硅灰石/β-磷酸鈣復合支架材料生物學活性研究進展

劉宇光(綜述)，胡　敏，劉玉艷(審校)

(1.吉林大學口腔醫學院口腔醫學系，長春 130021； 2.吉林大學口腔醫院 a.正畸科，b.牙體牙髓科,長春 130021)

硅灰石/β-磷酸鈣復合支架材料生物學活性研究進展

劉宇光1△(綜述)，胡敏2a※，劉玉艷2b(審校)

(1.吉林大學口腔醫學院口腔醫學系，長春 130021； 2.吉林大學口腔醫院 a.正畸科，b.牙體牙髓科,長春 130021)

摘要：骨缺損修復支架材料一直是生物材料領域的研究熱點之一。β-磷酸鈣作為骨修復材料已經廣泛應用于臨床，但由于其缺乏生物活性離子、機械性能不理想，使其在臨床上的應用受到限制。而硅酸鈣含有生物活性離子——硅離子，它具有良好的誘導成骨作用，因此將硅灰石加入β-磷酸鈣制備成復合支架材料近來成為熱點。該文將從基本構成組分、相對配比問題及潛在成骨機制等方面對這一熱點生物支架材料予以闡述。

關鍵詞：骨修復；硅灰石；β-磷酸鈣；支架材料；生物學活性

天然骨包括自體骨和異體骨，因含有骨祖細胞及各種骨引導生長因子而廣泛應用于臨床[1]。但由于自體骨的來源有限和異體骨的免疫排斥反應等制約了其發展。近年來，人工骨修復支架材料在骨組織工程學上成為研究熱點。骨修復支架材料不僅應具有三維結構，能提供細胞生長平臺[2]，還應具有良好的理化特性及生物學特性等[3-4]。β-磷酸鈣作為生物活性支架材料已經應用于臨床，它能引導骨組織重構，但缺乏刺激細胞分化的能力；而硅酸鈣不僅能促進成骨相關基因的表達，也能增加基因對相應蛋白的編碼，最終刺激成骨細胞樣細胞的增殖、分化和鈣化[3，5]。現就硅灰石/β-磷酸鈣復合支架材料應用于骨修復的生物學活性進行綜述。

1成分與性質

1.1β-磷酸鈣β-磷酸鈣，化學分子式為Ca3(PO4)2。相比于其他目前應用于臨床的骨修復支架材料，β-磷酸鈣的降解性能更加適應新骨的形成，它的溶解產物能使材料在幾個月內降解，而α-磷酸鈣材料的降解需幾周，羥基磷灰石的降解則需要幾年[2]。β-磷酸鈣具有骨引導特性，在植入骨組織后能引導新骨在其表面形成，隨著自身的降解最終被新生骨所替代。它的構成與天然骨相似，在生物學相容性、生物學活性方面均優于羥基磷灰石，因此在整形外科學以及口腔醫學中是最常見的材料之一[6]。

1.2硅灰石硅灰石，化學分子式為CaSiO3，結構式為Ca3[Si3O9]，為一種鏈狀硅酸鹽。它屬于三斜晶系，具有細板狀晶體，集合體呈放射狀或纖維狀。硅元素能誘導類骨組織礦化，可以引起人成骨細胞活性升高，在正常骨代謝中起重要作用[7]。研究表明，生物活性玻璃釋放的大量硅離子能提高人胚胎成骨細胞的活性[8]。有學者對硅灰石水泥進行了一系列測試，發現其具有生物活性，能促進成骨以及血管再生；而且在模擬體液中，與其他生物玻璃或者玻璃水泥相比，其表面能較快地形成磷灰石[9]。而近年來，含硅玻璃和玻璃陶瓷由于具有比磷酸鈣還高的生物學活性，引起了學者們極大的關注。有學者已經通過實驗證明，與β-磷酸鈣相比，硅酸鈣更能促進成骨樣細胞黏附、增殖和分化[10]。但由于其降解速度較快，可引起成骨特性的降低，因此在臨床上的使用受到了制約。

2不同百分比的硅灰石/β-磷酸鈣復合材料的生物學活性

大多數學者認為，復合材料中的硅酸鈣含量達到50%以上時材料的生物學活性最有利于成骨[11-15]。Ni等[12]合成了不同比例的硅酸鈣和β-磷酸鈣復合支架材料，并對其成骨特性進行比較。結果表明，當硅酸鈣的含量提高到50%時，除了在模擬體液中能更快形成羥基磷灰石外，成骨樣細胞的增殖率和堿性磷酸酶活性也顯著提升。在Shie等[16]的研究中，當硅酸鈣含量達到50%時，形成硅灰石的能力與純硅酸鈣相同，并且更能促進人牙髓細胞釋放成纖維細胞生長因子2。Wang等[13]的動物實驗也證實了這一點，與單一材料相比，當復合材料中含有50%～80%的硅酸鈣時，植入兔骨缺損模型后能發現新骨生成增多，分解率降低。在其后的細胞實驗中，同樣證明了50%～80%硅酸鈣含量的復合材料能通過誘導成骨與成血管途徑促進骨的生成[11]。雖然在體外實驗中，硅酸鈣/β-磷酸鈣的降解速率高于純β-磷酸鈣[12]，但是動物實驗的結果卻相反；Wang等[13]認為這可能是由于硅酸鈣的刺激成骨作用使新骨迅速生成而引起的結果，而且由于體內外微環境的不同，材料的生物學反應也有所不同。機體內骨的形成是多個細胞相互反應的結果，因此在體外研究中僅使用一種細胞進行實驗是不準確的[17]。而費麗莎和孫皎[14]認為，含有硅酸鈣的生物陶瓷的體外成骨效應與硅酸鈣的含量成正比，并進行了與Ni等[12]相似的細胞實驗，使用流式細胞儀檢測細胞周期，發現含有硅酸鈣材料浸提液處理過的細胞在G0/G1期時DNA含量高于β-磷酸鈣組，且100 wt% 硅酸鈣組高于50 wt% 硅酸鈣組；同時指出，硅酸鈣促進細胞增殖與細胞周期有直接關系，能在DNA水平上影響細胞的增殖。雖然以上實驗方法及手段有所不同，但研究者們所得到的結論大致相同，即當復合材料的硅酸鈣含量達到50%以上時，對于新骨的形成十分有利。但由于機械性能是隨著β-磷酸鈣的含量增多而提高的[4，15]，因此探討硅灰石/β-磷酸鈣復合材料應用于骨修復的最佳比例時，除考慮成骨性能外，還要考慮材料應有的機械強度以及其他特性。

3硅酸鈣提高復合材料生物學活性的潛在機制

生物活性材料向周圍環境釋放的離子(如鈣離子等)及材料表面特性可能會參與調節細胞的成骨性能[18]。磷酸鈣材料的骨引導性主要來源于以下兩方面。①表面形貌：其表面形貌、粗糙度促進細胞黏附增殖，并有利于骨形態發生蛋白的駐留；②化學成分：材料表面析出的鈣離子、無機磷可明顯促進材料周圍骨形成，賦予材料骨誘導性[19-20]。與磷酸鈣材料相同，除表面特性與鈣、磷離子的特性相同外，主要是生物活性離子——硅離子在硅酸鈣材料的生物活性進程中發揮了重要作用[7，21]。

3.1硅離子的成骨活性Shie等[7]證明了適宜濃度的硅離子(4 mmol/L)能促進MG63細胞Ⅰ型膠原基因的表達和細胞外信號調節激酶的分泌，從而激活細胞外信號調節激酶/絲裂原活化蛋白激酶途徑，有利于促進成骨細胞分化以及骨的發育。另有學者發現，高濃度的硅離子(6 mmol/L)會因為滲透壓過高而加速細胞的凋亡[22]。還有學者制備了不同硅/鈣比例的硅酸鈣材料，證明了硅離子可以促進MG63細胞的黏附，并能上調骨唾液酸蛋白、骨鈣素的表達水平，但具體機制仍需進一步研究[16]。有學者通過研究相關基因探索了硅灰石/β-磷酸鈣復合材料誘導成骨細胞增殖、分化的機制，Fei等[3]使用硅灰石/β-磷酸鈣復合材料離子浸提液培養成骨細胞樣細胞，證明了硅酸鈣溢出的硅離子能通過刺激成骨樣細胞表達骨形態形成蛋白2/轉化生長因子β的基因和蛋白，進一步促進轉錄因子Runx2基因和蛋白的表達，最終影響堿性磷酸酶的活性和骨鈣素的沉積，促進成骨樣細胞的增殖和分化；并認為硅灰石/β-磷酸鈣復合材料不僅能促進成骨相關基因的表達，也能增加基因對相應蛋白的編碼，最終導致對成骨細胞樣細胞的增殖、分化和鈣化的調控。

3.2硅離子的抑制破骨活性除成骨作用外，硅離子還能抑制破骨進程。有研究表明，活性硅能夠調控骨保護素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κB配體受體激活劑(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)的比率[23]。RANKL能引導破骨細胞前體細胞的分化途徑以及破骨細胞的活性[19]，在破骨活動中起著至關重要的作用。它的功能與活性是由干細胞和成骨細胞分泌的OPG所調控的。特異性的OPG黏附到RANKL上，通過抑制RANKL/RANK途徑來抑制破骨細胞活性，達到阻止骨基質過度吸收的目的。因此，骨組織中RANKL的表達與OPG的相對濃度決定了骨量與骨強度[24]。而在Wiens等[23]的研究中，硅離子能促進成骨細胞的OPG基因和蛋白的表達，并且RANKL含量沒有明顯改變。由此證明，活性硅提高了OPG/RANKL比例，從而能抑制破骨途徑。Schr?der等[25]將成骨細胞與破骨細胞共培養，得到了與Wiens等[23]相同的結果，并且發現成骨細胞分泌的OPG抑制了破骨細胞的生成。而Hung等[26]的實驗則說明，硅離子除能抑制破骨細胞分化過程中RANKL誘導的破骨細胞生成外，還能使破骨細胞活性的良好標志物——抗酒石酸酸性磷酸酶的水平下降。

3.3硅離子的成血管活性新骨的形成與血管的新生密不可分，一些研究已經證明了含硅的生物玻璃能直接或間接促進成血管因子的生成[27-28]。Li等[9]認為，硅酸鈣中的硅離子除能促進成骨外，還能通過上調血管內皮生長因子的方式激活人臍靜脈內皮細胞中血管內皮生長因子受體，引導成血管通路，最終促進血管生成。除這種內分泌途徑，硅離子還能通過旁分泌途徑發揮促進人臍靜脈內皮細胞的成血管作用[29-30]。除此之外，Shie和Ding[5]證明，通過細胞外信號調節激酶/絲裂原活化蛋白激酶和p38/絲裂原活化蛋白激酶信號通路，硅酸鈣能促進細胞的生物學活性。Chou等[31]為了進一步研究其機制，將人牙髓細胞與硅酸鈣支架材料共培養，發現與空白對照組相比，硅酸鈣組的p38蛋白分泌與血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量明顯增加，而加入了p38抑制劑的p38蛋白和血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量低于加入同樣抑制劑的空白對照組。由此證明，硅酸鈣材料釋放的硅離子能提高細胞滲透壓，通過激活p38通路的途徑提高成血管相關因子的分泌，最終促進細胞的成血管作用。

4小結

生物材料用于骨缺損修復是一個復雜的進程，受很多因素(如材料的降解速率、生物活性以及骨缺損處的生物環境等)影響。而硅灰石特有的硅離子能賦予單純的β-磷酸鈣支架材料以成骨誘導特性，故此種復合材料具有廣闊的發展前景。但β-磷酸鈣支架材料的研究仍處于起步階段，今后應進一步研究兩者骨引導、骨誘導特性的生物學機制；研究兩者復合材料的物理化學性能；研究能更加精確控制硅灰石/β-磷酸鈣復合材料降解速率的成分。

參考文獻

[1]Idowu B,Cama G,Deb S,etal.In vitro osteoinductive potential of porous monetite for bone tissue engineering[J].J Tissue Eng,2014,5:1-14.

[2]Bose S,Tarafder S.Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering:a review[J].Acta Biomater,2012,8(4):1401-1421.

[3]Fei L,Wang C,Xue Y,etal.Osteogenic differentiation of osteoblasts induced by calcium silicate and calcium silicate/β-trical-cium phosphate composite bioceramics[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2012,100(5):1237-1244.

[4]Liu S,Jin F,Lin K,etal.The effect of calcium silicate on in vitro physiochemical properties and in vivo osteogenesis,degradability and bioactivity of porous β-tricalcium phosphate bioceramics[J].Biomed Mater,2013,8(2):025008.

[5]Shie MY,Ding SJ.Integrin binding and MAPK signal pathways in primary cell responses to surface chemistry of calcium silicate cements[J].Biomaterials,2013,34(28):6589-6606.

[6]Fielding G,Bose S.SiO2 and ZnO dopants in three-dimensionally printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds enhance osteogenesis and angiogenesis in vivo[J].Acta Biomater，2013,9(11):9137-9148.

[7]Shie MY,Ding SJ,Chang HC.The role of silicon in osteoblast-like cell proliferation and apoptosis[J].Acta Biomater,2011,7(6):2604-2614.

[8]Tsigkou O,Jones JR,Polak JM,etal.Differentiation of fetal osteoblasts and formation of mineralized bone nodules by 45S5 Bioglass conditioned medium in the absence of osteogenic supplements[J].Biomaterials,2009,30(21):3542-3550.

[9]Li H,Chang J.Stimulation of proangiogenesis by calcium silicate bioactive ceramic[J].Acta Biomater，2013,9(2):5379-5389.

[10]Ni S,Chang J,Chou L,etal.Comparison of osteoblast-like cell responses to calcium silicate and tricalcium phosphate ceramics in vitro[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2007,80(1):174-183.

[11]Wang C,Lin K,Chang J,etal.The stimulation of osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and vascular endothelial growth factor secretion of endothelial cells by β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2scaffolds[J].J Biomed Mater Res A,2014,102(7):2096-2104.

[12]Ni S,Lin K,Chang J,etal.β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite materials for hard tissue repair:in vitro studies[J].J Biomed Mater Res A,2008,85(1):72-82.

[13]Wang C,Xue Y,Lin K,etal.The enhancement of bone regeneration by a combination of osteoconductivity and osteostimulation using β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite bioceramics[J].Acta Biomater，2012,8(1):350-360.

[14]費麗莎,孫皎.不同含量硅酸鈣生物陶瓷體外成骨效應的初步研究[J].上海口腔醫學,2011,20(3):241-245.

[15]Su CC,Kao CT,Hung CJ,etal.Regulation of physicochemical properties,osteogenesis activity,and fibroblast growth factor-2 release ability of β-tricalcium phosphate for bone cement by calcium silicate[J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl,2014,37:156-163.

[16]Shie MY,Chang HC,Ding SJ.Effects of altering the Si/Ca molar ratio of a calcium silicate cement on in vitro cell attachment[J].Int Endod J,2012,45(4):337-345.

[17]Chen Z,Wu C,Yuen J,etal.Influence of osteocytes in the in vitro and in vivo β-tricalcium phosphate-stimulated osteogenesis[J].J Biomed Mater Res A,2014，102(8):2813-2823.

[18]Jell G,Stevens MM.Gene activation by bioactive glasses[J].J Mater Sci Mater Med,2006,17(11):997-1002.

[19]LeGeros RZ.Calcium phosphate-based osteoinductive materials[J].Chem Rev,2008,108(11):4742-4753.

[20]Schramek D,Leibbrandt A,Sigl V,etal.Osteoclast differentiation factor RANKL controls development of progestin-driven mammary cancer[J].Nature,2010,468(7320):98-102.

[21]Zhao Q,Qian J,Zhou H,etal.In vitro osteoblast-like and endothelial cells′ response to calcium silicate/calcium phosphate cement[J].Biomed Mater,2010,5(3):35004.

[22]Ge C,Xiao G,Jiang D,etal.Critical role of the extracellular signal-regulated kinase-MAPK pathway in osteoblast differentiation and skeletal development[J].J Cell Biol,2007,176(5):709-718.

[23]Wiens M,Wang X,Schr?der HC,etal.The role of biosilica in the osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells[J].Biomaterials,2010,31(30):7716-7725.

[24]Wang X,Schr?der HC,Wiens M,etal.Bio-silica and bio-polyphosphate:applications in biomedicine (bone formation)[J].Curr Opin Biotechnol,2012,23(4):570-578.

[25]Schr?der HC,Wang XH,Wiens M,etal.Silicate modulates the cross-talk between osteoblasts (SaOS-2) and osteoclasts (RAW 264.7 cells):inhibition of osteoclast growth and differentiation[J].J Cell Biochem,2012,113(10):3197-3206.

[26]Hung CJ,Kao CT,Chen YJ,etal.Antiosteoclastogenic activity of silicate-based materials antagonizing receptor activator for nuclear factor kappaB ligand-induced osteoclast differentiation of murine marcophages[J].J Endod,2013,39(12):1557-1561.

[27]Zhai W,Lu H,Wu C,etal.Sitmulatory effects of the ionic products from Ca-Mg-Si bioceramics on both osteogenesis and angiogenesisin vitro[J].Acta Biomater，2013,9(8):8004-8014.

[28]Zhai W,Lu H,Chen L,etal.Silicate bioceramics induce angiogenesis during bone regeneration[J].Acta Biomater,2012,8(1):341-349.

[29]Li H,Chang J.Bioactive silicate materials stimulate angiogenesis in fibroblast and endothelial cell co-culture system through paracrine effect[J].Acta Biomater,2013,9(6):6981-6991.

[30]Li H,Xue K,Kong N,etal.Silicate bioceramics enhanced vascularization and osteogenesis through stimulating interactions between endothelia cells and bone marrow stromal cells[J].Biomaterials,2014,35(12):3803-3818.

[31]Chou MY,Kao CT,Hung CJ,etal.Role of the P38 pathway in calcium silicate cement-induced cell viability and angiogenesis-related proteins of human dental pulp cell in vitro[J].J Endod,2014,40(6):818-824.

Research Progress on the Biological Activity of Wollastonite/β-calcium Phosphate Composite Scaffold MaterialLIUYu-guang1,HUMin2a,LIUYu-yan2b.(1.DepartmentofOralMedicine,SchoolofStomato-logy,JilinUniversity,Changchun130021,China; 2a.DepartmentofOrthodontics,b.Endodontics,Stomato-logyHospitalofJilinUniversity,Changchun130021,China)

Abstract:Scaffold materials used to repair bone defect has been one of the research hot spots in the field of biological materials.As a typical bone repair material,β-calcium phosphate has been widely used in clinical,which is limited because of the lack of bioactive ions and dissatisfying mechanical properties.While calcium silicate contains bioactive ion-silicon ions,which endow it with osteoinductive capacity,β-calcium phosphate doped with wollastonite to construct a composite scaffold material has recently become a hot topic.Here is to make a review of this popular biomaterial′s basic components,relative ratio and underlying mechanism of bone formation.

Key words:Bone repair; Wollastonite; β-calcium phosphate; Scaffold materials; Bioactivity

收稿日期：2014-11-11修回日期：2015-02-06編輯：鄭雪

基金項目：吉林省衛生廳科技計劃(2012-Z-043)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.028

中圖分類號：R318.5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3147-03