二价阳离子掺杂羟基磷灰石的基础研究进展*

叶利远王会丹孟增东*

二价阳离子掺杂羟基磷灰石的基础研究进展*

叶利远1王会丹1孟增东2*

通过离子掺杂到羟基磷灰石（HA）可合成理化和生物性能更优良的无机复合物。本文将从基本特性、体外以及体内的生物学性能概述Mg2+、Zn2+、Sr2+三种二价阳离子掺杂HA骨修复材料的基础研究进展。掺杂Mg2+、Zn2+、Sr2+三种二价阳离子均增强HA的体外生物相容性、生物降解性和骨诱导性。此外，掺杂Zn2+提高HA的抗炎和抗菌性能，掺杂Sr2+提高HA的机械性能。Mg2+、Zn2+、Sr2+三种二价阳离子掺杂HA的动物体内实验均显示出良好的骨修复能力。

羟基磷灰石；锌；镁；锶

羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）是骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性、骨传导性和无毒性，因此在牙科、颌面外科和整形外科手术中得到广泛应用，可作为骨缺损的修复材料或钛、镁等金属植入物的涂层材料。标准化学计量的羟基磷灰石晶体属于六方晶系，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，结构式为[Ca4][Ca6][(PO4)6][OH2]，包含4个Ca（I）位置和6个Ca（II）位置[1]。然而，纯羟基磷灰石在临床应用上面临着力学性能较差、降解性低、骨诱导性不强等问题，因此不断有学者对羟基磷灰石进行性能的改善以满足实际的临床需求。其中，离子掺杂羟基磷灰石是近年来比较热门的研究方向，天然骨中的羟基磷灰石是非化学计量的缺Ca2+、PO43-或OH-的羟基磷灰石，CO32-、F-、Cl-、SiO44-可取代HA晶格中的PO43-或OH-，K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Sr2+、Fe2+、Ba2+、Cu2+可取代HA晶格中的Ca2+，通过离子掺杂到羟基磷灰石可以合成一种比纯羟基磷灰石更类似于天然骨组织的无机复合物。二价阳离子与羟基磷灰石中的钙具有相同的价电子，可取代HA晶格的Ca（I）位置和Ca（II）位置[2]。并且，二价阳离子在骨重塑过程中起到促进碱性磷酸酶（ALP）活性和钙化沉积的作用[3]。其中锌、锶和镁离子是目前研究较多的二价阳离子，研究证明，掺杂锌、镁、锶三种二价阳离子均增强羟基磷灰石的体外生物相容性、生物降解性和骨诱导性。此外，掺杂锌离子提高羟基磷灰石的抗炎和抗菌性能，掺杂锶离子提高羟基磷灰石的机械性能。本文将综合叙述这三种二价阳离子掺杂羟基磷灰石的国内外最新基础研究进展。

1 锌离子掺杂羟基磷灰石

锌是人体中的第二大微量元素，仅次于铁，主要分布在骨骼中，含量为110～300 g/kg[4]。锌在机体的抗氧化体系中具有重要作用。氧化应激会诱导成骨细胞凋亡[5]，而锌能在多方面抗氧化以保护细胞，例如，与锌相关的铜锌超氧化物歧化酶能有效清除过量自由基以防其造成细胞的氧化损伤[6]。锌也是骨骼系统正常生长和发展的一个重要微量元素，在体内外皆能促进成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的分化，10-14mol/L的锌离子浓度就能起到显著抑制骨吸收的作用[4]。合成的锌离子掺杂羟基磷灰石中，锌优先取代HA晶格中的Ca（II）位置，羟基磷灰石掺入锌离子后晶体结构并不会发生明显改变。随着掺锌量的增加，羟基磷灰石的晶粒尺寸和结晶度变小，溶解性变大[7]，这意味着锌离子掺杂羟基磷灰石比纯羟基磷灰石具有更良好的生物降解性。

1.1 锌离子掺杂对羟基磷灰石体外生物学性能的影响

1.1.1 低浓度的锌离子掺杂提高羟基磷灰石的促骨生成作用

国外学者Webster[8]的研究证明低浓度（2 mol%～7 mol%）的锌离子掺杂能增加羟基磷灰石的孔隙率，这种对羟基磷灰石的表面改性可以促进羟基磷灰石吸附玻连蛋白和胶原蛋白，而玻连蛋白和胶原蛋白能介导成骨细胞粘附在材料表面，因此低浓度的锌离子掺杂有助于促进羟基磷灰石吸附成骨细胞。锌离子掺杂羟基磷灰石吸附成骨细胞后，释放的锌离子能刺激成骨细胞分泌转化生长因子（TGF-），该因子能促进成骨细胞的活性和分化。此外，TGF-的增加又进一步促进了骨保护素（OPG）的分泌，OPG对破骨细胞分化因子RANKL具有高亲和力，RANKL与破骨细胞前体的受体RANK结合会启动细胞内信号转导以及促进破骨细胞的成熟与分化，因此OPG与RANKL的结合抑制了RANKL与RANK相互作用，从而抑制了破骨细胞的活性和骨的重吸收[9]。综上所述，低浓度的锌离子掺杂有利于刺激成骨细胞的增殖和分化，抑制破骨细胞的骨重吸收。尽管如此，应指出的是高浓度的锌离子是具有细胞毒性的，有研究指出在-掺锌磷酸三钙复合生物陶瓷中，锌含量超过1.20 wt%对成骨细胞MC3T3-E1具有细胞毒性[10]。但关于高浓度锌离子掺入羟基磷灰石是否会有类似的生物效应，尚缺研究证实，因为考虑到羟基磷灰石对锌离子具有缓释作用，可能使锌离子并不会暴释而产生细胞毒性。

1.1.2 锌离子掺杂羟基磷灰石具有抑制炎症作用

纯羟基磷灰石假体植入机体后有可能释放磨屑颗粒，磨屑颗粒被单核细胞吞噬后分泌的细胞因子会引发炎症反应，而Alexia[11]的研究证明羟基磷灰石掺入锌后能显著抑制这个炎症反应。Alexia利用脂多糖体外刺激单核细胞THP-1，通过ELISA检测THP-1吞噬梯度掺锌量Zn-HA颗粒后分泌的细胞因子，发现促炎因子肿瘤坏死因子(TNF-)、白介素1(IL-1)和白介素6(IL-6)的分泌量随着掺锶量的增加而降低，抗炎因子白介素8(IL-8)的分泌量随着掺锶量的增加而略微上升，表明羟基磷灰石掺入锌后能显著抑制磨屑颗粒所产生的炎症反应。

1.1.3 锌离子掺杂明显提高羟基磷灰石的抗菌性能

锌离子的抗菌活性机制为锌离子通过与微生物细胞膜蛋白的疏基、咪唑、氨基和羧基的结合以改变膜蛋白结构，进而引发膜渗透性病变，最终导致微生物细胞的死亡[12]。Vojislav[13]试验在液体培养基中Zn-HA对病原体菌株大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌作用，结果表明Zn-HA减少所有菌株的活细胞，Zn-HA释放的锌离子具有抗菌性。林英光[14]提出Zn-HA的抗菌性能与锌离子的浓度有关，当Zn-HA粉末的掺锌量在0.04 mol%以下时，Zn-HA仅在静态作用下对乳酸杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出抗菌作用；而掺锌量在0.08 mol%以上时，Zn-HA在动态和静态作用下皆表现出抗菌作用，并且抗菌性能随着掺锌量的增加而线性增强。

1.2 锌离子掺杂对羟基磷灰石体内生物学性能的影响

纯羟基磷灰石在生物体内的降解率约为每年10%，这导致新骨爬行替代缓慢，不利于骨缺损部位的骨修复，延迟了病人的术后恢复时间[15]。羟基磷灰石掺入适当浓度的锌后，提高了体内的生物降解性，同时刺激成骨细胞的增殖、分化及抑制破骨细胞的骨吸收，最佳的掺杂锌离子浓度可促进材料与宿主骨形成紧密的化学键合，使得材料降解速率与新生骨组织爬行替代速率一致。Monica[16]将纯HA、5 mol %Zn-HA和自体骨（金标准）分别植入大鼠颅骨缺损部位，HE染色发现180天Zn-HA的新生骨面积介于纯HA和自体骨之间。此外，纯HA的周围聚集较多纤维结缔组织，骨缺损形成后，机体的修复机制立刻启动，周边的成纤维细胞远快于成骨细胞移动到缺损部位，而成纤维细胞占据骨缺损区域空间过大会导致成骨量的减少，如果材料与宿主骨的界面不能形成化学键合，纤维结缔组织生成后会致使材料在植入的部位相对移动，最终材料的松动和被纤维组织包裹导致植入的失败[17]，因此，纯HA的周围聚集较多纤维结缔组织不利于材料的骨修复作用。而Zn-HA则与宿舍骨形成紧密的化学键合，未观察到大量纤维结缔组织，可得出Zn-HA释放的锌离子能促进材料与宿主骨的化学和生物的界面结合，增加新骨的形成面积。

也有学者利用锌离子掺杂羟基磷灰石的特性对其它骨修复材料的生物性能进行改善，且锌离子掺杂羟基磷灰石在其中仍然能保持良好的促骨生成作用。Joshua[18]将5 wt%Zn-HA粉末与明胶溶液混合制备Zn-HA/复合胶原膜，胶原膜可在骨缺损部位与软组织之间建立屏蔽，阻止移动速度较快的纤维细胞进入骨缺损部位，同时允许前体成骨细胞优先进入骨缺损部位，是一种诱导骨再生膜，被广泛运用于临床上的牙列缺损和缺失的修复治疗[19]。在Joshua的实验中，复合胶原膜与胶原膜分别被植入大鼠颅盖骨缺损部位，6周后X-ray CT分析显示复合膜的骨缺损部位的新生骨填充比例(80±2)%显著高于胶原膜(60±5)%；HE染色观察到Zn-HA/胶原复合膜和胶原膜的内部都未发现成纤维细胞，复合膜周围未发生炎症和异物反应，新生骨先在复合膜的表面成骨后向内部生长，骨形成分布良好，多为成熟骨，新生骨的厚度与宿主原始的自体骨基本一致，而胶原膜的新生骨数量则非常有限，与复合膜相比，胶原膜的新生骨结构不成熟，表明胶原膜复合锌离子掺杂羟基磷灰石后，Zn-HA能持续地在骨缺损部位释放锌离子以刺激新骨形成，具有良好的生物相容性和促骨生成作用。

2 镁离子掺杂羟基磷灰石

镁是骨组织的无机成分一个重要的微量元素，在软骨和骨组织的成骨初始阶段镁含量总计高达2 wt%，在牙釉质、牙本质和骨骼中分别为0.44 wt%、1.23 wt%和0.73 wt%。镁缺乏不利于骨骼的新陈代谢，会造成骨生长停止、成骨细胞活性降低、骨质疏松和骨脆性[20]。合成的镁离子掺杂羟基磷灰石中，Mg优先取代HA晶格的Ca（II）位置，并且这个倾向随着掺镁量的增加更加明显。由于Mg2+（0.069 nm）半径小于Ca2+（0.099 nm），因此Mg取代Ca后，HA晶格的晶粒尺寸和结晶度变小，溶解性变大，羟基磷灰石的生物降解性也相应提高[21]。

2.1 镁离子掺杂对羟基磷灰石体外生物学性能的影响

镁离子掺杂羟基磷灰石具有良好的生物相容性，低浓度的镁离子对羟基磷灰石具有良好的促骨生成作用。李志宏[22]利用MTT法观察梯度掺镁量0.5 wt%~20 mol%Mg-HA晶体的细胞毒性，结果表明不同掺镁量Mg-HA的细胞毒性评级为0或1级，均未表现明显的细胞毒性，具有良好的生物相容性。低浓度的镁离子掺杂同样能通过增加羟基磷灰石的孔隙率对羟基磷灰石表面改性，促进玻连蛋白和胶原蛋白的吸附，进而促进成骨细胞的吸附[8]。研究已证实镁能促进成骨细胞的活性和抑制破骨细胞的增殖[23]，但其中的分子机制目前尚不明确，有学者指出镁离子通过激活PI3K/Akt信号通路上调p-Akt的表达水平，进而促进成骨细胞的活性和分化[24]。Serre[25]则指出高浓度(20 wt%)的镁离子掺杂羟基磷灰石对骨细胞有毒性作用，抑制细胞外基质钙矿物的形成，因此Mg2+浓度过高反而不利于促进成骨效应和诱导骨生长。

2.2 镁离子掺杂对羟基磷灰石体内生物学性能的影响

镁离子掺杂羟基磷灰石在生物机体内具有良好的生物降解性和理想的骨修复效果，但和锌离子掺杂羟基磷灰石一样，目前还停留在动物实验阶段，在临床上尚未有实际应用。Elena[26]将5.7 mol%Mg-HA和纯HA颗粒分别填充在新西兰白兔的股骨缺损部位，结果显示Mg-HA组4周新生编织骨从材料表面向内部生长，8～12周成熟的层状骨取代编织骨，可观察到血管浸润，12周Mg-HA几乎完全降解，骨重塑完成。而纯HA组虽然出现了成熟骨，但HA颗粒并没有发生降解。该实验表明与纯HA相比，Mg-HA表现出更好的骨传导性和生物降解性，更适合作为骨缺损修复材料。此外，也有学者把镁离子掺杂羟基磷灰石运用到金属种植体的表面涂层，Li[27]通过溶胶凝胶法在纯钛种植体表面制备纯HA和10 mol%Mg-HA涂层，分别植入去势SD大鼠股骨远心端。12周VanGieson染色显示2组种植体表面均有明显新骨形成，但Mg-HA组表面存在更多的骨小梁，Micro-CT分析显示Mg-HA组周围的骨小梁结构、骨整合情况较好，骨整合率、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量和连接密度均高于纯HA组，生物力学测试显示Mg-HA组的骨界面剪切强度(2.63±0.25)N/mm2明显高于纯HA组(2.22±0.33)N/mm2。这些结果表明，与纯HA涂层比较，Mg-HA涂层能明显提高骨整合程度，增加种植体的周围骨量和稳固性。

3 锶离子掺杂羟基磷灰石

锶在人的身体质量中占0.00044%，属于微量元素，在骨矿化中起到至关重要的作用，是治疗骨质疏松症最有效的物质之一。稳定锶具有无毒性，可以体内长时间高剂量给药。研究证明锶具有刺激成骨细胞分化和抑制破骨细胞活性、骨吸收的双重作用，新开发的药物雷尼酸锶已成功用于治疗骨质疏松症[28]。合成的锶离子掺杂羟基磷灰石中，Sr优先取代Ca(II)位置，并且这个倾向随着掺锶量的增加更明显，而在较低掺锶量(低于5 mol%)中Sr优先取代Ca（I）位置。掺锶量低于1.5 mol%基本不会改变晶体结构和结晶度，显示出与HA类似的单相位谱；但是当掺锶量达到15 mol%时会诱导HA掺入HPO42-和CO32-，造成晶粒尺寸和结晶度显著降低。掺锶量低于25 mol%，晶粒尺寸随掺锶量的增加而线性降低；掺锶量高于25 mol%时，晶粒尺寸随掺锶量的增加而线性增加[29]。

3.1 锶离子掺杂对羟基磷灰石机械性能的影响

锶能显著提高羟基磷灰石的机械性能，尤其是在硬度方面，当少量锶对钙进行置换之后，在一定程度上减少了羟基磷灰石的晶格缺陷，从而使原子间的排列更加紧密，起到了一定的强化的作用[30]。羟基磷灰石质脆，作为骨修复材料只能填充在非承力部位，而少量锶的掺杂意味着羟基磷灰石能在更多的机体部位上得到应用。Kim[31]制备出8 mol%Sr-HA，发现掺锶后羟基磷灰石的维氏硬度从5.2 GPa增加到5.5 GPa。Shen[32]通过水热法制备梯度掺锶量0 wt%~5 wt% Sr-HA晶须并加入磷酸钙水泥中，发现复合磷酸钙水泥的抗压强度呈线性增加，5 wt%Sr-HA复合水泥的抗压强度（2.92MPa）比纯HA复合水泥（1.38 MPa）高出两倍多。Ni[33]制备出基本成分为10 mol%Sr-HA的生物活性骨水泥，疲劳破裂测试表明Sr-HA骨水泥的断裂韧度（1.62±0.25）MPa ·m1/2明显高于商用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥（1.03±0.15）MPa·m1/2。Hao[34]制备出含锶量20 mg/mL的Sr-HA/胶原复合膜，力学测试表明其极限强度、抗拉强度和延伸率高于或约近于胶原膜的2倍。

3.2 锶离子掺杂对羟基磷灰石体外生物学性能的影响

锶离子不仅可通过OPG/RANKL/RANK信号通路促进成骨细胞的活性及抑制破骨细胞的分化和活性，还可通过激活经典的Wnt/-catenin（简称Wnt）信号通路促进成骨细胞的增殖和分化。Wnt通路在成骨细胞的增殖和分化中起到重要作用，锶离子可通过激活Wnt通路上调Wnt通路的相关因子Wnt3a、-catenin和RUNX2的表达，其中RUNX2作为成骨细胞成熟的重要转录因子，在成骨细胞分化的多条信号通路中起到核心作用[35]。学者Yang[36]还发现锶离子可以通过Wnt通路诱导间充质细胞定向成骨分化，在锶离子的作用下，细胞的ALP活性增强和胶原含量表达升高，Wnt通路中的转录因子-catenin表达水平升高。因此，锶离子激活Wnt通路的直接效应是促进成骨细胞和间充质干细胞的成骨分化和增殖，锶离子掺杂对羟基磷灰石有利于骨质重建再生。Capuccini[37]采用水热法合成0、1、3、7 at%Sr-HA薄片，分别与成骨细胞MG-63、破骨细胞复合培养，发现3-7 at%显著促进成骨细胞ALP活性、I型胶原蛋白含量的增加和骨钙素的表达，另一方面，破骨细胞的活性则随掺锶量的增加而降低，即使1 at%也能影响破骨细胞的增殖，证明Sr-HA的锶离子对成骨细胞和破骨细胞具有双重调节作用。高建勇[38]发现5%和10%的Sr-HA能有效提高羟基磷灰石的生物学活性，对成骨细胞的黏附、增殖和分化有明显的促进作用，但当掺锶量在10%以上时，这个作用并不会显著增强甚至可能减弱，提出锶离子可能负反馈调节成骨细胞的分化，即锶离子在体内促进成骨细胞分化的作用存在一个有效浓度范围，但其中的作用机制尚待进一步从分子水平上进行阐明。

3.3 锶离子掺杂对羟基磷灰石体内生物学性能的影响

与锌、镁离子掺杂羟基磷灰石相比，锶离子掺杂不仅提高羟基磷灰石在体内的促骨生成作用，还显著增强羟基磷灰石的机械性能。Ni[33]将10 mol%Sr-HA骨水泥和PMMA骨水泥分别应用于山羊髋关节置换，扫描电镜分析显示PMMA骨水泥与宿主骨的界面有一层明显的纤维组织，而Sr-HA骨水泥与宿主骨直接紧密结合，骨结合界面未发现纤维组织长入，这代表着更好的应力传递、剪切力的增加、克服应力屏蔽以及降低骨结合界面出现磨屑颗粒的可能性；生物力学测试显示Sr-HA骨水泥的骨结合强度（3.36±1.84）MPa明显高于PMMA骨水泥（1.23±0.73）MPa，表明Sr-HA骨水泥无论是生物相容性还是力学性能都优于传统商用的PMMA水泥。

此外，锶离子掺杂羟基磷灰石还应用到与其它生物材料进行复合，或作为金属种植体的表面涂层，从而更好地提升其它生物材料的骨修复效果。Hao[34]将含锶量20 mg/mL的Sr-HA/胶原复合膜与胶原膜分别植入大鼠颅盖缺损部位，Micro-CT和HE染色显示4周复合膜刺激成骨细胞增殖、血管再生，编织骨沉积和层状骨形成，而胶原膜还停留在新生编织骨阶段，表明Sr-HA/胶原复合膜比胶原膜具有更显著的引导骨再生优势。Li[39]通过化学沉淀法制备纯HA和10 mol %Sr-HA种植体，分别植入去势SD大鼠右侧股骨远心端，Micro-CT和HE染色分析表明与纯HA相比，10 mol%Sr-HA种植体周围的骨密度、骨小梁的微结构以及与宿主骨的连接度都显著增加，表现出更好的骨诱导性和骨结合能力。

4 结语与展望

羟基磷灰石在骨修复材料领域中具有广阔的应用前景，二价阳离子掺杂羟基磷灰石也是近年来的研究热点，本文明确地表明锌、镁、锶三种二价阳离子掺杂羟基磷灰石比纯羟基磷灰石在生物相容性、生物降解性和骨引导性具有更显著的优点。此外，掺杂锌离子提高羟基磷灰石的抗炎和抗菌性能，掺杂锶离子提高羟基磷灰石的机械性能。二价阳离子掺杂羟基磷灰石虽然目前取得了不少的研究成果，但研究比较集中于物化性质，关于体外和体内的综合生物学评价研究还是有限，距离实际的临床应用还有较大的差距，对此，提出以下建议：将种子细胞种植在二价阳离子掺杂羟基磷灰石支架材料上，种子细胞、诱导因子和支架材料是构建组织工程骨的三大要素，现较为理想的种子细胞是骨髓间充质干细胞，利用具有诱导成骨作用的二价阳离子作为诱导因子，诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞、骨细胞、软骨细胞等多种组织细胞分化[40]，从而加速羟基磷灰石的骨修复进程。通过综合不同离子的物理和生物学性能优势制备新型多离子共掺杂羟基磷灰石生物材料，目前已有学者尝试将镁和钴双离子共掺杂羟基磷灰石促进成骨和血管生成[41]，镁和硅酸根、碳酸根离子共掺杂羟基磷灰石大幅度降低结晶度、提高溶解性，长远看来，多离子共掺杂将是未来离子掺杂羟基磷灰石生物材料研究的重要发展方向。希望在不久的将来，二价阳离子掺杂羟基磷灰石能运用到临床上，为人类带来更多的福祉。

[1]Metwally H A,Ardazishvili R V,Severyukhina AN,et al.The Influence ofHydroxyapatite and Calcium Carbonate Microparticleson the Mechanical Properties of Nonwoven Composite Materials Based onPolycaprolactone[J].BioNanoScience,2015,5(1):22-30.

[2]Ratnayake J T B,Mucalo M,Dias G J.Substituted hydroxyapatites forbone regeneration:Areview of current trends[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials,2016.

[3]upová M.Substituted hydroxyapatites for biomedical applications:A review[J].Ceramics International,2015,41(8):9203-9231.

[4]Thian E S,Konishi T,Kawanobe Y,et al.Zinc-substituted hydroxyapatite:a biomaterial with enhanced bioactivity and antibacterial properties[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2013,24(2):437-445.

[5]王小菊，冯正平.氧化应激对成骨细胞功能的影响[J].中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志，2015(2):168-173.

[6]李宜珈，杨暄，许文涛.锌对细胞损伤的保护机制研究进展[J]. Hans Journal of Foods&snutrition Science,2014,03(04):57-63.

[7]Iqbal N,Kadir MR A,Mahmood N H,et al.Characterization,antibacterial and in vitro compatibility of zinc–silver doped hydroxyapatite nanoparticles prepared through microwave synthesis[J]. Ceramics International,2013,40(3):4507-4513.

[8]Webster T J,Ergun C,Doremus R H,et al.Hydroxylapatite with substituted magnesium,zinc,cadmium,and yttrium.II.Mechanisms of osteoblast adhesion[J].Journal of Biomedical Materials Research,2002,59(2):312-317.

[9]Shepherd D V,Kauppinen K,Brooks R A,et al.An in vitro study into the effect of zinc substituted hydroxyapatite on osteoclast number and activity[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2014,102(11):4136-4141.

[10]Ito A,Ojima K,Naito H,etal.Preparation,solubility,and cytocompatibility ofzinc-releasing calciumphosphate ceramics[J].JournalofBiomedicalMaterials Research PartA,2000,50(2):178-183.

[11]Grandjean-Laquerriere A,Laquerriere P,Jallot E,et al.Influence of the zinc concentration of sol–gel derived zinc substituted hydroxyapatite on cytokine production by human monocytes in vitro [J].Biomaterials,2006,27(17):3195-3200.

[12]Wu C,Labrie J,Tremblay YD N,et al.Zinc asan agent for the prevention of biofilm formation by pathogenic bacteria[J].Journal of Applied Microbiology,2013,115(1):30-40.

[13]Stani V,Dimitrijevi S,Anti-Stankovi J,et al.Synthesis,characterization and antimicrobial activity of copper and zinc-doped hydroxyapatite nanopowders[J].Applied Surface Science,2010, 256(20):6083-6089.

[14]林英光，杨卓如，程江.纳米掺锌羟基磷灰石的制备及抗菌性能[J].华南理工大学学报（自然科学版），2007，35(07):67-71.

[15]Eliaz N,Sridhar T M,Mudali U K,et al.Electrochemical and electrophoretic deposition of hydroxyapatite for orthopaedic applications[J].Surface Engineering,2013,21(3):238-242.

[16]Calasans-Maia M,Fernandes G,Rossi A M,et al.Effect of hydroxyapatite and zinc-containing hydroxyapatite on osseous repair of critical size defect in the rat calvaria[C].Key Engineering Materials,2008:1273-1276.

[17]Noguchi H,Watanabe A,Funayama T,et al.A Novel Unidirectional Porous Hydroxyapatite Cylinder Implanted in the Dorsal Muscles of Dogs Promotes Fibrous Tissue Vascularization and Invasion[J].Key Engineering Materials,2012,529-530:275-278.

[18]Chou J,Komuro M,Hao J,et al.Bioresorbable zinc hydroxyapatite guided bone regeneration membrane for bone regeneration[J].Clinical Oral Implants Research,2016,27(3):354-360.

[19]Miyahara T,Nyan M,Shimoda A,et al.Exploitation ofa novelpolysaccharide nanogel cross-linking membrane for guided bone regeneration（GBR）[J].Journal of Tissue Engineering&Regenerative Medicine,2012,6(8):666-672.

[20]Yoshizawa S,Brown A,Barchowsky A,et al.Magnesium ion stimulation of bone marrow stromal cells enhances osteogenic activity,simulating the effect of magnesium alloy degradation[J]. Acta Biomaterialia,2014,10(6):2834-2842.

[21]Mensah-Darkwa K,Gupta R K,Kumar D.Mechanical and Corrosion Properties of Magnesiume-Hydroxyapatite（MgeHA）Composite Thin Films[J].Journal of Materials Science&Technology,2013,29(9):788-794.

[22]李志宏，黄姝杰，武继民，等.含镁羟基磷灰石的制备与性能研究[J].功能材料，2010，41(04):700-703.

[23]BondarenkoA,Angrisani N,Meyer-Lindenberg A,et al.Magnesium-based bone implants:Immunohistochemical analysis of peri-implant osteogenesis by evaluation of osteopontin and osteocalcin expression[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2014,102(5):1449-1457.

[24]Su NY,Peng TC,TsaiP S,etal.Phosphoinositide 3-kinase/Aktpathway isinvolved in mediating the anti-inflammation effectsofmagnesium sulfate[J].JournalofSurgicalResearch,2013,185(2):726-732.

[25]Serre C M,Papillard M,Chavassieux P,et al.Influence of magnesium substitution on a collagen–apatite biomaterial on the production of a calcifying matrix by human osteoblasts[J]. Journal of Biomedical Materials Research,1999,42(4):626-633.

[26]Landi E,Logroscino G,Proietti L,et al.Biomimetic Mg-substituted hydroxyapatite:from synthesisto in vivo behaviour[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2008,19(1):239-247.

[27]Li X,Li Y,Liao Y,et al.The effect of magnesium-incorporated hydroxyapatite coating on titanium implant fixation in ovariectomized rats[J].International Journal of Oral&Maxillofacial Implants,2014,29(1):196-202.

[28]Pemmer B,Roschger A,Wastl A,et al.Spatial distribution of the trace elements zinc,strontium and lead in human bone tissue[J]. Bone,2013,57(1):184-193.

[29]Fayyaz M,Iqbal W,Irfan M,et al.A process for the development of strontium hydroxyapatite[C].IOP Conference Series MaterialsScience and Engineering,2014:2692-2704.

[30]Krishnan V,Bhatia A,Varma H.Development,characterization and comparison of two strontium doped nano hydroxyapatite molecules for enamel repair/regeneration[J].Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials,2016,32(5):646-659.

[31]Kim H W,Koh Y H,Kong Y M,et al.Strontium substituted calcium phosphate biphasic ceramics obtained by a powder precipitation method[J].Journal of Materials Science Materials in Medicine,2004,15(10):1129-1134.

[32]Shen Y,Liu J,Lin K,et al.Synthesis of strontium substituted hydroxyapatite whiskers used as bioactive and mechanical reinforcement material[J].Materials Letters,2012,70(3):76-79.

[33]Ni G X,Chiu K Y,Lu W W,et al.Strontium-containing hydroxyapatite bioactive bone cement in revision hip arthroplasty[J]. Biomaterials,2006,27(24):4348-4355.

[34]Hao J,Acharya A,Chen K,et al.Novel bioresorbable strontium hydroxyapatite membrane for guided bone regeneration[J].Clinical Oral Implants Research,2015,26(1):1-7.

[35]Cai T,Sun D,Ying D,et al.WNT/-catenin signaling promotes VSMCs to osteogenic transdifferentiation and calcification through directly modulating Runx2 gene expression[J].Experimental Cell Research,2016,345(2):206-217.

[36]Yang F,Yang D,Tu J,etal.Strontium enhancesosteogenicdifferentiation ofmesenchymalstemcellsand in vivo boneformation by activating Wnt/ catenin signaling[J].STEMCELLS,2011,29(6):981-991.

[37]Capuccini C,Torricelli P,Boanini E,et al.Interaction of Sr-doped hydroxyapatite nanocrystals with osteoclast and osteoblast-like cells[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2009, 89A(3):594-600.

[38]高建勇，田刚，朱强，等.锶掺杂改性羟基磷灰石的生物学性能研究[J].第二军医大学学报，2016(02):138-144.

[39]Li Y,Shui X,Li Z,et al.Cancellous bone healing around strontiumdoped hydroxyapatite in osteoporotic rats previously treated with zoledronic acid[J].Journal ofBiomedicalMaterials Research PartB Applied Biomaterials,2015,104(3):476-481.

[40]Chiu L H,Lai W F,Chang S F,et al.The effect of type II collagen on MSC osteogenic differentiation and bone defect repair[J].Biomaterials,2014,35(9):2680-2691.

[41]Kulanthaivel S,Mishra U,Agarwal T,et al.Improving the osteogenic and angiogenic properties ofsynthetic hydroxyapatite by dual doping of bivalent cobalt and magnesium ion[J].Ceramics International,2015,41(9,Part A):11323-11333.

Recent developments of experimental studies in divalent cations doped hydroxyapatite

Ye Liyuan1,Wang Huidan1,Meng Zengdong2.1 Faculty ofMedicine,Kunming University ofScience and Technology, Kunming Yunnan,650032;2 First People's Hospital of Yunnan Provience,Kunming Yunnan,650032,China

Doping ions into hydroxyapatite can synthesize an inorganic composite whose physicochemical and biological properties can be more excellent.This paper summarizes progress of three kinds of divalent cations doped hydroxyapatite on basic properties,in vitro and in vivo biologicalproperties.The biocompatibility,biodegradability and osteoconductivity ofhydroxyapatite were enhanced by doping zinc,magnesium and strontium in vitro.In addition,doping zinc ions increases the performances ofhydroxyapatite'santi-inflammatory and antibacterial.Doping strontium ions increases the performancesof hydroxyapatite'smechanical.Zinc,magnesium and strontium,these divalentcations doped hydroxyapatite in vivo experiments showed good bone repair capacity.

Hydroxyapatite;Zinc;Magnesium;Strontium

R318

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.03.017

swgk2016-08-00200

2016-08-22)

2013年云南省应用基础研究计划重点项目（2013FA057）；2015年云南省科技厅-昆明医科大学应用基础研究联合资金项目（2015FB094）

1昆明理工大学医学院，云南昆明650032；2云南省第一人民医院，云南昆明650032

叶利远（1992-）男，硕士。研究方向：生物材料。

*[通讯作者]孟增东（1971-）男，博士。研究方向：骨外科。