骨修复生物材料临床研究进展

陈岩松 陈 哲 王硕凡

植入融合材料在临床上应用广泛，研究[1]表明，在骨性融合中生物骨材料植骨与自体骨移植植骨相当，却明显降低了复位后骨缺损较大，形成“空壳样变”及二次手术的风险，同时能更好地改善椎体功能障碍指数。近几十年来，已经开发了自体骨、各种同种异体移植和合成移植物，包括脱矿骨基质、胶原、磷酸钙（羟基磷灰石和b-磷酸三钙）、陶瓷、硫酸钙和生物可降解聚合物。不同植入物植入体内与组织有着不同程度融合，人体也对植入物也存在着不同程度的免疫反应。通过比较合成骨移植替代品、自体骨移植或同种异体移植物用于治疗骨缺损的效果和安全性选择移植材料，骨愈合和椎间融合取决于移植物的特性[2]。评价合成生物材料对骨愈合的安全性和优越性的依据是评价骨缺损术后的稳定性和人体对移植物的免疫排斥反应[3]。因此，关于使用这些合成材料的定论或建议应该是谨慎的并在临床证据限制范围内。

1 自体骨

现自体骨依据来源不同可分为松质骨、皮质骨、皮质松质骨，此外还有带肌蒂骨移植、吻合血管移植骨等多种不同类型。尽管自体移植物具有比同种异体移植物更高的融合速率和更低的间隙塌陷率[4]，但自体骨来源相对较窄，手术过程中容易产生疼痛、出血、感染或瘢痕等并发症[5]，术后并发症高达30%[6]，自体骨的移植不仅需要患者承受额外的手术创伤，还会增加手术时间，并不能在临床上获得良好的运用。髂嵴骨移植患者仍需经历供体部位6周时的疼痛，在某些情况下延长至术后36个月[3]，有研究[7]指出，在自体骨中，颅骨移植并发症率较低，但它必须由有经验的医师进行，以减少神经损伤的风险。松质骨是脊柱融合术中较为理想的移植骨，该材料能够最大限度的保留成骨细胞[8]，并且能够与自体存在良好的生物相容性，成骨速度也比较快[9]，具备骨生成特性：拥有大量的成骨细胞、破骨细胞等细胞能够促进骨生成；骨诱导特性：其结构为由胶原蛋白I、骨基质等构成多孔的三维立体结构能够诱导血管长入，特别是骨膜带血管的自体骨有助于快速进行骨诱导，促进骨形成，促进骨融合增加其稳定性；骨传导特性：基质或细胞中含有大量骨诱导蛋白可诱导未分化细胞分化为成骨细胞促进骨的生成。皮质骨对比与松质骨其成骨细胞及干细胞较少，组织更致密，因此其骨生成、骨诱导、和骨传导特性较差。但能够提供更大的机械支持力。

2 同种异体骨

同种异体骨较自体骨具有取材广泛，不受限制，具备缩短手术时间，减少术后发病率及缩短住院时间的优势[10]，也具备骨形态发生以及骨诱导作用等优点，根据不同的植骨部位可选择不同形状、不同构造的同种异体骨，因此在近几年同种异体骨已被大量脊椎融合手术应用[11]。有研究[12]证明，同种异体间充质基质细胞分化成软骨细胞系，产生硫酸糖胺聚糖和单碘乙酸可以减少疼痛和促进软骨的形成。按照制备的方法不同，同种异体骨的早期严重并发症是免疫排斥反应，异体骨移植免疫排斥的病理组织学表现为慢性炎细胞浸润和血管病变，发生局部交叉感染而出现血管病变可能是异体骨移植失败的主要原因[13]。同种异体骨可分为新鲜骨、深冻骨和冻干骨。虽然深冻骨移植部位成骨细胞活性增强，可减低免疫排斥反应，但深冻骨非常脆，具有移植物碎裂，沉降等问题[6]，不能在术中随意塑形。并且有疾病传播可能，且制备成本相对较高。使用羟基磷灰石和同种异体骨行椎体间融合的融合率分别为48.8%和51%[14]。

3 骨移植代替材料

3.1 陶 瓷 硫酸钙、生物活性玻璃和磷酸钙类是现代研究较多的陶瓷材料。硫酸钙因不可预测的生物降解性，及在体内释放大量硫酸根离子造成的不良反应在临床应用较少[15]。生物活性玻璃脆性较高[16]，具有移植物碎裂，沉降和融合处稳定性下降等问题。磷酸钙水泥的化学成分非常类似于骨细胞外基质的矿物成分因此被广泛地研究作为骨组织工程支架，但其重塑成骨的能力有限[17]。在对高龄的椎体压缩性骨折的患者进行手术时，开放手术治疗由于软组织创伤较大、螺钉固定强度不足、并发症发生率较高、手术时间增加等因素受到限制，在缺少其他刺激因素的条件下，在植入陶瓷数月后，才能发现植骨融合，骨折再发的可能性也会大大增加，患者的术后康复及生活质量会进一步受到影响，所以对早期植骨融合的稳定性有待考量。有研究[18]发现，与其他类型的无水泥全髋关节置换术相比，使用陶瓷植骨的患者术后满意结果率显着降低，并发症发生率相对较高。所以陶瓷的应用有待临床进一步考量。

3.2 胶 原 骨的有机基质的主要组成是I型胶原（90%干重）、大量非胶原基质蛋白、至少两种糖蛋白（二聚糖和核心蛋白多糖）和一些次要胶原（主要是III型和X型）。I型胶原具有良好的骨传导性[19]，缺少I型胶原可能发生成骨不全症类型的遗传性疾病，且其溶解能力较低且骨脆弱性较高，患者通常有多处骨折或肢体畸形[20]。有研究[21]表明，胰岛素原C肽通过激活成骨细胞和其调节骨重塑蛋白的表达可以防止I型胶原的表达的减少。

骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）以I型胶原作为载体，可诱导骨髓间充质干细胞产生新的骨组织，且此类骨组织在组织和功能上和自体骨完全一致[22]。骨形态发生蛋白，属于转化生长因子β（TGF-β）超家族，显示出在成骨部位促进细胞聚集和诱导分化成成骨细胞的巨大的潜力。

重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）复合材料是近年来研究较多的一种复合材料，它是一种可溶的、低分子跨膜糖蛋白，在机体内具有良好的成骨作用[23]。rhBMP-2复合体能够促进脊柱愈合，能够获得较高脊柱融合强度[24]，rhBMP-2能够有效提高成骨分化相关因子碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白的合成与分泌，促进成骨分化[25]。虽然使用的rhBMP-2在后腰椎间融合不被美国食品和药物管理局批准，但是北部美国脊椎学会建议将其用于辐射暴露，吸烟和患糖尿病和高血压的患者或具有骨不愈合的高风险的患者，包括接受多节段融合手术，老年骨质疏松症的患者。但rhBMP-2具有较多的并发症主要是异位骨化、骨溶解、硬膜外囊肿形成、淋巴炎等具有rhBMP-2诱导的根性炎症。其他报告指出这些并发症可能与使用的较高剂量有关[26]。

骨形态发生蛋白-7（BMP-7）是转换生长因子-β家族的一员，现代研究[27]证实，它不仅能够促进骨缺损愈合，还能刺激植骨部位的间充质干细胞诱导骨形成，BMP-7可以以去矿物质冻干同种异体骨为载体，并且在早期促进成骨细胞分化。BMP-7在椎体骨折的治疗中，合成骨移植材料使用可以促进骨愈合，改善患者生活质量。BMP-2，-6和-7可以诱导人体牙周韧带干细胞的骨组织相关基因mRNA表达和矿化[28]。

骨形态发生蛋白-9（BMP9）也被称为生长和分化因子2（GDF-2），最近被确定为能够在体外和体内诱导成骨分化和骨形成的[29]。BMP-9促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径可能起着充质干细胞诱导成骨（MSCS）至关重要的作用[30]，其中c-Jun N-末端激酶（JNK）途径可能涉及的有效成骨活性。JNK抑制由特异性抑制剂SP600125或腺病毒表达靶向JNK（ADR-SI-JNK）显著下降BMP9诱导的基因和小干扰RNA（siRNA）蛋白质的早期和晚期成骨标记物，如侏儒相关表达式转录因子2（Runx2），碱性磷酸酶（ALP），骨桥蛋白（OPN）和骨钙蛋白（OCN）[31]。我们还证实异位JNKs信号通路的体内积极作用骨通过注射到无胸腺裸鼠和BMP9体外基因递送的肌肉hPDLSCs诱导形成[31]。

3.3 高分子聚合物 合成移植物包括羟基磷灰石、β-磷酸三钙、骨诱导膜、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）、生物相容性骨传导聚合物（biocompatible osteoconductive polymer，BOP）。PMMA骨水泥聚合放热过程对骨组织活性无明显影响，PMMA微结构孔隙可作为化疗药及抗生素的良好载体[32]，复合化疗药及抗生素后对PMMA机械性能无明显不利影响。对PMMA支架的研究没有表现出优于自体移植骨的任何优势。且PMMA易导致假关节生成和移植物迁移[32]。PMMA和BOP移植物导致较低的融合速率，以及PMMA和BOP与髂嵴骨移植相比，具有更大的移植物碎裂，沉降的风险[3]。

骨诱导膜通过向骨缺损部位提供成骨相关细胞和高浓度的成骨因子从而促进骨缺损的修复重建。诱导膜在植入骨水泥后4～6周主要成骨相关生长因子含量最高，成骨能力最强[33]，此时是最佳的植骨时间;诱导膜生长因子含量及促成骨活性与骨膜接近；诱导膜能为移植骨提供生长因子和细胞从而促进灭活移植骨成骨。

β-磷酸三钙生物陶瓷透明质酸混悬液有良好的组织相容性，无刺激性[34]，使用β-磷酸三钙不增加感染或并发症的发生率[35]且β-磷酸三钙支架材料具有高的机械强度和适当的孔隙率[25]。研究[36]表明，β-磷酸三钙具有比羟基磷灰石优异的吸收性，但骨传导未见显著差异。β-磷酸三钙的对免疫系统有轻度至中度的刺激作用，β-磷酸三钙颗粒增强共刺激表面分子，包括CD86，CD80和CD40在巨噬细胞中表达[37]。已有研究证明[38]细胞可在含有的胶原的α-磷酸三钙/胶原复合体局部微环境中黏附和生长及发挥成骨特性。α-磷酸三钙/胶原复合体较少引起免疫反应，融合效果稳定聚乳酸是一种无毒且加工性强的生物降解性材料。

羟基磷灰石（HA）是天然骨的无机成分，生物相容性好，骨传导性强，是理想的骨替代物。胶原/羟基磷灰石一体化修复体能在软骨缺损修复过程中有效地抑制炎症因子的活化表达，减少细胞外基质的破坏和降解，为软骨修复提供良好的细胞增殖、分化环境。但胶原羟基磷灰石比纯陶瓷支架更容易降解[39]。跨越两个脊柱区域，合成移植物和自体骨融合效果相同或甚至更好。碳酸化羟基磷灰石水泥具有一定的骨传导性，其理化性质与骨组织相似，生物相容性良好。碳酸化羟基磷灰石水泥治疗骨质疏松性胸腰椎体压缩性骨折能迅速镇痛，能较好恢复脊椎高度。无放热反应，对周围神经血管无热损害，与正常骨小梁基本融合具有较好的临床效果[39]。结合异体材料和自体材料的目的是减慢移植物的骨吸收速率，这是异体移植物的特征，并且刺激新生骨细胞形成，这是自体移植物的特征。

4 讨论

这些骨移植替代品或补充剂的使用成为商业竞争的一项重要项目，但没有临床证据支持广泛使用这类产品。了解移植物如何影响骨的生物愈合至关重要。在体间融合位点的骨愈合和融合取决于三个主要因素：有受体位点状况，融合底物，和宿主特征，骨缺损的长期稳定依靠骨愈合的质量，有赖于其本身生物稳定的建立，骨性融合才能保证永久性稳定，准确的选择植骨材料是其融合的关键。已经有许多临床研究对各种合成移植物的相容性、潜力及缺点进行分析。评价合成生物材料对椎体的使用的优越性和弊端，很大程度上是由于样本大小和手术植骨方式所影响。因此，关于这些合成材料的使用的确定结论或建议应该是谨慎地并在证据的限制范围内的。所以新兴材料的安全性和有效性有待临床进一步考量。不同的骨填充材料有着不同的优缺点，在骨愈合过程中，各种因子、各种细胞具有的不同功能，以及各种因子和细胞之间的有着不同的相互作用和调节机制。