二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石的基礎(chǔ)研究進(jìn)展*

葉利遠(yuǎn)王會(huì)丹孟增東*

二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石的基礎(chǔ)研究進(jìn)展*

葉利遠(yuǎn)1王會(huì)丹1孟增東2*

通過(guò)離子摻雜到羥基磷灰石（HA）可合成理化和生物性能更優(yōu)良的無(wú)機(jī)復(fù)合物。本文將從基本特性、體外以及體內(nèi)的生物學(xué)性能概述Mg2+、Zn2+、Sr2+三種二價(jià)陽(yáng)離子摻雜HA骨修復(fù)材料的基礎(chǔ)研究進(jìn)展。摻雜Mg2+、Zn2+、Sr2+三種二價(jià)陽(yáng)離子均增強(qiáng)HA的體外生物相容性、生物降解性和骨誘導(dǎo)性。此外，摻雜Zn2+提高HA的抗炎和抗菌性能，摻雜Sr2+提高HA的機(jī)械性能。Mg2+、Zn2+、Sr2+三種二價(jià)陽(yáng)離子摻雜HA的動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均顯示出良好的骨修復(fù)能力。

羥基磷灰石；鋅；鎂；鍶

羥基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）是骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分，具有良好的生物活性、骨傳導(dǎo)性和無(wú)毒性，因此在牙科、頜面外科和整形外科手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，可作為骨缺損的修復(fù)材料或鈦、鎂等金屬植入物的涂層材料。標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量的羥基磷灰石晶體屬于六方晶系，化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，結(jié)構(gòu)式為[Ca4][Ca6][(PO4)6][OH2]，包含4個(gè)Ca（I）位置和6個(gè)Ca（II）位置[1]。然而，純羥基磷灰石在臨床應(yīng)用上面臨著力學(xué)性能較差、降解性低、骨誘導(dǎo)性不強(qiáng)等問(wèn)題，因此不斷有學(xué)者對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行性能的改善以滿(mǎn)足實(shí)際的臨床需求。其中，離子摻雜羥基磷灰石是近年來(lái)比較熱門(mén)的研究方向，天然骨中的羥基磷灰石是非化學(xué)計(jì)量的缺Ca2+、PO43-或OH-的羥基磷灰石，CO32-、F-、Cl-、SiO44-可取代HA晶格中的PO43-或OH-，K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Sr2+、Fe2+、Ba2+、Cu2+可取代HA晶格中的Ca2+，通過(guò)離子摻雜到羥基磷灰石可以合成一種比純羥基磷灰石更類(lèi)似于天然骨組織的無(wú)機(jī)復(fù)合物。二價(jià)陽(yáng)離子與羥基磷灰石中的鈣具有相同的價(jià)電子，可取代HA晶格的Ca（I）位置和Ca（II）位置[2]。并且，二價(jià)陽(yáng)離子在骨重塑過(guò)程中起到促進(jìn)堿性磷酸酶（ALP）活性和鈣化沉積的作用[3]。其中鋅、鍶和鎂離子是目前研究較多的二價(jià)陽(yáng)離子，研究證明，摻雜鋅、鎂、鍶三種二價(jià)陽(yáng)離子均增強(qiáng)羥基磷灰石的體外生物相容性、生物降解性和骨誘導(dǎo)性。此外，摻雜鋅離子提高羥基磷灰石的抗炎和抗菌性能，摻雜鍶離子提高羥基磷灰石的機(jī)械性能。本文將綜合敘述這三種二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石的國(guó)內(nèi)外最新基礎(chǔ)研究進(jìn)展。

1 鋅離子摻雜羥基磷灰石

鋅是人體中的第二大微量元素，僅次于鐵，主要分布在骨骼中，含量為110～300 g/kg[4]。鋅在機(jī)體的抗氧化體系中具有重要作用。氧化應(yīng)激會(huì)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡[5]，而鋅能在多方面抗氧化以保護(hù)細(xì)胞，例如，與鋅相關(guān)的銅鋅超氧化物歧化酶能有效清除過(guò)量自由基以防其造成細(xì)胞的氧化損傷[6]。鋅也是骨骼系統(tǒng)正常生長(zhǎng)和發(fā)展的一個(gè)重要微量元素，在體內(nèi)外皆能促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性，抑制破骨細(xì)胞的分化，10-14mol/L的鋅離子濃度就能起到顯著抑制骨吸收的作用[4]。合成的鋅離子摻雜羥基磷灰石中，鋅優(yōu)先取代HA晶格中的Ca（II）位置，羥基磷灰石摻入鋅離子后晶體結(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生明顯改變。隨著摻鋅量的增加，羥基磷灰石的晶粒尺寸和結(jié)晶度變小，溶解性變大[7]，這意味著鋅離子摻雜羥基磷灰石比純羥基磷灰石具有更良好的生物降解性。

1.1 鋅離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體外生物學(xué)性能的影響

1.1.1 低濃度的鋅離子摻雜提高羥基磷灰石的促骨生成作用

國(guó)外學(xué)者Webster[8]的研究證明低濃度（2 mol%～7 mol%）的鋅離子摻雜能增加羥基磷灰石的孔隙率，這種對(duì)羥基磷灰石的表面改性可以促進(jìn)羥基磷灰石吸附玻連蛋白和膠原蛋白，而玻連蛋白和膠原蛋白能介導(dǎo)成骨細(xì)胞粘附在材料表面，因此低濃度的鋅離子摻雜有助于促進(jìn)羥基磷灰石吸附成骨細(xì)胞。鋅離子摻雜羥基磷灰石吸附成骨細(xì)胞后，釋放的鋅離子能刺激成骨細(xì)胞分泌轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF-），該因子能促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性和分化。此外，TGF-的增加又進(jìn)一步促進(jìn)了骨保護(hù)素（OPG）的分泌，OPG對(duì)破骨細(xì)胞分化因子RANKL具有高親和力，RANKL與破骨細(xì)胞前體的受體RANK結(jié)合會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及促進(jìn)破骨細(xì)胞的成熟與分化，因此OPG與RANKL的結(jié)合抑制了RANKL與RANK相互作用，從而抑制了破骨細(xì)胞的活性和骨的重吸收[9]。綜上所述，低濃度的鋅離子摻雜有利于刺激成骨細(xì)胞的增殖和分化，抑制破骨細(xì)胞的骨重吸收。盡管如此，應(yīng)指出的是高濃度的鋅離子是具有細(xì)胞毒性的，有研究指出在-摻鋅磷酸三鈣復(fù)合生物陶瓷中，鋅含量超過(guò)1.20 wt%對(duì)成骨細(xì)胞MC3T3-E1具有細(xì)胞毒性[10]。但關(guān)于高濃度鋅離子摻入羥基磷灰石是否會(huì)有類(lèi)似的生物效應(yīng)，尚缺研究證實(shí)，因?yàn)榭紤]到羥基磷灰石對(duì)鋅離子具有緩釋作用，可能使鋅離子并不會(huì)暴釋而產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

1.1.2 鋅離子摻雜羥基磷灰石具有抑制炎癥作用

純羥基磷灰石假體植入機(jī)體后有可能釋放磨屑顆粒，磨屑顆粒被單核細(xì)胞吞噬后分泌的細(xì)胞因子會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)，而Alexia[11]的研究證明羥基磷灰石摻入鋅后能顯著抑制這個(gè)炎癥反應(yīng)。Alexia利用脂多糖體外刺激單核細(xì)胞THP-1，通過(guò)ELISA檢測(cè)THP-1吞噬梯度摻鋅量Zn-HA顆粒后分泌的細(xì)胞因子，發(fā)現(xiàn)促炎因子腫瘤壞死因子(TNF-)、白介素1(IL-1)和白介素6(IL-6)的分泌量隨著摻鍶量的增加而降低，抗炎因子白介素8(IL-8)的分泌量隨著摻鍶量的增加而略微上升，表明羥基磷灰石摻入鋅后能顯著抑制磨屑顆粒所產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)。

1.1.3 鋅離子摻雜明顯提高羥基磷灰石的抗菌性能

鋅離子的抗菌活性機(jī)制為鋅離子通過(guò)與微生物細(xì)胞膜蛋白的疏基、咪唑、氨基和羧基的結(jié)合以改變膜蛋白結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引發(fā)膜滲透性病變，最終導(dǎo)致微生物細(xì)胞的死亡[12]。Vojislav[13]試驗(yàn)在液體培養(yǎng)基中Zn-HA對(duì)病原體菌株大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌作用，結(jié)果表明Zn-HA減少所有菌株的活細(xì)胞，Zn-HA釋放的鋅離子具有抗菌性。林英光[14]提出Zn-HA的抗菌性能與鋅離子的濃度有關(guān)，當(dāng)Zn-HA粉末的摻鋅量在0.04 mol%以下時(shí)，Zn-HA僅在靜態(tài)作用下對(duì)乳酸桿菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出抗菌作用；而摻鋅量在0.08 mol%以上時(shí)，Zn-HA在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)作用下皆表現(xiàn)出抗菌作用，并且抗菌性能隨著摻鋅量的增加而線性增強(qiáng)。

1.2 鋅離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體內(nèi)生物學(xué)性能的影響

純羥基磷灰石在生物體內(nèi)的降解率約為每年10%，這導(dǎo)致新骨爬行替代緩慢，不利于骨缺損部位的骨修復(fù)，延遲了病人的術(shù)后恢復(fù)時(shí)間[15]。羥基磷灰石摻入適當(dāng)濃度的鋅后，提高了體內(nèi)的生物降解性，同時(shí)刺激成骨細(xì)胞的增殖、分化及抑制破骨細(xì)胞的骨吸收，最佳的摻雜鋅離子濃度可促進(jìn)材料與宿主骨形成緊密的化學(xué)鍵合，使得材料降解速率與新生骨組織爬行替代速率一致。Monica[16]將純HA、5 mol %Zn-HA和自體骨（金標(biāo)準(zhǔn)）分別植入大鼠顱骨缺損部位，HE染色發(fā)現(xiàn)180天Zn-HA的新生骨面積介于純HA和自體骨之間。此外，純HA的周?chē)奂^多纖維結(jié)締組織，骨缺損形成后，機(jī)體的修復(fù)機(jī)制立刻啟動(dòng)，周邊的成纖維細(xì)胞遠(yuǎn)快于成骨細(xì)胞移動(dòng)到缺損部位，而成纖維細(xì)胞占據(jù)骨缺損區(qū)域空間過(guò)大會(huì)導(dǎo)致成骨量的減少，如果材料與宿主骨的界面不能形成化學(xué)鍵合，纖維結(jié)締組織生成后會(huì)致使材料在植入的部位相對(duì)移動(dòng)，最終材料的松動(dòng)和被纖維組織包裹導(dǎo)致植入的失敗[17]，因此，純HA的周?chē)奂^多纖維結(jié)締組織不利于材料的骨修復(fù)作用。而Zn-HA則與宿舍骨形成緊密的化學(xué)鍵合，未觀察到大量纖維結(jié)締組織，可得出Zn-HA釋放的鋅離子能促進(jìn)材料與宿主骨的化學(xué)和生物的界面結(jié)合，增加新骨的形成面積。

也有學(xué)者利用鋅離子摻雜羥基磷灰石的特性對(duì)其它骨修復(fù)材料的生物性能進(jìn)行改善，且鋅離子摻雜羥基磷灰石在其中仍然能保持良好的促骨生成作用。Joshua[18]將5 wt%Zn-HA粉末與明膠溶液混合制備Zn-HA/復(fù)合膠原膜，膠原膜可在骨缺損部位與軟組織之間建立屏蔽，阻止移動(dòng)速度較快的纖維細(xì)胞進(jìn)入骨缺損部位，同時(shí)允許前體成骨細(xì)胞優(yōu)先進(jìn)入骨缺損部位，是一種誘導(dǎo)骨再生膜，被廣泛運(yùn)用于臨床上的牙列缺損和缺失的修復(fù)治療[19]。在Joshua的實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合膠原膜與膠原膜分別被植入大鼠顱蓋骨缺損部位，6周后X-ray CT分析顯示復(fù)合膜的骨缺損部位的新生骨填充比例(80±2)%顯著高于膠原膜(60±5)%；HE染色觀察到Zn-HA/膠原復(fù)合膜和膠原膜的內(nèi)部都未發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞，復(fù)合膜周?chē)窗l(fā)生炎癥和異物反應(yīng)，新生骨先在復(fù)合膜的表面成骨后向內(nèi)部生長(zhǎng)，骨形成分布良好，多為成熟骨，新生骨的厚度與宿主原始的自體骨基本一致，而膠原膜的新生骨數(shù)量則非常有限，與復(fù)合膜相比，膠原膜的新生骨結(jié)構(gòu)不成熟，表明膠原膜復(fù)合鋅離子摻雜羥基磷灰石后，Zn-HA能持續(xù)地在骨缺損部位釋放鋅離子以刺激新骨形成，具有良好的生物相容性和促骨生成作用。

2 鎂離子摻雜羥基磷灰石

鎂是骨組織的無(wú)機(jī)成分一個(gè)重要的微量元素，在軟骨和骨組織的成骨初始階段鎂含量總計(jì)高達(dá)2 wt%，在牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和骨骼中分別為0.44 wt%、1.23 wt%和0.73 wt%。鎂缺乏不利于骨骼的新陳代謝，會(huì)造成骨生長(zhǎng)停止、成骨細(xì)胞活性降低、骨質(zhì)疏松和骨脆性[20]。合成的鎂離子摻雜羥基磷灰石中，Mg優(yōu)先取代HA晶格的Ca（II）位置，并且這個(gè)傾向隨著摻鎂量的增加更加明顯。由于Mg2+（0.069 nm）半徑小于Ca2+（0.099 nm），因此Mg取代Ca后，HA晶格的晶粒尺寸和結(jié)晶度變小，溶解性變大，羥基磷灰石的生物降解性也相應(yīng)提高[21]。

2.1 鎂離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體外生物學(xué)性能的影響

鎂離子摻雜羥基磷灰石具有良好的生物相容性，低濃度的鎂離子對(duì)羥基磷灰石具有良好的促骨生成作用。李志宏[22]利用MTT法觀察梯度摻鎂量0.5 wt%~20 mol%Mg-HA晶體的細(xì)胞毒性，結(jié)果表明不同摻鎂量Mg-HA的細(xì)胞毒性評(píng)級(jí)為0或1級(jí)，均未表現(xiàn)明顯的細(xì)胞毒性，具有良好的生物相容性。低濃度的鎂離子摻雜同樣能通過(guò)增加羥基磷灰石的孔隙率對(duì)羥基磷灰石表面改性，促進(jìn)玻連蛋白和膠原蛋白的吸附，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的吸附[8]。研究已證實(shí)鎂能促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性和抑制破骨細(xì)胞的增殖[23]，但其中的分子機(jī)制目前尚不明確，有學(xué)者指出鎂離子通過(guò)激活PI3K/Akt信號(hào)通路上調(diào)p-Akt的表達(dá)水平，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性和分化[24]。Serre[25]則指出高濃度(20 wt%)的鎂離子摻雜羥基磷灰石對(duì)骨細(xì)胞有毒性作用，抑制細(xì)胞外基質(zhì)鈣礦物的形成，因此Mg2+濃度過(guò)高反而不利于促進(jìn)成骨效應(yīng)和誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)。

2.2 鎂離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體內(nèi)生物學(xué)性能的影響

鎂離子摻雜羥基磷灰石在生物機(jī)體內(nèi)具有良好的生物降解性和理想的骨修復(fù)效果，但和鋅離子摻雜羥基磷灰石一樣，目前還停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，在臨床上尚未有實(shí)際應(yīng)用。Elena[26]將5.7 mol%Mg-HA和純HA顆粒分別填充在新西蘭白兔的股骨缺損部位，結(jié)果顯示Mg-HA組4周新生編織骨從材料表面向內(nèi)部生長(zhǎng)，8～12周成熟的層狀骨取代編織骨，可觀察到血管浸潤(rùn)，12周Mg-HA幾乎完全降解，骨重塑完成。而純HA組雖然出現(xiàn)了成熟骨，但HA顆粒并沒(méi)有發(fā)生降解。該實(shí)驗(yàn)表明與純HA相比，Mg-HA表現(xiàn)出更好的骨傳導(dǎo)性和生物降解性，更適合作為骨缺損修復(fù)材料。此外，也有學(xué)者把鎂離子摻雜羥基磷灰石運(yùn)用到金屬種植體的表面涂層，Li[27]通過(guò)溶膠凝膠法在純鈦種植體表面制備純HA和10 mol%Mg-HA涂層，分別植入去勢(shì)SD大鼠股骨遠(yuǎn)心端。12周VanGieson染色顯示2組種植體表面均有明顯新骨形成，但Mg-HA組表面存在更多的骨小梁，Micro-CT分析顯示Mg-HA組周?chē)墓切×航Y(jié)構(gòu)、骨整合情況較好，骨整合率、骨體積分?jǐn)?shù)、骨小梁厚度、骨小梁數(shù)量和連接密度均高于純HA組，生物力學(xué)測(cè)試顯示Mg-HA組的骨界面剪切強(qiáng)度(2.63±0.25)N/mm2明顯高于純HA組(2.22±0.33)N/mm2。這些結(jié)果表明，與純HA涂層比較，Mg-HA涂層能明顯提高骨整合程度，增加種植體的周?chē)橇亢头€(wěn)固性。

3 鍶離子摻雜羥基磷灰石

鍶在人的身體質(zhì)量中占0.00044%，屬于微量元素，在骨礦化中起到至關(guān)重要的作用，是治療骨質(zhì)疏松癥最有效的物質(zhì)之一。穩(wěn)定鍶具有無(wú)毒性，可以體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間高劑量給藥。研究證明鍶具有刺激成骨細(xì)胞分化和抑制破骨細(xì)胞活性、骨吸收的雙重作用，新開(kāi)發(fā)的藥物雷尼酸鍶已成功用于治療骨質(zhì)疏松癥[28]。合成的鍶離子摻雜羥基磷灰石中，Sr優(yōu)先取代Ca(II)位置，并且這個(gè)傾向隨著摻鍶量的增加更明顯，而在較低摻鍶量(低于5 mol%)中Sr優(yōu)先取代Ca（I）位置。摻鍶量低于1.5 mol%基本不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，顯示出與HA類(lèi)似的單相位譜；但是當(dāng)摻鍶量達(dá)到15 mol%時(shí)會(huì)誘導(dǎo)HA摻入HPO42-和CO32-，造成晶粒尺寸和結(jié)晶度顯著降低。摻鍶量低于25 mol%，晶粒尺寸隨摻鍶量的增加而線性降低；摻鍶量高于25 mol%時(shí)，晶粒尺寸隨摻鍶量的增加而線性增加[29]。

3.1 鍶離子摻雜對(duì)羥基磷灰石機(jī)械性能的影響

鍶能顯著提高羥基磷灰石的機(jī)械性能，尤其是在硬度方面，當(dāng)少量鍶對(duì)鈣進(jìn)行置換之后，在一定程度上減少了羥基磷灰石的晶格缺陷，從而使原子間的排列更加緊密，起到了一定的強(qiáng)化的作用[30]。羥基磷灰石質(zhì)脆，作為骨修復(fù)材料只能填充在非承力部位，而少量鍶的摻雜意味著羥基磷灰石能在更多的機(jī)體部位上得到應(yīng)用。Kim[31]制備出8 mol%Sr-HA，發(fā)現(xiàn)摻鍶后羥基磷灰石的維氏硬度從5.2 GPa增加到5.5 GPa。Shen[32]通過(guò)水熱法制備梯度摻鍶量0 wt%~5 wt% Sr-HA晶須并加入磷酸鈣水泥中，發(fā)現(xiàn)復(fù)合磷酸鈣水泥的抗壓強(qiáng)度呈線性增加，5 wt%Sr-HA復(fù)合水泥的抗壓強(qiáng)度（2.92MPa）比純HA復(fù)合水泥（1.38 MPa）高出兩倍多。Ni[33]制備出基本成分為10 mol%Sr-HA的生物活性骨水泥，疲勞破裂測(cè)試表明Sr-HA骨水泥的斷裂韌度（1.62±0.25）MPa ·m1/2明顯高于商用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥（1.03±0.15）MPa·m1/2。Hao[34]制備出含鍶量20 mg/mL的Sr-HA/膠原復(fù)合膜，力學(xué)測(cè)試表明其極限強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率高于或約近于膠原膜的2倍。

3.2 鍶離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體外生物學(xué)性能的影響

鍶離子不僅可通過(guò)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的活性及抑制破骨細(xì)胞的分化和活性，還可通過(guò)激活經(jīng)典的Wnt/-catenin（簡(jiǎn)稱(chēng)Wnt）信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。Wnt通路在成骨細(xì)胞的增殖和分化中起到重要作用，鍶離子可通過(guò)激活Wnt通路上調(diào)Wnt通路的相關(guān)因子Wnt3a、-catenin和RUNX2的表達(dá)，其中RUNX2作為成骨細(xì)胞成熟的重要轉(zhuǎn)錄因子，在成骨細(xì)胞分化的多條信號(hào)通路中起到核心作用[35]。學(xué)者Yang[36]還發(fā)現(xiàn)鍶離子可以通過(guò)Wnt通路誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞定向成骨分化，在鍶離子的作用下，細(xì)胞的ALP活性增強(qiáng)和膠原含量表達(dá)升高，Wnt通路中的轉(zhuǎn)錄因子-catenin表達(dá)水平升高。因此，鍶離子激活Wnt通路的直接效應(yīng)是促進(jìn)成骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化和增殖，鍶離子摻雜對(duì)羥基磷灰石有利于骨質(zhì)重建再生。Capuccini[37]采用水熱法合成0、1、3、7 at%Sr-HA薄片，分別與成骨細(xì)胞MG-63、破骨細(xì)胞復(fù)合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)3-7 at%顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞ALP活性、I型膠原蛋白含量的增加和骨鈣素的表達(dá)，另一方面，破骨細(xì)胞的活性則隨摻鍶量的增加而降低，即使1 at%也能影響破骨細(xì)胞的增殖，證明Sr-HA的鍶離子對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞具有雙重調(diào)節(jié)作用。高建勇[38]發(fā)現(xiàn)5%和10%的Sr-HA能有效提高羥基磷灰石的生物學(xué)活性，對(duì)成骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化有明顯的促進(jìn)作用，但當(dāng)摻鍶量在10%以上時(shí)，這個(gè)作用并不會(huì)顯著增強(qiáng)甚至可能減弱，提出鍶離子可能負(fù)反饋調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化，即鍶離子在體內(nèi)促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的作用存在一個(gè)有效濃度范圍，但其中的作用機(jī)制尚待進(jìn)一步從分子水平上進(jìn)行闡明。

3.3 鍶離子摻雜對(duì)羥基磷灰石體內(nèi)生物學(xué)性能的影響

與鋅、鎂離子摻雜羥基磷灰石相比，鍶離子摻雜不僅提高羥基磷灰石在體內(nèi)的促骨生成作用，還顯著增強(qiáng)羥基磷灰石的機(jī)械性能。Ni[33]將10 mol%Sr-HA骨水泥和PMMA骨水泥分別應(yīng)用于山羊髖關(guān)節(jié)置換，掃描電鏡分析顯示PMMA骨水泥與宿主骨的界面有一層明顯的纖維組織，而Sr-HA骨水泥與宿主骨直接緊密結(jié)合，骨結(jié)合界面未發(fā)現(xiàn)纖維組織長(zhǎng)入，這代表著更好的應(yīng)力傳遞、剪切力的增加、克服應(yīng)力屏蔽以及降低骨結(jié)合界面出現(xiàn)磨屑顆粒的可能性；生物力學(xué)測(cè)試顯示Sr-HA骨水泥的骨結(jié)合強(qiáng)度（3.36±1.84）MPa明顯高于PMMA骨水泥（1.23±0.73）MPa，表明Sr-HA骨水泥無(wú)論是生物相容性還是力學(xué)性能都優(yōu)于傳統(tǒng)商用的PMMA水泥。

此外，鍶離子摻雜羥基磷灰石還應(yīng)用到與其它生物材料進(jìn)行復(fù)合，或作為金屬種植體的表面涂層，從而更好地提升其它生物材料的骨修復(fù)效果。Hao[34]將含鍶量20 mg/mL的Sr-HA/膠原復(fù)合膜與膠原膜分別植入大鼠顱蓋缺損部位，Micro-CT和HE染色顯示4周復(fù)合膜刺激成骨細(xì)胞增殖、血管再生，編織骨沉積和層狀骨形成，而膠原膜還停留在新生編織骨階段，表明Sr-HA/膠原復(fù)合膜比膠原膜具有更顯著的引導(dǎo)骨再生優(yōu)勢(shì)。Li[39]通過(guò)化學(xué)沉淀法制備純HA和10 mol %Sr-HA種植體，分別植入去勢(shì)SD大鼠右側(cè)股骨遠(yuǎn)心端，Micro-CT和HE染色分析表明與純HA相比，10 mol%Sr-HA種植體周?chē)墓敲芏?、骨小梁的微結(jié)構(gòu)以及與宿主骨的連接度都顯著增加，表現(xiàn)出更好的骨誘導(dǎo)性和骨結(jié)合能力。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

羥基磷灰石在骨修復(fù)材料領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，本文明確地表明鋅、鎂、鍶三種二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石比純羥基磷灰石在生物相容性、生物降解性和骨引導(dǎo)性具有更顯著的優(yōu)點(diǎn)。此外，摻雜鋅離子提高羥基磷灰石的抗炎和抗菌性能，摻雜鍶離子提高羥基磷灰石的機(jī)械性能。二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石雖然目前取得了不少的研究成果，但研究比較集中于物化性質(zhì)，關(guān)于體外和體內(nèi)的綜合生物學(xué)評(píng)價(jià)研究還是有限，距離實(shí)際的臨床應(yīng)用還有較大的差距，對(duì)此，提出以下建議：將種子細(xì)胞種植在二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石支架材料上，種子細(xì)胞、誘導(dǎo)因子和支架材料是構(gòu)建組織工程骨的三大要素，現(xiàn)較為理想的種子細(xì)胞是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，利用具有誘導(dǎo)成骨作用的二價(jià)陽(yáng)離子作為誘導(dǎo)因子，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等多種組織細(xì)胞分化[40]，從而加速羥基磷灰石的骨修復(fù)進(jìn)程。通過(guò)綜合不同離子的物理和生物學(xué)性能優(yōu)勢(shì)制備新型多離子共摻雜羥基磷灰石生物材料，目前已有學(xué)者嘗試將鎂和鈷雙離子共摻雜羥基磷灰石促進(jìn)成骨和血管生成[41]，鎂和硅酸根、碳酸根離子共摻雜羥基磷灰石大幅度降低結(jié)晶度、提高溶解性，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，多離子共摻雜將是未來(lái)離子摻雜羥基磷灰石生物材料研究的重要發(fā)展方向。希望在不久的將來(lái)，二價(jià)陽(yáng)離子摻雜羥基磷灰石能運(yùn)用到臨床上，為人類(lèi)帶來(lái)更多的福祉。

[1]Metwally H A,Ardazishvili R V,Severyukhina AN,et al.The Influence ofHydroxyapatite and Calcium Carbonate Microparticleson the Mechanical Properties of Nonwoven Composite Materials Based onPolycaprolactone[J].BioNanoScience,2015,5(1):22-30.

[2]Ratnayake J T B,Mucalo M,Dias G J.Substituted hydroxyapatites forbone regeneration:Areview of current trends[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials,2016.

[3]upová M.Substituted hydroxyapatites for biomedical applications:A review[J].Ceramics International,2015,41(8):9203-9231.

[4]Thian E S,Konishi T,Kawanobe Y,et al.Zinc-substituted hydroxyapatite:a biomaterial with enhanced bioactivity and antibacterial properties[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2013,24(2):437-445.

[5]王小菊，馮正平.氧化應(yīng)激對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響[J].中華骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病雜志，2015(2):168-173.

[6]李宜珈，楊暄，許文濤.鋅對(duì)細(xì)胞損傷的保護(hù)機(jī)制研究進(jìn)展[J]. Hans Journal of Foods&snutrition Science,2014,03(04):57-63.

[7]Iqbal N,Kadir MR A,Mahmood N H,et al.Characterization,antibacterial and in vitro compatibility of zinc–silver doped hydroxyapatite nanoparticles prepared through microwave synthesis[J]. Ceramics International,2013,40(3):4507-4513.

[8]Webster T J,Ergun C,Doremus R H,et al.Hydroxylapatite with substituted magnesium,zinc,cadmium,and yttrium.II.Mechanisms of osteoblast adhesion[J].Journal of Biomedical Materials Research,2002,59(2):312-317.

[9]Shepherd D V,Kauppinen K,Brooks R A,et al.An in vitro study into the effect of zinc substituted hydroxyapatite on osteoclast number and activity[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2014,102(11):4136-4141.

[10]Ito A,Ojima K,Naito H,etal.Preparation,solubility,and cytocompatibility ofzinc-releasing calciumphosphate ceramics[J].JournalofBiomedicalMaterials Research PartA,2000,50(2):178-183.

[11]Grandjean-Laquerriere A,Laquerriere P,Jallot E,et al.Influence of the zinc concentration of sol–gel derived zinc substituted hydroxyapatite on cytokine production by human monocytes in vitro [J].Biomaterials,2006,27(17):3195-3200.

[12]Wu C,Labrie J,Tremblay YD N,et al.Zinc asan agent for the prevention of biofilm formation by pathogenic bacteria[J].Journal of Applied Microbiology,2013,115(1):30-40.

[13]Stani V,Dimitrijevi S,Anti-Stankovi J,et al.Synthesis,characterization and antimicrobial activity of copper and zinc-doped hydroxyapatite nanopowders[J].Applied Surface Science,2010, 256(20):6083-6089.

[14]林英光，楊卓如，程江.納米摻鋅羥基磷灰石的制備及抗菌性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35(07):67-71.

[15]Eliaz N,Sridhar T M,Mudali U K,et al.Electrochemical and electrophoretic deposition of hydroxyapatite for orthopaedic applications[J].Surface Engineering,2013,21(3):238-242.

[16]Calasans-Maia M,Fernandes G,Rossi A M,et al.Effect of hydroxyapatite and zinc-containing hydroxyapatite on osseous repair of critical size defect in the rat calvaria[C].Key Engineering Materials,2008:1273-1276.

[17]Noguchi H,Watanabe A,Funayama T,et al.A Novel Unidirectional Porous Hydroxyapatite Cylinder Implanted in the Dorsal Muscles of Dogs Promotes Fibrous Tissue Vascularization and Invasion[J].Key Engineering Materials,2012,529-530:275-278.

[18]Chou J,Komuro M,Hao J,et al.Bioresorbable zinc hydroxyapatite guided bone regeneration membrane for bone regeneration[J].Clinical Oral Implants Research,2016,27(3):354-360.

[19]Miyahara T,Nyan M,Shimoda A,et al.Exploitation ofa novelpolysaccharide nanogel cross-linking membrane for guided bone regeneration（GBR）[J].Journal of Tissue Engineering&Regenerative Medicine,2012,6(8):666-672.

[20]Yoshizawa S,Brown A,Barchowsky A,et al.Magnesium ion stimulation of bone marrow stromal cells enhances osteogenic activity,simulating the effect of magnesium alloy degradation[J]. Acta Biomaterialia,2014,10(6):2834-2842.

[21]Mensah-Darkwa K,Gupta R K,Kumar D.Mechanical and Corrosion Properties of Magnesiume-Hydroxyapatite（MgeHA）Composite Thin Films[J].Journal of Materials Science&Technology,2013,29(9):788-794.

[22]李志宏，黃姝杰，武繼民，等.含鎂羥基磷灰石的制備與性能研究[J].功能材料，2010，41(04):700-703.

[23]BondarenkoA,Angrisani N,Meyer-Lindenberg A,et al.Magnesium-based bone implants:Immunohistochemical analysis of peri-implant osteogenesis by evaluation of osteopontin and osteocalcin expression[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2014,102(5):1449-1457.

[24]Su NY,Peng TC,TsaiP S,etal.Phosphoinositide 3-kinase/Aktpathway isinvolved in mediating the anti-inflammation effectsofmagnesium sulfate[J].JournalofSurgicalResearch,2013,185(2):726-732.

[25]Serre C M,Papillard M,Chavassieux P,et al.Influence of magnesium substitution on a collagen–apatite biomaterial on the production of a calcifying matrix by human osteoblasts[J]. Journal of Biomedical Materials Research,1999,42(4):626-633.

[26]Landi E,Logroscino G,Proietti L,et al.Biomimetic Mg-substituted hydroxyapatite:from synthesisto in vivo behaviour[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2008,19(1):239-247.

[27]Li X,Li Y,Liao Y,et al.The effect of magnesium-incorporated hydroxyapatite coating on titanium implant fixation in ovariectomized rats[J].International Journal of Oral&Maxillofacial Implants,2014,29(1):196-202.

[28]Pemmer B,Roschger A,Wastl A,et al.Spatial distribution of the trace elements zinc,strontium and lead in human bone tissue[J]. Bone,2013,57(1):184-193.

[29]Fayyaz M,Iqbal W,Irfan M,et al.A process for the development of strontium hydroxyapatite[C].IOP Conference Series MaterialsScience and Engineering,2014:2692-2704.

[30]Krishnan V,Bhatia A,Varma H.Development,characterization and comparison of two strontium doped nano hydroxyapatite molecules for enamel repair/regeneration[J].Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials,2016,32(5):646-659.

[31]Kim H W,Koh Y H,Kong Y M,et al.Strontium substituted calcium phosphate biphasic ceramics obtained by a powder precipitation method[J].Journal of Materials Science Materials in Medicine,2004,15(10):1129-1134.

[32]Shen Y,Liu J,Lin K,et al.Synthesis of strontium substituted hydroxyapatite whiskers used as bioactive and mechanical reinforcement material[J].Materials Letters,2012,70(3):76-79.

[33]Ni G X,Chiu K Y,Lu W W,et al.Strontium-containing hydroxyapatite bioactive bone cement in revision hip arthroplasty[J]. Biomaterials,2006,27(24):4348-4355.

[34]Hao J,Acharya A,Chen K,et al.Novel bioresorbable strontium hydroxyapatite membrane for guided bone regeneration[J].Clinical Oral Implants Research,2015,26(1):1-7.

[35]Cai T,Sun D,Ying D,et al.WNT/-catenin signaling promotes VSMCs to osteogenic transdifferentiation and calcification through directly modulating Runx2 gene expression[J].Experimental Cell Research,2016,345(2):206-217.

[36]Yang F,Yang D,Tu J,etal.Strontium enhancesosteogenicdifferentiation ofmesenchymalstemcellsand in vivo boneformation by activating Wnt/ catenin signaling[J].STEMCELLS,2011,29(6):981-991.

[37]Capuccini C,Torricelli P,Boanini E,et al.Interaction of Sr-doped hydroxyapatite nanocrystals with osteoclast and osteoblast-like cells[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2009, 89A(3):594-600.

[38]高建勇，田剛，朱強(qiáng)，等.鍶摻雜改性羥基磷灰石的生物學(xué)性能研究[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(02):138-144.

[39]Li Y,Shui X,Li Z,et al.Cancellous bone healing around strontiumdoped hydroxyapatite in osteoporotic rats previously treated with zoledronic acid[J].Journal ofBiomedicalMaterials Research PartB Applied Biomaterials,2015,104(3):476-481.

[40]Chiu L H,Lai W F,Chang S F,et al.The effect of type II collagen on MSC osteogenic differentiation and bone defect repair[J].Biomaterials,2014,35(9):2680-2691.

[41]Kulanthaivel S,Mishra U,Agarwal T,et al.Improving the osteogenic and angiogenic properties ofsynthetic hydroxyapatite by dual doping of bivalent cobalt and magnesium ion[J].Ceramics International,2015,41(9,Part A):11323-11333.

Recent developments of experimental studies in divalent cations doped hydroxyapatite

Ye Liyuan1,Wang Huidan1,Meng Zengdong2.1 Faculty ofMedicine,Kunming University ofScience and Technology, Kunming Yunnan,650032;2 First People's Hospital of Yunnan Provience,Kunming Yunnan,650032,China

Doping ions into hydroxyapatite can synthesize an inorganic composite whose physicochemical and biological properties can be more excellent.This paper summarizes progress of three kinds of divalent cations doped hydroxyapatite on basic properties,in vitro and in vivo biologicalproperties.The biocompatibility,biodegradability and osteoconductivity ofhydroxyapatite were enhanced by doping zinc,magnesium and strontium in vitro.In addition,doping zinc ions increases the performances ofhydroxyapatite'santi-inflammatory and antibacterial.Doping strontium ions increases the performancesof hydroxyapatite'smechanical.Zinc,magnesium and strontium,these divalentcations doped hydroxyapatite in vivo experiments showed good bone repair capacity.

Hydroxyapatite;Zinc;Magnesium;Strontium

R318

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.03.017

swgk2016-08-00200

2016-08-22)

2013年云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2013FA057）；2015年云南省科技廳-昆明醫(yī)科大學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)合資金項(xiàng)目（2015FB094）

1昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，云南昆明650032；2云南省第一人民醫(yī)院，云南昆明650032

葉利遠(yuǎn)（1992-）男，碩士。研究方向：生物材料。

*[通訊作者]孟增東（1971-）男，博士。研究方向：骨外科。