天然高分子衍生材料在骨组织修复领域的研究进展

冯星龙，王晓岚，张 余，夏 虹

综述

天然高分子衍生材料在骨组织修复领域的研究进展

冯星龙，王晓岚，张 余，夏 虹

天然高分子衍生材料具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨诱导能力，是骨替代材料的潜在发展方向之一。本文主要介绍胶原蛋白及明胶等胶原材料、丝蛋白、甲壳素及其衍生物、海藻酸盐等天然高分子衍生材料的特点、功能及其在骨组织修复领域的研究成果，同时对其应用前景进行展望。

胶原；丝蛋白；壳多糖；藻酸盐；骨代用品；生物相容性材料

较大骨缺损或创伤后并发症导致的缺损需要通过骨移植来进行修复和重建，以尽可能达到迅速有效恢复其结构和功能的目的，但目前临床上面临着自体骨和异体骨来源不足、异种骨及人工骨等材料生物相容性差等难题。随着材料科学和再生医学的迅速发展，研究者们逐渐将目光投向能够与机体形成良性互动的天然高分子衍生材料，它们具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨诱导能力，被认为是骨组织修复的良好替代材料[1]。现有的天然高分子衍生骨组织修复材料主要有蛋白（胶原、纤维蛋白胶、丝蛋白等）和多糖类（淀粉、藻酸盐、几丁质/壳聚糖、透明质酸衍生物等）[2]。本文围绕几种典型的天然高分子衍生材料，就其在骨组织修复领域的研究进展进行综述。

1 胶原材料

胶原蛋白及其衍生产物明胶是组织工程最常用的细胞外基质蛋白之一，其自带的官能团具有增强成骨细胞黏附和迁移的作用。与胶原蛋白相比，尽管明胶的生物活性较低，但生物相容性好，理化性能优异，溶解度高，价格低廉，因而在临床上具有更广泛的应用潜能。

近年来胶原蛋白或明胶与其他材料共混制备而成的复合材料也受到研究者们的普遍关注。Nguyen等[3]制备明胶钙磷酸盐纳米复合材料，其生物力学强度明显高于纯胶原蛋白，这种特性被认为是加入钙磷酸盐纳米粒子后，增加了材料刚度以及聚合物大分子与其表面的钙离子结合强度而形成的；Azami等[4]设计一种明胶羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）纳米粒子支架，具有与松质骨不相上下的机械强度，孔隙结构也呈现出较好的细胞黏附、迁移和渗透能力；Kikuchi[5]将运用滴定法制备的多孔HAP/明胶纳米复合材料应用于骨组织工程和骨组织修复，骨髓干细胞与MG63成骨细胞在纳米复合材料上的共培养结果表现出向破骨细胞分化的趋势；对胶原支架的骨传导结果则证实，阴离子型胶原基质能促进新骨形成，进而加速骨缺损修复过程[6]。但目前在研的胶原材料尚不能达到皮质骨的生物力学强度，可能在其临床运用时受到一定的限制。

2 丝蛋白

丝蛋白是一种生物相容性良好的天然高分子纤维蛋白。蚕丝蛋白具有可控的生物降解性能、显著的抗疲劳性及其与钢材相似的张力强度等，这些特性使其成为骨组织修复候选材料之一。Perrone等[7]和Rockwood等[8]已分别建立了从蚕茧中提纯丝蛋白的方法。

与其他材料复合可明显增强丝蛋白支架的理化性质，这已被组织工程学研究所证实，如将HAP微粒掺入丝蛋白海绵中，可显著增强支架的骨传导和机械性能[9-10]；体外研究结果亦表明，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells， BMSCs）、成纤维细胞和成骨细胞在丝蛋白混合支架材料上共培养时会向纤维软骨方向分化[11]。然而，大多数体外研究聚焦于二维支架材料上间充质干细胞（MSCs）的成骨分化和矿化能力，而对于创建类似于骨的动态组织的三维支架培养系统，则需要今后更为深入的研究。

近年来许多学者对丝蛋白植入物进行在体骨再生研究，结果表明，其可结合其他生物材料模拟天然骨环境，增加成骨的潜力。Fini等[12]以骨小梁的厚度、间隙、数量等作为评价依据，对丝蛋白凝胶修复兔大腿骨缺损的实验结果进行分析，结果显示，与传统材料相比，丝蛋白凝胶更有利于骨缺损的恢复，兔大腿骨成骨细胞也能很好地与丝蛋白材料结合。Perrone等[7]将蚕丝蛋白加工成长2.5 cm、直径0.4 cm的可吸收螺钉，置入大鼠股骨以修复骨折，术后4、8周的检测结果表明，丝蛋白螺钉生物相容性优异，能够促进骨重塑，同时表现出与聚乳酸螺钉相当的剪切性能。Shi等[13]将纯蚕丝蛋白制作成长1 cm、直径0.3 cm的可吸收螺钉，测验结果提示其具有良好的生物力学性能，置于兔股骨髁间后也表现出良好的生物相容性。上述动物在体实验结果均表明，丝蛋白材料具有优异的成骨性能，然而，相关的临床试验目前尚未开展，其在人体内的生物相容性、生物力学性能、成骨能力、可降解性及其所产生的毒副作用等，均有待进一步研究。

3 甲壳素及其衍生物

甲壳素及其衍生物是一类可降解的高分子物质，目前广泛应用于医药、化工环保、食品等方面，发展前景良好。

3.1 甲壳素

甲壳素提取自海绵动物门，是一种含量极为丰富的天然高分子材料，具有生物可降解性、生物相容性、可吸附性、抑菌性、抗肿瘤性及促进伤口愈合等功能[14-15]，在生物医用领域引起广泛关注。美国和日本对甲壳素类产品的研发较早，也处于领先地位，但由于提取成本较高、环境污染较大等缺陷，甲壳素类产品一直难有大规模的应用。我国对该材料的研究虽起步较晚，但发展迅速，尤其是Chang等[16]运用NaOH-尿素水溶液低温溶解纤维素及甲壳素的方法，提取纯天然甲壳素，完美地解决了上述难题。利用这种方式得到的甲壳素能够保留甲壳素分子的天然生物结构，不需表面修饰即可达到良好的生物相容性和抗菌性能，因此从理论上讲，具备了更为出色的骨组织生物材料性能。

体外实验研究表明，海藻酸钠-甲壳素晶体复合凝胶具有良好的生物相容性，成骨细胞在其表面黏附、伸展良好[17]；同时甲壳素还具有促进成骨细胞生长和富含矿物质基质沉积的特性。进一步研究甲壳素的化学改性，以及制备新的甲壳素复合材料，可使其在骨缺损修复领域大有可为。

3.2 壳聚糖

壳聚糖是一种从天然甲壳素中提取的聚阳离子型线性多糖，具有生物降解性可控、生物相容性好、变应原性低等性质，是一种很有前途的组织工程高分子材料，目前广泛应用于缝合线、伤口敷料、骨组织工程、药品及基因递送载体等生物医学领域[15,18-21]。有研究表明，壳聚糖-磷酸盐复合材料与多种骨髓基质细胞共培养时表现出良好的生物相容性，对细胞生长和增殖无不良影响[22]。其在修复骨缺损的同时，还与MSCs协同促进骨生成和血管化[23]。Ezoddini-Ardakani等[24]用壳聚糖粉末填充15只成年雄性大鼠右侧胫骨骨缺损，以未行处理的左下肢作为对照，结果显示，壳聚糖具有明显促进大鼠胫骨再生的作用，进一步证实了其优异的生物相容性和骨诱导性。

在骨组织工程研究中，壳聚糖主要被用来作为骨缺损修复及软骨修复支架材料，为组织修复的正常运行提供一定的机械和结构属性。Ariani等[25]采用冷冻干燥技术制备碳酸磷灰石壳聚糖支架（carbonate apatite-chitosan scaffolds，CA-ChSs），该支架具有相互连接的三维多孔结构，可增强成骨细胞的增殖和分化能力。而钙磷酸盐与壳聚糖结合则可制备出具有更强生物学特性的骨组织工程支架材料，如脱乙酰壳多糖/磷酸钙支架，生物力学测验提示其与人骨小梁具有相当的抗压强度，体外细胞实验则表明MG63细胞在该支架上的增殖、分化结果良好[26]。同样，与单纯壳聚糖相比，人骨髓MSCs与壳聚糖/HAP复合支架共培养表现出更高的增殖水平；Zhang等[27]制备具有三维导向结构的多孔壳聚糖/HAP复合支架，MC3T3-E1细胞系在其表面具有较高的增殖力、黏附力和碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性。虽然体内及体外实验均已证明壳聚糖具有促进骨修复的作用，应用前景良好，但纯天然壳聚糖生物力学性能较差，提取过程会产生大量的高浓度碱废液，严重污染环境。如能进一步提高壳聚糖骨修复材料的生物力学性能并改进其制备方法，将大大拓宽其在骨科领域的应用范围。

4 海藻酸盐

海藻酸盐是一种可从褐藻中获得的天然聚合物，具有生物相容性好、毒性低、无免疫原性和可控凝胶化等优点。实验结果表明，海藻酸盐、明胶和双相钙磷酸盐复合物具有优良的机械强度和良好的生物相容性，其凝胶化程度和降解时间均可调控[28-29]；而成骨细胞在磷酸钙骨水泥和海藻酸钠支架上共培养时则呈现出活跃的增殖潜能和成骨分化能力[30]；此外，含人脐血BMSCs的磷酸钙骨水泥/海藻酸钠复合糊状物已被证实具有与骨松质相当的机械强度，其所包含的BMSCs仍然具有增殖和成骨分化的能力，并产生高水平的ALP、骨钙蛋白和Ⅰ型胶原，促进成骨细胞特异性转录因子Osterix的基因表达等。Florczyk等[31]报道的体内试验用壳聚糖-藻酸盐支架填充Sprague-Dawley大鼠骨缺损，分别在4、16周进行micro-CT扫描，组织学和免疫组化染色结果表明，经该支架混合骨形态发生蛋白-2处理的大鼠16周时最大的缺损封堵高达70%。

5 展望

天然高分子衍生材料和骨组织工程的发展为骨缺损修复带来新的思路和方法。然而，天然高分子衍生材料单独应用于大段骨缺损并不能完全满足修复所需，与其他生物材料（钙磷无机材料等）复合后将具备更好的生物学特性和机械性能，使其在骨组织修复中的应用潜能大为提高。除以上介绍的材料之外，还有葡糖氨基葡聚糖、骨形态发生蛋白、结冷胶及其衍生物等具有较大骨缺损修复潜力的高分子材料。目前的相关研究主要聚焦于以天然高分子衍生物材料来模仿骨的层次结构和形态功能，但这些研究仍处于细胞实验、生物力学测试及动物实验阶段，缺乏临床应用证据。未来的研究方向将着重于优化材料的组成和结构、提高材料的机械性能和生物学性能等方面，并致力于深入认识天然复合材料与组织之间的相互作用，最终走向临床。随着医学科学研究和材料技术的发展，具有多种优良生物学特性的天然高分子衍生材料将会在骨组织工程的临床应用中发挥更大的作用。

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Research progress of natural polymer derived materials in bone tissue repair

FENG Xinglong*,WANG Xiaolan,ZHANG Yu,XIA Hong.*Department of Traumatology&Burn,Central Hospital of Panyu District,Guangzhou,Guangdong 511400,China

XIA Hong,E-mail:gzxiahong2@126.com

With good biocompatibility,degradability and certain osteogenic induction ability,natural polymer derived material has become one of the potential development directions in the field of bone substitute materials.In this paper,we mainly introduced the characteristics and functions of natural macromolecule materials such as collagen materials(collagen protein,gelatin,etc.),silk protein,chintin and its derivatives,as well as alginates,more importantly,we discussed the current progresses and the application prospects of these new materials in bone tissue repair.

Collagen;Silk protein;Chitin;Alginates;Bone substitutes;Biocompatible materials

R68，R318.17

：A

：1674-666X(2017)01-045-05

2017-01-05；

2017-01-30）

（本文编辑：白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.008

国家自然科学基金（21620102004）

511400广州市番禺区中心医院创伤烧伤科（冯星龙）；510010广州军区广州总医院骨科医院广东省骨科矫形技术与植入材料重点实验室（王晓岚，张余，夏虹）

夏虹，E-mail:gzxiahong2@126.com