韓倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 湯京龍 王春仁

骨組織工程材料的研究進展

韓倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 湯京龍 王春仁

嚴重創(chuàng)傷和骨腫瘤切除所導致的骨缺損，是無法自行愈合修復的，需要施加外源性骨誘導材料才可得以有效恢復。在醫(yī)療器械分類管理方面，外源性骨誘導材料歸三類醫(yī)療器械管理。在產(chǎn)業(yè)化方面，已有獲得注冊證的骨填充材料。本文對現(xiàn)有可用于骨組織工程的材料進行整理，包含人工合成無機材料、人工合成高分子材料和天然高分子材料，以及復合材料等。

骨缺損 修復 組織工程

各種原因導致的骨缺損給患者帶來了嚴重的心理和生理創(chuàng)傷，而骨缺損的治療一直是臨床的難題。傳統(tǒng)的骨缺損治療包括自體骨移植和異體骨移植，均有明顯的局限性。自體骨取材受限，并且會產(chǎn)生二次創(chuàng)傷；異體骨具有抗原性，可能出現(xiàn)免疫排斥反應而導致植入失敗。近年來，發(fā)展迅速的組織工程學為骨缺損的修復提供了新的途徑。組織工程作為一門新興的交叉學科，其定義為：應用工程學和生命科學的原理和方法，認識哺乳動物正常和病理組織中的結構-功能關系，并開發(fā)生物替代品，用以恢復、維持或改善組織的功能和形態(tài)[1]。骨組織工程的基本原理是將成骨細胞作為種子細胞，種植到可降解并且具有良好生物相容性的支架材料上，然后將復合物移植進體內(nèi)或者繼續(xù)體外培養(yǎng)，成骨細胞經(jīng)過增殖、分化等過程，形成成熟骨組織；同時，支架材料被逐漸降解，從而達到治療骨缺損的目的。組織工程的核心在于種子細胞、支架材料、生長因子三大因素。在骨組織工程中，支架材料不但為種子細胞提供適宜的微環(huán)境，影響種子細胞的功能和生物學特性，還決定了移植后人工骨是否能與受體穩(wěn)定地結合，從而達到治療骨缺損的目的。因此，理想的支架材料是骨組織工程研究中的熱點問題。本文將對幾種常用的骨組織工程支架材料進行綜述。

1 人工合成無機材料

1.1 羥基磷灰石（HAP）

羥基磷灰石是人體骨骼中主要的無機成分，是目前應用較為廣泛的無機材料。其優(yōu)點是有良好的生物相容性、化學穩(wěn)定性和骨傳導性，可與人體自然骨形成牢固的化學鍵合[2]。但力學性能較差，材料的抗彎強度低，脆性大，在生理環(huán)境中抗疲勞與破壞強度不高，為典型的脆性材料，使其應用受到一定限制[3]。 孟純陽等[4]將納米羥基磷灰石與聚酰胺66復合成人工骨，成功修復兔橈骨損傷。術后16周，支架材料網(wǎng)孔里已長滿成熟的骨小梁，網(wǎng)孔間新生骨小梁相互連接。實驗中，復合材料顯示了良好的生物相容性、力學特征，以及骨傳導性。張斌等[5]利用納米羥基磷灰石/聚酰胺66復合骨填充材料，修復114例良性骨腫瘤術后骨缺損。術后3個月，植骨愈合率65%；6個月后愈合率達到96.2%，證明了納米羥基磷灰石/聚酰胺66復合材料具有良好的骨傳導性。

1.2 β-磷酸三鈣

β-磷酸三鈣與羥基磷灰石一樣屬于鈣磷陶瓷材料，僅僅因為鈣/磷比不同而被區(qū)分。β-磷酸三鈣有非常高的生物相容性，植入后與受體骨直接融合，無全身炎癥反應，但其體內(nèi)降解速度過快[6]。

孫偉等[7]將兔骨髓間充質干細胞與β-磷酸三鈣復合培養(yǎng)，用于兔股骨頭壞死模型，成功修復骨缺損。復合材料組術后6周新生骨從宿主骨長出，12周可見成熟骨組織的連續(xù)平行纖維結構網(wǎng)絡及較多成骨細胞。表明磷酸三鈣是良好的骨組織工程支架材料，可用于股骨頭的修復。

1.3 生物活性玻璃（BG）

生物活性玻璃具有良好的生物相容性及骨傳導性，生物活性高。此外，還具有良好的機械性能，抗壓強度高，能為骨組織重建提供足夠的強度，可用于承重部位的骨缺損修復[8]。張建新等[9]證明骨髓基質細胞復合生物活性玻璃構建的人工骨，可以很好地修復兔橈骨的損傷。在臨床上，BG也有一定的應用。殷浩等[10]應用BG成功治療了四肢骨不連和骨缺損患者83例，表明BG可在一定程度上替代自體骨移植。

1.4 磷酸鈣骨水泥（CPC）

磷酸鈣骨水泥是一類以各種磷酸鈣鹽為主要成分的無機材料。CPC與人類骨骼成分類似，生物相容性良好，骨傳導能力強，無細胞毒性，而且具有隨意塑形的特點。因此，CPC受到了廣泛重視，臨床應用也取得了令人滿意的效果。目前，CPC主要應用于骨缺損修復、骨折治療、口腔以及藥物載體等領域。由于CPC解決了鈣磷陶瓷材料難以降解、不能任意塑形的難題，所以CPC在修復骨缺損和骨填充方面應用頗多。1991年美國食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準在臨床修復顱骨損傷中使用CPC[11]。此外，CPC還可作為藥物的緩釋載體，植入體內(nèi)后可持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢地釋放載體中的藥物或生物因子，在促進骨損傷修復的同時還可以進行藥物治療。肖琦科等[12]將CPC作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的載體，用以修復兔股骨踝骨缺損。結果表明，CPC能夠作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的良好載體材料，而且可以較好地修復兔股骨踝骨的缺損。

此外，其他的無機材料，如二氧化鈦、碳納米管等材料，也被用于不同領域的骨組織工程材料研究中。

2 人工合成高分子材料

目前，應用最廣泛的人工合成高分子材料，主要有聚乳酸 （PLA）、聚羥基乙酸 （PGA）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）等。這幾種材料的共同優(yōu)點是有良好的降解吸收性和生物相容性，在體內(nèi)逐步降解成乳酸和羥基乙酸等小分子物質，通過體內(nèi)代謝排出。張雁儒等[13]將骨髓間充質干細胞種植到雙層PLGA材料上，用于修復兔膝關節(jié)軟骨缺損，結果顯示骨缺損修復效果良好，表明PLGA可以作為軟骨缺損修復的載體。盡管PLA、PGA和PLGA有良好的降解吸收性和生物相容性，但代謝產(chǎn)物均為酸性，對于體內(nèi)微環(huán)境有一定干擾，對其進行改性處理，有助于解決體內(nèi)降解過程中微環(huán)境過酸的問題。

3 天然高分子材料

目前，用于骨組織工程支架材料的天然高分子材料主要包括膠原、海藻酸鹽和殼聚糖等。這些高分子材料有良好的生物相容性、可降解性、無毒，而且細胞親和性好，有利于種子細胞的黏附、生長和擴增。但是這類材料的缺點是強度較差，力學性能不佳，而材料來自于生物體，可能會傳播疾病，且由于材料來源不同，故質量的重復性較差。

3.1 膠原

膠原是一種天然蛋白質，是構成細胞外基質的骨架，廣泛存在于骨、皮膚和血管等組織中。膠原為組織細胞提供支持作用，并與細胞的增殖分化有密切關系。膠原材料的優(yōu)點是生物相容性好、免疫原性低、來源廣、可降解吸收；缺點是力學性能較差，價格昂貴。所以，現(xiàn)階段研究中為多與其他材料復合，以克服其不足。

崔運利等[14]將Ⅱ型膠原蛋白、透明質酸、硫酸軟骨素和聚乙烯酸制作成復合材料，發(fā)現(xiàn)種子細胞在材料上分布均勻，支架的孔隙均勻，表明該復合材料可為種子細胞生長提供適宜環(huán)境，有良好的生物相容性。另外，Zou等[15]發(fā)現(xiàn)β-磷酸三鈣/膠原復合物的降解速率可控，降解產(chǎn)物無毒性并可代謝排出，可能是比較理想的骨組織工程復合材料。

3.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是從天然海藻中分離獲得的一類多糖，可在一定條件下形成具有網(wǎng)狀結構的水凝膠，為細胞的增殖分化提供適宜環(huán)境。其來源豐富，具有良好的親水性和易成形性；但力學強度較低，在生物體內(nèi)難以降解，并且有一定的抗原性。羊書勇等[16]將骨髓基質干細胞接種于海藻酸鹽，用于修復兔顱骨損傷。海藻酸鹽復合物植入8周后，大部分骨缺損得以修復，表明海藻酸鹽復合骨髓基質干細胞能提高骨缺損的修復效果。

3.3 殼聚糖（CTS）

殼聚糖是一種多糖，是自然界廣泛存在的甲殼素經(jīng)脫乙?；蟮玫降漠a(chǎn)物。在體內(nèi)酶的作用下，殼聚糖水解為無毒性的氨基葡萄糖。殼聚糖不僅有良好的生物相容性、可降解性、無毒性等優(yōu)越性能，還有一定的抗炎和抗凝作用，可以促進細胞增殖和組織修復，有利于傷口的愈合。殼聚糖與其他材料的復合物在骨組織工程中已有廣泛的應用，但是力學性能較差的缺點影響了殼聚糖在承重部位的應用。呂洪磊等[17]制成殼聚糖/羥基磷灰石/聚乳酸復合支架，接種293T細胞。發(fā)現(xiàn)復合支架材料有較高的孔隙率、力學性能良好、親水性良好，種子細胞生長情況正常。

4 復合材料

由于每種材料都有其明顯的缺點，所以常將幾種生物材料通過一定的技術手段按一定比例組合，制成復合材料用以滿足骨組織工程支架材料的要求。目前，應用較多的復合材料有不同類型材料的復合材料、添加活性因子的復合材料和納米復合材料等。

4.1 不同類型材料的復合材料

單一材料都有明顯的不足，例如膠原材料的機械強度較差、羥基磷灰石材料的脆性較大等。多種材料的復合，可保留各自的優(yōu)點，克服各自的缺點，使復合材料具有良好的生物相容性、可降解性、高機械強度、易加工等優(yōu)點，可以更好地應用于骨組織工程中。劉星綱等[18]應用多孔β-磷酸三鈣/膠原復合材料修復兔下頜牙槽骨損傷，12周時骨缺損完全修復。表明多孔β-磷酸三鈣/膠原復合材料可以有效、快速地修復兔下頜壓槽骨損傷。另外，劉洪亞等[19]應用殼聚糖/羥基磷灰石復合材料成功修復兔關節(jié)軟骨損傷，表明殼聚糖/羥基磷灰石復合材料可以促進關節(jié)軟骨損傷的修復。

4.2 添加活性因子的復合材料

活性因子在骨修復過程中有重要作用，但是內(nèi)源性活性因子不能滿足需求，而外源性活性因子加入后會被很快降解。因此，將活性因子與支架材料復合，利用支架材料的緩釋作用和降解性，使活性因子在較長時間段內(nèi)保持有效濃度，以促進骨修復。崔玉明等[20]制成PLGA/BMP復合材料和膠原海綿/BMP復合材料，均可用于修復關節(jié)軟骨損傷。

4.3 納米復合材料

納米技術是近年來備受關注的高新技術，納米材料能賦予材料以新的性能。在骨組織工程中，將支架材料與納米技術復合，已成為研究熱點。沈鐵城等[21]將納米晶膠原骨材料用于修復骨缺損，發(fā)現(xiàn)納米晶膠原骨材料有良好的生物相容性、骨傳導作用，可用于臨床上四肢粉碎性骨折造成的骨缺損。崔福齋教授團隊在此基礎上發(fā)明的“瑞福”納米晶膠原基骨修復材料，2005年獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局發(fā)布的三類植入產(chǎn)品注冊證，成為了國內(nèi)第一個可以公開銷售的醫(yī)用納米產(chǎn)品，在骨組織工程領域有重要的意義。

5 結束語

骨組織工程材料是離產(chǎn)業(yè)化較近的一種醫(yī)療器械產(chǎn)品。在骨愈合過程中，一些多孔的無機材料具有非常好的血管化效果和骨誘導效果。所以，對于骨組織工程而言，加強支架材料本身的結構和成分研究至關重要。優(yōu)越的材料結構意味著細胞能良好地生長，并獲得充分的血管化；良好的材料成分構成，則意味著材料將具有更好的降解特性和生物相容性。

[1] 毛天球.骨組織工程的研究[J].中華口腔醫(yī)學雜志,2001,36(2):158-160.

[2] Zhang C,Wang J,Feng H,et al.Replacement of segmental bone defects using porous bioceramic cylinders:A biomechanical and X-ray diffraction study[J].J Biomed Mater Res,2001,54(3):407-411.

[3] 唐文勝,蔣電明.羥基磷灰石及其復合材料在骨修復中的作用及研究進展[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2003,5(4):370-373.

[4] 孟純陽,安洪,蔣電明,等.網(wǎng)孔納米羥基磷灰石/聚酰胺人工骨修復兔橈骨缺損[J].中華創(chuàng)傷雜志,2005,21(3):187-191.

[5] 張斌,段宏,楊紅勝,等.納米羥基磷灰石/聚酰胺66修復肢體良性骨缺損的療效觀察[J].中國骨腫瘤骨病,2011,10(6):568-572.

[6] Ito M,Yamagishi T,Yagasaki H,et al.In vitro properties of a chitosan-bonded bone-filling paste:studies on solubility of calcium phosphate compounds[J].J Biomed Mater Res,1996,32(1):95-98.

[7] 孫偉,李子榮,王佰亮,等.磷酸三鈣多孔生物陶瓷復合自體骨髓間充質干細胞修復股骨頭壞死模型的超微結構觀察[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13(3):457-460.

[8] Leatherman BD,Dornhoffer JL.Bioactive glass ceramic particles as an alternative for mastoid obliteration:results in an animal model[J].Otol Neurotol,2002,23(5):657-660.

[9] 張建新,徐展望,常峰.組織工程化人工骨修復骨缺損的實驗研究[J].中國矯形外科雜志,2009,17(16):1258-1261.

[10] 殷浩,孫俊英,李喜功,等.生物活性玻璃在四肢骨不連及骨缺損中的應用[J].蘇州大學學報:醫(yī)學版,2007,27(4):629-630.

[11] Ladd AL,Pliam NB.Use of bone-graft substitutes in distal radius fractures[J].J Am Acad Orthop Surg,1999,7(5):279-290.

[12] 肖琦科,魏玉珊,趙軼男,等.多孔磷酸鈣骨水泥與轉染骨形態(tài)發(fā)生蛋白2基因的骨髓間充質干細胞復合修復股骨髁骨缺損[J].中國組織工程研究,2016,20(43):6403-6408.

[13] 張雁儒,張輝,卡卡,等.骨形態(tài)發(fā)生蛋白質-4轉染骨髓間充質干細胞復合雙層聚乳酸羥基乙酸共聚物支架修復兔膝關節(jié)軟骨缺損[J].解剖學雜志,2016,39(6):667-672.

[14] 崔運利,王富友,譚洪波,等.利用膠原和聚乙烯醇構建組織工程軟骨支架[J].第三軍醫(yī)大學學報,2010,32(17):1820-1823.

[15] Zou C,Weng W,Deng X,et al.Preparation and characterization of porous beta-tricalcium phosphate/collagen composites with an integrated structure[J].Biomaterials,2005,26(26):5276-5284.

[16] 羊書勇,雷德林,楊維東,等.骨髓基質干細胞接種于藻酸鹽修復兔顱骨缺損[J].中國臨床康復,2002,6(12):1746-1746,1759.

[17] 呂洪磊,張彩云,顧玉芳,等.羥基磷灰石/殼聚糖/聚乳酸骨組織工程支架材料生物相容性研究[J].安徽醫(yī)科大學學報,2013,48(5):561-564.

[18] 劉星綱,鄧旭亮,鄒超,等.多孔β-磷酸三鈣/膠原支架修復兔下頜牙槽骨缺損的實驗研究[J].北京口腔醫(yī)學,2014,22(1):1-4.

[19] 劉洪亞.殼聚糖/羥基磷灰石骨復合支架修復關節(jié)軟骨損傷[J].中國組織工程研究,2017,21(2):244-248.

[20] 崔玉明,伍驥,胡蘊玉,等.PLGA和膠原海綿復合BMP修復兔關節(jié)軟骨缺損的對比研究[J].中國修復重建外科雜志,2008,22(2):148-152.

[21] 沈鐵城,夏青,黃永輝,等.納米晶膠原基骨材料在骨科疾病中的應用[J].中國組織工程研究與臨床康復,2007,11(1):48-51.

Research Progress of Material for Bone Tissue Engineering

HAN Qianqian,XUE Bin,WANG Han,SHI Jianfeng,WANG Ying,TANG Jinglong,WANG Chunren．Medical Device Control,National Institute of Food and Drug Control,CFDA,Beijing 102629,China.Corresponding author:WANG Chunren (E-mail:chunrenwang@263.net);TANG Jinglong (E-mail:tang-jinglong@163.com).

【Summary】Clinically,the bone defects may be caused by acutely trauma and bone tumor resection.In this situation,the self-repairing capability could not be enough for bone regeneration.The materials for bone regeneration are used for filling bone defects and induce bone repair.In the medical device registration regulation,these materials are belong to the classⅢmedical device.There are several products which had registration license of CFDA.In this paper,the materials used for the production of bone inducing products were summarized,including artificial inorganic materials,artificial polymer materials,natural polymer materials and composite materials.

Bone defect; Repair; Tissue engineering

Q813.1+2

B

1673－0364（2017）06－0343－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.06.012

102629 北京市 中國食品藥品檢定研究院。

王春仁（E-mail：chunrenwang@263.net）；湯京龍（E-mail：tang-jinglong@163.com）。

注：韓倩倩、薛彬為共同第一作者。

2017年10月23日；

2017年11月18日）