骨组织工程材料的研究进展

韩倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 汤京龙 王春仁

骨组织工程材料的研究进展

韩倩倩 薛彬 王涵 史建峰 王迎 汤京龙 王春仁

严重创伤和骨肿瘤切除所导致的骨缺损，是无法自行愈合修复的，需要施加外源性骨诱导材料才可得以有效恢复。在医疗器械分类管理方面，外源性骨诱导材料归三类医疗器械管理。在产业化方面，已有获得注册证的骨填充材料。本文对现有可用于骨组织工程的材料进行整理，包含人工合成无机材料、人工合成高分子材料和天然高分子材料，以及复合材料等。

骨缺损 修复 组织工程

各种原因导致的骨缺损给患者带来了严重的心理和生理创伤，而骨缺损的治疗一直是临床的难题。传统的骨缺损治疗包括自体骨移植和异体骨移植，均有明显的局限性。自体骨取材受限，并且会产生二次创伤；异体骨具有抗原性，可能出现免疫排斥反应而导致植入失败。近年来，发展迅速的组织工程学为骨缺损的修复提供了新的途径。组织工程作为一门新兴的交叉学科，其定义为：应用工程学和生命科学的原理和方法，认识哺乳动物正常和病理组织中的结构-功能关系，并开发生物替代品，用以恢复、维持或改善组织的功能和形态[1]。骨组织工程的基本原理是将成骨细胞作为种子细胞，种植到可降解并且具有良好生物相容性的支架材料上，然后将复合物移植进体内或者继续体外培养，成骨细胞经过增殖、分化等过程，形成成熟骨组织；同时，支架材料被逐渐降解，从而达到治疗骨缺损的目的。组织工程的核心在于种子细胞、支架材料、生长因子三大因素。在骨组织工程中，支架材料不但为种子细胞提供适宜的微环境，影响种子细胞的功能和生物学特性，还决定了移植后人工骨是否能与受体稳定地结合，从而达到治疗骨缺损的目的。因此，理想的支架材料是骨组织工程研究中的热点问题。本文将对几种常用的骨组织工程支架材料进行综述。

1 人工合成无机材料

1.1 羟基磷灰石（HAP）

羟基磷灰石是人体骨骼中主要的无机成分，是目前应用较为广泛的无机材料。其优点是有良好的生物相容性、化学稳定性和骨传导性，可与人体自然骨形成牢固的化学键合[2]。但力学性能较差，材料的抗弯强度低，脆性大，在生理环境中抗疲劳与破坏强度不高，为典型的脆性材料，使其应用受到一定限制[3]。 孟纯阳等[4]将纳米羟基磷灰石与聚酰胺66复合成人工骨，成功修复兔桡骨损伤。术后16周，支架材料网孔里已长满成熟的骨小梁，网孔间新生骨小梁相互连接。实验中，复合材料显示了良好的生物相容性、力学特征，以及骨传导性。张斌等[5]利用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合骨填充材料，修复114例良性骨肿瘤术后骨缺损。术后3个月，植骨愈合率65%；6个月后愈合率达到96.2%，证明了纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料具有良好的骨传导性。

1.2 β-磷酸三钙

β-磷酸三钙与羟基磷灰石一样属于钙磷陶瓷材料，仅仅因为钙/磷比不同而被区分。β-磷酸三钙有非常高的生物相容性，植入后与受体骨直接融合，无全身炎症反应，但其体内降解速度过快[6]。

孙伟等[7]将兔骨髓间充质干细胞与β-磷酸三钙复合培养，用于兔股骨头坏死模型，成功修复骨缺损。复合材料组术后6周新生骨从宿主骨长出，12周可见成熟骨组织的连续平行纤维结构网络及较多成骨细胞。表明磷酸三钙是良好的骨组织工程支架材料，可用于股骨头的修复。

1.3 生物活性玻璃（BG）

生物活性玻璃具有良好的生物相容性及骨传导性，生物活性高。此外，还具有良好的机械性能，抗压强度高，能为骨组织重建提供足够的强度，可用于承重部位的骨缺损修复[8]。张建新等[9]证明骨髓基质细胞复合生物活性玻璃构建的人工骨，可以很好地修复兔桡骨的损伤。在临床上，BG也有一定的应用。殷浩等[10]应用BG成功治疗了四肢骨不连和骨缺损患者83例，表明BG可在一定程度上替代自体骨移植。

1.4 磷酸钙骨水泥（CPC）

磷酸钙骨水泥是一类以各种磷酸钙盐为主要成分的无机材料。CPC与人类骨骼成分类似，生物相容性良好，骨传导能力强，无细胞毒性，而且具有随意塑形的特点。因此，CPC受到了广泛重视，临床应用也取得了令人满意的效果。目前，CPC主要应用于骨缺损修复、骨折治疗、口腔以及药物载体等领域。由于CPC解决了钙磷陶瓷材料难以降解、不能任意塑形的难题，所以CPC在修复骨缺损和骨填充方面应用颇多。1991年美国食品与药品监督管理局（FDA）批准在临床修复颅骨损伤中使用CPC[11]。此外，CPC还可作为药物的缓释载体，植入体内后可持续、稳定、缓慢地释放载体中的药物或生物因子，在促进骨损伤修复的同时还可以进行药物治疗。肖琦科等[12]将CPC作为骨形态发生蛋白2的载体，用以修复兔股骨踝骨缺损。结果表明，CPC能够作为骨形态发生蛋白2的良好载体材料，而且可以较好地修复兔股骨踝骨的缺损。

此外，其他的无机材料，如二氧化钛、碳纳米管等材料，也被用于不同领域的骨组织工程材料研究中。

2 人工合成高分子材料

目前，应用最广泛的人工合成高分子材料，主要有聚乳酸 （PLA）、聚羟基乙酸 （PGA）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）等。这几种材料的共同优点是有良好的降解吸收性和生物相容性，在体内逐步降解成乳酸和羟基乙酸等小分子物质，通过体内代谢排出。张雁儒等[13]将骨髓间充质干细胞种植到双层PLGA材料上，用于修复兔膝关节软骨缺损，结果显示骨缺损修复效果良好，表明PLGA可以作为软骨缺损修复的载体。尽管PLA、PGA和PLGA有良好的降解吸收性和生物相容性，但代谢产物均为酸性，对于体内微环境有一定干扰，对其进行改性处理，有助于解决体内降解过程中微环境过酸的问题。

3 天然高分子材料

目前，用于骨组织工程支架材料的天然高分子材料主要包括胶原、海藻酸盐和壳聚糖等。这些高分子材料有良好的生物相容性、可降解性、无毒，而且细胞亲和性好，有利于种子细胞的黏附、生长和扩增。但是这类材料的缺点是强度较差，力学性能不佳，而材料来自于生物体，可能会传播疾病，且由于材料来源不同，故质量的重复性较差。

3.1 胶原

胶原是一种天然蛋白质，是构成细胞外基质的骨架，广泛存在于骨、皮肤和血管等组织中。胶原为组织细胞提供支持作用，并与细胞的增殖分化有密切关系。胶原材料的优点是生物相容性好、免疫原性低、来源广、可降解吸收；缺点是力学性能较差，价格昂贵。所以，现阶段研究中为多与其他材料复合，以克服其不足。

崔运利等[14]将Ⅱ型胶原蛋白、透明质酸、硫酸软骨素和聚乙烯酸制作成复合材料，发现种子细胞在材料上分布均匀，支架的孔隙均匀，表明该复合材料可为种子细胞生长提供适宜环境，有良好的生物相容性。另外，Zou等[15]发现β-磷酸三钙/胶原复合物的降解速率可控，降解产物无毒性并可代谢排出，可能是比较理想的骨组织工程复合材料。

3.2 海藻酸盐

海藻酸盐是从天然海藻中分离获得的一类多糖，可在一定条件下形成具有网状结构的水凝胶，为细胞的增殖分化提供适宜环境。其来源丰富，具有良好的亲水性和易成形性；但力学强度较低，在生物体内难以降解，并且有一定的抗原性。羊书勇等[16]将骨髓基质干细胞接种于海藻酸盐，用于修复兔颅骨损伤。海藻酸盐复合物植入8周后，大部分骨缺损得以修复，表明海藻酸盐复合骨髓基质干细胞能提高骨缺损的修复效果。

3.3 壳聚糖（CTS）

壳聚糖是一种多糖，是自然界广泛存在的甲壳素经脱乙酰化后得到的产物。在体内酶的作用下，壳聚糖水解为无毒性的氨基葡萄糖。壳聚糖不仅有良好的生物相容性、可降解性、无毒性等优越性能，还有一定的抗炎和抗凝作用，可以促进细胞增殖和组织修复，有利于伤口的愈合。壳聚糖与其他材料的复合物在骨组织工程中已有广泛的应用，但是力学性能较差的缺点影响了壳聚糖在承重部位的应用。吕洪磊等[17]制成壳聚糖/羟基磷灰石/聚乳酸复合支架，接种293T细胞。发现复合支架材料有较高的孔隙率、力学性能良好、亲水性良好，种子细胞生长情况正常。

4 复合材料

由于每种材料都有其明显的缺点，所以常将几种生物材料通过一定的技术手段按一定比例组合，制成复合材料用以满足骨组织工程支架材料的要求。目前，应用较多的复合材料有不同类型材料的复合材料、添加活性因子的复合材料和纳米复合材料等。

4.1 不同类型材料的复合材料

单一材料都有明显的不足，例如胶原材料的机械强度较差、羟基磷灰石材料的脆性较大等。多种材料的复合，可保留各自的优点，克服各自的缺点，使复合材料具有良好的生物相容性、可降解性、高机械强度、易加工等优点，可以更好地应用于骨组织工程中。刘星纲等[18]应用多孔β-磷酸三钙/胶原复合材料修复兔下颌牙槽骨损伤，12周时骨缺损完全修复。表明多孔β-磷酸三钙/胶原复合材料可以有效、快速地修复兔下颌压槽骨损伤。另外，刘洪亚等[19]应用壳聚糖/羟基磷灰石复合材料成功修复兔关节软骨损伤，表明壳聚糖/羟基磷灰石复合材料可以促进关节软骨损伤的修复。

4.2 添加活性因子的复合材料

活性因子在骨修复过程中有重要作用，但是内源性活性因子不能满足需求，而外源性活性因子加入后会被很快降解。因此，将活性因子与支架材料复合，利用支架材料的缓释作用和降解性，使活性因子在较长时间段内保持有效浓度，以促进骨修复。崔玉明等[20]制成PLGA/BMP复合材料和胶原海绵/BMP复合材料，均可用于修复关节软骨损伤。

4.3 纳米复合材料

纳米技术是近年来备受关注的高新技术，纳米材料能赋予材料以新的性能。在骨组织工程中，将支架材料与纳米技术复合，已成为研究热点。沈铁城等[21]将纳米晶胶原骨材料用于修复骨缺损，发现纳米晶胶原骨材料有良好的生物相容性、骨传导作用，可用于临床上四肢粉碎性骨折造成的骨缺损。崔福斋教授团队在此基础上发明的“瑞福”纳米晶胶原基骨修复材料，2005年获得国家食品药品监督管理局发布的三类植入产品注册证，成为了国内第一个可以公开销售的医用纳米产品，在骨组织工程领域有重要的意义。

5 结束语

骨组织工程材料是离产业化较近的一种医疗器械产品。在骨愈合过程中，一些多孔的无机材料具有非常好的血管化效果和骨诱导效果。所以，对于骨组织工程而言，加强支架材料本身的结构和成分研究至关重要。优越的材料结构意味着细胞能良好地生长，并获得充分的血管化；良好的材料成分构成，则意味着材料将具有更好的降解特性和生物相容性。

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Research Progress of Material for Bone Tissue Engineering

HAN Qianqian,XUE Bin,WANG Han,SHI Jianfeng,WANG Ying,TANG Jinglong,WANG Chunren．Medical Device Control,National Institute of Food and Drug Control,CFDA,Beijing 102629,China.Corresponding author:WANG Chunren (E-mail:chunrenwang@263.net);TANG Jinglong (E-mail:tang-jinglong@163.com).

【Summary】Clinically,the bone defects may be caused by acutely trauma and bone tumor resection.In this situation,the self-repairing capability could not be enough for bone regeneration.The materials for bone regeneration are used for filling bone defects and induce bone repair.In the medical device registration regulation,these materials are belong to the classⅢmedical device.There are several products which had registration license of CFDA.In this paper,the materials used for the production of bone inducing products were summarized,including artificial inorganic materials,artificial polymer materials,natural polymer materials and composite materials.

Bone defect; Repair; Tissue engineering

Q813.1+2

B

1673－0364（2017）06－0343－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.06.012

102629 北京市 中国食品药品检定研究院。

王春仁（E-mail：chunrenwang@263.net）；汤京龙（E-mail：tang-jinglong@163.com）。

注：韩倩倩、薛彬为共同第一作者。

2017年10月23日；

2017年11月18日）