骨缺损修复的研究进展

袁冰 韦卓

由于某种因素如外伤、感染、肿瘤等使骨丧失了一些骨质，形成较大的间隙，称为骨缺损 (Bone defect)。全世界每年因严重的创伤、骨折合并感染、骨折后治疗不当、骨肿瘤或伴有其他合并症造成的骨缺损患者数以千万，虽然近年来骨折治疗早期多采取积极的治疗手段，已使骨不连及骨缺损发病率明显下降，但仍是骨科医生需要面对的一个难题，目前修复骨缺损的方法主要有骨移植、人工骨(包括骨组织工程技术)、膜技术、基因疗法等，本文就骨缺损修复材料和方法进行文献复习和综述。

1 骨移植

1.1 自体骨移植

自体骨移植安全性高，有良好的骨诱导性，因而被认为是治疗骨缺损的金标准[1,2]，自体骨移植骨材料生物来源与宿主是一致的，所以不用考虑组织相容性和移植后的排异反应，是目前临床最常用的治疗骨缺损的材料，与其他骨移植材料相比，自体骨具有生物相容性好，成骨能力强，骨诱导活性高等优点。自体骨移植材料可选择皮质骨移植、松质骨移植、带肌蒂骨瓣移植、吻合血管骨移植、自体骨复合骨髓移植、自体骨复合骨形态发生蛋白 (BMP)、自体骨复合血管生成因子 (VEGF)等。自体骨的供体部位主要是髂骨和腓骨，但随着医疗技术的不断进步，自体骨的取材部位和移植形式越来越多样化。自体骨移植由于具有诸多优势，所以在临床上应用较广泛，但进行自体骨移植取骨时将会增加新的创伤，且术后供骨区有可能出现供骨区感染、失血、血肿、神经损伤、畸形、慢性持续性疼痛等一系列并发症，同时受到供“量”不足影响[3]。尽管自体骨移植亦存在缺陷与不足，目前临床上仍以自体骨移植包括游离骨移植和带血运的骨移植等自体骨移植方式修复骨缺损效果最佳。

1.2 同种异体骨移植

与自体骨移植相比，异体骨移植具有使用方便，来源相对丰富，骨细胞经处理后已被灭活，免疫原性低，可以提供结构支持[4]等诸多优点。临床上多采用冻干、辐照或化学处理降低免疫原性，少见明显的排斥反应，Karaoglu等[5]用游离的自体骨膜包裹同种异体深冻骨修复兔尺骨段缺损，效果接近自体骨。左健等[6]指出同种异体骨移植作为临床上修复骨缺损的一种常用方法，广泛用于骨折、骨肿瘤切除后导致骨缺损的修复、脊柱和关节疾患的治疗。虽然同种异体骨移植植入后，无诱导作用，容易吸收，而且存在可能引起血源性疾病的传播及引起免疫反应干扰骨愈合等缺点，但是由于它在修复骨缺损时具有的一些优点：结构类似于自体骨，排斥反应较异种骨轻，而且不存在自体骨移植引起的供区损伤、延长手术时间等问题；与此同时，其来源广泛，作为支架材料具有良好的结构和强度，故仍不失为骨缺损修复的有效方法之一。

2 人工骨应用

研究各类人工植骨替代材料的关键是克服自体或异体骨固有的缺点，而这正是临床迫切需要解决的问题。理想植骨材料应该具有以下特点[6]：良好的生物相容性；生物可吸收性；骨传导性；骨诱导性；结构与骨相似并且性价比高、易于操作使用。临床现常用的人工骨材料有各种类型的骨水泥、生物陶瓷、组织工程骨等。骨水泥类材料主要有磷酸钙骨水泥、丙烯酸酯类骨水泥等。生物陶瓷主要包括羟基磷灰石、生物活性玻璃等。组织工程骨则是利用组织工程技术研制出来的新型人工骨材料。人工骨材料还包括纳米晶胶原基骨材料、硫酸钙Osteo set颗粒骨移植替代品、锶羟基磷灰石骨水泥、纳米碳酸钙/聚左旋乳酸复合材料等。

2.1 骨水泥

2.1.1 磷酸钙骨水泥

磷酸钙骨水泥 (CPC)天然理化性质与人体骨骼成分相似，生物兼容性好，无细胞毒性，能在低温固化和塑形，并且具有骨传导能力，1991年FDA批准CPC可作为临床修复骨缺损的骨组织替代材料，然而CPC由于脆性大、抗水溶性 (血溶性)差、力学性能不足、降解速度与固化时间难以控制等缺点，其临床应用受到一定限制[7]。目前CPC在骨组织修复中应用有以下几种探索：复合无机物 CPC，如锶、锌离子；复合有机物CPC，如复合藻脘酸盐CPC、复合壳聚糖CPC、复合壳聚糖纤维CPC、聚乳酸（PLGA）复合骨水泥；复合生物活性因子磷酸钙骨水泥，如自固化磷酸钙含有骨形态发生蛋白等生长因子。尽管大量的改良研究提升了磷酸钙骨水泥的理化性能，但距临床医疗需求仍有一定距离，尤其是机械性能和成骨作用方面仍是限制其临床应用的最大难题。骨水泥的发展方向是使CPC具有优良的成骨活性，更为坚强的机械性能，从而具有更为广阔的应用前景。

2.1.2 丙烯酸酯类骨水泥

丙烯酸树脂类骨水泥材料通常由固、液相双组份构成，能够及时塑形，并有较好的力学性能，在临床可作为人体硬组织的置换、修复材料。虽然国内外已开发出了很多的品种，但或多或少都存在一些问题和缺陷。例如力学强度不足、部分产品聚合热过高及单体释放、有的生物活性较差，为此，人们做了许多改进研究。Duran N等[8]将聚甲基丙烯酸丁酯微球与脆性聚甲基丙烯酸甲酯共混制成低模量聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，改良了其性状，更有利于临床应用。除了对树脂基质的化学改性之外，还可考虑通过与纤维(如碳纤维、纳米管、钛酸钾晶须等)复合的途径改善材料的机械强度和断裂韧性，扩大产品的应用范围和延长使用寿命。在提高生物学活性方面，可考虑采用更胜一筹的锶磷灰石来替代羟磷灰石作为粉剂主要原料。

2.2 生物陶瓷

生物陶瓷是由金属离子及非金属离子两部分以离子键结合的晶体材料。金属离子包括Ca、P、K、Mg、Na、Al、Ti等；非金属离子部分包括诸如氧化物、氮化物、硼化物以及磷酸盐、硅酸盐等。生物陶瓷可根据其在生理环境中的化学活性而分为四类：惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、可吸收生物陶瓷及复合生物陶瓷。生物陶瓷是生物相容性很好的骨修复材料，其修复作用主要体现在骨传导性方面，可以为新骨的形成提供支架。其主要成分为钙、磷离子，与骨的无机成分相似。生物陶瓷主要包括羟基磷灰石 (HA)、生物活性玻璃 (Bioglass,BG)三磷酸钙 (TCP)等[9]。

2.2.1 羟基磷灰石

羟基磷灰石 (hydroxyapatite)简称HAp，属表面活性材料，由于生物体硬组织 (牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。其具有化学稳定性、生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可与骨直接结合等优点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。同时其抗压强度和弹性模量都比较高，较适合作为骨组织替代物[9]。羟基磷灰石的主要缺点在于本身的力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用。有研究将羟基磷灰石与金属、惰性生物陶瓷材料、有机物相复合，以期获得力学性能优良、生物活性好的生物医学复合材料得到更为优良的作为修复骨缺损的组织工程支架。

2.2.2 生物活性玻璃

生物活性玻璃具有玻璃的结构，这种物质的代表是生物活性玻璃45S5。生物活性玻璃具有良好的骨传导性、诱导性，能加速骨细胞的增殖，使成骨细胞转变为成熟的骨细胞[10]。生物活性玻璃除了具有组织相容性好，可降解等优点外，还具有良好的骨传导性及黏附止血作用[11]。另外生物活性玻璃还具有良好的机械性能，弹性模量大，抗压强度高是其显著的特点，因此可为骨提供足够的强度，可应用于承重部位的髋关节、膝关节、脊髓等[12]。需要指出的是生物活性玻璃易在很大的表面范围形成一层多孔渗水的硅酸凝胶。在临床应用上，殷浩等[13]指出生物活性玻璃治疗骨不连、修复骨缺损安全可靠、方便有效，可在一定程度上代替自体骨移植。

有研究[14]表明生物活性玻璃是目前世界上惟一通过离子交换释放生物活性的材料，也是惟一既对骨组织又对软组织有良好键合性的高科技生物活性材料。还可使成骨细胞转变为成熟的骨细胞。Wheeler等[14]比较了生物活性玻璃和自体骨对骨缺损的治疗，结果证实两者促进成骨以及成骨后的生物力学性能方面差异无显著性意义。

2.3 组织工程骨

骨组织工程技术是近年来研究的热点，骨组织工程被誉为修复骨缺损的完美技术。组织工程学是将细胞活体组织移植与生物材料结合，用以合成人工组织和器官。组织工程技术主要包括种子细胞、激活因子和支架材料3部分。组织工程学构建的一个重要环节就是选择能够提供种子细胞生长及能联合细胞因子发挥作用的支架材料[15]。胡金龙等[16]认为理想的骨修复生物学材料应具有的性能：骨传导作用、成骨作用、骨诱导作用。组织工程骨具有可修复大面积骨缺损、无免疫排斥反应、无致病性等一系列优点，是最为理想的骨移植材料。由于种子细胞具有费用高、操作复杂等缺点，单纯的复合材料植入治疗骨缺损同样有一定效果。刘阳等[17]证明了新型可注射性纳米羟基磷灰石 (nHA)/壳聚糖 (CS)骨修复材料具有确切的骨缺损修复能力，有良好的的应用前景。王岩松等[18]研究nHA/聚酰胺66骨填充材料与自体骨修复良性骨肿瘤术后骨缺损的临床效果相当。

早期的研究表明一些细胞因子，如骨形态 BMP-2、碱性成纤维因子bFGF、血管内皮生长因子VEGF、胰岛素样生长因子 IGF-1等有利于骨组织的生长[19]，含细胞因子复合材料植入治疗骨缺损取得了很好的效果。组织工程学技术修复骨缺损正在由传统的单一材料到复合材料转变，细胞因子、载药缓释系统等载入到复合材料中，为加快修复骨缺损提供了良好的动物实验依据。费志强等[20]认为BBP能显著增强rhBMP-2的骨形成活性，BBP复合rhBMP-2来修复骨缺损和促进骨折愈合具有广泛的临床应用前景。研究[21]已证实：植入感觉神经束的组织工程骨在体内的成骨效应显著高于未植入感觉神经束的组织工程骨。但上述方法存在的一个显著缺点是需要牺牲自体神经，对研究对象造成新的创伤，同时也增加了手术的难度。李亮等[22]通过在 B-TCP/BDOP组织工程骨上预种植SCs发现其在体内的成骨效果明显优于未预种植的组织工程骨，这可能是一种新的构建神经化组织工程骨的方法。Zhu C等[23]运用小鼠骨髓间充质干细胞联合构建的新型组织工程骨对小鼠头盖骨缺损模型进行修复，取得了较好的效果。预示未来可以将干细胞技术运用于组织工程骨进行大面积骨缺损修复骨组织替代材料研究。

大段骨缺损的修复是目前临床骨科治疗面临的棘手问题之一，组织工程骨是一种人工制备的含有活体细胞的骨替代材料，它能形成新的功能性骨组织，修复大块骨缺损，并可按需塑形及大量制备，是理想的骨修复材料，但其在体内的成骨效率还需进一步提高。虽然目前的组织工程学技术治疗骨缺损大多仍停留在动物实验阶段，很多缺陷还有待考究，进一步应用于临床还需深层次的实验研究，但其应用前景是非常值得期待的。

3 膜引导组织再生技术

2000年Masquelet等[24]提出诱导膜技术是治疗长管状骨节段性缺损的一种新策略，该方法分为两个节段：先将聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥间隔植入骨缺损部位，待诱导膜形成后取出骨水泥并在假膜内植骨，最终达到骨愈合[25]。Masquelet技术是通过诱导膜内松质骨较快成骨，并塑形皮质化来修复长段皮质骨缺损，其关键技术在于诱导膜提供物理、生物性作用，同时，植入的自体松质骨本身具有良好的骨诱导和成骨属性。已有很多文献报道了诱导膜技术修复骨缺损的优势，认为其特别适合于大范围缺骨、骨缺损伴严重感染及骨肿瘤术后骨缺损患者。其优势是操作简便、并发症少、骨愈合较快、易于被患者接受和在临床上推广[26]；感染率低，移植成功率高，负重时间早[27]。此外，聂鹏飞等[28]认为在基层、边远地区，面临骨移植材料严重不足，应用诱导膜技术可早期对外科植入灶进行处理，消除不利的病理因素，有利于二期手术，最终启动成骨修复骨缺损。

Masquelet技术缺点是需要二次手术，而自体松质骨难以满足大段骨缺损植骨量[29]。迄今为止，诱导膜技术的并发症有深部感染、骨断端不愈合、骨连接不正、关节僵硬及应力性骨折等，但其发生率均较低。需要指出的是，诱导膜技术的生物性属性、植骨材料、如何选择最佳隔离体在更短时间内诱导出自体膜等问题尚需进一步研究。

4 其它特殊方法

基因治疗是修复骨缺损一个重要的研究方向。当前对骨缺损基因治疗的研究热点主要在于对骨诱导因子目的基因、各种载体及靶细胞的研究，将目的基因通过体内或体外途径转入靶细胞，维持骨诱导因子在局部持续有效地表达，从而修复骨缺损。李广恒等[30]将 AAV-BMP-4置于小鼠股肌袋中可诱导大量的位骨组织取出，新鲜的植入到另外一只小鼠的颅骨缺损处，6个月后，移植的骨组织成功的修复了颅骨缺损且并没有移植骨组织的过度生长。这种牺牲部分宿主骨骼肌来产生骨组织，待骨组织成熟后修复异位骨缺损是修复骨缺损一种很新颖的思考方向。该方法与传统的体外骨组织工程的方法相比具有以下优点：不需要干细胞分选，没有骨组织过度生长的并发症，比较适用于临床上需要大量骨量的患者。与此同时，一些治疗骨缺损的方法如 Ilizarov技术、体内负压技术、低频振动、电磁刺激治疗、局部自体骨髓移植等也在不断发展和完善。虽然有些方法仅仅处于起步阶段，但是都是值得继续探索的研究方向。

5 结论与展望

骨缺损在骨科临床中属常见病，现有的骨重建技术普遍存在操作复杂、手术时间长、骨愈合时间长、负重时间晚、愈合率低、耐受性差及并发症多等问题。对于较大范围骨缺损，骨搬运技术治疗康复时间长，可能出现关节僵硬等问题[31]，大段骨缺损的重建仍是一个挑战，选择合适的骨替代物成为必然。在以上方法中，自体骨移植是传统的也是最常用的治疗手段，临床效果确实可靠，但应用受到了诸多限制；异种骨移植中植骨免疫与成骨诱导的相互关系等问题需要继续深入探索和研究；虽然各种人工骨未能完全达到理想骨材料的各项标准，而且和自体骨相比仍有一定的不足和缺陷，人工骨依然具有良好的治疗效果，而且随着各种高科技高工艺与迅猛发展的转化医学相结合，人工骨会凸显更大的优点，尤其是利用组织工程技术研制出的组织化人工骨所具有的诸多优势是移植骨所无法比拟的。骨组织工程的兴起为骨缺损，特别是大段骨缺损的治疗带来新希望。目前使用组织工程技术修复骨缺损在动物实验和部分临床研究中均获得了较满意的效果，但距临床上推广应用尚有一定距离。因此，现今的研究重点将是不断的研制各种理想骨材料并不断的发展骨组织工程，探索综合运用各种新技术新方法修复骨缺损，这也必将为今后骨缺损的修复开辟广阔的发展前景。

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