磷酸鈣生物陶瓷骨誘導機制的研究進展

蔡佩玲，程麗佳

(成都大學基礎醫學與護理學院，四川 成都 610106)

磷酸鈣生物陶瓷骨誘導機制的研究進展

蔡佩玲，程麗佳

(成都大學基礎醫學與護理學院，四川 成都 610106)

磷酸鈣生物陶瓷主要包括羥基磷灰石、α/β-磷酸三鈣和兩者按不同比例組成的混合物.近年來，磷酸鈣生物陶瓷已經被大量應用于醫學臨床上，其在牙科、整形外科和骨科等領域中都有重要的應用價值，而其骨誘導機制也是研究者們一直在探索的難題.對磷酸鈣生物陶瓷骨誘導機制的研究進展進行系統全面地評價，并對其下一步的研究方向進行了討論.

生物陶瓷;羥基磷灰石;α/β－磷酸三鈣;骨誘導機制

0 引言

近年來，由于骨折、骨腫瘤，以及先天性骨缺損等病癥所引起的患者骨缺損情況大量發生，因此在醫學臨床上，骨移植物被大量需求，而有限的人體骨供不應求，人工合成骨替代材料則應運而生，磷酸鈣(Calcium phosphate，Ca-P)生物陶瓷就是其中的代表.Ca-P生物陶瓷是一類由羥基磷灰石［HA，Ca10(PO4)6(OH)2］和 α/β-磷酸三鈣［α/β-TCP，Ca3(PO4)2］按不同比例組成的生物材料，因其綜合了HA良好的生物相容性和磷酸三鈣(TCP)優異的生物降解性，加上其化學成分與人體硬組織的無機成分基本一致，而成為了替換或修復人體硬組織的理想材料.

關于Ca-P生物陶瓷，根據文獻記載，早在1920年Albee就將TCP用于修復兔子的骨缺損，隨后50多年間，Ca-P陶瓷的應用越來越廣泛.1972年，“生物陶瓷”這個概念首次在文獻中被提到，而雙相磷酸鈣(Biphasic calcium phosphate，BCP)陶瓷這一術語則在1990年由Nery提出.到上世紀80年代初，Jarcho等將Ca-P陶瓷作為骨替換材料應用于牙科臨床中，并取得了滿意效果.自此以后，關于Ca-P陶瓷或BCP陶瓷的應用和報道層出不窮.1987年，Wilson-Hench將骨誘導定義為新骨組織在非骨位點形成的過程.隨后，在上世紀90年代，關于Ca-P生物陶瓷在動物體內異位成骨的現象先后被報道:Ripamonti等將來源于珊瑚的多孔HA植入狒狒肌肉內，發現可以誘導骨組織形成;Zhang等同樣發現HA可以在狗肌肉內誘導異位骨形成;同期，Yamasaki等將多孔HA植入狗的皮下，同樣也發現了骨誘導現象;Vagervick在猴子肌肉中也發現了骨誘導現象.Ca-P陶瓷骨誘導現象的機制經過20多年的研究，特別是Zhang、Ripamonti和De Groot分別帶領的科研團隊做了大量工作，人們逐漸對這一奇特的現象有了深入認識［1－4］.對此，本研究擬對 Ca-P生物陶瓷的骨誘導機制研究進展進行系統、全面地評價，并對其下一步的研究方向進行了討論.

1 影響骨誘導現象發生的因素

1.1 材料性質

研究發現，Ca-P陶瓷的化學成分是骨誘導現象發生的關鍵，因為其成分和機體骨組織相似.Cheng等［5］的研究表明，只要存在Ca元素，骨誘導現象就會發生.但是也有研究發現，金屬鈦同樣能在動物體內誘導出異位骨組織［6］.由此可推測，Ca元素只是骨誘導發生的充分條件，而非必要條件.此外，Ca元素與P元素的比率，即HA與TCP的所占的比例不同，也會影響骨誘導的發生.Yuan等［7］發現，利用TCP修復綿羊髂骨的效果明顯較HA和BCP顯著，而Arinzeh等也發現，20HA/80TCP較 100HA、76HA/24TCP、63HA/37TCP、56HA/44TCP 和100TCP 能誘導更多的骨組織形成.另外，Ca-P陶瓷的大孔和微孔結構對骨誘導的發生有重要的影響.Holmes建議最佳的大孔直徑應在200～400 μm，而Tsurga也認為支持異位骨形成的最佳孔徑應為300～400 μm.研究還發現，小于10 μm的微孔對骨誘導的發生起至關重要作用，這主要是因為微孔可以增加材料的表面積以及Ca、P離子的溶解度.同時，微孔在材料內必需是內部連通的，這可以為血管生成提供充足的空間，從而為新生骨的營養輸送和廢物的排放提供通道.

1.2 制備材料工藝

目前，Ca-P陶瓷的制備工藝主要有3種:先通過濕法制備缺鈣磷灰石，再經燒結而得;固相反應法，即利用磷酸二氫鈣［Ca(H2PO4)2·H2O］和碳酸鈣(CaCO3)為原料，加水混合，再經燒結來制備;直接將HA和TCP按一定比例混合而得，根據原料比例的不同，制得的陶瓷所含HA與TCP的比例也有所不同，這個比例將直接影響骨誘導的發生.同時，Ca-P陶瓷的孔結構也由材料制備過程中的原料、制備方法、燒結溫度和燒結時間決定.其中，燒結溫度是一個較關鍵的因素，通常情況下，Ca-P陶瓷的燒結溫度在1 100℃到1 300℃之間.低于1 100℃，HA會聚集，從而丟失大量表面積和孔隙，而高于1 300℃，HA 又會變得不穩定.Yuan等［7］研究發現，1 150℃高溫下煅燒的BCP較1 300℃條件下煅燒的BCP在綿羊肌肉內能誘導更多的骨組織形成.研究表明，雖然Ca-P陶瓷制備工藝有所不同，但都必需滿足以下4個條件:無毒性，良好的生物相容性;高孔隙率，能為細胞生長、養分交換和代謝產物的排出提供足夠的空間;生物降解性，且其降解速率要和細胞的生長速率相匹配;機械強度，能夠在體內承重.

1.3 動物種屬

研究表明，動物種屬是骨誘導發生中一個重要的因素，在常用的動物模型中，異位骨組織通常在狒狒、猴子、綿羊、豬與狗等大動物體內形成，而在小動物如兔子、大鼠或小鼠體內很少發現.同時，Ca-P陶瓷應用到人體體內修復骨缺損或牙缺損均表現出良好的效果［8－13］.骨誘導現象是指生物材料移植到動物非骨位點誘導異位骨組織形成的現象，移植位點通常在肌肉內或皮下，至今還沒有材料移植到實體器官或組織的報道.肌肉內由于毛細血管和營養物質較皮下位點豐富，因此異位骨組織形成的概率較皮下位點大［13］.此外，Klein等比較了 Ca-P陶瓷移植到狗和大鼠軟組織中的組織學反應，發現骨組織只在狗軟組織內形成，而在大鼠體內沒有觀察到此現象;Ripamonti等將HA陶瓷植入狒狒、狗和兔子肌肉內，比較了3種動物體內材料的新生骨組織量，結果發現大量的骨組織在狒狒體內形成，少量的骨組織也在狗體內形成.然而，卻沒有任何骨組織在兔子體內被發現.Yang等也比較了BCP陶瓷植入狗、豬、羊、兔子和大鼠肌肉后的新生骨組織形成情況，結果發現新生骨組織只在狗和豬肌肉內形成，而在羊、兔子和大鼠肌肉內卻未被發現.這些現象表明，骨誘導現象的發生與動物種屬密切相關.

2 骨誘導現象發生的機制

2.1 成骨途徑

骨誘導現象是一個復雜的現象，其發生的機制雖然至今仍不完全清楚，但研究者們正在慢慢還原骨誘導現象發生的細節過程.Ca-P生物材料異位骨形成方式分為軟骨內成骨和膜內成骨.軟骨內成骨是指未分化的間充質細胞受移植材料的趨化作用分化為成軟骨細胞和軟骨細胞，軟骨細胞外基質形成，接著軟骨成熟、肥大、鈣化，然后血管和骨祖細胞浸入，軟骨溶解，類骨質沉積，從而產生骨基質，最終導致異位骨形成［14］.膜內成骨則是移植的材料直接募集周圍組織中的間充質細胞分化為成骨細胞和骨細胞，從而使骨基質沉積，促使新生骨組織形成.通常情況下，添加BMP-2等外源性因子的成骨途徑是軟骨內成骨［15］，而未添加任何成骨因子只由材料誘導的成骨途徑是膜內成骨［16］.

2.2 成骨因子

研究發現，Ca-P生物陶瓷在體內外均能吸附大量成骨因子，如骨形態發生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)、骨保護素(Osteoprotegerin，OPG)、生長分化因子(Growth differentiation factor，GDF)、腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor，TNF)、白介素(Interleukin，IL)、核因子 κB受體活化因子配體(Receptoractivatorfornuclearfactor-κB ligand，RANKL)、巨噬細胞集落刺激因子(Macrophage colony stimulating factor，M-CSF)、血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管生成素(Angiopoietin，Ang)、血小板衍生生長因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)、胰島素生長因子(Insulin growth factor，IGF)和成纖維細胞生長因子(Fibroblast growth factor，FGF)等［17－21］.當 Ca-P陶瓷植入到動物體內后，材料吸附周圍組織中的各種成骨因子，這些成骨因子分階段地在成骨過程中發揮不同作用，最終促進新骨組織的形成.

2.3 成骨細胞

1996年，Yang等［22］發現，毛細血管旁的多態細胞被生物材料牽引進而分化為成骨細胞，據此推測這些多態細胞為周細胞或內皮細胞.其后，Yuan等［7］發現，骨誘導的發生是由生物材料表面的周細胞和間充質干細胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)共同作用的結果，Ripamonti等［23］通過研究推測肌內皮細胞可能分化為成骨細胞，進而促進異位骨組織形成，Le Nihouannen等［24］研究表明生物材料移植到體內后會釋放微小顆粒，進而引起炎癥反應，釋放炎癥因子促使體液循環中的干細胞分化為成骨細胞.此外，有研究則認為，Ca-P陶瓷能募集周圍組織中的MSCs，并吸附BMP-2等成骨因子促使MSCs分化為成骨細胞，最終誘導新生骨組織形成［25］.例如，Song等［3］把雄犬的骨髓MSCs移植到雌犬骨髓中，并將BCP植入到犬背部，用熒光原位雜交(FISH)檢測植入BCP中Y染色體的表達，發現骨髓MSCs能歸巢到非骨位點促進異位骨的形成.

3 展望

Ca-P生物陶瓷骨誘導的發生和材料性質、材料制備、動物種屬、移植時間、成骨細胞及成骨環境等因素密切相關.圍繞這些關鍵因素已有多種細胞起源學說被推測，但仍沒有直接證據證明骨誘導中成骨細胞的來源.因此，在今后的研究中，可以利用細胞標記示蹤等方法來探討骨誘導的發生機制.只有在完全了解骨誘導機制的前提下，才能更好地將Ca-P生物陶瓷應用于醫學臨床上，進而治療因炎癥、創傷、骨腫瘤等病癥造成的骨缺損.

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Research Progress of Mechanism of Osteoinduction Induced by Calcium Phosphate Bioceramics

CAI Peiling，CHENG Lijia
(School of Basic Medical Sciences and Nursing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Calcium phosphate(Ca-P)bioceramics are mainly composed of hydroxyapatite(HA)and α/β-tricalcium phosphate(α/β-TCP)with different ratios.In recent years，Ca-P bioceramics have been widely used in clinic，which play important roles in dentistry，plastic surgery and orthopedics.The osteoinduction mechanism of Ca-P ceramics has been extensively studied.In this study，we systematically and comprehensively evaluate the research progress of osteoinduction mechanism，and discuss the directions for future research.

bioceramic;hydroxyapatite;α/β-Tricalcium phosphate;osteoinduction mechanism

R318.08;TQ174.759

A

1004－5422(2015)01－0016－04

2014－12－15.

國家自然科學基金(51402027)、四川省教育廳自然科學基金(14ZB0376)資助項目.

蔡佩玲(1979—)，女，博士，講師，從事鈣磷生物材料骨誘導機制研究.