生物陶瓷材料在骨組織工程中的應用

劉齊海 崔 磊

生物陶瓷材料在骨組織工程中的應用

劉齊海 崔 磊

組織工程學是應用細胞生物學和工程學的原理在體外或在體內制造組織和器官，從而達到修復損傷組織和改善其功能的一門交叉學科[1]。骨組織工程學是組織工程研究領域中專門從事組織工程化骨組織研究的一個分支，處于組織構建與缺損修復的最前沿。由于骨組織具有相對單一的組織成分，客觀上降低了體外構建的難度，因此，骨組織工程被認為是可能率先進入臨床應用的研究領域之一[2]。骨組織工程的基本方法是，將分離得到的高濃度種子細胞經體外培養、誘導、擴增后，種植于具有良好生物相容性和生物可降解性的支架材料上，然后將這種細胞－生物材料復合體植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時，種植的種子細胞不斷增殖、分化、分泌細胞外基質，局部形成新的類骨基質，從而達到修復骨組織缺損的目的[3]。

在骨組織工程研究中，支架材料占據著非常重要的地位。它主要起著模板的作用，保持原有組織的形狀，為種子細胞提供賴以黏附、增殖和分化的場所，引導受損組織的再生和控制再生組織的結構。同時，支架材料還會影響種子細胞的各項生物學特性，從而決定回植后能否與受體很好地結合，并發揮其修復缺損的作用[4]。與其他支架材料相比，生物陶瓷由于在細胞相容性與生物相容性、生物可降解性、三維多孔立體結構、生物力學性能等方面具有獨特的優勢，一直以來都是骨組織工程生物支架材料的研究重點，同時也是目前應用最多的骨組織工程支架材料。

生物陶瓷材料按其生物學特性可分為生物惰性陶瓷（如Al2O3）、生物降解陶瓷（如磷酸三鈣）和生物活性陶瓷（如羥基磷灰石）三大類。其中，生物降解陶瓷和生物活性陶瓷是骨組織工程支架材料的研究重點。

1 生物惰性陶瓷材料

生物惰性陶瓷材料的物理機械性能及功能特性與人體組織相匹配，與組織接觸不產生炎癥或凝血現象，無急性毒性或刺激反應，一般無補體激活產生的免疫反應[5]。這類材料的應用是基于對材料本身性能的全面了解，是人類應用最早的生物材料。

氧化鋁（Al2O3）陶瓷由高純氧化鋁粉體燒結而成，是生物惰性陶瓷材料的代表。由于燒結條件不同，主要生成α和γ兩種晶型。γ-氧化鋁屬兩性氧化物，在酸、堿作用下易發生化學變化；α-氧化鋁為三方晶系，屬化學惰性晶體，也就是通常所說的氧化鋁生物惰性陶瓷材料。該材料具有優異的生物相容性，在生理環境中相當穩定，抗腐蝕，沒有溶出物，低膨脹，而且強度高，主要用作外科矯形手術的承重假體（如人工髖關節、人工膝關節等）。在制作氧化鋁生物種植體時，制品的外部形態對種植體與受體組織（尤其是骨組織）的結合有重要影響，表面300 μm左右的微小凹凸有利于早期骨組織長入固定，而表面數毫米大小的凹凸有利于與骨組織長期牢固的固定[6]。

除了常用的氧化鋁生物陶瓷外，惰性氧化物生物陶瓷還有氧化鋯、氧化鎂、氧化硅以及混合氧化物陶瓷。這些陶瓷材料在性能上各有其特點，在機械強度、加工性能等方面彌補了氧化鋁生物陶瓷的某些不足。

總體而言，惰性生物陶瓷材料由于其生物惰性，在生物體內很難降解，無法被新生組織所替代，主要作為永久替代物應用于臨床骨科以修復骨缺損。因此，嚴格來講，其并不能作為傳統意義上的組織工程支架材料。

2 生物降解陶瓷材料

細胞－生物材料復合體回植體內后，能隨著時間推移而逐漸被吸收的材料被稱為生物降解材料[7]。生物降解陶瓷材料主要包括磷酸鈣陶瓷、硫酸鈣陶瓷等，其最大優點是回植后最終無異物存留。材料完全吸收后，所形成的新骨塑形不再受材料存在的影響，而強度優于新骨與材料結合的強度。

磷酸三鈣（TCP）的結構分為高溫相（α-TCP）和低溫相（β-TCP）。α-TCP具有自固化性質，可作為骨水泥使用；而β-TCP生物相容性好，降解產物參與新骨形成，是最常用于骨組織工程的生物支架材料。β-TCP的Ca/P為1.50，屬三方晶系，是生物降解陶瓷材料的代表。生物可降解β-TCP主要是多孔型和顆粒型的，而致密的β-TCP在生理環境中較穩定。1972年，Driskell等[8]研制出多孔β-TCP陶瓷材料，并將其作為骨植入材料回植于犬與白鼠體內。植入20～25 d后，大約有25%～30%左右的β-TCP被吸收，顯示出較好的降解性能。同時，在被吸收部位發現有成骨細胞的生長，提示了其作為骨組織工程支架材料的可行性。近來，Yuan等[9]以多孔β-TCP復合骨髓間充質干細胞（Bone marrow stromal cells，BMSCs）修復犬下頜骨部分缺損，材料降解與新骨生成良好，且修復處所生成新骨各項力學指標與對照組自體骨無顯著性差異，說明可降解β-TCP陶瓷材料是一種較好的骨組織工程支架材料。另有研究結果顯示，β-TCP陶瓷材料的降解主要有3個途徑：①體液中的生理化學溶解，其溶解速度取決于多種因素，包括材料的比表面積、相組成、結晶度以及周圍體液的pH值等；②物理解體，體液浸入陶瓷中燒結不完全而殘留的微孔，使得連接晶粒的“細頸”溶解，從而使得陶瓷解體為微粒；③細胞（主要是破骨細胞和巨噬細胞）的吞噬，在β-TCP的生物降解過程中，在其臨近的淋巴核中發現有陶瓷顆粒，表明材料的生物降解過程首先是材料解體為小的顆粒，然后由吞噬細胞遷移至臨近組織并被全部或部分吞噬。因此，可以通過改進燒結條件以優化β-TCP的體內降解速率。另外，可吸收β-TCP的力學性能受其孔隙率、晶粒度以及相組成的影響，強度相對較低，主要用于不承力部位的骨缺損修復。

硫酸鈣（CaSO4·2H2O）陶瓷屬單斜晶系，晶體集合體一般為纖維狀、葉片狀、針狀等，常具有燕尾形雙晶結構。醫用硫酸鈣陶瓷體內可降解，且生物相容性好，無明顯細胞毒性、致敏性和遺傳毒性，于1996年6月獲FDA及CE標志，臨床應用上千例，證明是安全、有效的。Turner等[10]在犬雙側股骨近端進行硫酸鈣、自體骨以及空白移植實驗，通過比較發現硫酸鈣陶瓷材料體內降解良好，且在骨缺損修復處有14.3%的新骨形成，而自體骨組為8.6%，空白組僅為3.6%。硫酸鈣陶瓷促進成骨機制目前還沒有統一認識，多數學者認為其并不具備刺激新骨生成的特性，而僅具有骨引導作用，能很好地提供成骨所需的環境條件，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用；另一方面，硫酸鈣溶解的鈣離子為新骨形成提供了豐富的鈣源，促進了骨缺損的修復。硫酸鈣陶瓷材料的力學性能與松質骨相近，同時可作為骨形態發生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）、抗生素等的載體，在組織工程化骨組織構建中具有較好的應用前景。

珊瑚是珊瑚蟲分泌的外骨骼沉積，其化學成分中99%為碳酸鈣，還有少量的其他元素和有機成分。珊瑚的三維多孔結構與生物體的松質骨相似，且孔隙率高，生物降解性好，易加工成型，已廣泛應用于骨組織工程構建。Vacanti等[11]將患者自體骨膜成骨細胞與天然珊瑚材料復合用于指骨再造，取得了良好的效果。Cui等[12]將脂肪干細胞（Adipose-derived stem cells，ASCs）體外成骨誘導后與珊瑚復合，成功修復了犬臨界大小（Critical-size）的顱骨缺損，進一步顯示出其作為骨組織工程細胞支架材料的優勢。但是，珊瑚材料也有其缺點：①力學性能較差，與人體骨組織的抗壓強度差異較大；②體內降解過快，與新骨生成速度不相匹配。不少學者使用各種材料改性技術以彌補珊瑚材料的這些缺陷，其中熱液交換反應[13]能夠使珊瑚的部分碳酸鈣成分轉變為羥基磷灰石(HA)，使它的降解速度下降，而原有孔隙率不變，硬度提高，細胞相容性也得到一定程度的提升。

3 生物活性陶瓷材料

生物活性是指生物材料與骨組織之間的鍵合能力。生物活性陶瓷材料在體內有一定溶解度，釋放物為對機體無害的某些離子，能參與體內代謝，對新骨生成有刺激或誘導作用，能促進缺損組織的修復，顯示有生物活性。材料與骨組織親和性好，界面新生骨細胞活躍，材料與骨組織能形成穩定的結合界面。

羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是人體和動物骨骼無機物的主要成分，因而是骨組織構建中最常使用的一種生物活性陶瓷材料。1972年，Aoki[14]成功合成了HA并燒結成陶瓷。不久，Jarcho等[15-16]也燒結成HA陶瓷并發現其具有良好的生物相容性。自此之后，各國學者對HA進行了廣泛而深入的研究。HA的化學結構式為Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P為1.67，屬六方晶系。HA具有良好的化學穩定性和生物相容性，植入體內安全、無毒，既能引導新骨生長，又能與骨形成緊密的化學鍵合，成骨細胞可在其表面直接分化形成骨基質，產生一個無定形的電子密度帶，膠原纖維束長入此區域和成骨細胞間，骨鹽結晶在這個無定形帶中發生。隨著礦化成熟，無定形帶逐漸縮小，HA植入體同骨的鍵合就是通過此窄帶的鍵接來實現的[17]。HA的抗壓強度和彈性模量都比較高，適合作為骨組織替代物，但其降解性能差，體內降解速度慢，不利于新骨長入。因此，可將HA同其他生物材料復合，取長補短，以得到更為優良的骨組織工程支架。將HA與β-TCP復合所形成的HA/β-TCP雙相陶瓷材料顯示出具有比單純的HA和β-TCP更好的生物學、力學以及降解性能，其原因可能在于HA/β-TCP雙相陶瓷更近似于天然骨的礦物質組成。同時，HA/β-TCP雙相陶瓷能夠強烈吸附BMP、表皮生長因子（Epidermal growth factor，EGF）、睪丸素等成骨誘導因子，這使其同樣具有成骨誘導活性。

除了以上傳統的幾種生物陶瓷以外，近年來，有關鈣-硅基生物活性陶瓷材料的研究成了骨組織工程支架材料領域的新熱點。這類硅酸鹽陶瓷材料具有良好的生物活性和降解性，有望成為新一代骨修復材料。

從元素組成來看，鈣是人體的重要元素之一，直接影響骨的鈣化過程，而硅也是人體的一種重要的微量元素，其吸收水平直接影響到骨的質量。Xynos等[18-22]發現含有鈣和硅的生物活性玻璃的離子溶出物能夠刺激成骨細胞的增殖與基因表達。進一步的研究結果顯示，硅對于誘導磷灰石在生物材料表面的沉積具有重要作用[23]。因此，不少學者在生物陶瓷材料中引入硅以提高其成骨活性，取得了良好效果。Nakajima等[24]對透輝石（CaMgSi2O6）陶瓷材料進行了研究，發現其在模擬體液中誘導了HA的沉積，提示其可能被用作牙科修復材料。此研究小組后來有關兔下頜骨缺損的修復實驗結果顯示，回植的透輝石陶瓷材料與骨組織形成了骨性結合[25]。Wu等[26-28]首先以溶膠-凝膠法高溫燒結制成致密鈣鎂黃長石陶瓷材料，又以海綿支架法制成三維多孔鈣鎂黃長石陶瓷。其研究結果證實，這種生物陶瓷材料不但具有可控的降解速率和力學性能，在體外培養過程中還能釋放各種活性離子，并且能在材料表面形成鈣磷礦化沉積，顯示出良好的生物相容性和成骨誘導活性。Sun等[29]的研究結果顯示，與傳統的骨組織工程支架材料β-TCP相比，鈣鎂黃長石陶瓷更能促進BMSCs在體外的黏附、增殖以及成骨分化。

骨組織工程支架材料是構建骨組織的關鍵環節之一。雖然目前對生物陶瓷材料的研究很多，發展很快，但尚未找到一種非常理想的骨組織工程用生物陶瓷材料，還有很多問題需要解決。除了尋找新的生物陶瓷之外，最近迅速發展起來的納米技術、三維打印技術、分子仿生技術以及各種材料加工技術可以幫助我們對現有生物陶瓷材料進行有目的的加工、復合及修飾，使其更符合骨組織工程支架材料的要求。

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R318.08

B

1673－0364（2009）－02－0114－03

2008年8月13日；

2009年1月11日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.04.018

200011上海市上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院整復外科；200235上海市上海組織工程研究與開發中心。