可生物降解金屬支架修復(fù)長骨嚴(yán)重骨缺損

劉 凱 綜述,艾合買提江·玉素甫 審校

骨是力學(xué)和生理學(xué)動態(tài)穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu),四肢長骨不僅承擔(dān)著站立、行走等運動功能,還具有維持代謝、造血等生理功能。然而,由創(chuàng)傷、感染、腫瘤或先天疾病引起的長骨嚴(yán)重骨缺損(>6 cm)的修復(fù)仍然是骨科醫(yī)師亟待解決的難題[1-2]。目前,修復(fù)長骨嚴(yán)重骨缺損主要包含兩種方法——植骨和骨組織工程技術(shù)[3-6]。植骨在成骨、骨誘導(dǎo)方面的優(yōu)勢使其得以廣泛應(yīng)用,包括自體骨移植、同種異體骨移植等[7-8]。但缺損長度、供區(qū)并發(fā)癥、感染及免疫排斥反應(yīng)等限制了該技術(shù)在修復(fù)嚴(yán)重骨缺損中的應(yīng)用。

骨組織工程技術(shù)具有個體化治療、根除感染及貼合生理性成骨等優(yōu)勢,已逐漸成為修復(fù)長骨嚴(yán)重骨缺損的有效方法[9]。其中,生物支架由于其良好的力學(xué)支撐和成骨誘導(dǎo)性得到了廣泛研究。理想的骨修復(fù)支架材料應(yīng)具有良好的力學(xué)支撐、成骨活性、生物相容性及可降解性[10-11]。隨著材料科學(xué)的高速發(fā)展,新的骨重建材料主要包括高分子聚合物、生物活性陶瓷、聚合物與陶瓷的復(fù)合材料、金屬材料[12-14]。其中,聚合物、生物活性陶瓷及其復(fù)合材料常因堅硬度過高而韌性不足,不能為承重位置提供適宜的力學(xué)支撐[11, 15]。傳統(tǒng)金屬材料如不銹鋼、鈦或鉭,雖然能提供足夠的力學(xué)支撐,但其植入后難以降解,長期存在體內(nèi)易發(fā)生超敏反應(yīng)和免疫排斥反應(yīng),增加感染概率和患者的心理負(fù)擔(dān)[8]。因此,可在體內(nèi)生物降解并具備多孔隙結(jié)構(gòu)促進(jìn)成骨誘導(dǎo)的復(fù)合金屬支架,逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。盡管已有研究探討了鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)等及其復(fù)合金屬支架用于承重部位骨缺損修復(fù)的機制,但考慮到動物模型及骨缺損部位存在異質(zhì)性,不同金屬元素配比的可生物降解支架對骨缺損的修復(fù)機制及臨床療效仍未可知。本文對不同可生物降解金屬支架的理化性質(zhì)、促成骨轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,旨在促進(jìn)其臨床轉(zhuǎn)化。

1 Fe

Fe是人體中必不可少的元素之一,在成人體內(nèi)有4～5 g,主要以血紅蛋白(72%)及肌紅蛋白(3%)形式存在,其余以鐵蛋白的形式儲存在肝、脾和骨髓中。Fe基復(fù)合金屬憑借制備簡便、良好的生物相容性等優(yōu)勢,是最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的植入金屬[15]。然而,Fe基復(fù)合金屬植入物在人體內(nèi)常因有機鹽溶液浸潤發(fā)生電化學(xué)腐蝕機制而降解,但降解速率緩慢。Lin et al[16]研究發(fā)現(xiàn),Fe基復(fù)合金屬在動物實驗中顯示出良好的生物相容性,并認(rèn)為其緩慢降解速率是由于降解時產(chǎn)生含磷(P)或氯的Fe化合物抑制層。此外,與人體骨組織相比,Fe基復(fù)合金屬硬度及彈性模量較高,設(shè)計不合理易出現(xiàn)應(yīng)力遮擋和退行性骨質(zhì)疏松。為提升Fe基復(fù)合金屬支架降解速率及力學(xué)性能,國內(nèi)外學(xué)者主要通過優(yōu)化復(fù)合成分、仿生涂層和制備工藝來實現(xiàn),例如制備含錳(Mn)或銀(Ag)等元素的復(fù)合金屬支架[15, 17-18]、真空等離子滲氮工藝[19]、蒸汽真空電弧技術(shù)[17]、生物陶瓷或生物聚合物涂層技術(shù)[20]等。盡管上述技術(shù)優(yōu)化了Fe基復(fù)合金屬支架的材料構(gòu)成,考慮到其緩慢的體內(nèi)降解速率及高堅硬度,是否適用于植入修復(fù)嚴(yán)重骨缺損尚存在爭議。筆者認(rèn)為,在發(fā)揮Fe基復(fù)合金屬支架的良好力學(xué)支撐性能時,應(yīng)塑造多孔隙結(jié)構(gòu)以獲得貼合人體骨組織的力學(xué)和成骨誘導(dǎo)性能,以期達(dá)到滿意的降解速率和骨再生效果。

2 Mg

Mg已被證實是人體內(nèi)含量第3的金屬元素,成人體內(nèi)含量約25 g,近60%沉積在骨骼和牙齒中,27%分布于軟組織中[17]。Mg基復(fù)合金屬具有與人體骨骼相近的密度、彈性模量和良好的生物相容性,植入人體后釋放的Mg2+是多種酶促反應(yīng)的輔助因子,誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)中缺氧誘導(dǎo)因子、過氧化物酶體增殖物激活受體γ-共激活因子-1α產(chǎn)生,促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子生成,從而促進(jìn)血管化成骨[20]。因此,Mg螺釘或復(fù)合金屬支架憑借優(yōu)異的促成骨和血管生成作用,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。Zhang et al[21]研究證明,Mg基復(fù)合金屬釋放的Mg2+具備良好的促成骨活性,過量的Mg2+也可通過機體新陳代謝排出。Salahshoor et al[22]通過動物和細(xì)胞實驗研究表明,與生物陶瓷相比,Mg基復(fù)合金屬表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和生物相容性。Bessa-Gon?alves et al[23]通過動物實驗研究表明,Mg基復(fù)合金屬的彈性模量接近皮質(zhì)骨,應(yīng)用時可有效地避免傳統(tǒng)金屬植入物易出現(xiàn)的應(yīng)力遮擋現(xiàn)象。此外,Jin et al[24]通過動物實驗研究發(fā)現(xiàn),Mg基復(fù)合金屬在體內(nèi)降解釋放的Mg2+可進(jìn)入背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元并促進(jìn)降鈣素基因相關(guān)肽的釋放,刺激有助于成骨分化的基因表達(dá),促進(jìn)骨再生的同時,Mg2+可經(jīng)腎臟排尿排出,能降低Mg2+濃集引起的毒性反應(yīng)。Mg基復(fù)合金屬植入物如純Mg或Mg涂層螺釘,在治療因退變、骨質(zhì)疏松等造成的骨折和韌帶損傷方面也具有優(yōu)勢。Mau et al[25]通過分析Mg螺釘固定修復(fù)前交叉韌帶時的受力關(guān)系,以減少Mg螺釘置入時因不恰當(dāng)?shù)呐ぞ氐刃?yīng)力而造成的力學(xué)不穩(wěn)定,來提高手術(shù)成功率。Lin et al[26]通過在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中添加Mg,提高其抗感染和力學(xué)強度。然而,盡管Mg基復(fù)合金屬支架具有上述優(yōu)勢,但它在長骨嚴(yán)重骨缺損的修復(fù)中,高降解速率和低硬度是主要存在的問題。

目前,合金化和高生物活性納米涂層技術(shù)是提高M(jìn)g金屬耐蝕性、生物相容性和機械強度的常用方法[21,27],包括石墨烯納米涂層、鋰(Li)結(jié)合納米涂層及生物陶瓷涂層等[28]。筆者認(rèn)為,高降解速率、析氫及堿化仍然是Mg基復(fù)合金屬支架作為骨修復(fù)植入材料應(yīng)用的關(guān)鍵障礙。通過優(yōu)化制備工藝、合金化和生物活性涂層等方法增強Mg金屬的機械強度和耐腐蝕性,制備復(fù)合涂層的Mg基復(fù)合金屬支架可能是有效降低其植入后高降解速率的解決方案。盡管Mg基復(fù)合金屬存在上述不足,但考慮到其理想的促血管生成和成骨誘導(dǎo)性能,仍有望成為骨缺損修復(fù)的理想生物材料。

3 Zn

Zn是人體內(nèi)維持生理功能所必需的微量元素,成人體內(nèi)含量1.4～2.3 g,約30%存在于骨組織中。Zn2+在骨形成、發(fā)育和礦化中起著重要作用[28]。Yusa et al[29]細(xì)胞實驗研究發(fā)現(xiàn),Zn2+在骨重建中也發(fā)揮著積極作用,Zn2+在抑制破骨細(xì)胞的骨吸收同時,又促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化和Ⅰ型膠原合成,加速骨再生及礦化。Qiao et al[30]通過細(xì)胞實驗探究復(fù)合二氧化鈦(TiO2)涂層的Zn基復(fù)合金屬支架促成骨效應(yīng)時發(fā)現(xiàn),其置入體內(nèi)后釋放的Zn2+促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化存在閾值效應(yīng),在Zn2+濃度超過5.2～6.5 mg/L時會產(chǎn)生抑制作用。Ranga et al[28]通過溶膠-凝膠法成功制備了含Zn的生物活性陶瓷,發(fā)現(xiàn)Zn2+可與硅元素形成穩(wěn)定的Si-氧(O)-Zn四面體結(jié)構(gòu),具有良好的抗菌性能。盡管復(fù)合Zn元素的生物活性聚合物和復(fù)合金屬具有優(yōu)異的抗感染、降解性能,但其延展性及力學(xué)支撐強度不足。

為改進(jìn)上述性能,Zn基復(fù)合金屬材料逐漸成為骨缺損修復(fù)支架的研究熱點,包括Zn-Li、Zn-Li-鈣(Ca)、Zn-Mn和Zn-鍶(Sr)等[31-34]。Zhao et al[34]通過真空鑄造工藝成功制備了Zn-Li合金,并通過動物實驗驗證了該復(fù)合金屬具有顯著的延展性和力學(xué)性能,但生物相容性仍不理想。Zhang et al[32]通過熔融鍛造成形技術(shù)制備Zn-Li-Ca復(fù)合金屬支架,發(fā)現(xiàn)該支架可有效改善Zn-Li合金的生物相容性、成骨誘導(dǎo)和力學(xué)性能,但制備工藝要求較高。此外,Jia et al[35]通過動物和細(xì)胞實驗研究表明,Zn-Mn合金的出現(xiàn)使Zn基復(fù)合金屬的延伸率及生物相容性得到顯著改善,但Zn、Mn元素與成骨細(xì)胞之間是否存在相互作用仍然未知。Jia et al[36]通過熔融鍛造成形技術(shù)成功制備Zn-Sr復(fù)合金屬支架,動物和細(xì)胞實驗表明該支架釋放的Zn2+、Sr2+不僅可以激活Wnt/β-連環(huán)蛋白、PI3K/Akt等信號通路促成骨細(xì)胞增殖分化,還具有滿意的成骨誘導(dǎo)、促血管生成、力學(xué)支撐及生物相容性。因此,基于上述優(yōu)勢,筆者認(rèn)為,Zn基復(fù)合金屬支架是可用于修復(fù)長骨嚴(yán)重骨缺損的理想方法,但應(yīng)進(jìn)一步探討復(fù)合金屬元素與Zn元素的最佳配比,以更好發(fā)揮在促進(jìn)成骨中的協(xié)同作用。

4 Ca

Ca是人體中含量最多的無機鹽組成元素,總量為1 000～1 300 g,其中99%以骨鹽形式存在于骨骼和牙齒中。骨是Ca沉積的主要部位,主要以非晶體的磷酸氫鈣(CaHPO4)和晶體的羥基磷灰石(HAP)兩種形式存在,新生骨中CaHPO4比成熟骨多,骨骼成熟過程中CaHPO4逐漸轉(zhuǎn)變成HAP[37-39]。骨發(fā)育成熟后,通過骨形成和骨吸收過程維持骨骼健康狀態(tài)及骨鈣與血鈣的動態(tài)平衡。在骨修復(fù)材料領(lǐng)域,Ca通常以輔助金屬元素參與,如Mg-Ca、Zn-Ca、Mg-Zn-Ca等,其釋放的Ca2+在骨重建穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[22, 39]。Prasadh et al[40]通過細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞增殖的最佳細(xì)胞外Ca2+為3～10 mmol/L,在該濃度下Ca2+可刺激間充質(zhì)干細(xì)胞譜系(如成骨細(xì)胞)和造血干細(xì)胞譜系(如破骨細(xì)胞)中表達(dá)的關(guān)鍵受體——鈣感受器受體 (CaSR),從而促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖。Zhang et al[37]通過細(xì)胞實驗檢測Mg-Ca復(fù)合金屬的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能時發(fā)現(xiàn),Ca2+還可上調(diào)骨鈣素的表達(dá),加速骨礦化。此外,Ibrahim et al[41]在研究熱處理對Mg-Zn-Ca復(fù)合金屬支架的微結(jié)構(gòu)及改性變化時發(fā)現(xiàn),復(fù)合金屬中Ca含量的增加常與體內(nèi)的P和O形成HAP,這能改善合金的生物相容性和剛度,有利于成骨或前成骨細(xì)胞貼附和增殖。

高降解速率是限制Ca元素加入復(fù)合金屬制備的主要障礙,盡管Ca元素的加入有效提升了Mg或Zn基復(fù)合金屬支架的促成骨及機械支撐性能,并在hBMSCs成骨分化起到遠(yuǎn)程促進(jìn)作用,但單一Ca元素作為輔助元素制備長骨嚴(yán)重骨缺損修復(fù)的生物支架是不可取的。通過Zn、Li、Mn等多種元素合金化制備復(fù)合金屬支架可有效提升支架力學(xué)性能,減慢降解速率以適配成骨周期。此外,向細(xì)胞外釋放適宜Ca2+濃度的復(fù)合金屬支架的成分配比仍有待進(jìn)一步研究。

5 Mn

Mn是人體必需的微量元素之一,成人體內(nèi)總量為0.01～0.02 g。Mn在人體內(nèi)既可作為金屬酶的組成成分,又是許多堿性物質(zhì)的酶激活劑,參與能量代謝、自由基清除和神經(jīng)遞質(zhì)合成等生理過程[42]。Sotoudehbagha et al[17]通過細(xì)胞實驗研究Fe-Mn-Ag復(fù)合金屬性能時發(fā)現(xiàn),Mn可通過影響整合素的活性來調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的相互作用,從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、黏附及擴(kuò)散。在修復(fù)骨缺損的復(fù)合金屬支架制備中,Mn也承擔(dān)著重要的角色,如Zn-Mn、Zn-Mn-Mg、Fe-Mn等[35, 43]。微量Mn元素的加入,不僅可改善復(fù)合金屬支架的延展性,而且顯著提高其成骨誘導(dǎo)性和生物相容性。因此筆者認(rèn)為,Zn-Mn合金有望成為長骨嚴(yán)重骨缺損修復(fù)材料的新選擇,特別是在承重部位。但考慮到Mn的強還原性,對制備復(fù)合金屬的成分配比及加工工藝要求較精細(xì),選擇性激光燒結(jié)3D技術(shù)是制備含Mn復(fù)合金屬支架的有效方法。但復(fù)合金屬中各元素是否具有協(xié)同促成骨效應(yīng)仍需要深入研究。

6 Sr

Sr是一種活潑的堿土金屬,占骨礦物含量的0.035%,理化性質(zhì)與Ca相近。在骨修復(fù)材料中,Sr以輔助金屬元素成分參與制備復(fù)合金屬支架,如Mg-Sr、Zn-Sr、Mg-Zn-Sr等。Zhong et al[42]通過對Zn-Sr復(fù)合金屬的細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn),Sr2+可與Zn2+協(xié)同增加成骨細(xì)胞活性及增殖,同時介導(dǎo)抑制破骨細(xì)胞信號通路來促進(jìn)骨形成。Wang et al[44]通過對Mg-Sr復(fù)合金屬支架中Sr2+骨再生的功能研究發(fā)現(xiàn),Sr2+通過激活A(yù)kt激酶相關(guān)信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖并抑制細(xì)胞凋亡,并認(rèn)為Sr2+濃度在0.83～6.15 mg/L范圍時對成骨細(xì)胞增殖和分化有積極影響。Zhang et al[45]研究發(fā)現(xiàn),Sr2+可通過與CaSr結(jié)合,激活MAPK/Erk、Wnt/β-catenin和PI3K/Akt信號通路促進(jìn)骨再生。此外,Naruphontjirakul et al[46]研究發(fā)現(xiàn),Sr2+可通過增加破骨細(xì)胞抑制因子生成,下調(diào)破骨細(xì)胞分化因子表達(dá)和抑制破骨細(xì)胞骨吸收,并認(rèn)為Sr2+濃度在2～6 mg/L的范圍內(nèi)也存在促成骨作用。上述研究提示,Sr2+與Mg2+、Zn2+之間的協(xié)同效應(yīng)有效改善了復(fù)合金屬支架的細(xì)胞相容性和成骨活性,且Mg-Sr復(fù)合金屬降解時易產(chǎn)生抑制層,從而提高M(jìn)g基復(fù)合金屬的耐腐蝕性。因此,含Sr復(fù)合金屬支架在修復(fù)長骨嚴(yán)重骨缺損領(lǐng)域中有巨大潛力。

7 結(jié)論

可生物降解金屬支架通過微結(jié)構(gòu)合金化、離子成分改性及生物涂層等技術(shù),可集合良好的力學(xué)支撐、骨誘導(dǎo)、生物相容性等優(yōu)勢于一體,加速骨缺損部位血管化成骨及礦化。Mg或Zn基復(fù)合金屬因其逐漸成熟的制備工藝和良好的促成骨活性等優(yōu)勢,是骨缺損修復(fù)的理想材料。但不同研究的設(shè)計方法、動物模型、缺損長度仍缺乏統(tǒng)一的預(yù)后評估標(biāo)準(zhǔn)。為促進(jìn)其臨床轉(zhuǎn)化,未來研究需要建立標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)來評估可生物降解金屬對骨缺損修復(fù)的結(jié)果。