骨修復(fù)緩釋微球的應(yīng)用進(jìn)展

馬博，顧勇，陳亮

(蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，江蘇 蘇州 215006)

骨骼是人體的組成器官，具有保護(hù)和支持身體的重要功能。一般來(lái)說(shuō)，骨組織具有良好再生能力，可以自我修復(fù)并持續(xù)進(jìn)行生理性改建。然而，當(dāng)機(jī)體處于一些較惡劣的狀態(tài)時(shí)，比如急慢性炎癥、創(chuàng)傷、骨腫瘤，以及一些先天性的疾病時(shí)(如發(fā)育畸形等)，就很難通過(guò)骨骼進(jìn)行自我修復(fù)，造成損傷處長(zhǎng)期的疼痛、活動(dòng)異常、畸形、肌肉萎縮和負(fù)重功能喪失。因此，針對(duì)骨損傷修復(fù)材料的研發(fā)一直是熱點(diǎn)[1-2]。目前，一些人工合成的材料如生物陶瓷、生物玻璃、骨水泥等，已經(jīng)應(yīng)用于臨床實(shí)踐。而從20世紀(jì)50年代開始，微球作為一種新的生物材料形式，逐漸引起人們的注意。它是一種體積為幾十到幾百納米之間的微型球體，其常用的組成材料為聚乳酸、殼聚糖等聚合物，以及一些其他的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，如碳酸鈣、二氧化硅等。20世紀(jì)到90年代多孔微球被確定適合作為藥物載體、細(xì)胞輸送和組織再生的潛在應(yīng)用材料[3]，由于其體積微小，可以深入到骨骼創(chuàng)傷間隙，同時(shí)具備良好的孔隙和可降解性，以及對(duì)藥物及生物活性因子等的緩釋作用，大大降低了對(duì)新生骨骼修復(fù)過(guò)程的干擾，現(xiàn)已越來(lái)越多地應(yīng)用于骨損傷修復(fù)中。

1 微球的特征

1.1 微球的大小 微球的直徑大小一般為幾十微米到幾百微米之間。Sheikhi等[4]制備的gelma微球，通過(guò)改變gelma溶液內(nèi)相與油相外相流量比和gelma溶液濃度(7%、10%和20%)，獲得直徑為70～115 μm的gelma微球，可以適應(yīng)不同的需要。Lin等[5]通過(guò)改變微球的大小來(lái)控制微球中的蔗糖乙酸異丁酸酯的釋放速率，證實(shí)了微球大小對(duì)其性能的重要性。

1.2 微球的孔隙 多孔微球表面有外孔或核心有內(nèi)孔，孔徑是決定生物分子吸附和釋放的重要因素?；钚晕镔|(zhì)可以溶解或分散在微球的表面或核心。多孔材料按孔徑可分為：微孔材料(<2 nm)、介孔材料(2～50 nm)、大孔材料(50～200 nm)和超大孔材料(>200 nm)。與傳統(tǒng)的微球相比，多孔微球具有更出色的藥物吸附和釋放功能、較大的比表面積和較低的密度等特點(diǎn)。Kunliang等[6]以卡拉膠、正己醇和超順磁性納米氧化鐵為原料，制備了一種新型多孔微球，具有出色的鹽酸阿霉素負(fù)載量和釋放性能，在癌癥的治療中具有很大的潛力和競(jìng)爭(zhēng)力。Xi等[7]通過(guò)設(shè)計(jì)一種具有“蓮子莢面狀”的多糖止血微球，微孔內(nèi)部相互連通，具有快速止血性能。

1.3 微球的緩釋性能 微球體性質(zhì)穩(wěn)定，其多孔微觀結(jié)構(gòu)有助于進(jìn)行藥物裝載和釋放，因此可作為載體負(fù)載各種藥物，以實(shí)現(xiàn)藥物長(zhǎng)期輸送功能，這對(duì)于一些需要長(zhǎng)期作用的藥物具有較好的實(shí)用價(jià)值。Luo等[8]采用溶劑熱法合成了多孔TiO2微球，具有多孔的表面形貌和較高的載藥能力，將其添加到復(fù)合骨水泥中，實(shí)現(xiàn)了藥物(如慶大霉素)的緩控釋性能。Chen等[9]制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]-硅酸鈣(CaSiO3)-阿司匹林的復(fù)合微球支架，對(duì)阿司匹林具有優(yōu)異的緩釋作用，有望作為一種新型成骨材料。

1.4 微球的生物相容性與生物降解性 具有生物活性的微球不僅應(yīng)具有粒徑小、多孔、流動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)具有良好的生物相容性與生物降解能力，以免對(duì)微球的生物應(yīng)用帶來(lái)很大的影響。Bian等[10]通過(guò)將GelMA微球共價(jià)偶聯(lián)活性肽APETx2再進(jìn)一步攜帶髓核細(xì)胞，成功提高了材料的生物相容性，使得髓核細(xì)胞在酸性條件下的存活能力增強(qiáng)。Annamalai等[11]通過(guò)靜電相互作用，設(shè)計(jì)出有效摻入生物活性骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2，BMP-2)的明膠微球，通過(guò)響應(yīng)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的骨愈合的炎癥階段來(lái)觸發(fā)微球降解，控制生長(zhǎng)因子進(jìn)而促進(jìn)骨再生。Zhao等[12]在高溫下制備了新型的可生物降解、均勻的羧甲基幾丁質(zhì)微球，在臨床上作為一種新型的可吸收止血材料具有很大的潛力。

2 微球在成骨方面的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 微球與無(wú)機(jī)離子的結(jié)合應(yīng)用

2.1.1 鈦離子 隨著對(duì)納米材料越來(lái)越多地研發(fā)，近來(lái)許多研究表明納米二氧化鈦(TiO2)可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)與加速其成骨分化，進(jìn)而提高骨缺損部位的成骨速率和成骨能力[13]。Khoshroo等[14]制備了聚己內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)/TiO2燒結(jié)微球支架，將TiO2納米管引入到PCL支架中，改善了單純PCL支架的力學(xué)性能、生物學(xué)性能以及骨組織工程應(yīng)用的理化性能。Wang等[15]通過(guò)將二氧化鈦納米粒子結(jié)合到聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球中，顯著地增強(qiáng)了微球的成骨誘導(dǎo)能力。

2.1.2 鐵離子 鐵離子作為天然骨所包含的微量元素之一，對(duì)于骨代謝具有重要作用。已有研究表明，由鐵離子修飾后的TiO2涂層的生物相容性較之前提高，可以更好地提升涂層的成骨效應(yīng)[16]。Zhang等[17]通過(guò)Pickering乳液設(shè)計(jì)了氫氧化鐵(Fe(OH)3)納米粒子包裹的聚乳酸-羥基乙酸共聚微球，然后燒結(jié)成多孔微球支架，將重組人BMP-2通過(guò)聚多巴胺涂層固定在支架上。結(jié)果表明，在含有納米Fe(OH)3的支架上培養(yǎng)的小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有較好的增殖、成骨分化和遷移能力。Guo等[18]利用水熱法合成了磁性介孔碳酸化羥基磷灰石CaCO3/Fe3O4微球，具有更好的藥物緩釋性能，在骨植入給藥方面具有很大的應(yīng)用潛力。

2.1.3 鋰離子 鋰離子是Wnt經(jīng)典通路的激活劑，已有關(guān)于含有鋰離子的支架可以促進(jìn)牙骨質(zhì)再生的研究報(bào)道。Li等[19]制備了鋰/納米羥基磷灰石/明膠微球/重組人促紅細(xì)胞生成素復(fù)合支架，可以通過(guò)鋰激活Wnt信號(hào)通路和促紅細(xì)胞生成素上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)/血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)通路，有效提高了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨作用和血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成作用，促進(jìn)了骨缺損的修復(fù)。

2.1.4 鎂離子 鎂是體內(nèi)含量比較豐富的陽(yáng)離子之一，主要存在于骨骼和骨骼肌中，在體外表現(xiàn)出促進(jìn)成骨分化的傾向。多項(xiàng)流行病學(xué)研究表明，低飲食鎂與骨質(zhì)疏松癥之間存在一定關(guān)聯(lián)。同時(shí)，研究證明高濃度的鎂離子也會(huì)削弱成骨細(xì)胞的活性[20]，所以控制體內(nèi)鎂離子濃度處于適當(dāng)水平對(duì)于骨骼的健康發(fā)育至關(guān)重要。Lin等[21]設(shè)計(jì)了由聚乳酸-乙醇酸生物聚合物、海藻酸鹽水凝膠和氧化鎂納米粒子組成的單分散微球給藥系統(tǒng)，通過(guò)可調(diào)節(jié)的表面微孔網(wǎng)絡(luò)精確控制Mg2+的釋放，使鎂離子處于合適的濃度，能有效地提高其成骨活性，表明控制Mg2+精確釋放在臨床上應(yīng)用于原位骨再生具有良好的研究前景。Yuan等[22]構(gòu)造了一種包含淫羊藿苷和MgO/MgCO3的PLGA微球，實(shí)現(xiàn)了Mg2+與淫羊藿苷的共同釋放，起到了促進(jìn)成骨的作用。

2.1.5 鈣離子 骨骼的負(fù)重功能與骨骼的結(jié)構(gòu)和礦物質(zhì)含量息息相關(guān)，而鈣作為骨骼內(nèi)主要的無(wú)機(jī)鹽離子，其攝入量的穩(wěn)定對(duì)于骨骼的生長(zhǎng)、維持具有重要意義。近年來(lái)，關(guān)于羥基磷灰石和白鎖石為代表的含鈣生物陶瓷的研究越來(lái)越多。Jose等[23]將羥基磷灰石納米粒子和白鎖石納米粒子分別摻入PLGA微球中，通過(guò)表面燒結(jié)將復(fù)合微球轉(zhuǎn)化為具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和特定形狀的骨移植材料，將來(lái)有望應(yīng)用于骨移植和組織工程。Daneshmandi等[24]將過(guò)氧化鈣(CaO2)封裝于PLGA微球中，證實(shí)了CaO2的代謝產(chǎn)物O2、Ca2+以及H2O2的釋放提高了小鼠血管化骨再生的能力。

2.2 微球與天然高分子材料的結(jié)合應(yīng)用

2.2.1 人參 人參化合物是人參或者人參皂苷在哺乳動(dòng)物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物，具有抗癌、抗氧化、抗糖尿病、抗脂肪細(xì)胞、抗炎和保肝特性等多種功能[25]。Guo等[26]就曾將人參皂苷Rg1負(fù)載于海藻酸鹽-殼聚糖微球上，促進(jìn)人骨髓基質(zhì)細(xì)胞(human bone marrow stromal cells，hBMSC)的增殖和分化，抑制缺氧后-復(fù)氧誘導(dǎo)的hBMSC凋亡。Thangavelu等[27]通過(guò)靜電作用制備了含人參化合物K的雙相磷酸鈣-殼聚糖微球，結(jié)果顯示，含有人參化合物K的微球支架有利于成骨細(xì)胞樣細(xì)胞系(MG63)的附著；并且，微球支架在大鼠骨髓干細(xì)胞中的成骨基因表達(dá)顯著增強(qiáng)，說(shuō)明這種新型微球支架系統(tǒng)有望成為新型的骨再生材料。

2.2.2 瓊脂糖 瓊脂糖具有線型結(jié)構(gòu)，有著可逆的熱凝膠行為、出色的機(jī)械性能和較高的生物活性，因此，瓊脂糖在構(gòu)造先進(jìn)的藥物遞送系統(tǒng)方面受到廣泛關(guān)注[28]。Hasan等[29]通過(guò)瓊脂糖強(qiáng)化雙相磷酸鈣和雙相硫酸鈣制備了復(fù)合微球，并對(duì)其用于骨再生，結(jié)果表明，這種微球有利于細(xì)胞黏附和增殖、對(duì)新骨形成具有促進(jìn)作用，在骨替代應(yīng)用方面具有巨大的潛力。Annamalai等[30]利用瓊脂糖基質(zhì)包裹人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和Ⅱ型膠原蛋白，再采用油包水的方法形成微球，研究證實(shí)可以增強(qiáng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨分化。

2.2.3 柚皮苷 柚皮苷存在于中草藥和柑橘類水果中，具有廣泛的藥理活性，包括抗炎、抗癌活性，以及對(duì)骨再生、代謝綜合征、氧化應(yīng)激、遺傳損傷和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等的生物學(xué)作用[31]。Yang等[32]在單分散的柚皮苷微球中加入醋酸異丁酸酯，明顯減少了柚皮苷的突釋，具有良好的生物相容性和體外成骨能力。Guo等[33]將包裹柚皮苷的殼聚糖微球負(fù)載到含有小白菊內(nèi)酯的多孔PLLA支架網(wǎng)絡(luò)上，延長(zhǎng)了柚皮苷的釋放時(shí)間，同時(shí)相較于單純的PLLA網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了支架引導(dǎo)骨再生的能力。

2.2.4 細(xì)菌纖維素 細(xì)菌纖維素是一種來(lái)源于細(xì)菌的納米纖維材料，具有高結(jié)晶度和聚合度、高表面積、高柔韌性、高吸水能力等，近年來(lái)被廣泛開發(fā)應(yīng)用傷口愈合、人造皮膚、硬腦膜假體、動(dòng)脈支架涂層、軟骨和骨修復(fù)植入物等再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[34]。Zhang等[35]采用Malaprade反應(yīng)和Schiff堿反應(yīng)，構(gòu)建出了膠原/細(xì)菌纖維素復(fù)合微球，并且進(jìn)一步通過(guò)反相懸浮法制備負(fù)載生長(zhǎng)因子BMP-2，構(gòu)建出了具有多級(jí)結(jié)構(gòu)和組成的三維支架多孔微球，具有良好的生物相容性，能有效促進(jìn)小鼠MC3T3-EL細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化，為膠原/細(xì)菌纖維素多孔微球在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2.3 微球與藥物的結(jié)合應(yīng)用

2.3.1 利福噴丁 骨關(guān)節(jié)結(jié)核是一種古老的慢性消耗性疾病，絕大多數(shù)是由結(jié)核分枝桿菌引起的。利福噴丁是一種半合成的福霉素類抗生素，對(duì)潛伏性結(jié)核感染具有良好的效果。Wang等[36]制作出了利福噴丁-聚乳酸緩釋微球用以治療骨關(guān)節(jié)結(jié)核，具有使利福噴丁的給藥系統(tǒng)更穩(wěn)定，緩釋時(shí)間更長(zhǎng)，良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，為臨床治療骨關(guān)節(jié)結(jié)核提供了一種新的治療策略。Liang等[37]設(shè)計(jì)了一種主體為包含利福噴丁的聚乳酸微球，同時(shí)結(jié)合了間充質(zhì)干細(xì)胞和羥基磷灰石/磷酸三鈣，組成三維復(fù)合支架，可治療感染，促進(jìn)骨形成。

2.3.2 阿侖膦酸鹽 阿侖膦酸鹽已證明口服可有效治療和預(yù)防絕經(jīng)后的骨質(zhì)疏松癥、皮質(zhì)類固醇誘發(fā)的骨質(zhì)疏松癥和佩吉特骨病，其主要作用機(jī)制為抑制破骨細(xì)胞的骨吸收行為。到目前為止，它已成為治療骨質(zhì)疏松癥和其他由于骨吸收引起的疾病的主要藥物之一。Wang等[38]開發(fā)了一種具有短期控釋特性的聚乳酸交聯(lián)阿侖膦酸鈉微球，可以連續(xù)9 d釋放50～100 nm的阿侖膦酸鈉。Yang[39]通過(guò)一種簡(jiǎn)便的方法制備了負(fù)載阿侖膦酸鹽的羥基磷灰石微球，將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與微球共培養(yǎng)，不僅促進(jìn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，而且還成功誘導(dǎo)了其成骨分化。這些均表明了這種微球結(jié)構(gòu)能更好地促進(jìn)阿侖膦酸鹽的合理釋放并發(fā)揮其成骨功能。

2.3.3 雷洛昔芬 絕經(jīng)后的婦女由于缺乏雌激素，常常導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。雷洛昔芬(raloxifene，RLX)是一種選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑，對(duì)于預(yù)防和治療絕經(jīng)后婦女的骨質(zhì)疏松癥具有良好的作用[40]。Zhang等[41]通過(guò)將負(fù)載RLX的PLGA微球接枝到由殼聚糖、膠原和β磷酸三鈣組成的三組分支架，實(shí)現(xiàn)了RLX的可控性緩釋。

2.4 微球與生物活性因子的結(jié)合應(yīng)用 BMP-2是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β超家族的成員，具有促進(jìn)體內(nèi)成骨分化和軟骨分化的重要作用，已被廣泛地應(yīng)用于骨缺損、骨不連和骨質(zhì)疏松癥等的修復(fù)治療中[42]。Gong等[43]制備了BMP-2特異結(jié)合位點(diǎn)的CaCO3微球，并進(jìn)一步將其包裹在纖維蛋白膠水凝膠中，實(shí)現(xiàn)了BMP-2持續(xù)高達(dá)21 d可控釋放，有利于長(zhǎng)期的成骨過(guò)程。Ji等[44]將載有BMP-2或P24的PLGA微球與殼聚糖、納米羥基磷灰石/膠原蛋白復(fù)合，可以很好地緩釋成骨因子來(lái)促進(jìn)成骨，為自體和異體骨移植提供了更多的可能性。

綜上所述，微球具有體積微小、高孔隙率和高載藥率的特點(diǎn)，并具有可觀的生物相容性、可降解性和緩釋性能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于骨損傷的治療方面。然而，微球復(fù)雜的制備過(guò)程，不均勻的大小形態(tài)，不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，以及無(wú)法精確控制藥物釋放和自身代謝時(shí)間用以配合骨骼修復(fù)過(guò)程等一系列問(wèn)題，仍然需要進(jìn)一步的深入研究。總體來(lái)看，微球作為治療骨損傷的一種材料結(jié)構(gòu)，在之后的臨床治療方面具有很大的應(yīng)用潛力。