磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展

蔡佩玲，程丽佳

(成都大学基础医学与护理学院，四川 成都 610106)

磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展

蔡佩玲，程丽佳

(成都大学基础医学与护理学院，四川 成都 610106)

磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石、α/β-磷酸三钙和两者按不同比例组成的混合物.近年来，磷酸钙生物陶瓷已经被大量应用于医学临床上，其在牙科、整形外科和骨科等领域中都有重要的应用价值，而其骨诱导机制也是研究者们一直在探索的难题.对磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展进行系统全面地评价，并对其下一步的研究方向进行了讨论.

生物陶瓷;羟基磷灰石;α/β－磷酸三钙;骨诱导机制

0 引言

近年来，由于骨折、骨肿瘤，以及先天性骨缺损等病症所引起的患者骨缺损情况大量发生，因此在医学临床上，骨移植物被大量需求，而有限的人体骨供不应求，人工合成骨替代材料则应运而生，磷酸钙(Calcium phosphate，Ca-P)生物陶瓷就是其中的代表.Ca-P生物陶瓷是一类由羟基磷灰石［HA，Ca10(PO4)6(OH)2］和 α/β-磷酸三钙［α/β-TCP，Ca3(PO4)2］按不同比例组成的生物材料，因其综合了HA良好的生物相容性和磷酸三钙(TCP)优异的生物降解性，加上其化学成分与人体硬组织的无机成分基本一致，而成为了替换或修复人体硬组织的理想材料.

关于Ca-P生物陶瓷，根据文献记载，早在1920年Albee就将TCP用于修复兔子的骨缺损，随后50多年间，Ca-P陶瓷的应用越来越广泛.1972年，“生物陶瓷”这个概念首次在文献中被提到，而双相磷酸钙(Biphasic calcium phosphate，BCP)陶瓷这一术语则在1990年由Nery提出.到上世纪80年代初，Jarcho等将Ca-P陶瓷作为骨替换材料应用于牙科临床中，并取得了满意效果.自此以后，关于Ca-P陶瓷或BCP陶瓷的应用和报道层出不穷.1987年，Wilson-Hench将骨诱导定义为新骨组织在非骨位点形成的过程.随后，在上世纪90年代，关于Ca-P生物陶瓷在动物体内异位成骨的现象先后被报道:Ripamonti等将来源于珊瑚的多孔HA植入狒狒肌肉内，发现可以诱导骨组织形成;Zhang等同样发现HA可以在狗肌肉内诱导异位骨形成;同期，Yamasaki等将多孔HA植入狗的皮下，同样也发现了骨诱导现象;Vagervick在猴子肌肉中也发现了骨诱导现象.Ca-P陶瓷骨诱导现象的机制经过20多年的研究，特别是Zhang、Ripamonti和De Groot分别带领的科研团队做了大量工作，人们逐渐对这一奇特的现象有了深入认识［1－4］.对此，本研究拟对 Ca-P生物陶瓷的骨诱导机制研究进展进行系统、全面地评价，并对其下一步的研究方向进行了讨论.

1 影响骨诱导现象发生的因素

1.1 材料性质

研究发现，Ca-P陶瓷的化学成分是骨诱导现象发生的关键，因为其成分和机体骨组织相似.Cheng等［5］的研究表明，只要存在Ca元素，骨诱导现象就会发生.但是也有研究发现，金属钛同样能在动物体内诱导出异位骨组织［6］.由此可推测，Ca元素只是骨诱导发生的充分条件，而非必要条件.此外，Ca元素与P元素的比率，即HA与TCP的所占的比例不同，也会影响骨诱导的发生.Yuan等［7］发现，利用TCP修复绵羊髂骨的效果明显较HA和BCP显著，而Arinzeh等也发现，20HA/80TCP较 100HA、76HA/24TCP、63HA/37TCP、56HA/44TCP 和100TCP 能诱导更多的骨组织形成.另外，Ca-P陶瓷的大孔和微孔结构对骨诱导的发生有重要的影响.Holmes建议最佳的大孔直径应在200～400 μm，而Tsurga也认为支持异位骨形成的最佳孔径应为300～400 μm.研究还发现，小于10 μm的微孔对骨诱导的发生起至关重要作用，这主要是因为微孔可以增加材料的表面积以及Ca、P离子的溶解度.同时，微孔在材料内必需是内部连通的，这可以为血管生成提供充足的空间，从而为新生骨的营养输送和废物的排放提供通道.

1.2 制备材料工艺

目前，Ca-P陶瓷的制备工艺主要有3种:先通过湿法制备缺钙磷灰石，再经烧结而得;固相反应法，即利用磷酸二氢钙［Ca(H2PO4)2·H2O］和碳酸钙(CaCO3)为原料，加水混合，再经烧结来制备;直接将HA和TCP按一定比例混合而得，根据原料比例的不同，制得的陶瓷所含HA与TCP的比例也有所不同，这个比例将直接影响骨诱导的发生.同时，Ca-P陶瓷的孔结构也由材料制备过程中的原料、制备方法、烧结温度和烧结时间决定.其中，烧结温度是一个较关键的因素，通常情况下，Ca-P陶瓷的烧结温度在1 100℃到1 300℃之间.低于1 100℃，HA会聚集，从而丢失大量表面积和孔隙，而高于1 300℃，HA 又会变得不稳定.Yuan等［7］研究发现，1 150℃高温下煅烧的BCP较1 300℃条件下煅烧的BCP在绵羊肌肉内能诱导更多的骨组织形成.研究表明，虽然Ca-P陶瓷制备工艺有所不同，但都必需满足以下4个条件:无毒性，良好的生物相容性;高孔隙率，能为细胞生长、养分交换和代谢产物的排出提供足够的空间;生物降解性，且其降解速率要和细胞的生长速率相匹配;机械强度，能够在体内承重.

1.3 动物种属

研究表明，动物种属是骨诱导发生中一个重要的因素，在常用的动物模型中，异位骨组织通常在狒狒、猴子、绵羊、猪与狗等大动物体内形成，而在小动物如兔子、大鼠或小鼠体内很少发现.同时，Ca-P陶瓷应用到人体体内修复骨缺损或牙缺损均表现出良好的效果［8－13］.骨诱导现象是指生物材料移植到动物非骨位点诱导异位骨组织形成的现象，移植位点通常在肌肉内或皮下，至今还没有材料移植到实体器官或组织的报道.肌肉内由于毛细血管和营养物质较皮下位点丰富，因此异位骨组织形成的概率较皮下位点大［13］.此外，Klein等比较了 Ca-P陶瓷移植到狗和大鼠软组织中的组织学反应，发现骨组织只在狗软组织内形成，而在大鼠体内没有观察到此现象;Ripamonti等将HA陶瓷植入狒狒、狗和兔子肌肉内，比较了3种动物体内材料的新生骨组织量，结果发现大量的骨组织在狒狒体内形成，少量的骨组织也在狗体内形成.然而，却没有任何骨组织在兔子体内被发现.Yang等也比较了BCP陶瓷植入狗、猪、羊、兔子和大鼠肌肉后的新生骨组织形成情况，结果发现新生骨组织只在狗和猪肌肉内形成，而在羊、兔子和大鼠肌肉内却未被发现.这些现象表明，骨诱导现象的发生与动物种属密切相关.

2 骨诱导现象发生的机制

2.1 成骨途径

骨诱导现象是一个复杂的现象，其发生的机制虽然至今仍不完全清楚，但研究者们正在慢慢还原骨诱导现象发生的细节过程.Ca-P生物材料异位骨形成方式分为软骨内成骨和膜内成骨.软骨内成骨是指未分化的间充质细胞受移植材料的趋化作用分化为成软骨细胞和软骨细胞，软骨细胞外基质形成，接着软骨成熟、肥大、钙化，然后血管和骨祖细胞浸入，软骨溶解，类骨质沉积，从而产生骨基质，最终导致异位骨形成［14］.膜内成骨则是移植的材料直接募集周围组织中的间充质细胞分化为成骨细胞和骨细胞，从而使骨基质沉积，促使新生骨组织形成.通常情况下，添加BMP-2等外源性因子的成骨途径是软骨内成骨［15］，而未添加任何成骨因子只由材料诱导的成骨途径是膜内成骨［16］.

2.2 成骨因子

研究发现，Ca-P生物陶瓷在体内外均能吸附大量成骨因子，如骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)、骨保护素(Osteoprotegerin，OPG)、生长分化因子(Growth differentiation factor，GDF)、肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor，TNF)、白介素(Interleukin，IL)、核因子 κB受体活化因子配体(Receptoractivatorfornuclearfactor-κB ligand，RANKL)、巨噬细胞集落刺激因子(Macrophage colony stimulating factor，M-CSF)、血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管生成素(Angiopoietin，Ang)、血小板衍生生长因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)、胰岛素生长因子(Insulin growth factor，IGF)和成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor，FGF)等［17－21］.当 Ca-P陶瓷植入到动物体内后，材料吸附周围组织中的各种成骨因子，这些成骨因子分阶段地在成骨过程中发挥不同作用，最终促进新骨组织的形成.

2.3 成骨细胞

1996年，Yang等［22］发现，毛细血管旁的多态细胞被生物材料牵引进而分化为成骨细胞，据此推测这些多态细胞为周细胞或内皮细胞.其后，Yuan等［7］发现，骨诱导的发生是由生物材料表面的周细胞和间充质干细胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)共同作用的结果，Ripamonti等［23］通过研究推测肌内皮细胞可能分化为成骨细胞，进而促进异位骨组织形成，Le Nihouannen等［24］研究表明生物材料移植到体内后会释放微小颗粒，进而引起炎症反应，释放炎症因子促使体液循环中的干细胞分化为成骨细胞.此外，有研究则认为，Ca-P陶瓷能募集周围组织中的MSCs，并吸附BMP-2等成骨因子促使MSCs分化为成骨细胞，最终诱导新生骨组织形成［25］.例如，Song等［3］把雄犬的骨髓MSCs移植到雌犬骨髓中，并将BCP植入到犬背部，用荧光原位杂交(FISH)检测植入BCP中Y染色体的表达，发现骨髓MSCs能归巢到非骨位点促进异位骨的形成.

3 展望

Ca-P生物陶瓷骨诱导的发生和材料性质、材料制备、动物种属、移植时间、成骨细胞及成骨环境等因素密切相关.围绕这些关键因素已有多种细胞起源学说被推测，但仍没有直接证据证明骨诱导中成骨细胞的来源.因此，在今后的研究中，可以利用细胞标记示踪等方法来探讨骨诱导的发生机制.只有在完全了解骨诱导机制的前提下，才能更好地将Ca-P生物陶瓷应用于医学临床上，进而治疗因炎症、创伤、骨肿瘤等病症造成的骨缺损.

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Research Progress of Mechanism of Osteoinduction Induced by Calcium Phosphate Bioceramics

CAI Peiling，CHENG Lijia
(School of Basic Medical Sciences and Nursing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Calcium phosphate(Ca-P)bioceramics are mainly composed of hydroxyapatite(HA)and α/β-tricalcium phosphate(α/β-TCP)with different ratios.In recent years，Ca-P bioceramics have been widely used in clinic，which play important roles in dentistry，plastic surgery and orthopedics.The osteoinduction mechanism of Ca-P ceramics has been extensively studied.In this study，we systematically and comprehensively evaluate the research progress of osteoinduction mechanism，and discuss the directions for future research.

bioceramic;hydroxyapatite;α/β-Tricalcium phosphate;osteoinduction mechanism

R318.08;TQ174.759

A

1004－5422(2015)01－0016－04

2014－12－15.

国家自然科学基金(51402027)、四川省教育厅自然科学基金(14ZB0376)资助项目.

蔡佩玲(1979—)，女，博士，讲师，从事钙磷生物材料骨诱导机制研究.