可诱导组织再生骨植入材料的研究进展

陈 丽,向 庆,代 燕,杨 峰*

(1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州师范大学 校医院,贵州 贵阳 550025;3.贵州大学 材料与冶金学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着全球范围人口老龄化、饮食变化、糖尿病和其他健康问题的增加，因骨质疏松症、运动损伤、意外事故等导致的骨损伤患者越来越多，严重威胁了人体的健康与生活质量[1-2]。临床上，通常需要利用移植手术替代骨组织和修复骨缺损。其中，骨自体移植是大骨缺损再生的黄金标准，因为它们具有内在的骨导性[3]。然而，自体移植物的使用仍然受到供体部位、发病率和可用性的限制[4]。同种异体移植物收到供体限制，同时也有免疫反应和传染病传播的风险[5]。因此，人工合成的生物医学材料越来越受到重视，合成骨替代物作为最佳替代策略受到越来越多的关注。

“十四五”规划中明确提出“加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业，做大做强生物经济”。在过去的几十年里，骨再生材料已从第一代发展演变到现今第三代。其中，第一代生成生物材料是以金属、合成聚合物和陶瓷为代表的惰性生物材料；第二代生物材料是以聚酯，磷酸钙和生物活性玻璃为代表的可生物降解聚合物材料[6]；而第三代骨修复和植入材料主要关注其能否可控降解，最关键是能否促进人体骨组织的自修复和再生。因此，生物材料的复合化、纳米化、活性化已成为第三代骨修复和植入材料的发展趋势和热点[7]。骨植入材料的设计思路是通过将接近人体骨骼力学性能参数的支架材料、有助于实现骨传导和骨诱导的活性材料以及可控降解材料组成复合材料植入人体，从而实现材料与骨细胞及周围组织的融合；活体材料与非活性材料的杂化；干细胞向骨细胞的分化，在骨植入体环境中产生生物学响应；骨植入体的终身使用等功能。鉴于此，笔者梳理了近年来可诱导组织再生骨植入材料的研究、应用现状和最新动态，并对第三代骨修复和植入材料的主要发展方向进行了阐述。

1 骨植入材料的分类

1.1 无机非金属骨植入材料

无机非金属骨植入材料主要是生物陶瓷，可分为惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷两类。惰性生物陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氧化锌等。惰性陶瓷生物相容性好，性质稳定，强度高，但其弹性模量远高于骨组织，不具备生物活性，应用较少；活性生物陶瓷主要有羟基磷灰石(HAP)、磷酸三钙(TCP)、磷酸钙骨水泥等，而HAP和TCP为最常用。HAP是骨骼和牙齿的主要无机成分，钙磷比为1.67，20世纪70年代开始在临床应用，其不仅具备骨传导作用，还能产生骨诱导功能，可让植入体与原骨组织形成骨性结合，是骨植入体最常用材料。但HAP的脆性大、生物活性不足，降解性较差，不宜单独使用[8]。TCP是磷酸钙盐的高温相，钙磷比为1.5，虽然TCP不是机体骨组织的矿物成分，但其在模拟体液中易溶解，是一类较好的可降解生物陶瓷。将TCP与HAP适当搭配可构成双相陶瓷，进而获得适宜的降解速率，满足骨修复材料的需要。但TCP同样存在脆性大、力学性能差等缺点，无法单独使用[9]。

1.2 聚合物骨植入材料

医用聚合物材料作为骨植入和修复材料应用较早，19世纪硫化橡胶和赛璐珞就被制成骨植入体应用于临床，但其副反应较大，生物相容性差。随着科技的发展，生物相容性更好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)逐渐被应用于人工假体和骨组织的修复，但这些聚合物还是存在组织相容性、免疫反应和疲劳性等问题[10-11]。有研究者尝试采用与活性陶瓷复合化的技术改善聚合物植入体的生物性能和力学性能，目前聚合物基复合材料已部分应用于临床[12-13]。

1.3 金属骨植入材料

金属基骨植入材料应用最为广泛，其优点是力学性能好，同时兼具良好的生物相容性，目前最常用的是不锈钢、钛合金、锌合金和镁合金等。钛合金的优点是密度低、导热率低、无毒、生物相容性好[14]，在矫形材料、固定螺钉、人工骨等方面均有应用。特别是纯钛在生物环境中会在表面生成一层薄而致密的二氧化钛薄膜，这层氧化物具有良好的生物相容性，可促进植入体与周围组织的融合。Alves等[15]研究发现，纯钛植入体在经过手术初期轻微感染的酸性环境后，表面的二氧化钛薄膜层还会诱导纤维蛋白原、磷酸钙的堆积，形成20 nm左右的钝化层，以抑制钛金属中离子的渗出，可进一步增加植入体的生物相容性。但纯钛作为植入材料，还存在如下问题：纯钛不具备生物活性；弹性模量较高，达到108 GPa，远大于自然骨组织；表面强度低，耐磨性差。

锌合金是极具潜力的骨植入材料。Zn是人体必须元素，在机体内参与了大部分生理代谢过程。Yang等[16]研究显示，Zn作为人体骨骼的必须元素，在转录因子、蛋白合成等过程中起着催化或构建作用。另外，锌在人体内有适宜的降解速度，也是生物植入体的潜在候选材料。但人体内锌蓄积过多，会产生细胞毒性，因此，锌不能作为大块植入骨的主体材料。

其他诸如Mg、不锈钢、钴合金和锆合金等植入体候选材料，由于在骨植入领域均存在一定的问题，任一单一材料都无法实现骨材料的再生和自修复功能，因此，在保持支架材料的力学、生物学性能基础上，对材料进行复合化和表面改性，可提高材料的生物活性，及赋予其新的功能性。

2 骨植入材料的生物学设计

骨植入体植入人体后，在人体活的骨组织和种植体之间将发生结构和功能上的联系。在这个过程中细胞会在种植体材料表面黏附、铺展等，在很多时候还会发生免疫反应，血管、骨组织也会沿着植入体表面或内部空隙攀附生长，植入材料最终会诱导间充质细胞向成骨细胞分化，完成骨修复过程。因此，对植入体而言，必须具备良好的生物相容性、与人体骨骼匹配的力学性能、合适的降解性，之中最重要的是具备骨组织诱导再生性。

2.1 生物相容性

影响植入体生物相容性的材料学因素主要有：

1)材料成分：普遍认为，羧基、磺酸基、氨基、酰胺基及亚氨基等基团有利于细胞的黏附和增殖[17]。在金属离子方面，由于细胞表面整合素与配体的结合受到诸如镁、钙、锰等离子的调控，因此在支架材料中引入相关的金属阳离子可以改善细胞的黏附行为[18]。

2)拓扑结构：生物植入体的表面粗糙度、孔隙率及分布、沟槽尺寸及取向等拓扑结构对细胞黏附行为影响极大。如：细胞可以根据沟槽而取向生长，形成接触引导；粗糙度提高增加细胞的接触表面积，增加细胞黏附强度；人工胞外基质的拓扑结构可改变应力分布，从而改变细胞形态；材料的孔隙率增加可加快细胞的新陈代谢，也会增加细胞的黏附[19]。

3)亲水性：强亲水性表面不利于蛋白质吸附，故也不利于细胞的黏附；而强疏水表面也会大大阻碍蛋白质的吸附和细胞黏附。因此，对细胞黏附而言，材料表面需要有一个合适的亲疏水平衡[20]。

4)组织反应性：植入体周围的生理性物质中含有氯离子、溶解氧、蛋白质、脂肪、有机酸、酶等，会与金属材料或无机非金属材料产生反应，发生电荷转移和离子交换，造成有害离子释放，产生细胞毒性、炎症以及细胞异常分化等[21]。另外，机体的免疫系统对植入体内的非己成分也会产生一系列免疫应答防御行为[22]。因此，生物材料的植入必须考虑进入人体后的腐蚀、细胞毒性及炎症反应等。

5)力学相容性：骨修复材料要求具有与人体骨组织匹配的强度、韧性、硬度和杨氏模量，以承受和传递负载，同时还要避免因力学性能适配产生应力集中、应力遮挡等力学效应而形成的骨吸收[23]。

2.2 降解性

植入材料的降解过程伴随：细胞渗入→替代细胞外基质(由外源性到内源性转变，细胞开始自分泌细胞外基质→空间的展开和功能的扩展[24]。组织诱导性生物材料必须具有合适的降解性。可生物降解的基质材料在降解过程中可形成通道供募集的细胞从材料表面迁移到细胞内部。另外，细胞行使功能也需要物理空间，降解过程为细胞的不断增殖、铺展和分化提供空间，同时缓慢形成细胞微环境，故要求材料的降解速率要与内源性细胞基质分泌能力相匹配。可见，材料的降解过程伴随着骨组织的传导和再生，是重要的材料基本特性之一。

2.3 骨组织诱导再生性

邱凯等[25]研究显示，组织诱导再生是指无生命的生物材料通过自身优化设计，可以诱导有生命的人体组织或器官形成。2018年，我国学者张兴栋院士建议将“组织诱导性生物材料”列入“生物材料定义”。具体表述为：在不添加细胞和/或生物活性因子的情况下能够诱导受损或确实的组织或器官再生的一类生物材料。这类材料具备两个主要特征：一是材料本身具备特殊的结构、物理及化学特征；二是诱导受损或缺损的组织或器官再生，重点强调材料的生物功能性[26]。对骨植入材料而言，其组织诱导再生性主要表现为骨传导性和骨诱导性。

2.3.1 骨传导性

材料植入骨环境中后，骨组织沿着植入体表面或内部空隙攀附生长，并与材料形成化学键合，完成骨传导。从材料成分来说，以HAP和TCP为代表的磷酸钙陶瓷能与宿主骨直接结合，显示出良好的骨传导性[27]。

从材料拓扑结构来说，骨组织本身是由胶原蛋白和纳米羟基磷灰石构成的多级有序、各向异性的微纳结构。包括三维多孔结构、沟槽、微柱等在内的亚微米拓扑结构是骨传导的基本条件[19]。孔隙率高、比表面积大、降解性合适的材料有利于体液在材料内的循环和新骨生长。尹光福等[28]研究发现，100～500 μm的大孔为骨组织长入提供空间，起到骨传导作用，而1～10 μm的微孔有利于体液渗透、循环以及营养物质的供给。

2.3.2 骨诱导性

骨诱导性是植入材料能够诱导间充质细胞向成骨细胞分化的能力，其特征是具有诱导非骨区域细胞成骨分化功能的“骨形态发生蛋白(BMP)”。磷酸钙材料是最早发现的具有骨诱导性的材料，其功能类似于BMP[29]，可以在体内发生生物化学反应并形成自然骨组成和结构，进而引导机体自身间充质干细胞(MSCs)长入材料的孔隙，形成新骨。邓炜等[30]研究显示，钛在模拟体液中也会出现磷酸钙沉积并发生钙化，可作为骨植入材料的优势之一。

发生骨诱导的材料学特性包括：相组成、离子环境、类骨磷灰石沉积、拓扑结构、力学特征、孔隙率等，见图1。具体为：具有骨诱导的材料大部分包含磷酸钙成分[31]；弹性模量为30～35 kPa的材料有利于干细胞向成骨细胞分化[32]；表面粗糙度Ra在10～45 nm的中等范围内，材料表面有最大的细胞增殖率[28]；相互贯穿的多孔结构有利于骨植入体支架中细胞的浸入和增殖[33]；1～10 μm的微孔有利于体液渗透、循环以及营养物质的供给[28]等等。这些特定的材料学特性会形成微环境信号，如外源性压应力信号，进而影响细胞黏着斑的结合位点，通过细胞伪足传递至细胞骨架，从而改变细胞形态和基因转录水平，引导细胞分化[34]。

图1 具有骨诱导功能的植入材料设计思路Fig.1 Design of implant material with bone induction function

3 骨植入材料的制备加工和表面处理

3.1 骨植入材料的加工制备技术

根据可诱导组织再生骨植入材料的材料学与生物学特征，其必须同时满足生物相容性、力学性能、骨传导和骨诱导性、可控降解性等几大要求。按此条件，没有一种材料能完全满足全部指标，因此，材料的结构调控和复合化将是未来骨植入材料的发展趋势。从材料结构调控角度，目前来看，增材制造(AM)是最被广泛研究的骨植入材料加工技术[35]。AM可制备各种复杂形状的构件，可按设计成分制备合金，可将装配过程与材料成型过程同步进行。同时，制备多孔金属构件最有效的方法也是AM技术。由于离散粉体要经历复杂的加热过程，因此AM组织结构可能存在不连续性，包括气孔和粗颗粒[36]，如果控制得当，可在保证基本强度基础上获得合适的孔隙率，进而控制骨植入体的宏观弹性模量。

3.2 骨植入材料的表面处理

无论是钛合金还是其他金属都不具备可诱导成骨性，因此必须添加活性成分，对骨植入体进行表面活化处理，以获得具有骨传导和骨诱导特性的复合表层。目前，在骨植入体材料表面获得复合活性涂层的方法有很多，如：物理接枝[37]、等离子喷涂[38]、电化学沉积[39]等。无论是哪种方法，其目的都是实现骨植入体的表面活化、功能化及复合化。

4 骨植入材料的前景展望

骨植入体首先行使的是物理支撑及填充的支架作用，除此之外，骨植入体与人体原组织界面还要具备促进新的组织形成的功能，以实现损伤组织的再生。因此，骨植入材料需具备无毒性、耐腐蚀、足够的强度与韧性、多孔微纳结构、低弹性模量等特征。结合这些特征来看，纯钛无疑是最优候选材料之一。但纯钛的弹性模量相对还是太高，而宏观孔隙度的引入(多孔钛)不仅可作为一种减少生物力学失配的有效方法，还可为新的骨组织在孔内生长提供条件[35]。可见，可控金属3D打印技术或是未来骨植入材料加工制备的重要发展方向。

此外，虽然纯钛生物相容性好，但不具备实现诱导细胞生长分化的功能，因此最简单有效的解决办法即在多孔纯钛植入支架上涂装一层活性涂层。如以HAP、TCP为代表的磷酸钙生物活性陶瓷既具备骨传导性，又具备骨诱导性，可再现组织形成过程的细胞外基质(EMC)功能，实现组织再生。同时，通过控制HAP和TCP的比例还可调控其降解速率，让之与内源性细胞基质分泌能力相匹配，从而达到良好的骨组织再生效果。但HAP和TCP的韧性却很差、抗弯强度也低，其制成的涂层与钛支架结合力也弱，容易发生脱落。因此，如何将活性陶瓷与多孔钛基体高质量结合，在保证力学性能的基础上对骨植入体进行降解速率调控，亦是实现骨植入材料组织诱导再生的关键，可进一步深入研究。