羟基磷灰石复合骨组织工程支架的研究进展*

许瑾吴晶晶王晓冬王秀梅韩倩倩

羟基磷灰石复合骨组织工程支架的研究进展*

许瑾1吴晶晶2,3王晓冬1王秀梅3*韩倩倩1

近年来，以生物活性陶瓷、聚合物等材料为基础复合而成的人工骨骼材料得到了广泛的研究并取得了巨大的进展。纳米羟基磷灰石（nano Hydroxyapatite,nHA）因其具有良好的生物相容性和生物活性，被大量应用于骨组织的移植与修复，但由于现有工艺制备的磷灰石本身力学性能不够完美，进而限制了其应用的广泛性，因此，制备综合性能优越的纳米羟基磷灰石/聚合物复合生物材料是当今骨组织工程中研究的热点。在此，就纳米羟基磷灰石与壳聚糖、胶原、聚乳酸等高分子材料复合而成的新型骨移植替代材料的合成方法、力学性能和生物相容性进行简单的介绍。

纳米羟基磷灰石；人工骨骼；骨修复；复合物

骨损伤或者破坏会对人体造成严重危害，并且当骨损伤超过一定限度时便无法自愈，此时治疗的主要手段包括自体骨、异体骨移植和人工骨骼移植，在现有医疗条件下这几种方法都存在着自身的问题。自体骨移植会受供给位置的限制，并且会对身体造成二次伤害；异体骨移植有感染如艾滋病和肝炎等病毒的风险[1]。因此人工合成的骨替代材料具有广阔前景并受到相当重视。目前已经有几种体系的骨骼替代材料得到认可并广泛使用，如羟基磷灰石、生物玻璃和磷酸三钙等，其中羟基磷灰石拥有很好的生物相容性和骨诱导骨整合能力，应用也最为广泛。与此同时其自身缺点如强度低、脆性大、不耐疲劳等也在限制临床应用。因此，以对纳米羟基磷灰石改性为目的，将其与高分子聚合物进行复合的新型人工骨材料应运而生，有希望克服上述问题[2]。

天然骨具有分级的结构，主要由无机的纳米羟基磷灰石和有机的胶原纤维按照严格的顺序周期性排列而构成。在排列中，胶原纤维相互平行，并且与纳米羟基磷灰石的c轴平行，以此为模板进行矿化从而构成统一的天然骨的排列组合[3]。

纳米羟基磷灰石是天然骨骼中主要的无机成分，实验室中利用化学法合成的纳米羟基磷灰石同样具有同天然分离的纳米羟基磷灰石相似的生物相容性，最常用的合成纳米羟基磷灰石的方法是在水系溶剂中快速均匀沉淀法，其基本原理是利用酸度、温度对反应物解离的影响，在一定条件下制得含有所需反应物的稳定前体溶液，通过迅速改变溶液的酸度、温度来促使颗粒大量生成，并借助表面活性剂防止颗粒团聚，从而获得均匀分散的纳米颗粒[4]。该方法具有纳米微粒产物大小均一、产率高等特点，适于大量纳米羟基磷灰石粉的制备。

天然高分子生物材料是指可从生物体中提取或能从自然环境中直接获得的一类天然生物大分子。主要是天然蛋白质和多糖类物质，如胶原，壳聚糖，葡聚糖和纤维素等[5]。它们都具有良好的韧性、生物相容性及降解性，但整体力学性能较差，将其与纳米羟基磷灰石复合能够实现优势互补，得到性能更优良的骨修复材料。含有纳米羟基磷灰石的复合物与天然骨的结构类似，并且具有良好的生物相容性[6]。

图1 骨组织的7级分级结构

1 矿化胶原

胶原是天然骨中的主要成分，有着纤维状结构，直径在50～500 nm，这种结构会影响到细胞的附着、增殖和分化。天然骨中羟基磷灰石晶体尺寸大概是50nm×25nm×2～5nm，这些晶体被胶原纤维所定向排列，天然骨骼优秀的性能正是由这种嵌入型高取向的结构所带来，因此仿照天然骨，制备羟基磷灰石/胶原复合物成为研究热点之一。

Zhang等[7]采用原位方法合成了包含有纳米羟基磷灰石和胶原的自组装分层纤维，自组装的胶原纤维扮演了羟基磷灰石模板的作用，使得羟基磷灰石晶体层片厚度仅有0.75～1.45 nm。同时，其另一项研究采用钙离子交联反应的方法合成了纳米羟基磷灰石/胶原/藻酸盐三相的复合物。复合物的机械性能十分突出，并且经测试发现力学性能与加入的藻酸盐的量成比例关系，同时这种三相的复合物展示出了优秀的成骨细胞生物相容性。

Cui-FZ等[8]将水溶性的钙盐溶液和磷盐溶液加入到酸性的胶原溶液，同时调节pH值和温度，来形成矿化胶原沉淀。这一步被称为仿生矿化过程，与天然骨组织的矿化过程相似。微观结构如图2所示，胶原分子呈规则排列的纤维束结构，作为模板来引导的羟基磷灰石晶体成核生长矿化，从而形成有序排列的矿化胶原纤维，得到与天然骨骼结构极其类似的材料。此方法得到的矿化胶原固体颗粒具有出色的生物相容性和骨诱导能力，已经在大量实验和临床应用中得到证实[9,10]。此外，矿化胶原可以根据不同的实际应用来调节其力学性能[11]，是性能优越的骨替代材料。

图2 矿化胶原复合纤维的结构

在经过大量的动物、临床实验，矿化胶原的安全性与有效性已经得到了证实，并且在此过程中，矿化胶原的性能得到了优化和改性。如今，矿化胶原系列产品已经在四肢各类闭合性骨折与骨缺损修复、开颅钻孔造成的颅骨缺损填充以及牙槽嵴扩展、牙周骨缺损的充填等方面获得了长足的发展，并且获准了国家食品药品监督管理局颁发的三类医疗器械产品注册证，实现了产业化，已经在临床上得到了广泛的使用和良好的反馈[12]。

2 纳米羟基磷灰石/壳聚糖纳米复合物

多孔性、力学性能和生物降解性能是人工骨最受关注的性能，生物陶瓷/生物聚合物组成的复合物能满足这些要求，在骨组织工程中受到关注和广泛研究。壳聚糖是一种线性分子，可以被制备成很多形态，如纳米纤维、薄膜和三维支架等[13]。同时，由于它可塑性强，粘性好和生物降解性好，壳聚糖在骨修复工程中也展示出优秀性能。但是力学性能在骨组织工程材料的设计中十分重要，因此壳聚糖的力学性能必须要提高。纳米级别的壳聚糖和羟基磷灰石复合物能有效增强壳聚糖的力学性能。

目前常见的羟基磷灰石/壳聚糖纳米复合物的合成方法是采用原位化学法合成，制备得到的复合物有着好的孔隙结构，孔隙率可达到95%，孔径集中在20～60 m[14]，同时由于壳聚糖的作用，复合物还展现了很好的生物相容性。通过共沉淀法制备壳聚糖与羟基磷灰石质量比例为0/100、20/80、30/70、40/60、50/50、60/40的复合物，经测试当纳米羟基磷灰石和壳聚糖质量比为7∶3时，抗压强度最大，达到120 MPa[15]。经过28天生理环境的处理，复合材料的老化程度要小于纯的壳聚糖组成的支架，并且纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合物中羟基磷灰石分散的十分均匀。在细胞实验中，经过7天的培养后复合物支架上的细胞量是普通壳聚糖支架同等条件培养下的1.5倍[16]。

通过添加第三相可以进一步提高复合材料的性能。Li等[17]报道了一种由化学法原位合成的纳米羟基磷灰石-壳聚糖-明胶纳米复合物，大量羟基和氨基在羟基磷灰石和壳聚糖明胶界面起到了重要作用（如图3），其中羟基磷灰石的晶粒尺寸在17.2～19.2 nm之间，并且相对于两相的羟基磷灰石和壳聚糖复合物，在细胞实验中，三相复合物获得了更高的细胞增殖和ALP活性。

图3 羟基磷灰石和壳聚糖/明胶间的相互作用

Jiang等[18]利用壳聚糖和羧甲基纤维素具有相似结构却带有相反电荷的特点，将二者复合形成聚电解质网状结构，然后使纳米羟基磷灰石均匀地整合到其中，制备出纳米羟基磷灰石/壳聚糖/羧甲基纤维素复合材料，该材料抗压强度能达到3.54MPa，通过冷冻干燥法得到100～500 m的孔结构，孔隙率可达77.8%，且间充质干细胞的黏附性增强。

3 纳米羟基磷灰石/聚乳酸纳米复合物

天然高分子虽然有良好的生物相容性和刺激骨生长能力，但天然高分子与羟基磷灰石复合物往往力学性能不足，应用受到限制；而合成高分子力学性能相对优异，且易于加工，其中脂肪族聚酯是一类重要的可降解骨修复材料，聚乳酸和聚乙醇酸基材料在很多研究中被应用于骨组织修复。

聚乳酸是全世界在骨修复领域应用最多的合成高分子之一，它有着良好的生物可降解性、生物相容性和热塑性，但因其结晶度高，细胞不易粘附以及机械强度不足等缺点，限制了其在骨修复材料领域中的广泛应用。羟基磷灰石和聚乳酸的组合可以获得特定的微观结构，改善材料韧性，延缓聚乳酸降解，增强材料与组织间的整合能力，并具有良好的骨诱导能力。

为了将羟基磷灰石的颗粒在聚乳酸基体中分散，研究者们采用了包括机械混合、原位沉淀、原位聚合和超声等方法，测试发现当复合材料中羟基磷灰石的含量为4%时，复合物的拉伸强度、抗弯强度和冲击强度都达到最大值。

Zhang等[7]报道了纳米羟基磷灰石与聚乳酸的复合对聚乳酸基体起到了显著增强效果，当羟基磷灰石的质量分数为20%时，复合物的压缩强度和杨氏模量分别达到了155 MPa和3.6 GPa。

Hong等[19]制备了纳米羟基磷灰石/聚左旋乙酸（PLLA）复合材料，该材料通过在羟基磷灰石表面接枝聚左旋乙酸进而与聚左旋乙酸混合，增强了羟基磷灰石与聚左旋乙酸之间的粘结性，从而提高了复合材料的力学性能。

4 纳米羟基磷灰石/聚已酸内酯纳米复合物

聚已酸内酯是一种具有生物可吸收性的高分子，有可能被应用于骨或者软骨组织的修复当中。其环境稳定，价格低廉，吸引了大量的研究者研究以其为基体的复合材料在骨修复工程中的应用。然而聚已酸内酯在生物活性方面存在一些问题，新生的骨组织很难紧密的附着在聚已酸内酯表面。所以，聚已酸内酯和纳米羟基磷灰石的复合可以在提升羟基磷灰石强度的同时，解决基体生物活性和生物相容性的问题。

观察羟基磷灰石和聚已酸内酯复合物的断裂截面，可以看出羟基磷灰石本身分散性非常好，并且细小的羟基磷灰石纳米线均匀的分散在聚已酸内酯的基体当中，力学测试显示聚已酸内酯和羟基磷灰石复合物的杨氏模量和压缩系数都比纯的聚已酸内酯基体显著增强，添加50%羟基磷灰石时杨氏模量增加3倍，从193MPa增加到665MPa，压缩弹性模量由230 MPa增加到487 MPa[6]。

Heo等[20]采用改进的快速成型的方法合成了纳米级别和微米级别的羟基磷灰石/聚已酸内酯复合物支架，纳米羟基磷灰石的尺寸为20～90nm，微米级别复合物中达到20～80 m，复合材料中富含大孔（500 m），并且孔的内部相互连通，孔隙率达到73%。纳米级和微米级的复合物压缩系数分别达到了3.187MPa和1.345 MPa。并且经过测试，MG-63细胞在纳米羟基磷灰石/聚已酸内酯复合物表面的附着能力和增值能力高于微米级别复合物，并且这两者均明显高于纯聚已酸内酯。

5 讨论

以纳米羟基磷灰石为基体的复合物作为骨组织修复材料有很大的潜力，羟基磷灰石和高分子聚合物的组合被认为是构造人工骨骼最好的途径，结合了高分子聚合物和羟基磷灰石的三维复合物支架具有优良的力学性能、孔径分布和生物相容性等特点，尤其是以矿化胶原为代表的仿生制备材料，在结构上与天然骨骼十分接近，在性能上包括力学、生物相容性以及骨诱导能力都更加突出，可以作为人体骨骼的替代品。同时羟基磷灰石/高分子复合物也存在一些缺点，包括聚合物自身在体内稳定性的问题，降解聚合物的降解速度和新骨生成速度匹配的问题，聚合物基质与纳米羟基磷灰石的相容性问题及界面与聚合物材料性能的关系等。今后的研究热点仍放在进一步会提高复合材料机械性能与骨诱导活性能，以满足更高的临床需求。

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Development of several biomimetic scaffold in bone tissue engineering

Xu Jin1,Wu Jingjing2,3,Wang Xiaodong1,et al.
1 Kangda College of Nanjing Medical University,Lianyungang Jiangsu,222000;2Schoolof EngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing,100083;3 School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084

Bioactive ceramic and polymer based artificial bone materials had been studied comprehensively and got considerable progress.Nano hydroxyapatite（nHA）is one of the most widely used material in bone repairing as its good biocompatibility and bioactivity.However,due to the poor mechanical properties,the clinical application of apatite by currentprocessislimited.Therefore,the studyofpreparingsuperiorcomprehensiveperformanceofnano hydroxyapatitepolymer composite biomaterials is a hotspot in the area of bone tissue engineering.The synthetic method,mechanical properties and biocompatibility of novel composite bone repairing materials through combining of nano hydroxyapatite andhigh molecular material such as chitosan,collagen,polylactic acid are introduced simply in the article.

Nano hydroxyapatite;Artificial bone;Bone repair;Combined material

R683

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.02.018

swgk2015-05-00101

许瑾（1987-）女，硕士，助教。研究方向：细胞组织培养和生物材料。

*[通讯作者]王秀梅（1977-）女，博士，教授，博士生导师。研究方向：生物材料。

2015-05-20）

“十二五”国家科技支撑计划项目（项目编号：2012BAI17B02）；国家自然科学基金资助项目（项目编号：21371106）；国家自然科学基金资助项目（项目编号：31300814）；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划：2015 13980002Y

1南京医科大学康达学院，江苏连云港222000；2中国地质大学（北京）工程与技术学院，北京100083；3清华大学材料科学与工程学院，北京100084