Beta-磷酸三钙复合材料支架的研究进展:车用复合材料研究进展

　　外科临床工作中，由于骨缺损或者组织填充需要而要求植骨的情况十分多见，但自体骨的来源有限，体积、形态的塑造均受到很大限制，且会对供区组织的连续造成破坏，并有引起并发症的风险；异体植骨可能引起免疫排斥反应，少数甚至可引发传染性疾病，所以两者的临床应用受到很大限制。因此，人工骨的制备和临床应用成为研究热点之一。
　　组织工程学者们研究并对比了诸多材料，其中低温相磷酸三钙，即β-磷酸三钙（β-TCP）类似于人骨的天然无机构成，具有优于其他无机材料的生物相容性，植入后与机体骨接合良好，骨传导性好。应用于临床的β-TCP在体内能够逐步降解，降解率与表面构造、结晶构型、孔隙率及植入的组织相关。β-TCP的降解产物是无害的，组织细胞可从体液中补充相关离子和蛋白形成新骨，可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应，实现骨的再生并牢固结合[1]。尽管有上述优点，但磷酸三钙材料的缺点也非常明显。首先，生物力学强度不佳，脆性大，不易成形，承受外力冲击能力差，不能用于负荷部位；其次，无诱导成骨能力；第三，降解速度不能与体内新骨的形成相协调，无法达到理想生物材料的要求[2]。因而其临床应用受到限制。有鉴于此，许多学者对磷酸三钙材料的改性研究投入了大量精力，通过研究发现，改变孔径和材料纯度能改变降解率，并提高生物强度[3]，而与其他物质复合，可以进一步提高力学性能和生物学性能，更加符合临床应用的要求。因而，制备力学性能优良，保持原有优点的复合型磷酸三钙的研究越来越受到重视。本文就复合型磷酸三钙材料的研究进展综述如下。
　　
　　1磷酸三钙与高分子材料复合
　　在外科临床工作中，为了提高磷酸三钙材料的生物学性能，经常采用高分子材料与其复合。从自然仿生学角度来看，将磷酸三钙与高分子材料复合，既可以解决磷酸三钙材料质脆的问题，又可以提高材料的生物活性[4]。常见的高分子材料有聚乳酸、胶原、甲壳素等。
　　1.1 β-TCP与聚L乳酸（PLLA）复合：β-TCP和聚L乳酸（PLLA）作为支架材料植入体内均安全可靠[5]。而聚L乳酸的降解时间可以通过控制分子量来调控，所以其生物降解性能好，而且易加工成形，加之其良好的组织相容性，PLLA已被FDA批准用于生物医学的各个领域[6]。单纯的聚乳酸机械强度特别是抗压强度不足，对热不稳定，因此与β-TCP制成复合材料支架可以有效弥补PLLA特性上的缺陷。张宁等[7]应用溶剂自扩散法复合按PPLA与β-TCP颗粒比例3：7混合，经压模成型-粒子沥滤加发泡制孔，制备成多孔复合材料支架，接种骨髓间充质干细胞，经电镜扫描观察、细胞活性检测及碱性磷酸酶测试，证明PPLA与β-TCP复合材料能够促使骨髓间充质干细胞早期粘附，具有良好的细胞相容性，且抗压强度较单一材料的支架有所提高[8]。
　　1.2 β-TCP与胶原复合：胶原是人体骨组织的主要成分，对细胞的增殖、分化、生长等具有促进作用[9-10]，胶原在体内稳固性能好，降解性能稳定，并且具有良好的组织相容性，可塑性强。更值得一提的是，通过与其他材料的组合，胶原纤维的强度和降解率能够实现可控。β-TCP与胶原复合，能够模拟骨组织的无机成分和有机成分，创造利于成骨细胞生长的三维环境，并使支架具备一定的骨诱导性[11]。Hori等[12]在实验中从猪皮中提取胶原，其中I型占70%～80%，其余为III型，此种方法在处理过程中移除了胶原端肽，降低了胶原的抗原性，为β-TCP和胶原复合物的制备提供了前提条件。Vicente等[13]应用新西兰大白兔作为实验动物，通过胫骨、股骨植入实验，将β-TCP/I型胶原复合材料与单一β-TCP材料性能做比较，结果发现两者的成骨能力相当，但复合物的体内吸收更完全。另有研究表明[14]，β-TCP/去端肽胶原复合材料支架在骨的诱导形成过程中，有促进成骨的作用。Matsuno等[15]将多孔β-TCP与去端肽胶原盐酸溶液复合（比例分别为0.02、0.05、0.1和0.2g/ml）后做抗压实验，结果表明，在0.2g/ml比例下合成的复合材料，具有更强的抗屈服强度，材料降解较快，吸收完全，成骨效能较好。以上实验和研究均表明，β-TCP和胶原复合材料具备骨再生材料所需性能，是一种值得进一步深入研究并完善的材料。
　　1.3 β-TCP与甲壳素复合：甲壳素又名甲壳质，几丁质，壳多糖，聚乙酰氨基葡萄糖等，是一种氨基多糖聚合物，其组织相容性好，降解率稳定，具有一定的抗菌性[16]。但由于甲壳素分子间氢键作用强烈，导致其不溶于常见的有机溶剂和水，高温易直接碳化，给甲壳素的加工成型带来困难。经过实验研究，Yang等[17]经通过冻干法制备出具有合适微结构、力学强度、生物降解率及生物活性的β-TCP/甲壳素复合材料。近年，Liao[18]采用冻干法进一步制备成β-TCP/甲壳素复合三维多孔支架，孔径120um，孔隙率达到91.07%，并进行体外实验，证明冻干法制备的复合材料拥有更好的生物性能和力学强度，能使碱性磷酸酶（ALP）和骨桥蛋白（OPN）高表达，促进细胞的成骨分化。Lee等[19]利用TCP与甲壳素粉体的混合溶液制成海绵状支架行体内实验，用来修复大鼠的颅骨缺损，取得了良好的治疗效果。现有研究均提示β-TCP/甲壳素复合复合材料较之单一β-TCP或甲壳素材料在多个方面有更优秀的性能。
　　
　　2磷酸三钙与无机材料复合
　　无机材料是组织工程支架的重要组成部分，磷酸三钙材料因为其化学组成部分与自然骨骼相近而成为人工骨支架材料的主要选材，但磷酸三钙材料随着降解过程的进行，强度进行性下降，无法满足临床要求。为了提高磷酸三钙的理化性能，更好地适应体内修复进程，常用羟基磷灰石（HA）和硅酸盐等与磷酸三钙复合，形成复合材料。
　　2.1 β-TCP与HA复合：HA的强度高，化学性质稳定，化学组分与人体骨的无机成分相似，Ducic等[20]曾通过临床实验证明HA材料可以用于修复大面积颅骨缺损，证明HA与β-TCP一样可以与人体组织发生良好的亲和，形成骨性界面结合。与此同时，HA降解率远不如β-TCP[21]，因此可以设想通过制备β-TCP与HA的复合材料控制降解度及力学强度。美国学者LeGeros等[22]基于β-TCP与HA复合这一设想而提出双相磷酸钙生物陶瓷概念（BCP），并对不同β-TCP/HA比例下的双相磷酸钙生物陶瓷的理化性质进行研究，证明可以通过调节β-TCP/HA的比例得到不同生物活性（指材料与组织之间形成直接的化学键[23]）的BCP。Kurashina等[24]将β-TCP/HA比例分别为8∶2和3∶7的多孔BCP植入兔子肌肉内，于6个月后观察其成骨情况，发现比例为3∶7的样品中有新骨形成。同时，LeGeros等[25]对BCP材料进行更深入和广泛的研究，使其制作工艺更加成熟，理化性质更加稳定，最终使该类材料实现商品化，并在临床工作中得到广泛应用。近年来，随着制作工艺的不断进步，β-TCP/HA复合材料的性能必将日臻完善。
　　2.2 β-TCP与硅酸盐复合：Kokubo等[26]于模拟体液（Simulated body fluid, SBF）实验中证实，能够诱导类骨羟基磷灰石形成的材料都具有良好的生物相容性和生物活性。与之相对的，虽然β-TCP具有良好的降解性和组织相容性，但Hench[27]认为β-TCP材料缺乏诱导生成类骨羟基磷灰石的能力，因而β-TCP材料的骨传导和骨再生能力不强，无法在软/硬组织间形成紧密的化学键合。所以找到一种具有诱导类骨羟基磷灰石能力的材料与β-TCP复合成为改良β-TCP材料的方法之一。研究表明，硅元素在体外具有很好的诱导类骨羟基磷灰石的能力，生物活性好，被认为是促进新骨形成的媒介[28]。基于此，Huang等[29]提出采用新工艺制备β-TCP/硅灰石复合材料，经SBF实验证明，该材料具有原位多孔结构和高生物活性，其力学强度接近人体致密骨。硅酸盐材料本身的研究至今有很长的时间，体系成熟，与磷酸三钙材料复合是两种成熟材料间的新探索，其前景广阔。
　　
　　3磷酸三钙与生物活性物质复合
　　相关生物活性物质对骨的再生和分化具有直接促进作用，现已得到证实的有骨形态发生蛋白、骨唾液酸蛋白等。与生物活性物质复合，是提高β-TCP生物活性和生物功能的重要途径。
　　3.1 β-TCP与骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）复合：骨形态发生蛋白又称为骨形成蛋白，是转化生长因子B家族中的一类[30]，其中诱导骨生长活性较强的为BMP2和BMP7，它可以加快骨折的愈合和骨缺损的修复过程，是近年组织工程领域的研究热点，备受瞩目[31]。Alam等[32]利用β-TCP材料与不同剂量的rhBMP-2复合，制成生物活性材料，植入于大鼠背部皮下，通过碱性磷酸酶测定及组织学和组织形态学检查，认为含有高剂量rhBMP-2的复合材料更有利于诱导成骨和新骨的生长。Vehof等[33]则在覆盖有β-TCP和BMP复合材料涂层的钛材料上发现，新骨的形成和生长与β-TCP复合材料中BMP的剂量成正相关。现有的实验均表明，β-TCP与BMP复合，能够在为BMP提供缓释载体的同时，发挥骨传导作用，在不影响支架材料力学强度的前提下，提高其生物活性。
　　3.2 β-TCP与骨唾液酸蛋白（bone sialoprotein, BSP）复合：骨唾液酸蛋白是一种碱性磷酸化糖蛋白，相较于其他非胶原蛋白，BSP主要分布于钙化的骨、牙组织及钙化的骨与软骨交界处。BSP的功能尚不完全清楚，但其成骨特性已得到广泛证实，并被视为一种新的骨生长因子而受关注[34]。β-TCP因其良好的理化特性和生物性能而成为BSP的良载体，冻干法制备的β-TCP/BSP复合材料，于3天之内呈爆发形式释放，10天之内则保持着较快的释放速度，以后的释放速度较前明显减慢，此种释放方式，有利于材料在短期内于局部形成有利于成骨的体液环境，并在较长时间里保持有效浓度。诸多实验证明，β-TCP与BSP复合材料支架发挥两者的优势，在生物学和力学功效的发挥上均有良好表现。
　　综上，对磷酸三钙材料的改进未曾中断，随着新工艺、新理论的出现，材料的性能日新月异，不断接近对组织工程人工骨的临床要求。但是也应该看到，现阶段组织工程人工骨大多仍处于研究阶段，真正用于临床的依然是单一的支架材料。复合材料，特别是干细胞复合材料的应用技术仍不成熟，在临床应用中，暴露出一些问题，我们认为后续的研究尚有极大空间：①多向生物材料的制备：双相磷酸钙生物陶瓷概念（BCP）的提出以及基于此概念的后续研究表明，多种材料的复合可以发挥各个材料的优点，并相互弥补缺点。将硅酸盐、钙酸盐以及如Zn等元素复合，理论上可以得到性能更加优良的多向生物材料，但各个材料所占比例以及复合工艺仍需通过研究进一步明确和完善；②纳米级材料的制备和开发：纳米材料是在0.1～100nm尺度空间里具有特定功能的材料，较之原材料，往往具有新的特性或效能。纳米人工骨材料在韧性上有很大改善，孔径及孔隙率均有大幅提高[35]。可以想象，通过纳米工艺对既有β-TCP材料进一步加工，以及应用纳米工艺制备新的β-TCP复合材料，将是今后的研究热点之一；③种子细胞的应用：组织工程技术中，利用种子细胞与可降解的支架材料复合制备在体内具有生理功能的骨组织，有望成为组织修复、组织替代的全新治疗模式[36]，已有关于β-TCP材料复合骨髓间充质干细胞和脂肪干细胞的研究报道。随着细胞与材料相互作用机制更加明确，细胞与支架共培养技术不断成熟，应用组织工程学技术，紧密结合患者具体情况的个体化治疗将指日可待。
　　可见，经过科研及临床工作者数十年的不断努力，磷酸三钙作为骨组织工程材料在基础研究及临床应用中虽然取得了很大的进步，但在某些方面依然面临许多挑战，有不完善的方面尚待改进。相信在不久的将来，一种性能全面、符合组织工程学要求的新型磷酸三钙复合组织工程人工骨，将在组织修复和组织替代等临床应用方面取得良好效果。
　　
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　　[收稿日期]2011-02-15 [修回日期]2011-03-29
　　编辑/李阳利