弓家弘 王靜成 王大新
載藥納米材料治療骨缺損或骨缺損伴骨髓炎的研究進展
弓家弘 王靜成 王大新
骨髓炎是臨床上一種嚴重的骨感染性疾病,急性骨髓炎死亡率很高,近年來由于抗生素的應用死亡率已明顯下降,但由于診斷不及時多可轉化為慢性[1]。骨髓炎可分為血源性骨髓炎與創(chuàng)傷性骨髓炎。隨著經濟和衛(wèi)生狀況的改善,血源性骨髓炎的發(fā)生率顯著降低。目前,創(chuàng)傷性骨髓炎已成為骨科感染的最主要病種[2]。
骨髓炎常規(guī)抗生素靜滴治療效果不佳,而且骨髓炎手術治療失敗率高,復發(fā)率高[2]。在創(chuàng)傷性骨髓炎中,有時創(chuàng)傷會造成大面積骨缺損,這使本來難以治療的骨髓炎變得更為棘手。為了徹底治愈骨髓炎,并促進骨組織的重建,許多學者都進行了不同的嘗試。
臨床上治療慢性骨髓炎的常用方法是慶大霉素—骨水泥珠鏈填塞法,但由于骨水泥珠鏈不能降解吸收,多需二次手術取出,且有周圍機化包裹病原菌的可能[2]。而且在拔出珠鏈后,由于珠鏈本身不能降解亦無骨誘導活性,會殘留大量骨腔,這些骨腔往往還需二次手術植骨。
骨組織重建的方法應根據(jù)缺損大小來決定。對于脛骨缺損來說,小于8 cm的缺損可采用后外側松質骨移植,大于8 cm的缺損則需帶血管腓骨移植來進行治療。近年來,也有使用游離肌瓣移植或松質骨移植修復大于8 cm缺損的。但不論松質骨移植或是使用肋骨、腓骨移植,患者都需要進行多次手術,增加患者的痛苦,供體可能難以提供足夠的骨量。也有學者提出使用異體骨修復骨缺損,但異體移植骨雖然預先經過化學、冷凍或射線處理等措施來抑制免疫反應,但仍具有一定的抗原性[3]。其他材料,如金屬、陶瓷、高分子等替代材料也同骨水泥鏈一樣難以被機體吸收降解,它們不能參與人體新陳代謝,長期滯留于體內妨礙骨組織的改建和完全修復,因而遠期效果欠佳。
另外,在骨缺損并發(fā)骨髓炎時,有些大的創(chuàng)口即使沒有感染,也有細菌污染存在,進行骨移植易導致感染[2]。因此大面積骨缺損時,多不宜進行一期骨移植手術和閉合傷口。前期手術多采用開放性骨移植或需等創(chuàng)腔壁有良好的肉芽組織覆蓋后再進行手術。此法可勉強處理一些骨髓炎伴骨缺損病例,但不能達到一期閉合創(chuàng)口,創(chuàng)口最終形成巨大致密纖維瘢痕。
由于上述諸多困難,使學者們紛紛尋找一種治療骨髓炎合并骨缺損的更有效、便捷、減輕病人痛苦的方法。
2.1 納米替代材料本身的優(yōu)勢
納米材料增加了材料表面的粗糙度,減少了表面的大小及孔隙的直徑,使材料的溶解性得以提高,生物降解性好。增加了材料表面的親水性,可以吸附更多的細胞,提高蛋白質的吸附作用,進而使細胞和生物材料之間發(fā)生交聯(lián),提高材料的組織相容性[3]。
上世紀70年代,有學者發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)是人體骨骼的主要無機成分[4],寬約2~5 nm,長約50 nm。納米羥基磷灰石(nano-Hydroxyapatite,nHA)在一定程度上模仿了骨骼的超微結構,植入體內的效果相當于自體骨移植,且又避免了損傷自身器官。如果加入膠原及其他誘導骨生長的因子,則不失為一種優(yōu)良的骨替代材料。Logroscino等[5]用單純nHA膠原材料與普通HA材料進行了兔骨缺損的實驗對比,證實了nHA材料的良好生物學特性。
納米級骨材料具有如下優(yōu)點:①良好的生物相容性,無免疫排斥反應,無毒;②與無機骨基質成分相近,可與宿主骨直接愈合;③良好的機械性能及化學穩(wěn)定性,在體內能長期穩(wěn)定地行使骨組織功能,成骨較快,抗腐蝕性較好,耐磨性較強;④來源充足,可高壓消毒,儲存方便[6]。
2.2 載藥的必要性
由于創(chuàng)傷性骨髓炎具有很大的感染風險,多不能一期手術植骨,并需要大量抗生素預防治療,會增加病人痛苦和經濟負擔。而骨髓炎清創(chuàng)后亦很難保證無菌,有很大的感染風險,同樣不能一期植骨或只能開放性植骨。在以上兩種情況下,雖然仿生納米骨有良好的組織相容性,但若單純納米材料植入效果往往不佳。有學者考慮將抗生素加入納米骨中,依靠納米材料的特性,既可以保證藥物的均勻分布,又可以達到藥物在體內的緩釋效果。湯善華等[7-10]和Koort等[11]都制備出了載藥納米材料,并進行了動物實驗。李云飛等[12]還制作了兔的骨髓炎模型,并將研制成的載藥納米骨一期植入兔骨中,取得了良好的治療效果,展示了納米材料應用的廣闊前景。
3.1 納米材料的設計與制備
3.1.1 基本納米骨組織的制備
研究者們大都選用nHA作為骨替代材料的主要成分,是因為nHA具有與人體骨無機成分相似、組織相容性好等優(yōu)點。而實驗用的nHA多見三種形制:納米級的HA晶粒、nHA膠原復合材料與nHA酰胺66(Polyamide 66,PA66)復合材料。肖建德等[6]介紹了將nHA制成仿生陶瓷的方法,即以CaPO3溶解、凝膠化、固化低溫熱處理后得到納米HA粒子,再加入Si3N4與β-SiC后成型燒結而成。而田曉濱等[13]用nHA晶粒(20~550 nm)與磷酸鈣混合制成了可塑性的骨漿。湯善華等[7-10]則通過nHA粉與慶大霉素混合制成了納米骨藥粒。用nHA晶粒制作替代材料較為方便,且易于塑形,便于在納米骨中加藥或其他因子。但由于缺乏膠原,其成型后不能形成松質骨樣的孔隙,因此在組織相容性與吸收率上還有所欠缺。
更常用的是nHA膠原復合材料(n-HA/collagen,nHAC),對于nHA膠原復合材料的制備,鮮思平等[14]進行了詳細的綜述,大致可有:pH控制的自組裝雙親縮氨酸分子重現(xiàn)細胞外基質納米機構纖維支架法、交替沉淀法、滴定共沉淀法和仿體內骨膠原礦化法等。這些方法制備的nHA膠原復合材料,不論在組成成份還是在超微結構上都非常類似自然骨,由于膠原的存在,成骨細胞增殖、活化,纖維基質迅速轉變成骨傳導的基質。骨島中有骨細胞,骨形成活躍的地方有大量的成骨細胞,植入物降解和骨替代的過程與骨的改建過程相似[14],因此nHA膠原復合材料有合適的降解吸收率和良好的組織相容性。但nHA膠原復合材料不易添加其他活性成份,實驗中多采用已成型的材料,可塑性不佳。而張超等[15]制得了nHA膠原復合骨的凍干粉并進行了塑形。陳鵬等[16]更是用真空吸附法在nHA膠原復合材料中加入了克林霉素,這說明nHA膠原復合材料在添加活性成份與可塑性方面還有很大發(fā)展空間。
nHA/PA66是由nHA晶粉與PA66混合制成[17],可看作是單純使用nHA晶粒的改良型材料。實驗證實,PA66具有良好的組織相容性,在體內的降解速率適中,對人體無毒副作用[17]。加入了PA66的nHA可以提高替代材料的韌性,克服原nHA材料性質脆、降解慢的缺點,但nHA/PA66復合材料在其制作過程中加藥或其他活性成分較困難。
3.1.2 納米人工骨的添加成分
單純的nHA制成的納米骨有不足之處:①脆性大、韌性低,不能用于負重部位骨缺損的修復[14]。②在體內降解速度過慢。劉新暉等[18-19]使用單純nHAC植入做對照組,12周后仍能觀察到植入物與宿主骨的界限,周邊僅有少量纖維骨痂形成,大部分材料仍未降解;張超等[15]用nHA/PA66做對照,12周后仍未達到骨連接;孟純陽等[20]使用仿真程度很高的網(wǎng)孔nHA/PA66但未添加任何其他成份,需16周方可修復骨缺損。③實驗證實,微米級的HA只有骨引導作用而無骨誘導作用[17],納米級HA雖然具有一定的骨誘導作用,但其誘導能力不強,雖然Zambonin等[21]通過實驗證明成骨細胞在納米級HA材料上相對微米級的HA上有更強的活性,但單純nHA的作用有限,還不能說明其具有促骨生成的作用。Zambonin等[21]在成品材料中加入了生長因子以促進成骨細胞活性,但并不能在較短時間內修復大面積骨缺損。④不論是預防感染或是在感染風險下植骨,單純nHA材料都不能起到很好的效果。
近年來,研究者們嘗試將其他具有生物活性或藥性的成份引入納米骨材料,具體有:
①增加材料骨誘導與促骨生成作用的成份,包括加入成骨細胞[22]、骨髓間充質細胞[18-19,23]、帶有產生骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)質粒的真核載體[13,24]、產生血管內皮細胞因子165的真核載體[13]等等。另有直接在材料中加入BMP與紅骨髓的研究[25],雖然活性不高,促骨生成作用時間持續(xù)不長,但成本低且較簡便。Zambonin等[21]加入了胰島素樣生長因子(Insulin-like Growth Factor 1,IGF-1),體外實驗證實對成骨細胞有促進作用。Jensen等[26]添加了骨形成蛋白(Osteogenic Protein 1,OP-1),也取得了良好效果。
②改善納米骨性質的無機、有機成分。無機成分包括:增加材料組織相容性與硬度的碳納米管[6,27];使材料具有可塑性的磷酸鈣粉[13];增加硬度的Si3N4與β-SiC[6];幫助代謝、造血與骨骼恢復的無機金屬成分,如鐵[28]等。有機成分則包括:增加材料韌性的纖維材料[18,27]與PA66[15,17,20]等。
這些成分中有很重要的一類即多聚化合物。PA66是國內較為常用的一種多聚化合物,Wei等[29]研究了nHA與聚酰胺在骨替代材料中的配比,認為聚酰胺可增加納米骨的承重能力。另有報道認為,加入聚乳酸可增強HA復合材料的吸收降解能力與組織相容性[30];加入聚乙烯丙烯酸可增強材料的力學性能[31];加入聚乙烯醇可使nHA形成膠凍狀[32]。
③治療骨髓炎并預防感染的成份多為抗生素,有常用的慶大霉素[7-10,33],治療厭氧菌感染的強力抗生素克林霉素[16]以及對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌效果優(yōu)秀的萬古霉素[9]和對普通金黃色葡萄球菌效果優(yōu)秀的環(huán)丙沙星[11,34]等。
3.1.3 納米人工骨的形制
納米人工骨可制成片狀、圓柱狀、塊狀、藥粒等形狀。田曉濱等[13]制成的納米骨漿呈無定形狀態(tài),具有可注射性。Stallmann等[33]制備了納米骨水泥,還在其中加入了nLF1-11和慶大霉素。Xu等[32]制成了nHA/PVA水凝膠,柔軟而具有可塑性,可用于非承受部位的骨缺損修復或作為修補缺損的輔助性材料。由于臨床病變多種多樣,只有可塑性強的替代材料才能適用多種情況。因此,可塑性也是納米人工骨的一個發(fā)展方向。有許多學者采用粉劑體外預制成一定的形狀后再植入實驗動物體內,也使材料具有一定的可塑性。Qiu等[35]制作了微球形的nHA(直徑30~50 nm),湯善華等[7-10]也制作出nHA微球,認為微球形的nHA更有利于藥物及其他添加成分的均勻分布與緩釋。
另外納米人工骨的孔徑大小與孔隙率也是影響正常骨組織長入與材料降解吸收的重要方面。多孔結構具有較高的比表面積,可提供較大的表面積和空間,不但能促進細胞的黏附生長,而且有利于細胞外基質的沉積以及營養(yǎng)和氧氣的進入及代謝產物的排出,也有利于血管和神經的長入[20]??讖脚c孔隙率尚無統(tǒng)一標準,有報道認為孔徑<100 μm不利于骨細胞長入,因此將孔隙大小保持在100~1 000 μm之間較為合適[36]??紫堵实拇笮№毟鶕?jù)材料的用途來決定,因為孔隙率增大有利于提高比表面積,便于細胞長入,但降低了材料的力學強度??紤]到吸收與強度之間的平衡,作為修復骨缺損的納米骨材料孔率設計在50%~80%之間,這同人體松質骨的孔隙率相當,具有良好的生物活性。鄭謙等[17]通過在納米材料表面嵌入NaCl的方法,造成了200~400 μm的孔徑。這種做法只能確保材料表面一層的降解并與自體骨接合,但是其內部的實心結構使得材料進一步降解非常困難。Mobini等[37]則先用HA、明膠、NaCl制成混合物,然后成型、加熱、去鹽制成多孔材料(100~200 μm),材料整體都呈疏松結構,性狀良好。Ignjatovic等[30]也采取了類似的方法。孟純陽等[17]采用了有機材料揮發(fā)法制出了均一的孔洞,但其采用的有機材料具有一定的細胞毒性,可能影響材料的植入效果。
3.2 納米骨材料性質的檢測
劉新暉等[38]測驗了納米相HA膠原復合材料的組織相容性;謝鑫薈等[39]研究了鈦合金表面涂納米HA的人骨髓基質干細胞相容性,都證明了納米骨復合材料與骨髓基質干細胞或成骨細胞有良好的相容性。Huang等[40]用熱相分離法制備了nHA復合材料支架,檢測了其與兔骨髓基質干細胞的相容性。鄭謙等[17]在制成nHA/PA66替代材料后檢測了其抗壓強度、彎曲強度、彈性模量等力學性質。對于使用載藥納米骨治療及預防骨髓炎,湯善華等[7-10]分別進行了加入抗生素的抑菌試驗與載藥納米粒的抑菌試驗,而陳鵬等[16]與李云飛等[12]只進行了成品藥粒的體外抑菌試驗,方法大體相同。
3.3 動物模型的制作
3.3.1 骨缺損模型的制作
孟純陽等[20]將新西蘭大耳白兔的橈骨在遠端2.5 cm處鋸斷橈骨。李志躍等[41]直接用銳剪剪斷橈骨,再向近側推進1.5 cm鋸斷,連同附著的骨膜一起去除該段1.5 cm的橈骨,植入納米材料或進行相關處理后,再逐層閉合創(chuàng)口,不做內外固定。肖建德等[6]截取青紫蘭兔2 cm的橈骨。袁治國等[42]采用家兔,從鷹嘴突下30~40 mm處截除了30 mm的尺骨中段骨干,并對骨端進行蠟封[25]。除橈骨骨缺損模型外,F(xiàn)ukui等[43]將日本白兔的下頜骨鉆出直徑2 mm深4 mm的小洞作為植入材料的模型。陳鵬等[16]與郝曉光等[22]在兔顱骨上打孔造成骨缺損模型,孔徑5~8 mm不等。
以上幾種模型制作方法各有利弊,以孟純陽等[20]制作的骨缺損模型最為實用。因為顱骨缺損模型雖然有手術操作簡單、缺損處不受力、活動頻率低宜于骨生長重構等優(yōu)點,但臨床上四肢處的骨缺損更為常見,四肢處的外傷、骨髓炎等都可以造成大面積的骨缺損。另外,雖然下肢受力較多、上肢活動頻繁等看似不利于骨的生長重構,但功能狀態(tài)下的四肢活動是骨恢復生長重新構型的重要條件,適度承重與活動可能有利于骨缺損的修復。
還有不少學者使用鼠作為實驗對象,Ignjatovic等[30]使用了Balb/c小鼠,將納米材料植入其腹膜中,雖與植入骨中有一定差距,但可大體了解材料植入體內的情況。Lewandrowski等[44]則使用了SD大鼠作為實驗對象,他們采用了在脛骨前內側干骺端造成直徑3 mm孔洞的方法制作了大鼠的骨移植模型。鼠作為實驗對象的優(yōu)點:①價格便宜;②操作便利;③飼養(yǎng)、搬運方便,易于管理。但也存在一些缺點:①鼠并非國際公認的制作骨缺損或骨髓炎的實驗動物,缺乏統(tǒng)一的量化指標;②鼠的體形較小,骨骼等器官結構亦很微小,需要非常精細的手術操作;③鼠的壽命較短,這與骨損傷所需的較長恢復期有一定矛盾;④鼠抵抗外來損傷刺激的能力較差,在實驗中或實驗后的恢復期中容易死亡。
劉新暉等[18]使用中國靑山羊為實驗對象,截取脛骨40 mm制成骨缺損模型。鄭謙等[17]使用雜種犬,造成下頜骨下緣箱狀缺損(15 mm×10 mm×5 mm)。Jensen等[26]使用了拉布拉多犬,在雙側膝關節(jié)的股骨內外側髁鉆取了直徑11 mm圓柱形孔洞以植入修復材料。使用這些動物進行實驗,優(yōu)點在于易觀察,生理結構和手術操作等擬人性較強,但沒有統(tǒng)一的標準,實驗過程較為復雜,而且這些動物皆價值不菲。
3.3.2 骨髓炎模型的制作
文獻報導較少,以前有過雞或兔的血源性骨髓炎模型的制作方法。近年來,由于血源性骨髓炎已罕有發(fā)病,故此模型現(xiàn)已棄用。創(chuàng)傷性骨髓炎發(fā)病率的增加,使許多學者開始設計制作動物的創(chuàng)傷性骨髓炎模型。李云飛等[12,45]采用脛骨干骺端注射5%魚肝油酸鈉和MRSA菌種的方法誘導,3周后形成慢性骨髓炎模型。陳鵬等[16]通過在植入載藥納米材料后,向材料表面滴加金黃色葡萄球菌懸濁液的方法,制作了兔的“預防感染”模型。湯善華等[8,10]未使用病原菌,僅通過在兔左股骨外髁開窗植入納米藥粒的方法,檢測了納米藥粒在體內的釋藥情況。Koort等[11]通過骨水泥填充,接種病原菌,填充材料移出,再植入載藥材料的方法模擬了臨床上骨髓炎治療并發(fā)骨缺損的情況。Stallmann等[33]與Kanellakopoulou等[34]都通過穿孔注入的方法誘發(fā)兔的骨髓炎,Kanellakopoulou等[34]還將穿刺針留置兔傷口內一段時間以模擬異物創(chuàng)傷感染的過程。在動物創(chuàng)傷性骨髓炎模型的制作方面,目前還沒有統(tǒng)一的標準,上述方法均存在一定的不足。
3.4 模型動物的使用、分組及檢測項目
3.4.1 模型動物的使用
制備動物模型后,根據(jù)不同要求,可以立即或喂養(yǎng)一段時間使用,如大部分的骨缺損實驗都是在制備模型的同時植入納米骨,而李云飛等[12]為了制作“慢性骨髓炎”模型,在骨中接種細菌后又喂養(yǎng)3周才進行了載藥納米骨的植入實驗。預植入的納米復合材料經預先消毒,并保持新鮮活性狀態(tài)。固態(tài)材料可以切割或壓制缺損形狀后再植入患處;納米藥粒則可采用填塞法植入;可塑性骨漿、骨水泥等可通過注射器注入缺損處。植入后皆無需內外固定。
3.4.2 動物模型的分組
由于樣本增大可以減小抽樣誤差,但考慮到人力物力等因素,實驗個數(shù)又不能過多。幾組研究所用兔子多在20~50只左右,若采用羊或狗作為實驗對象則數(shù)目可以稍減。另外若以肢體骨缺損造模時,由于動物雙側肢體的對稱性則可將實驗動物分為幾只或幾肢。這樣就可以很好地提高效率、節(jié)省資金。如孟純陽等[20]、郝曉光等[22]都采用了一側實驗對側對照的方法。
具體的分組可分實驗組、處理組、對照組、空白組幾種。實驗組一般應用研究中最完備的復合納米材料;處理組是比實驗組中的材料少去1~2種處理因素,以研究處理因素的獨立作用;對照組多采用空白的納米材料或自異體骨填充治療以模擬傳統(tǒng)的治療方法;空白組多造出動物模型后則不再進行任何處理或干脆購入動物后單純喂養(yǎng)不加任何處理。田曉濱等[13]、湯善華等[8,10]都采用了以上完備的4組方案。
3.4.3 動物模型的檢測項目
由于載藥納米材料具有局部緩釋、局部抑菌作用,故湯善華等[8,10]與陳鵬等[16]測量了模型實驗部位骨粉碎后的藥物濃度以及該處的細菌培養(yǎng)試驗。包括:大體觀察、X線片、組織學觀察、電鏡觀察以及愈后骨的三點力學試驗。隨著實驗技術的發(fā)展,X線片已發(fā)展到了計算機灰度分析[13];電鏡除了觀察骨與材料界面相容性外,還可以觀察成骨、破骨細胞在材料表面爬行的情況。肖建德等[6]與田曉濱等[13]還測量了血BMP表達與ACP的表達,這兩者在血中的高表達皆是骨骼生長、加速愈合的標志。此外,鄒海波等[24]通過兔ECT,觀察受損修補處的血流情況以判斷預后。肖德明等[25]改良了力學試驗,增加了軸向壓縮與扭轉破壞兩種測試。合理地分配觀察時間點,可以保證實驗結果的準確,大多數(shù)的研究者都通過預實驗來確定觀察時間點。
3.5 效果與效果分析
由于納米載藥材料本身具有良好的組織相容性與優(yōu)秀的藥物均緩能力,在各組研究團隊加入了促進骨生長長入與加快材料降解的因素后,便展示出了極為優(yōu)秀的治療效果,無論是骨髓炎抑或是骨缺損,大都在12周左右取得了明顯的效果。這比起以往骨髓炎的經久不愈與骨缺損長達一年的修復期都有了顯著的進步。孟純陽等[20]的實驗中,nHA/PA66復合材料植入效果已超過了牛的脫抗原異體骨移植,nHA/ PA66復合材料吸收快,同樣時間愈合強度高且無抗原性。而肖德明等[25]則用實驗證明了HA復合材料是僅次于自體骨移植的一種治療骨缺損的適宜方法,其治療效果可與自體骨移植相媲美,且不會損傷身體其它的組織器官。王科文等[46]更是用nHA膠原復合材料治療了10余例兒童骨缺損,并取得了較好的效果。這些研究結果無疑預示了納米材料廣闊、光明的發(fā)展前景。
生命體是復雜的,是按照遺傳信息自我復制、自我組裝的。事實上,活細胞本身就是一個天然的納米工廠,細胞中的很多機構單元都是執(zhí)行某種功能的納米機器[47]。骨組織由于機構和功能相對簡單是最有希望早期獲得臨床應用的領域之一?,F(xiàn)在制成的仿生納米骨已具有高度的擬真性,再加入促骨生長的因子與抗生素,并制成一定的適宜形狀,從而發(fā)揮最佳的成骨、抗菌能力,以期更好地治療骨缺損和骨髓炎。但骨納米材料研究中仍有一些問題需要解決,而且研究還大都處于實驗室及動物實驗階段,離真正地用于臨床還有一段距離。但是,目前的多項研究成就已為我們揭示了未來仿生納米骨應用的美好前景。
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R681.2
B
1673-0364(2010)01-0056-05
2009年11月30日;
2010年1月8日)
10.3969/j.issn.1673-0364.2010.01.017
225001江蘇省揚州市江蘇省蘇北人民醫(yī)院骨科。