張瀚哲 徐佳 康慶林

部分外傷、感染、腫瘤可導(dǎo)致骨組織缺損遷延不愈，這不僅成為患者持續(xù)的負(fù)擔(dān)，也為診療帶來巨大的挑戰(zhàn)。通常情況下，治療骨不連、骨缺損的手段包括骨移植、骨搬運(yùn)、Ilizarov 方法等。盡管這些治療手段可以治愈多數(shù)骨缺損，但在實(shí)際臨床中治療周期仍舊過長。為縮短愈合時(shí)間，減輕患者痛苦，利用納米復(fù)合材料構(gòu)建的生物工程支架的巨大潛力正逐漸展露。骨組織修復(fù)過程中，血管和神經(jīng)修復(fù)、干細(xì)胞和營養(yǎng)因子分泌等對(duì)骨缺損愈合起到重要作用，甚至關(guān)系到骨組織再生轉(zhuǎn)歸。有研究利用裝載有營養(yǎng)因子、mRNA[1]、DNA[2]的納米載藥體系對(duì)患處進(jìn)行精準(zhǔn)治療，可顯著縮短骨愈合時(shí)間。

可用于骨組織修復(fù)的納米材料可簡單分為有機(jī)納米材料和無機(jī)納米材料。有機(jī)納米材料包括脂質(zhì)體、聚合物納米顆粒、樹狀大分子等；無機(jī)納米材料主要有金屬納米顆粒、生物陶瓷玻璃納米材料、碳納米管和量子點(diǎn)等。金屬納米材料由于量子化效應(yīng)，具備超順磁性、光敏性、熱敏性等特性，在藥物遞送、生物傳感、生物成像及熱療[3]中存在巨大潛力和臨床應(yīng)用價(jià)值。不僅如此，以金屬納米材料為核心的復(fù)合納米材料因優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性和骨組織誘導(dǎo)增殖分化特性，在骨組織再生、修復(fù)中具有潛力。

1 磁性納米復(fù)合材料

磁性納米材料包括納米尺寸的鐵、鈷、鎳及其氧化物顆粒，常見的磁性納米顆粒（MNP）包括超順磁性氧化鐵納米粒（SPION）、合金、磁性陽離子脂質(zhì)體等。超順磁性納米顆粒可以用于成像、傳感、熱療、細(xì)胞追蹤分離、靶向引導(dǎo)藥物和基因傳遞。雖然一些鎳鐵氧化物顯示出對(duì)細(xì)胞增殖的潛在毒性，但部分SPION 仍可以通過涂有特定表面改性劑，達(dá)到良好的生物相容性[4]。部分SPION由于較成熟的合成工藝和可靠的體內(nèi)代謝通路，已成為美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的顯影劑、鐵劑、熱療劑在臨床上開展運(yùn)用。

從機(jī)制上來講，MNP 或電磁場的單獨(dú)應(yīng)用均可促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化和血管生成[5-6]。其中，低頻脈沖電磁場可以促進(jìn)人類脂源間質(zhì)干細(xì)胞（ADSC）向成骨細(xì)胞分化，誘導(dǎo)骨組織形成[7]。低劑量的氧化鐵（Fe3O4）納米顆粒在固定磁場的作用下可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）外泌體形成并增加成骨和成血管效應(yīng)[8]。SPION 支架既可以提供具備良好剛度的磁性界面，又可以在固定磁場的作用下與巨噬細(xì)胞相互作用，通過抑制Toll 樣受體2/4（TLR2/4）并誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子受體（VEGFR）-2 激活，抑制炎癥因子白細(xì)胞介素（IL）-1 、腫瘤壞死因子（TNF）- 等分泌，減少局部炎癥并促進(jìn)骨再生。同時(shí)，SPION 支架還可同時(shí)抑制促進(jìn)破骨細(xì)胞分化的細(xì)胞因子基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）-9 和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）分泌，上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）表達(dá)水平，促使巨噬細(xì)胞向M2樣表型分化，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞骨轉(zhuǎn)化和內(nèi)皮細(xì)胞血管生成[9]。

由于介孔材料擁有開放的介孔通道和高比表面積，具備易于表面修飾和多功能集成的特點(diǎn)[10]，聯(lián)合介孔材料構(gòu)建的SPION 進(jìn)一步具有緩釋可控性強(qiáng)、生物相容性高、封裝量可靠等生物理化性質(zhì)。常用可對(duì)金屬納米顆粒進(jìn)行修飾改性的材料包括碳酸鈣納米顆粒、硅酸鹽納米顆粒和聚合物納米顆粒。Jia 等[11]通過在Fe3O4表面包覆介孔硅，成功加強(qiáng)了MSC 向成骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)了骨組織再生。Lu 等[12]首次制備了磁性SrFe12O19納米顆粒修飾的介孔生物玻璃/殼聚糖多孔支架（MBCS），利用MBCS 產(chǎn)生的磁場通過激活骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）-2/Smad/Runx2 信號(hào)通路促進(jìn)成骨相關(guān)基因OCN、COL1、Runx2和ALP的表達(dá)，從而促進(jìn)新骨再生。Hu 等[13]構(gòu)建了聚乳酸-羥基乙酸/聚己內(nèi)酯/ -磷酸三鈣（PPT）支架，并將SPION 植入核殼結(jié)構(gòu)的多孔靜電紡絲支架中，結(jié)果表明PPT/ -Fe2O3支架的潤濕性、超順磁性、硬度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量均優(yōu)于PPT 支架本身；由于PPT/ -Fe2O3支架具備良好的生物相容性和對(duì)鐵離子有效控釋，在支架內(nèi)種植的大鼠ADSC 整合素β1、ALP及其他成骨相關(guān)基因表達(dá)均顯著增加。SPION 還可聯(lián)合水凝膠促進(jìn)骨組織再生。Hu 等[14]成功構(gòu)建了SPION 與凝膠海綿共同構(gòu)成的體系，該體系在磁場的作用下不僅擁有良好的顯影性，而且具備誘導(dǎo)骨組織再生的特性。此外，Lee 等[15]在納米碳管領(lǐng)域研究合成了一種新型的多功能殼聚糖（CT）功能化超磁性埃洛石納米管（M-HNT），并用磷酸鈣納米片（CaP）對(duì)其進(jìn)行修飾；在M-HNT-CT 表面分布的CaP、Fe3O4、殼聚糖的協(xié)同成骨作用下，人ADSC 可順利進(jìn)行成骨誘導(dǎo)分化，表現(xiàn)出較強(qiáng)的成骨潛能。

經(jīng)過改性的支架可以載負(fù)VEGF、成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）、PDGF、IL，甚至內(nèi)分泌激素和核酸片段進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)骨組織。Lanier 等[16]合成一種由聚己內(nèi)酯（PCL）微粒、MNP 和胎盤蛋白組成的磁響應(yīng)納米系統(tǒng)，當(dāng)受到交變磁場作用時(shí)，MNP 加熱并熔化PCL，胎盤蛋白質(zhì)從微粒中擴(kuò)散并促進(jìn)骨損傷部位干細(xì)胞增殖再生；磁場關(guān)閉時(shí)，胎盤蛋白質(zhì)被固定在微粒內(nèi)部。Brett 等[17]合成了一種與MNP 整合的預(yù)制轉(zhuǎn)染支架，該支架以Fe3O4為核心，并由聚乙烯亞胺、編碼綠色熒光蛋白、Bcl-2 的小環(huán)質(zhì)粒及聚 -氨基酯構(gòu)成；通過磁轉(zhuǎn)染控制Bcl-2 過表達(dá)，抑制植入細(xì)胞凋亡；磁性轉(zhuǎn)染支架植入后，ADSC 中Bcl-2 表達(dá)上調(diào)，與純質(zhì)粒轉(zhuǎn)染對(duì)照組相比，磁轉(zhuǎn)染支架組轉(zhuǎn)染效率更高，調(diào)控成骨性能更優(yōu)。

2 金納米復(fù)合材料

金納米顆粒在生物成像過程中可吸收近紅外范圍的光，可用于暗視野顯微成像和雙光子顯微成像；高原子序數(shù)的金納米顆粒具有較高的X 射線衰減系數(shù)，可結(jié)合CT 掃描提高結(jié)果的特異性和靈敏性。研究認(rèn)為，金納米顆粒比其他納米顆粒更為安全，但對(duì)其生物相容性、生物分布、生物消除和環(huán)境影響的研究仍需進(jìn)一步深化[18]。金納米顆粒被MSC 內(nèi)吞后通過激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑，促進(jìn)其成骨分化并抑制其向ADSC轉(zhuǎn)化[19]。此外，該顆粒還可通過核因子- B 受體活化因子配體(RANkL)抑制骨髓源性巨噬細(xì)胞分化成為破骨細(xì)胞[20]。金納米顆粒在介導(dǎo)骨組織再生修復(fù)過程中具備潛力。

金納米顆粒多與其他納米材料如高分子聚合物、凝膠等一起構(gòu)建骨生物工程材料。Samadian等[21]將含有明膠納米纖維（GNF）和金納米顆粒的聚左旋乳酸/聚已內(nèi)酯（PLLA/ PCL）制備一種三維骨組織工程支架，該新型支架在孔隙率、孔徑、力學(xué)性能、生物相容性和骨傳導(dǎo)活性方面具有適合骨組織工程的性能。Lee 等[22]使用酶交聯(lián)明膠、N-乙酰半胱氨酸（NAC）附著的功能化金納米顆粒構(gòu)建了一種可注射的凝膠Ty/AuNP/NAC，該復(fù)合體系具有較好的力學(xué)強(qiáng)度和生物相容性，可促進(jìn)人ADSC 生長與成骨分化。

此外，金納米顆?？梢月?lián)合石墨烯、合金等新型納米材料構(gòu)建材料體系，但其安全性仍在論證中。Fu 等[23]采用賴氨酸功能化氧化石墨烯（Lysg-GO）納米顆粒和聚多巴胺修飾的金納米顆粒涂層改善聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）支架材料的生物功能；制備的金納米顆粒PDA/PLGA/Lys-g-GO 復(fù)合支架具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、親水性和抗菌性能，并可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞粘附、增殖、成骨分化等功能。Ko 等[24]合成了一種雙層金納米顆粒固定鈦種植體，此種植體在作用于MSC時(shí)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的成骨潛能。

轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的時(shí)效性對(duì)誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化至關(guān)重要，金納米顆粒還可以搭載轉(zhuǎn)錄因子并依靠材料特性對(duì)搭載轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行時(shí)序性表達(dá)。Kim 等[25]合成一種以直徑350～450 nm 金納米顆粒為基礎(chǔ)的3 層連續(xù)基因延時(shí)傳遞系統(tǒng)（T-CGDS），用于將基因及時(shí)傳遞至MSC 中誘導(dǎo)成骨分化；當(dāng)T-CGDS 作用于MSC 時(shí)，依次表達(dá)外層（RUNX2）、中層（SP7）和核心層（ATF4）的基因，可于體內(nèi)外發(fā)揮穩(wěn)定有效的骨再生性能。

3 銀納米復(fù)合材料

銀納米顆粒擁有優(yōu)異的光譜殺菌效力，對(duì)革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌和部分病毒均具有殺滅作用。銀納米材料在治療慢性感染造成的骨不連、骨缺損中存在巨大潛力。由于其特殊的滅菌機(jī)制，相關(guān)的耐藥事件非常罕見[26]。銀納米材料若與其他高分子材料組裝的復(fù)合納米顆粒進(jìn)行聯(lián)合，可有效降低毒性，并保持強(qiáng)大的抗感染性能。Sobolev 等[27]通過等離子體電解氧化法（PEO）制備了包覆有銀納米顆粒和羥基磷酸鈣的鈦合金體系。該材料體系在體內(nèi)可能先轉(zhuǎn)化為硫化銀納米粒子，從而發(fā)揮其抗感染特性[28]。有研究指出，細(xì)胞在銀納米顆粒暴露后，干細(xì)胞中與破骨細(xì)胞途徑相關(guān)的蛋白分子如BMP-4、BMP-6 和FOS 樣抗原1(FOSL1)等表達(dá)顯著增加[29]。銀納米顆粒也因優(yōu)異的抗菌能力，常作為修飾其他納米材料的重要組件，與其他納米材料如明膠[30]、聚多巴胺[31]、羥基磷酸鹽[32]、蠶絲素[33]、氧化石墨烯[34]等一并發(fā)揮作用。

銀納米顆粒也可聯(lián)合石墨烯、合金等新型材料構(gòu)建納米體系，其安全性仍需進(jìn)一步探究。Weng 等[34]設(shè)計(jì)并合成了裝載銀納米顆粒的羥基磷灰石/還原氧化石墨烯3D 支架（AHRG 支架），通過復(fù)合材料協(xié)同作用，有效抑制了耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等病原微生物生物膜形成，可促進(jìn)骨修復(fù)，抑制骨感染。Chen 等[35]合成了一種抗菌的載銀納米顆粒TiO2納米管（Ag/TiO2-NT），該新型材料可抑制磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt 信號(hào)通路，抑制下游效應(yīng)物GLUT1 并激活自噬。通過控制釋放超低劑量銀離子，納米管可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2 表型極化，并在體外創(chuàng)造適宜骨組織再生的骨免疫微環(huán)境。

4 結(jié)語

金屬納米復(fù)合材料構(gòu)建的生物支架在加速骨組織再生修復(fù)方面具備巨大潛力。為了獲得更好的治療效果，有必要探究金屬納米材料聯(lián)合介孔材料、水凝膠、生物陶瓷、合金、石墨烯等其他材料的新型納米材料體系，并搭載一系列有效且可用于臨床治療的分子、蛋白及核酸片段，為臨床治療提供高效的骨組織再生材料。