潘浩波

(中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055)

生命科學的發(fā)展為材料學的探索提供了快速干道，圖 1 展示了功能組織/器官生物制造的臨床需求。我國從 20 世紀 70 年代起逐步開始了材料學科在生命科學的探索，雖然起步晚于歐美，但是 21 世紀后就進入了快車道。在 20 世紀，人們對材料學的認識仍然主要停留在以骨科臨床為基礎的骨修復材料，以鞏固、穩(wěn)定及支撐作用來實現骨組織骨折及骨缺損的修復。材料在體內不降解，也不通過與周圍組織產生化學作用來促進骨組織愈合。因此，傳統(tǒng)的生物材料發(fā)展被定義為化學惰性材料，如鈦合金、不銹鋼、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)[1]等。然而即使如此，人們仍沒有清晰地認識或了解材料與周圍組織及細胞間的關系，故材料界面與組織界面成為研究的熱點。

生物材料的發(fā)展基于材料學在生物組織的再生修復與功能評價，但材料如何通過其幾何形貌和多層級結構的變化與特征來影響及調控靶向細胞的活性與功能則是困擾材料學家的哥德巴赫猜想。細胞感知及感應外界環(huán)境的通路有很多，且其產生對應的變化也并不是單向的，因此人們對材料學產生了諸多困擾(見圖 2)：如何能有效調控細胞的功能和極化狀態(tài)來發(fā)揮其應有的功能？材料自身到底是什么角色？

干細胞是一類具有自我更新能力的細胞，能夠產生至少一種類型的、高度分化的子代細胞。其中，材料-干細胞是構建組織再生的生物基礎。干細胞是一類具有無限分化潛能的無定形細胞，在材料的干預、刺激及調控下可產生物理或化學作用而被激活或誘導成為特定功能的成體細胞，以發(fā)揮組織再生與功能重建的作用。因此，特定材料的結構、組成和形貌將會極大地影響細胞的形態(tài)、功能和狀態(tài)[2]。此外，材料所處的特定組織微環(huán)境決定了組織再生與重建的進程。例如，部分基礎病(高脂血癥、高血糖和骨質疏松等)可影響及干預材料調控干細胞的分化進程，甚至導致干細胞凋亡或失去功能。由此可見，在特定病理環(huán)境下的材料可以被看作是一種靶向藥物治療，能干預和調控特定環(huán)境下干細胞的極化方向[3]。

圖1 由衰老、疾病及事故帶來的組織缺損與病損與日俱增，自體及同種組織來源有限，生物材料在組織修復的使命任重道遠Fig. 1 Tissue defects and lesions caused by aging, diseases or accidents are increasing day by day. The source of autologous and homologous tissues is limited and biomaterials have a long way to go in the mission of tissue repair

圖2 細胞感知外界信號的通路很多(圖示為材料調控細胞再生及凋亡的機制)Fig. 2 There are various pathways through which cells perceive external signals (The schema of mechanism of the material regulating cell regeneration and apoptosis)

與此同時，生物材料的研究存在體內、外評價不一致的問題。材料結構及組成對細胞的作用可通過四甲基偶氮唑鹽微量酶反應比色法(MTT法)及相關基因表達的特征來判定材料對細胞的調控作用。因此，可以篩選特定化學組成及形貌結構的材料進一步展開動物實驗。然而，動物實驗的有效性與實際的人體試驗結果存在一定差異。這是因為動物本身與人體的結構及功能存在差異，基于模式動物的研究并不一定能完全反映材料對人體的特定功能調控作用。特別是動物很難模擬人體病理環(huán)境下的特定微環(huán)境。例如，大段骨缺損修復的關鍵點在于重建血供，但對糖尿病患者來說，其自身的高糖環(huán)境會破壞低氧誘導因子(Hypoxia Inducible Factor，HIF)，影響血管內皮生長因子(Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF)基因表達的上調，進而影響血管的形成[4]，從而直接影響并阻礙骨長入，進而導致骨不連。

因此，材料學在骨再生研究中的發(fā)展瓶頸在于：如何體外模擬基礎病微環(huán)境來調控、干預及激活衰老細胞和破壞常規(guī)細胞培養(yǎng)環(huán)境。衰老細胞自身的功能極化顯得尤為重要。首先，需要通過材料微環(huán)境去干預衰老細胞的活性，引導細胞歸巢，促進其增殖、抗凋亡。進而實現材料對細胞分化的調控作用。如果衰老細胞無法通過材料作用引導其正常功能的表達，則需要外源性干細胞在材料調控下實現正常功能表達和分化成體細胞的表達。但外源性細胞的免疫原性是材料學研究的新課題。有研究發(fā)現，硼硅酸鹽生物活性玻璃可以在材料植入的初期促進炎癥表達，而在 3天后降低了白介素 6 等相關炎癥因子表達的下調，并促進再生型因子表達的上調[5]?？梢?，材料干預干細胞的特定極化取向將是材料-干細胞學研究的新方向。

隨著再生醫(yī)學的迅猛發(fā)展，骨科材料的發(fā)展將會深入到個性化研究的階段。

第一，惰性材料表面改性及結構調控。針對量大而廣的骨折內植入物，傳統(tǒng)的鈦合金仍是材料第一大戶，但其骨整合性不能完全滿足臨床的實際需求。其表面改性技術和個性化曲率曲徑的設計將會是今后十年發(fā)展的重要內容。在材料表面形成特定的多層級微納結構，是促進界面骨整合的重要手段。特定蛋白及細胞的黏附取決于材料結構形貌的變化，通過這種方式可以改性目前關節(jié)修復材料、內植入螺釘等的設計。其次，與鈦合金類相比，鉭金屬具有較好的生物相容性，可以與骨形成有效的界面骨整合，是較為理想的骨修復材料。但鉭金屬成本較高，其長期的安全性及有效性仍需要進一步研究。再次，聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)作為一類可注射成型的高分子材料，可實現骨科臨床微創(chuàng)手術注入。近三十年來，PMMA 一直是椎體成型手術的首選材料，僅 2020 年我國椎體壓縮性骨折用量就達近 40 萬例，關節(jié)手術返修用 PMMA 量則更大。然而，PMMA 材料自身沒有生物活性，并不會誘導骨性界面長入。臨床發(fā)現，有的 PMMA 材料植入體內半年后材料發(fā)生位移、滑脫，甚至頂入臨近椎體而引發(fā)再疼痛，導致再骨折、再塌陷的風險大大增加。因此，若能在 PMMA 材料基礎上誘導及引導材料界面骨長入，起到類似“生物膠水”的作用，將材料與骨缺損部位牢牢固定就可以實現材料與周圍骨緊密結合。進而在骨質疏松較為嚴重的病患中，可考慮通過提高 PMMA 基材料的生物活性，如添加膠原[6]、生物玻璃[7]和生物陶瓷[8]，或添加多種功能離子(如鍶、鎂等)來增強其成骨能力。

對惰性材料在骨科臨床的使用，通過進一步材料表面改性和組成結構的變化賦予惰性材料良性成骨能力是未來的重要發(fā)展方向。

第二，可降解材料的局部功能調控機理?？山到獠牧显卺t(yī)療器械的發(fā)展中一直缺乏準確的定義。降解類材料在局部通過化學作用可對周圍組織產生化學作用，進而在一定程度上影響局部代謝。因此，從理論上講，可降解材料不屬于物理調節(jié)及調控局部組織功能的范疇，且存在其準確定義的科學性爭議。有不少學者認為可降解材料不屬于醫(yī)療器械的范疇，但又非類似藥物通過代謝途徑來實現全身性功能調控，而學術界在產品研發(fā)的過程中就存在廣泛的爭議。明確可降解材料在局部的功能調控機理及代謝途徑是研究這一類型材料在骨科臨床應用的前提。

例如，生物活性玻璃生物陶瓷和鎂基可降解金屬能在體內降解，并原位誘導骨組織再生，但降解會產生局部的堿性環(huán)境，導致離子的局部富集，達到高濃度表達。雖然模式動物層面的組織學分析發(fā)現：在材料植入初期可能引起某些特定組織水腫，這是植入初期引發(fā)的炎癥反應，但對療效長期的評價并無影響。全身血液分析發(fā)現：并無材料的特定組成成分濃度的顯著變化。因此，從本質上講，這一類型材料應該屬于醫(yī)療器械發(fā)展的新類型，而不屬于藥物的范疇。但這一類型材料的研究比惰性材料存在更長的動物學觀察周期，需要在其組織再生修復達到穩(wěn)定期，即材料降解達到平臺期時才能評價其最終的療效和骨修復狀態(tài)。

第三，骨腫瘤局部靶向釋控材料。骨腫瘤手術后往往伴隨腫瘤的高復發(fā)率，這主要是由于殘留的腫瘤組織很難通過肉眼識別，而豐富的髓腔血供為腫瘤的復發(fā)提供了溫床，同時血供又是骨長入的基本條件，這一矛盾機制為骨腫瘤骨缺損修復造成了障礙?？梢姡瑢τ谀[瘤切除引起的骨缺損，同種異體骨的修復存在腫瘤復發(fā)的風險。因此，一種長期而有效的具有雙向調控功能，同時能抑制腫瘤和促進骨再生的修復體系令人期待。而這種材料在植入骨腫瘤部位后，應該能有效激活 M1 型巨噬細胞對腫瘤清殘留組織進行有效干預和殺滅，同時能有效調控 M2 再生型巨噬細胞進行組織再生調控，進一步激活骨髓間充質干細胞的成骨分化功能[9]。

第四，材料對神經傳遞系統(tǒng)的干預和調控骨再生功能的認識。以往認為骨是一種內分泌器官，內分泌功能紊亂將導致代謝性問題，單向影響骨的形成，在這個過程中骨被動地接受周圍組織與器官對它的調控及干預，并在脂代謝及糖代謝異常情況下，加劇了骨代謝紊亂，加速骨量丟失。這個過程在腦外傷合并骨折病人中的表現更為明顯，其中此類病人的骨愈合相對于單純骨折的病人更迅速，后來在該類病人體內發(fā)現了神經肽分泌降鈣素基因相關肽(Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP)蛋白，這些內分泌的因子能顯著促進骨折愈合。因此，神經系統(tǒng)也可對骨的再生進行干預。大段骨缺損病人不僅骨組織、血管組織缺失，而且周圍神經組織也遭到破壞，往往無法感知生物信號傳導促進骨形成。由此可見，通過特定材料的干預、調控傳導神經肽信號對骨修復意義重大。通過神經肽的大量分泌，可促進 VEGF 表達上調，進而加快血管重建，同時快速重建輸運細胞、養(yǎng)分、因子的通道[10]。因此，通過材料的多級宏-微-納結構設計和接枝多種功能團為促進神經調控骨的信號提供更多激發(fā)也是創(chuàng)新功能材料研發(fā)的一個路徑。

綜上所述，骨科生物材料的發(fā)展隨著人類對疾病了解的深入而進入了快車道。從傳統(tǒng)的惰性材料表面改性及結構調控發(fā)展到了材料伴隨組織再生并最終被降解和代謝，材料在骨重建過程中起到了積極引導及干預調控局部骨穩(wěn)態(tài)重建的作用。不管是病理還是事故導致的骨缺損，關鍵是希望成骨細胞在這一階段發(fā)揮更大的作用來促進和加快骨缺損修復。材料的填充在初期起到鞏固力學支撐的作用，并積極引導干細胞定向結構分化，促進成骨細胞局部成骨，并對巨噬細胞進行有效的干預和調控來約束細胞的行為學。這一過程將生物力學、材料動力學、熱力學和細胞生物學有機地結合在一起。因此，毫無疑問材料在骨重建過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，是引導骨形成的重要催化劑。下一代的骨科生物材料在臨床實用中將更大程度地結合生物信號等和醫(yī)學影像學的研究。例如，通過外周血 mRNA 特異性信號來判定骨量丟失狀況，并結合病理性骨缺損影像學數據實現微創(chuàng)手術植入材料進行預防性骨折治療。而這將對水凝膠材料、PMMA 基高分子材料提出更高的要求——在滿足微創(chuàng)治療的同時，可實現周圍骨組織再生與功能重建，及結合病人情況明確是采用可降解材料還是不可降解材料。

針對大段骨缺損修復，需要通過材料設計引導周圍神經信號傳導，激發(fā)神經肽高表達，進而促進 VEGF 上升，引導血管組織形成，這是骨長入避免骨不連的關鍵步驟，并通過材料促進干細胞成骨分化來實現成骨的過程。因此，智能化材料的發(fā)展將是今后十年骨科生物材料發(fā)展的熱點和新方向，其中多學科交融發(fā)展是骨科臨床發(fā)展的必然。