生物陶瓷材料在骨组织工程中的应用

刘齐海 崔 磊

生物陶瓷材料在骨组织工程中的应用

刘齐海 崔 磊

组织工程学是应用细胞生物学和工程学的原理在体外或在体内制造组织和器官，从而达到修复损伤组织和改善其功能的一门交叉学科[1]。骨组织工程学是组织工程研究领域中专门从事组织工程化骨组织研究的一个分支，处于组织构建与缺损修复的最前沿。由于骨组织具有相对单一的组织成分，客观上降低了体外构建的难度，因此，骨组织工程被认为是可能率先进入临床应用的研究领域之一[2]。骨组织工程的基本方法是，将分离得到的高浓度种子细胞经体外培养、诱导、扩增后，种植于具有良好生物相容性和生物可降解性的支架材料上，然后将这种细胞－生物材料复合体植入骨缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的种子细胞不断增殖、分化、分泌细胞外基质，局部形成新的类骨基质，从而达到修复骨组织缺损的目的[3]。

在骨组织工程研究中，支架材料占据着非常重要的地位。它主要起着模板的作用，保持原有组织的形状，为种子细胞提供赖以黏附、增殖和分化的场所，引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。同时，支架材料还会影响种子细胞的各项生物学特性，从而决定回植后能否与受体很好地结合，并发挥其修复缺损的作用[4]。与其他支架材料相比，生物陶瓷由于在细胞相容性与生物相容性、生物可降解性、三维多孔立体结构、生物力学性能等方面具有独特的优势，一直以来都是骨组织工程生物支架材料的研究重点，同时也是目前应用最多的骨组织工程支架材料。

生物陶瓷材料按其生物学特性可分为生物惰性陶瓷（如Al2O3）、生物降解陶瓷（如磷酸三钙）和生物活性陶瓷（如羟基磷灰石）三大类。其中，生物降解陶瓷和生物活性陶瓷是骨组织工程支架材料的研究重点。

1 生物惰性陶瓷材料

生物惰性陶瓷材料的物理机械性能及功能特性与人体组织相匹配，与组织接触不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应[5]。这类材料的应用是基于对材料本身性能的全面了解，是人类应用最早的生物材料。

氧化铝（Al2O3）陶瓷由高纯氧化铝粉体烧结而成，是生物惰性陶瓷材料的代表。由于烧结条件不同，主要生成α和γ两种晶型。γ-氧化铝属两性氧化物，在酸、碱作用下易发生化学变化；α-氧化铝为三方晶系，属化学惰性晶体，也就是通常所说的氧化铝生物惰性陶瓷材料。该材料具有优异的生物相容性，在生理环境中相当稳定，抗腐蚀，没有溶出物，低膨胀，而且强度高，主要用作外科矫形手术的承重假体（如人工髋关节、人工膝关节等）。在制作氧化铝生物种植体时，制品的外部形态对种植体与受体组织（尤其是骨组织）的结合有重要影响，表面300 μm左右的微小凹凸有利于早期骨组织长入固定，而表面数毫米大小的凹凸有利于与骨组织长期牢固的固定[6]。

除了常用的氧化铝生物陶瓷外，惰性氧化物生物陶瓷还有氧化锆、氧化镁、氧化硅以及混合氧化物陶瓷。这些陶瓷材料在性能上各有其特点，在机械强度、加工性能等方面弥补了氧化铝生物陶瓷的某些不足。

总体而言，惰性生物陶瓷材料由于其生物惰性，在生物体内很难降解，无法被新生组织所替代，主要作为永久替代物应用于临床骨科以修复骨缺损。因此，严格来讲，其并不能作为传统意义上的组织工程支架材料。

2 生物降解陶瓷材料

细胞－生物材料复合体回植体内后，能随着时间推移而逐渐被吸收的材料被称为生物降解材料[7]。生物降解陶瓷材料主要包括磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷等，其最大优点是回植后最终无异物存留。材料完全吸收后，所形成的新骨塑形不再受材料存在的影响，而强度优于新骨与材料结合的强度。

磷酸三钙（TCP）的结构分为高温相（α-TCP）和低温相（β-TCP）。α-TCP具有自固化性质，可作为骨水泥使用；而β-TCP生物相容性好，降解产物参与新骨形成，是最常用于骨组织工程的生物支架材料。β-TCP的Ca/P为1.50，属三方晶系，是生物降解陶瓷材料的代表。生物可降解β-TCP主要是多孔型和颗粒型的，而致密的β-TCP在生理环境中较稳定。1972年，Driskell等[8]研制出多孔β-TCP陶瓷材料，并将其作为骨植入材料回植于犬与白鼠体内。植入20～25 d后，大约有25%～30%左右的β-TCP被吸收，显示出较好的降解性能。同时，在被吸收部位发现有成骨细胞的生长，提示了其作为骨组织工程支架材料的可行性。近来，Yuan等[9]以多孔β-TCP复合骨髓间充质干细胞（Bone marrow stromal cells，BMSCs）修复犬下颌骨部分缺损，材料降解与新骨生成良好，且修复处所生成新骨各项力学指标与对照组自体骨无显著性差异，说明可降解β-TCP陶瓷材料是一种较好的骨组织工程支架材料。另有研究结果显示，β-TCP陶瓷材料的降解主要有3个途径：①体液中的生理化学溶解，其溶解速度取决于多种因素，包括材料的比表面积、相组成、结晶度以及周围体液的pH值等；②物理解体，体液浸入陶瓷中烧结不完全而残留的微孔，使得连接晶粒的“细颈”溶解，从而使得陶瓷解体为微粒；③细胞（主要是破骨细胞和巨噬细胞）的吞噬，在β-TCP的生物降解过程中，在其临近的淋巴核中发现有陶瓷颗粒，表明材料的生物降解过程首先是材料解体为小的颗粒，然后由吞噬细胞迁移至临近组织并被全部或部分吞噬。因此，可以通过改进烧结条件以优化β-TCP的体内降解速率。另外，可吸收β-TCP的力学性能受其孔隙率、晶粒度以及相组成的影响，强度相对较低，主要用于不承力部位的骨缺损修复。

硫酸钙（CaSO4·2H2O）陶瓷属单斜晶系，晶体集合体一般为纤维状、叶片状、针状等，常具有燕尾形双晶结构。医用硫酸钙陶瓷体内可降解，且生物相容性好，无明显细胞毒性、致敏性和遗传毒性，于1996年6月获FDA及CE标志，临床应用上千例，证明是安全、有效的。Turner等[10]在犬双侧股骨近端进行硫酸钙、自体骨以及空白移植实验，通过比较发现硫酸钙陶瓷材料体内降解良好，且在骨缺损修复处有14.3%的新骨形成，而自体骨组为8.6%，空白组仅为3.6%。硫酸钙陶瓷促进成骨机制目前还没有统一认识，多数学者认为其并不具备刺激新骨生成的特性，而仅具有骨引导作用，能很好地提供成骨所需的环境条件，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用；另一方面，硫酸钙溶解的钙离子为新骨形成提供了丰富的钙源，促进了骨缺损的修复。硫酸钙陶瓷材料的力学性能与松质骨相近，同时可作为骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）、抗生素等的载体，在组织工程化骨组织构建中具有较好的应用前景。

珊瑚是珊瑚虫分泌的外骨骼沉积，其化学成分中99%为碳酸钙，还有少量的其他元素和有机成分。珊瑚的三维多孔结构与生物体的松质骨相似，且孔隙率高，生物降解性好，易加工成型，已广泛应用于骨组织工程构建。Vacanti等[11]将患者自体骨膜成骨细胞与天然珊瑚材料复合用于指骨再造，取得了良好的效果。Cui等[12]将脂肪干细胞（Adipose-derived stem cells，ASCs）体外成骨诱导后与珊瑚复合，成功修复了犬临界大小（Critical-size）的颅骨缺损，进一步显示出其作为骨组织工程细胞支架材料的优势。但是，珊瑚材料也有其缺点：①力学性能较差，与人体骨组织的抗压强度差异较大；②体内降解过快，与新骨生成速度不相匹配。不少学者使用各种材料改性技术以弥补珊瑚材料的这些缺陷，其中热液交换反应[13]能够使珊瑚的部分碳酸钙成分转变为羟基磷灰石(HA)，使它的降解速度下降，而原有孔隙率不变，硬度提高，细胞相容性也得到一定程度的提升。

3 生物活性陶瓷材料

生物活性是指生物材料与骨组织之间的键合能力。生物活性陶瓷材料在体内有一定溶解度，释放物为对机体无害的某些离子，能参与体内代谢，对新骨生成有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示有生物活性。材料与骨组织亲和性好，界面新生骨细胞活跃，材料与骨组织能形成稳定的结合界面。

羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是人体和动物骨骼无机物的主要成分，因而是骨组织构建中最常使用的一种生物活性陶瓷材料。1972年，Aoki[14]成功合成了HA并烧结成陶瓷。不久，Jarcho等[15-16]也烧结成HA陶瓷并发现其具有良好的生物相容性。自此之后，各国学者对HA进行了广泛而深入的研究。HA的化学结构式为Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P为1.67，属六方晶系。HA具有良好的化学稳定性和生物相容性，植入体内安全、无毒，既能引导新骨生长，又能与骨形成紧密的化学键合，成骨细胞可在其表面直接分化形成骨基质，产生一个无定形的电子密度带，胶原纤维束长入此区域和成骨细胞间，骨盐结晶在这个无定形带中发生。随着矿化成熟，无定形带逐渐缩小，HA植入体同骨的键合就是通过此窄带的键接来实现的[17]。HA的抗压强度和弹性模量都比较高，适合作为骨组织替代物，但其降解性能差，体内降解速度慢，不利于新骨长入。因此，可将HA同其他生物材料复合，取长补短，以得到更为优良的骨组织工程支架。将HA与β-TCP复合所形成的HA/β-TCP双相陶瓷材料显示出具有比单纯的HA和β-TCP更好的生物学、力学以及降解性能，其原因可能在于HA/β-TCP双相陶瓷更近似于天然骨的矿物质组成。同时，HA/β-TCP双相陶瓷能够强烈吸附BMP、表皮生长因子（Epidermal growth factor，EGF）、睾丸素等成骨诱导因子，这使其同样具有成骨诱导活性。

除了以上传统的几种生物陶瓷以外，近年来，有关钙-硅基生物活性陶瓷材料的研究成了骨组织工程支架材料领域的新热点。这类硅酸盐陶瓷材料具有良好的生物活性和降解性，有望成为新一代骨修复材料。

从元素组成来看，钙是人体的重要元素之一，直接影响骨的钙化过程，而硅也是人体的一种重要的微量元素，其吸收水平直接影响到骨的质量。Xynos等[18-22]发现含有钙和硅的生物活性玻璃的离子溶出物能够刺激成骨细胞的增殖与基因表达。进一步的研究结果显示，硅对于诱导磷灰石在生物材料表面的沉积具有重要作用[23]。因此，不少学者在生物陶瓷材料中引入硅以提高其成骨活性，取得了良好效果。Nakajima等[24]对透辉石（CaMgSi2O6）陶瓷材料进行了研究，发现其在模拟体液中诱导了HA的沉积，提示其可能被用作牙科修复材料。此研究小组后来有关兔下颌骨缺损的修复实验结果显示，回植的透辉石陶瓷材料与骨组织形成了骨性结合[25]。Wu等[26-28]首先以溶胶-凝胶法高温烧结制成致密钙镁黄长石陶瓷材料，又以海绵支架法制成三维多孔钙镁黄长石陶瓷。其研究结果证实，这种生物陶瓷材料不但具有可控的降解速率和力学性能，在体外培养过程中还能释放各种活性离子，并且能在材料表面形成钙磷矿化沉积，显示出良好的生物相容性和成骨诱导活性。Sun等[29]的研究结果显示，与传统的骨组织工程支架材料β-TCP相比，钙镁黄长石陶瓷更能促进BMSCs在体外的黏附、增殖以及成骨分化。

骨组织工程支架材料是构建骨组织的关键环节之一。虽然目前对生物陶瓷材料的研究很多，发展很快，但尚未找到一种非常理想的骨组织工程用生物陶瓷材料，还有很多问题需要解决。除了寻找新的生物陶瓷之外，最近迅速发展起来的纳米技术、三维打印技术、分子仿生技术以及各种材料加工技术可以帮助我们对现有生物陶瓷材料进行有目的的加工、复合及修饰，使其更符合骨组织工程支架材料的要求。

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R318.08

B

1673－0364（2009）－02－0114－03

2008年8月13日；

2009年1月11日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.04.018

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科；200235上海市上海组织工程研究与开发中心。