骨修復材料知識引入高中化學

王 桐 許燁馨 馬 娜 王明召

北京師范大學 北京 100875

骨修復材料知識引入高中化學

王 桐 許燁馨 馬 娜 王明召

北京師范大學 北京 100875

骨骼是人體的支架，擔負著支持、承重、造血等功能。由于創傷、腫瘤、感染所造成的骨缺損很普遍，臨床上可采用自體骨或異體骨移植治療。但自體骨來源有限且取骨區可能產生并發癥，而異體骨移植存在免疫排斥反應，并有感染HIV和肝炎病毒的可能。現實要求人們找到一種材料代替天然骨骼，解決骨的修復問題。經過漫長的探索，生物活性材料進入人們的視線。

一、羥基磷灰石

羥基磷灰石(HA)是一種典型的骨修復生物活性材料，分子式為Ca10(PO4)6(OH)2，是人骨的主要無機成分。植入體內后，纖維細胞、新生毛細血管等結締組織可在它的孔隙內逐步生成，進而生成骨細胞和成骨細胞等骨組織，因此自20世紀70年代人們即研究用它作為骨修復的植入體。但是，在動的強度實驗或急劇彎曲時，HA又表現出脆性。20世紀80年代發現，HA–聚乙烯(PE)復合材料既保留了羥基磷灰石材料良好的組織相容性，又具有聚乙烯材料的良好力學特性。實驗表明，40%體積的HA均勻熱壓進入PE，獲得的材料力學性能和生物學性能最佳。

二、生物活性玻璃

生物活性玻璃是另一種骨修復生物活性材料。普通玻璃的主要成分是硅酸鹽，多為硅酸鈉和硅酸鈣，通常為無定形體。生物活性玻璃的主要成分為CaO·2SiO2·2P2O5，可以通過某些方法使體系中部分析出潔凈的磷灰石和硅灰石晶體，得到的玻璃強度較高，稱為微晶玻璃。生物活性玻璃可與骨組織形成穩定的、高機械強度的界面結合。它可以通過激活成骨細胞的一些基因來增強成骨細胞在其表面的分化和增殖能力，使骨再生的速率大于或等于自體骨。一些生物活性玻璃或微晶玻璃已大量用于臨床。

1968年，Hench提出生物活性玻璃是通過在其表面誘導生長出羥基磷灰石而體現骨修復功能的，即生物活性玻璃是促進骨的再生，而不是進行骨的替代來實現修復的。大量體外實驗和體內實驗結果都支持這一猜想。例如，將含80%SiO2，17%CaO，3%P2O5的玻璃放入模擬體液(其成分與人血漿組成相近，見表1)中，7天后在玻璃表面形成一層球形顆粒，每個球體都是由數以千計的、50nm左右大小的晶體形成。此層的鈣磷比約為1.2，與生物體中磷灰石的鈣磷比(約為1.67)接近。又如，在透射電子顯微鏡下可觀察到玻璃表面形成的磷灰石針狀晶體與自然骨中的磷灰石晶體相似。將生物活性玻璃植入兔子股骨的實驗表明，骨在玻璃表面再生，同時表面玻璃發生降解。如果植入多孔玻璃碎片，流體與玻璃的接觸面積增大，這可以促進整體玻璃轉化。生物活性玻璃的缺點是機械強度差，所以只用于小缺陷修補。

表1 模擬體液與人血漿的離子成分 mmol?L-1

目前，人們對生物活性玻璃誘導羥基磷灰石生成的機理是這樣解釋的：與玻璃表面Si―O鍵上O原子成鍵的堿金屬和堿土金屬離子容易溶解出來，使玻璃中的硅酸鹽對磷灰石的成核產生催化作用(如圖1所示)。在與水接觸的玻璃表面，鈉離子和鈣離子等離子溶出，生成富含SiO2、厚度約為80～100nm的無定形表面凝膠層。在凝膠層的自然骨一側，成骨細胞通過膠原纖維鋪置到層上，同時體液中的氫離子進入玻璃表面，形成大量的Si―OH鍵。玻璃表面的硅離子為磷灰石提供成核位點，促進磷灰石晶核的形成。體液在通常狀態下對磷灰石是過飽和的，加之玻璃溶出了鈣離子，因此形成的晶核誘使體液中的鈣離子與磷酸離子在骨膠原纖維周圍形成羥基磷灰石晶體。生長的晶體在界面的凝膠層中將植入體和成熟骨橋聯起來，使骨-生物活性玻璃牢固結合，從而實現骨的修復。

圖1 生物活性玻璃表面磷灰石生成機理示意圖

三、有序硅基介孔材料

由于骨修復材料的研究趨勢從組織替代上升為組織再生，人們在這個領域中引入了介孔陶瓷材料。介孔指直徑在2～50nm之間的孔。介孔材料本身可與體液反應，誘導與自然骨相近的納米磷灰石在材料表面形成，因而具有骨組織再生功能。由于它具有更開放和更大的表面積，因而表現出更強的生物活性。它的大量孔隙還可以負載不同的分子，并可在活體內以可控制的方式釋放這些負載物，因此具有獨特的藥物傳遞功能，如圖2所示。

圖2 有序硅基介孔材料釋放藥物和蛋白的可能性示意圖

近年，有序硅基介孔材料廣受關注。例如，經典的M41S系列硅基介孔材料的孔徑在2～10nm范圍，孔隙分布非常有序、均勻，這非常利于精細控制藥物承載和釋放。它的孔容積非常高，大約1cm3?g-1，利于容納所需量的藥物；表面積在500～1000m2?g-1范圍，可產生較高的藥物表面吸收。該系列的MCM–41表面積甚至高達1157m2?g-1，負載量可達到139mg?g-1。有序硅基介孔材料表現出良好的生物活性，例如MCM–48浸泡在模擬體液中60天后，可觀察到表面形成磷灰石層。材料中磷的含量與其生物活性密切相關，例如MCM–41在模擬體液中2個月都沒有磷灰石產生，而含磷介孔材料P–MCM–41在相同條件下僅13天就生成了磷灰石。

有序硅基介孔材料的一種重要改性方法是對孔內表面的硅醇鍵進行修飾，實現功能化，以控制藥物的承載量和釋放速率。以二膦酸鹽類藥物為例，它具有幫助骨骼再生的功能，結構如圖3所示：

圖3 二膦酸鹽類藥物結構圖

分子中的P―C―P鍵使得它不易水解，口服進入體內后表面吸收非常弱，通常少于1%。把膦酸鹽負載在硅介孔材料的孔隙中后，可使藥物吸收率增大至40%。例如，如圖4所示，將孔徑為3.8nm的MCM–41孔壁表面的硅醇基上連接上胺基，吸收骨代謝調節劑阿侖膦酸鹽的能力增大3倍。

圖4 丙胺基修飾的有序硅基介孔材料吸附阿侖膦酸鹽

有序介孔材料能局部釋放肽、蛋白質等生物分子，可作為骨修復過程中幫助骨細胞發揮生理功能的支架，這為植入促進骨形成的生物分子的設計開辟了一條新的途徑，因而具有重要的科學意義。人們設想，使用具有生物相容性和生物可吸收性的功能化有序硅基介孔材料，其表面可生成羥基磷灰石，同時通過釋放肽、生長因子等生物分子幫助產生新的活組織(如圖5所示)，即通過所謂組織工程技術，達到修復骨組織缺損的目的。

圖5 經有序介孔材料實現組織工程的示意圖

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2010-10-25

王桐，在讀本科生。許燁馨，在讀本科生。馬娜，在讀本科生。王明召，博士，副教授。

教育部實驗室共建項目,北京市教育委員會共建項目(編號:102-105834),北京師范大學教學建設與改革項目,北京師范大學本科生科研基金項目。