周育巧，郭闐廷，許 強(qiáng)，劉 通，姬廣林

（1.贛南醫(yī)學(xué)院2018級(jí)碩士研究生；2.贛南醫(yī)學(xué)院2019級(jí)碩士研究生；3.贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科，江西 贛州 341000）

骨骼在生命活動(dòng)中起著重要的作用，主要承擔(dān)身體結(jié)構(gòu)框架和運(yùn)動(dòng)功能，骨骼功能會(huì)因疾病而受影響，尤其是現(xiàn)如今人口老齡化的骨質(zhì)疏松、機(jī)械外傷所致的骨缺損以及術(shù)中骨量的丟失的問(wèn)題增多，超過(guò)了骨的自我修復(fù)能力。自此骨丟失已成為世界衛(wèi)生保健主要問(wèn)題之一，無(wú)論是急性的（例如骨折）還是慢性的（即骨質(zhì)疏松癥、腫瘤和感染），都需要進(jìn)行治療［1］。

其中取自體骨移植植骨，是迄今最好的內(nèi)固定骨來(lái)源。但會(huì)增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、術(shù)后痛苦、及其他如感染等并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)用較為限制。同種異體骨來(lái)源雖然廣泛，但存在免疫排斥、潛在傳染病、術(shù)區(qū)滲液等風(fēng)險(xiǎn)。為此，醫(yī)學(xué)界掀起了一股可替代骨材料的研究熱潮。其研究重點(diǎn)是在生物活性材料維持骨的完整性及功能性，同時(shí)誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)。早期植入物可為病灶起力學(xué)支撐，中期為新長(zhǎng)入的骨組織提供“腳手架”作用，加速組織修復(fù)，后期使至成為自身骨參與機(jī)體活動(dòng)［2］。

羥基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）2，HA］是一種無(wú)機(jī)仿生材料，廣泛存在于哺乳動(dòng)物骨骼（牛、羊、馬）、水生動(dòng)物（魚(yú)骨、魚(yú)鱗）、貝殼（蛋殼、蛤、貝殼）、甚至在植物及藻類也含有，通過(guò)干法（灼燒法和仿生合成法）和濕法（化學(xué)沉淀，水解，水熱等）提純，其具有良好的可塑性、無(wú)毒性、誘導(dǎo)成骨及生物降解性特點(diǎn)，迅速成為研究骨再生材料的熱點(diǎn)［3］。但因HA促成骨效率低、脆性大，并不能很好的適配臨床醫(yī)用，需要混合調(diào)整才能滿足臨床需求。

1 羥基磷灰石促進(jìn)骨生長(zhǎng)條件

1.1 孔隙率孔隙率的重要性不言而喻，研究普遍認(rèn)為，雖然成骨細(xì)胞可以通過(guò)直徑約為20μm 的孔，但只有空隙大于50μm能構(gòu)建骨單位，過(guò)小的孔忽視了體液流動(dòng)和血管長(zhǎng)入的條件，無(wú)法為成骨細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)支持，以至于出現(xiàn)植入物無(wú)活力的“中空”地帶［4-5］。MATSUO［6］通過(guò)不同孔隙羥基磷灰石培養(yǎng)成骨細(xì)胞觀察，得出直徑大于150μm的孔隙可以為骨組織的生長(zhǎng)提供理想的空間，并能誘導(dǎo)骨骼基質(zhì)的爬行長(zhǎng)入，但過(guò)大的孔隙率，將降低骨板的密度，增加骨板的脆性，致使強(qiáng)度不足，無(wú)法起到初期支撐作用?，F(xiàn)研究認(rèn)為孔徑大約為250μm，不僅具有良好的生長(zhǎng)效果，而且可以維持骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［7］。

1.2 納米級(jí)羥基磷灰石OKADA［8］通過(guò)普通煅燒的HA，發(fā)現(xiàn)其表面積與體積之比小，密度分布不均，空間結(jié)構(gòu)紊亂，植入機(jī)體內(nèi)，幾乎不吸收，成骨效果甚微。值得一提的是，人自然骨的羥基磷灰石為納米級(jí)（nHA），常規(guī)尺寸的HA 與nHA 材料相比，nHA 擁有更高的生物活性和機(jī)械效能［9］。宋華［10］團(tuán)隊(duì)通過(guò)高壓水熱處理法制備的nHA，在大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中，表現(xiàn)出nHA 溶解與新骨生長(zhǎng)的時(shí)間匹配，對(duì)植入?yún)^(qū)框架穩(wěn)定有重要意義。并且在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow stomal cells，BMSCs）分化成骨實(shí)驗(yàn)研究中，提示nHA 有很強(qiáng)的誘導(dǎo)分化和增殖細(xì)胞能力，更有利于小血管和微血管的生長(zhǎng)，促使骨骼肌的爬行，超過(guò)傳統(tǒng)的羥基磷灰石支架材料。

1.3 植入物體表面情況羥基磷灰石也是一種可塑性較強(qiáng)的材料，可以通過(guò)不同的制造工藝加以改變。與光滑的表面相比，粗糙表面的羥基磷灰石擁有更大接觸面［11］。另一方面ANDERUD 等［12］發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)成骨的因素不僅與空隙大小有關(guān)，還包括空隙表面形狀，高粗糙表面有利于吸附蛋白。同時(shí)他提出材料親疏水性變化與表面粗糙度密切相關(guān)，一般而言除靜電作用外，材料的親疏水性也對(duì)其蛋白吸附能力有較大影響，疏水表面更有利于蛋白吸附。ALBERTINI［13］研究也證實(shí)了，表面高粗糙度相對(duì)于低表面粗糙度的nHA，更能促使蛋白質(zhì)粘附到表面。雖然阻礙了細(xì)胞與生物材料的直接接觸，實(shí)際上其表面與血液接觸后，吸附的纖連蛋白更有助于促進(jìn)骨重塑。劉丹［14］在設(shè)計(jì)了不同粗糙度的nHA材料對(duì)成骨進(jìn)程的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石表面粗糙度變化不影響間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)形態(tài)，其中納米尺度的低表面粗糙度具有良好促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖能力，其最佳的表面粗糙度仍在探索。

1.4 促進(jìn)骨生長(zhǎng)相關(guān)活性因子作用nHA 具有骨誘導(dǎo)能力，很大的原因在于其自身是骨組成的部分之一，通過(guò)體內(nèi)溶解羥基磷灰石，使局部增加Ca2+濃度，為骨的生長(zhǎng)留出空間的同時(shí)局部Ca2+濃度的增加，能激活成骨細(xì)胞的增殖，又能促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的分化［15］。BAYER［16］指出對(duì)于缺損部位大、血供差或周圍組織破損多的體內(nèi)中，高純的nHA 要完成成骨及修復(fù)缺損還是有所欠缺。伴隨水凝膠具有使生物分子吸附與釋放功能被揭開(kāi)，人們加速?gòu)?fù)合水凝膠的羥基磷灰石材料研發(fā)，為促進(jìn)植入物在骨生長(zhǎng)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)［17］。眾所周知，維生素K（VitK）是一種脂溶性化合物，在凝血系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，它也被認(rèn)為通過(guò)調(diào)節(jié)骨基質(zhì)蛋白的啟動(dòng)而在骨代謝中起著至關(guān)重要的作用，另外VitK 可以延緩骨丟失，提高骨強(qiáng)度［18］。戴志鵬［19］將以納米復(fù)合（nHA 和VitK）材料與nHA 為對(duì)照組在成骨細(xì)胞培養(yǎng)中進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證VitK 具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和粘附。另外摻雜微量元素的HA 也可以提高骨誘導(dǎo)能力，這些摻雜劑的添加量一般很小，并且需要符合生物必要元素條件，如鍶、鎂、硅和鋅［20］，其中鋅被認(rèn)為是重要的促骨細(xì)胞元素，可以抑制破骨細(xì)胞對(duì)骨吸收，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞發(fā)生分化和礦化［21］。復(fù)合型nHA 中也有添加生物活性材料，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子，可以增加骨折端血流量，促進(jìn)骨斷端軟組織、軟骨細(xì)胞以及骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，有利于骨的礦化，增加骨密度［22］；骨誘導(dǎo)形態(tài)蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）作為一種存在于骨基質(zhì)中的酸性多肽類物質(zhì)，可以誘導(dǎo)BMSCs 及未分化的間充質(zhì)細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，從而改變體內(nèi)生理成骨進(jìn)程［23］。

2 羥基磷灰石在骨外科的運(yùn)用

伴隨HA 的表面電荷、疏水性及水凝膠特性被揭開(kāi)，HA 不僅可以將所需的物質(zhì)與羥基磷灰石表面結(jié)合，而且nHA 可作為載體，直接將病灶所需的藥物包裹或混合于nHA 顆粒中，其釋放藥物機(jī)制不是藥物的自身脫附，而是羥基磷灰石體內(nèi)溶解［24］。為此，人們利用這一特性，從而達(dá)到治愈疾病所需的條件。

2.1 抗感染對(duì)于骨科手術(shù)而言，手術(shù)災(zāi)難性后果就是植入物感染，往往是當(dāng)細(xì)菌附著在植入物表面時(shí)，容易誘導(dǎo)生物膜的產(chǎn)生，生物膜是一個(gè)可持續(xù)釋放的感染源，另外非生物型材料往往沒(méi)有良好的血運(yùn)，全身運(yùn)用抗生素難以抵達(dá)病灶，致使多數(shù)抗生素在病灶的濃度低于正常殺菌濃度，長(zhǎng)期的慢性刺激，使得在生物膜內(nèi)的微生物對(duì)抗生素的抗藥性比自然界中游離的同類微生物高出一千倍［25］。

而加配抗生素的nHA 可以達(dá)到良好的抗感染效果。從載有環(huán)丙沙星到摻有銀等微量元素的羥基磷灰石均可以獲得長(zhǎng)期持久地局部高濃度抗菌效果［26］。另外，糖尿病足和慢性化膿性骨髓炎的患者也能使用含有羥基磷灰石重構(gòu)骨架，獲取良好的預(yù)后。

2.2 腫瘤原發(fā)性惡性骨腫瘤及其他轉(zhuǎn)移瘤患者而言，最佳的治療方案往往是手術(shù)病灶切除，視情況配合化療或放療，然而因藥物嚴(yán)重的毒副作用，可致肝、腎等重要臟器損害，負(fù)載抗腫瘤藥物的人工骨可以解決上述問(wèn)題的同時(shí)，加大局部化療濃度，使其更利于殺滅腫瘤細(xì)胞，并且在維持肢體功能的同時(shí)不會(huì)像金屬內(nèi)植物一樣，對(duì)后期放療產(chǎn)生射線“遮擋”效果［27］。趙慧等發(fā)現(xiàn)HA 可通過(guò)負(fù)反饋系統(tǒng)直接調(diào)控細(xì)胞凋亡及激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B 通道，提示羥基磷灰石本身也具有一定的抗腫瘤效應(yīng)［28］。

另外，AOKI 等將HA 納米顆粒作為一種載體吸附多柔比星（ADM）、絲裂霉素C、氟尿嘧啶等抗腫瘤藥物，在體內(nèi)、外抗腫瘤實(shí)驗(yàn)中提示能達(dá)到增強(qiáng)對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的抑制作用［29］。

2.3 負(fù)重支撐作用眾所周知，早期骨組織工程中使用鋼板加螺釘?shù)慕饘俳M合，其近期內(nèi)固定效果明顯，獲得普遍推廣，但隨著后期臨床數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)期內(nèi)植物在體內(nèi)，將不可避免觸發(fā)免疫炎癥反應(yīng)，加速局部骨質(zhì)疏松及應(yīng)力不勻，有可能發(fā)生再骨折的風(fēng)險(xiǎn)［30］。納米級(jí)羥基磷灰石材料的空間結(jié)構(gòu)非常接近天然骨基質(zhì)，然而缺乏膠原蛋白的支撐，將存在抗彎強(qiáng)度低、脆性大、骨誘導(dǎo)活性差、力學(xué)性能不穩(wěn)等缺陷，而且為了保障正常成骨需求，材料還將增加其孔隙，從而進(jìn)一步增大其脆性［31］。事實(shí)上，正常人體內(nèi)的羥基磷灰石其抗壓強(qiáng)度也低，作為補(bǔ)償，除礦物成分外，骨中還有I 型膠原參與，以維持結(jié)構(gòu)上的韌性及穩(wěn)定性。另一方面對(duì)膠原的研究發(fā)現(xiàn)，膠原通過(guò)激活BMSCs 細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，達(dá)到促骨細(xì)胞生殖能力。從仿生學(xué)角度出發(fā)，nHA與膠原復(fù)合能很好的模擬自然骨的狀態(tài)，促進(jìn)成骨干細(xì)胞的分化和細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生［32］。殼聚糖（chitosan，CS）是通過(guò)有殼動(dòng)物（蝦、蟹、貝殼等）分離所提純幾丁質(zhì)，然后脫乙酰后所制成。其來(lái)源廣泛、具有組織相容性、可降解性及牢固的穩(wěn)定性，打開(kāi)了廣闊的仿生材料前景。更有吸引力的點(diǎn)來(lái)至于其具有抗微生物、抗氧化劑和抗腫瘤活性特征［33］。聚酰胺66（polyamide66，PA66）以其優(yōu)異的力學(xué)性能現(xiàn)已成為我國(guó)骨組織工程常用的混合材料之一，研究人員將PA66 涂成于羥基磷灰石表面，具有涂成的羥基磷灰石可達(dá)到（13.7±0.2）MPa，可以滿足大部分外科對(duì)植入物硬度的要求，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)混合條件來(lái)控制涂層微觀結(jié)構(gòu)、厚度和結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而適配高延展性與生物活性。顯然復(fù)合涂層比未涂層的PA66 基質(zhì)具有更好的細(xì)胞相容性，可以作為細(xì)胞附著、擴(kuò)散和增殖的良好模板［34］。

2.4 骨質(zhì)疏松骨質(zhì)疏松癥是一種骨骼衰弱的疾病，特征為骨微觀結(jié)構(gòu)改變致骨脆性增加。尤其是好發(fā)于絕經(jīng)后婦女。骨質(zhì)疏松患病較為隱匿，直到第一次骨折發(fā)生，骨質(zhì)疏松癥才表現(xiàn)出特定的臨床表現(xiàn)?，F(xiàn)如今最常用的治療方案為補(bǔ)充維生素D3、鈣劑、雙膦酸鹽及生物靶向藥物（雷洛昔芬、地諾單抗）［35］。骨質(zhì)疏松癥作為全身多發(fā)性疾病，單靠羥基磷灰石去填充全身骨組織是很難實(shí)現(xiàn)的，眾所周知nHA 顆粒的凝膠特性，可以讓抗骨質(zhì)疏松藥物與其具有高親和力［36］。為此KETTENBERGER［37］將雙膦酸鹽和足夠小的nHA 顆粒結(jié)合，在人體內(nèi)環(huán)境下被巨噬細(xì)胞分泌水解酶所分解，增加局部鈣離子溶度同時(shí)又釋放雙膦酸鹽，達(dá)到靶向抗骨質(zhì)疏松目的。

目前，越來(lái)越多的復(fù)合型nHA 被應(yīng)用于臨床，如羥基磷灰石-殼聚糖制作成納米顆粒包裹塞來(lái)昔布，可用于止痛，在羥基磷灰石-殼聚糖鍵的作用下，延緩了藥物釋放過(guò)程，24 小時(shí)后，只有不到15%的藥物通過(guò)“爆裂效應(yīng)”釋放。另外負(fù)載利福平的nHA治療結(jié)核性骨髓炎也有報(bào)道［38］。

羥基磷灰石發(fā)現(xiàn)迄今已有40余年，早期用于口腔科，作為牙齒修補(bǔ)材料，隨著技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使羥基磷灰石擁有支撐負(fù)重、抗感染、抗腫瘤等特性，在骨科領(lǐng)域得到迅速推廣；另一方面3D 打印技術(shù)的興起，可以獲得理想需求的個(gè)性化植入物，進(jìn)一步促使骨科、牙科、整形等發(fā)展，但其并發(fā)癥如肌肉或重力引發(fā)的成骨畸形生長(zhǎng)、內(nèi)植物過(guò)敏、骨折不愈合、異物反應(yīng)等并未擁有很好的解決方案［39］，以致于復(fù)合羥基磷灰石的肌肉運(yùn)動(dòng)屬性與人自身骨骼有一定差距［40］。盡管上述研究是重大挑戰(zhàn)，但值得肯定的是，這項(xiàng)研究領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)具有超越潛在風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)期效益。