗糙度Ra在10～45 nm的中等范圍內(nèi)，材料表面有最大的細(xì)胞增殖率[28]；相互貫穿的多孔結(jié)構(gòu)有利于骨植入體支架中細(xì)胞的浸入和增殖[33]；1～10 μm的微孔有利于體液滲透、循環(huán)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給[28]等等。這些特定的材料學(xué)特性會(huì)形成微環(huán)境信號(hào)，如外源性壓應(yīng)力信號(hào)，進(jìn)而影響細(xì)胞黏著斑的結(jié)合位點(diǎn)，通過細(xì)胞偽足傳遞至細(xì)胞骨架，從而改變細(xì)胞形態(tài)和基因轉(zhuǎn)錄水平，引導(dǎo)細(xì)胞分化[34]。

圖1 具有骨誘導(dǎo)功能的植入材料設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design of implant material with bone induction function

3 骨植入材料的制備加工和表面處理

3.1 骨植入材料的加工制備技術(shù)

根據(jù)可誘導(dǎo)組織再生骨植入材料的材料學(xué)與生物學(xué)特征，其必須同時(shí)滿足生物相容性、力學(xué)性能、骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)性、可控降解性等幾大要求。按此條件，沒有一種材料能完全滿足全部指標(biāo)，因此，材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控和復(fù)合化將是未來骨植入材料的發(fā)展趨勢(shì)。從材料結(jié)構(gòu)調(diào)控角度，目前來看，增材制造(AM)是最被廣泛研究的骨植入材料加工技術(shù)[35]。AM可制備各種復(fù)雜形狀的構(gòu)件，可按設(shè)計(jì)成分制備合金，可將裝配過程與材料成型過程同步進(jìn)行。同時(shí)，制備多孔金屬構(gòu)件最有效的方法也是AM技術(shù)。由于離散粉體要經(jīng)歷復(fù)雜的加熱過程，因此AM組織結(jié)構(gòu)可能存在不連續(xù)性，包括氣孔和粗顆粒[36]，如果控制得當(dāng)，可在保證基本強(qiáng)度基礎(chǔ)上獲得合適的孔隙率，進(jìn)而控制骨植入體的宏觀彈性模量。

3.2 骨植入材料的表面處理

無論是鈦合金還是其他金屬都不具備可誘導(dǎo)成骨性，因此必須添加活性成分，對(duì)骨植入體進(jìn)行表面活化處理，以獲得具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)特性的復(fù)合表層。目前，在骨植入體材料表面獲得復(fù)合活性涂層的方法有很多，如：物理接枝[37]、等離子噴涂[38]、電化學(xué)沉積[39]等。無論是哪種方法，其目的都是實(shí)現(xiàn)骨植入體的表面活化、功能化及復(fù)合化。

4 骨植入材料的前景展望

骨植入體首先行使的是物理支撐及填充的支架作用，除此之外，骨植入體與人體原組織界面還要具備促進(jìn)新的組織形成的功能，以實(shí)現(xiàn)損傷組織的再生。因此，骨植入材料需具備無毒性、耐腐蝕、足夠的強(qiáng)度與韌性、多孔微納結(jié)構(gòu)、低彈性模量等特征。結(jié)合這些特征來看，純鈦無疑是最優(yōu)候選材料之一。但純鈦的彈性模量相對(duì)還是太高，而宏觀孔隙度的引入(多孔鈦)不僅可作為一種減少生物力學(xué)失配的有效方法，還可為新的骨組織在孔內(nèi)生長(zhǎng)提供條件[35]?？梢?，可控金屬3D打印技術(shù)或是未來骨植入材料加工制備的重要發(fā)展方向。

此外，雖然純鈦生物相容性好，但不具備實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)分化的功能，因此最簡(jiǎn)單有效的解決辦法即在多孔純鈦植入支架上涂裝一層活性涂層。如以HAP、TCP為代表的磷酸鈣生物活性陶瓷既具備骨傳導(dǎo)性，又具備骨誘導(dǎo)性，可再現(xiàn)組織形成過程的細(xì)胞外基質(zhì)(EMC)功能，實(shí)現(xiàn)組織再生。同時(shí)，通過控制HAP和TCP的比例還可調(diào)控其降解速率，讓之與內(nèi)源性細(xì)胞基質(zhì)分泌能力相匹配，從而達(dá)到良好的骨組織再生效果。但HAP和TCP的韌性卻很差、抗彎強(qiáng)度也低，其制成的涂層與鈦支架結(jié)合力也弱，容易發(fā)生脫落。因此，如何將活性陶瓷與多孔鈦基體高質(zhì)量結(jié)合，在保證力學(xué)性能的基礎(chǔ)上對(duì)骨植入體進(jìn)行降解速率調(diào)控，亦是實(shí)現(xiàn)骨植入材料組織誘導(dǎo)再生的關(guān)鍵，可進(jìn)一步深入研究。