骨科植入物修飾策略研究進(jìn)展*

肖國(guó)強(qiáng)，胡介宇 綜述，王 茜，李琪佳，張 輝王志強(qiáng)△ 審校

(1.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，河北唐山 063000；2.華北理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，河北唐山 063000；3.河北省唐山市第二醫(yī)院關(guān)節(jié)一科 063000)

隨著世界人口老齡化的到來(lái)，骨骼系統(tǒng)疾病顯著增加，如骨折、骨性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松和骨轉(zhuǎn)移癌等。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)是治療骨性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死的最終治療策略。目前治療骨缺損和關(guān)節(jié)置換主要使用金屬植入物。但這些植入物可因植入松動(dòng)、磨損、負(fù)載不當(dāng)，而導(dǎo)致植入物周?chē)装Y、骨吸收和骨質(zhì)溶解，最終植入失敗[1]。自體骨移植被認(rèn)為是治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)，但供區(qū)有限、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，而同種異體植骨，常面臨免疫排斥、疾病傳播等風(fēng)險(xiǎn)。而傳統(tǒng)的金屬植入物骨整合能力有限，需對(duì)骨科植入物進(jìn)一步研究，以提高骨整合能力。本文將現(xiàn)階段骨科植入物生物修飾的研究進(jìn)行了總結(jié)和歸納。

1 金屬植入物的要求

鈦合金質(zhì)地輕、延展性好、耐腐蝕、生物相容性好、耐反復(fù)，應(yīng)承載壓力均高于純鈦[2]。它具有較低的彈性模量，更有利于減少界面壓力，因此是較理想的骨科應(yīng)用材料。但常發(fā)生無(wú)菌性松動(dòng)，因此需要改進(jìn)和修飾這些植入物，使其有利于與宿主骨結(jié)合牢固。植入物的主要目的是與骨骼形成堅(jiān)強(qiáng)的結(jié)合，在植入位置提供承載負(fù)荷功能。根據(jù)不同的位置和應(yīng)用，對(duì)植入物有不同的要求。關(guān)節(jié)置換和椎弓根釘棒，需要為整個(gè)生命周期提供支持，因此有更高的骨整合需求。盡管術(shù)后15年內(nèi)的初次髖、膝關(guān)節(jié)置換的成功率超過(guò)90%，仍需提高植入物的生命周期、強(qiáng)化植入物功能，尤其是在翻修、骨質(zhì)條件不佳、年輕的患者等特殊情況下。術(shù)后植入物的穩(wěn)定對(duì)骨整合非常重要。植入物與宿主之間存在20 μm微動(dòng)并不影響骨整合，而40～150 μm的相對(duì)運(yùn)動(dòng)則不利于骨長(zhǎng)植入物支架，植入物的過(guò)度運(yùn)動(dòng)會(huì)影響骨整合。因此良好的骨整合在植入物的早期和長(zhǎng)期穩(wěn)定中均起關(guān)鍵作用。

2 表面修飾策略

單純的金屬植入物已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代骨科植入物的需求，學(xué)者們開(kāi)始嘗試各種修飾手段。從單純的表面結(jié)構(gòu)更改，到表面涂層，再到各種生物修飾，增加植入物與宿主骨的整合，促進(jìn)骨誘導(dǎo)及骨形成，增強(qiáng)植入物的穩(wěn)定性。

2.1植入物自身表面改性 由于植入物表面直接接觸宿主骨組織，更改植入物表面粗糙度及化學(xué)性質(zhì)可增強(qiáng)骨整合和機(jī)械穩(wěn)定。不同粗糙度可影響MSC細(xì)胞的黏附和增殖[3]。粗糙的表面利于骨細(xì)胞分化，增加材料表面粗糙度或?qū)⒉牧现谱鞒啥嗫捉Y(jié)構(gòu)，可增加接觸面積，利于宿主的蛋白質(zhì)、細(xì)胞長(zhǎng)入材料。有研究發(fā)現(xiàn)蛋白激酶A和磷脂酶A2參與表面粗糙度對(duì)成骨細(xì)胞的影響。磷脂酶A2催化前列腺素E2的產(chǎn)生，使成骨細(xì)胞對(duì)1、25-(OH)2D3等系統(tǒng)作出反應(yīng)，促進(jìn)成骨。研究發(fā)現(xiàn)在粗糙的鈦表面成骨細(xì)胞分化過(guò)程中存在著α2β1的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[4]。同時(shí)，可通過(guò)熱噴涂和物理氣相沉積對(duì)材料表面進(jìn)行物理改性；堿處理法、酸處理法、過(guò)氧化氫刻蝕等進(jìn)行化學(xué)改性，更改植入物表面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨整合。鈦表面納米結(jié)構(gòu)可提高骨細(xì)胞對(duì)材料局部微環(huán)境的辨別及適應(yīng)能力，促進(jìn)骨整合[5]。

植入物表面化學(xué)基團(tuán)也對(duì)骨生長(zhǎng)和分化發(fā)揮作用。鈦表面羥基化可提高材料可濕性，促進(jìn)細(xì)胞附著。而材料表面形貌和化學(xué)修飾(通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極處理)，可促進(jìn)植入物表面骨形成。材料表面形貌是決定植入材料生物學(xué)性能的重要因素[6]。研究發(fā)現(xiàn)材料表面的化學(xué)基團(tuán)可調(diào)節(jié)吸附蛋白的構(gòu)象及活性，表面化學(xué)基團(tuán)的不同對(duì)成骨細(xì)胞的影響也不同。將纖維蛋白吸附于具有不同化學(xué)基團(tuán)(OH、NH2、COOH、CH3)的材料表面與骨細(xì)胞共同培養(yǎng)，骨細(xì)胞在OH和NH2基團(tuán)表面利用α5β1和αvβ3促進(jìn)細(xì)胞黏附，有更明顯的ACL表達(dá)和礦化。而表面基團(tuán)如何影響體內(nèi)骨形成仍有待研究。

2.2表面涂層 磷酸鈣(CaP，包括羥磷灰石，HA)具有良好的礦化能力，可增強(qiáng)植入物骨整合，其復(fù)合涂層具有較強(qiáng)骨結(jié)合力和優(yōu)良抗菌性[7]。HA涂層植入骨組織有助于增加1～2 mm的初始橋接，有利于骨傳導(dǎo)，增強(qiáng)材料骨整合。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，在涂層與骨之間的界面，骨生成和黏附強(qiáng)度明顯增高。羥基磷灰石具有良好的生物活性，已廣泛應(yīng)用于髖、膝關(guān)節(jié)置換中，并取得很好的療效。更多功能化的涂層被研究，IZQUIERDO-BARBA等[8]在Ti6Al4V表面予以TiO2納米涂層，能有效地干預(yù)金黃色葡萄球菌生物膜形成，具有抗菌作用。

生物黏附涂層修飾材料表面是另一類(lèi)顯著提高骨科材料機(jī)械固定的方法。細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白可被吸附/功能化植入材料表面，調(diào)節(jié)細(xì)胞吸附和分化。ECM相對(duì)分子質(zhì)量很大，而吸附于材料表面可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)合區(qū)域難以暴露。多肽序列包含了細(xì)胞結(jié)合區(qū)域的最小結(jié)構(gòu)，在體內(nèi)、外相當(dāng)活躍。這些具有功能基團(tuán)的多肽經(jīng)過(guò)多種處理(材料消毒、包裝、存儲(chǔ))后依然可保留活性[9]。Ⅰ型膠原(ColⅠ)是骨組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白，通過(guò)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp，RGD)肽序列促進(jìn)細(xì)胞黏附和伸展。RGD肽序列包裹鈦植入物表面，植入體內(nèi)2、4周時(shí)骨形成明顯增加。鈦金屬涂以纖連蛋白(FN)7-10片段(FN7-10)顯示更高的ALP活動(dòng)、鈣含量、礦化，也增加了骨的附著和抗拔出力。陳岑[10]將HA涂層的骨傳導(dǎo)作用與FN骨誘導(dǎo)作用結(jié)合，制成類(lèi)骨磷灰石與FN的復(fù)合涂層，能控制釋放FN，兩種分子具有協(xié)同作用，有效地促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)的增殖和成骨分化。

生物分子物理吸附量有限，共價(jià)結(jié)合能增加生物分子涂層量，以低聚糖(甲基丙烯酸乙二醇酯)(OEGMA)聚合物修飾鈦表面，OEGMA通過(guò)化學(xué)共軛結(jié)合細(xì)胞吸附配體(如RGD和FN7-10)，將結(jié)合有FN7-10的OEGMA修飾材料植入大鼠脛骨干，該材料表現(xiàn)出較高的骨接觸和抗拔出力[11]。

2.3局部治療劑的緩釋策略增強(qiáng)骨整合 眾所周知，臨床治療中局部用藥能減少全身用藥的不良反應(yīng)，且具有針對(duì)性，那么是否可將釋放治療性生物分子或藥物與材料結(jié)合增強(qiáng)骨整合引起人們極大的興趣。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)-2和BMP-7已被批準(zhǔn)用于臨床患者。THOREY等[12]將表面涂有BMP-2的鈦植入兔股骨，顯示鈦周?chē)橇棵黠@增加。RAMAZANOGLU等[13]在磷酸鈣涂層的表面吸附和呈遞BMP-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，顯示兩個(gè)生長(zhǎng)因子間存在協(xié)同作用可增強(qiáng)植入物周?chē)堑V物質(zhì)密度。但細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子固定于植入物表面常會(huì)導(dǎo)致生物活性下降。BMP-2是一種疏水蛋白質(zhì)，雖能牢固的黏附于材料表面，但在黏附過(guò)程中失去活性。KASHIWAGI等[14]合成的人造蛋白質(zhì)，包含了3個(gè)可與鈦可逆連接的序列，同時(shí)其N(xiāo)末端能與BMP-2結(jié)合。通過(guò)該中間層的介入，BMP-2能穩(wěn)定連接于材料表面，且生物活性不受影響，這種蛋白有助于治療劑的可逆、定向結(jié)合(固定)和釋放。LU等[15]研制出了一種模塊化的骨形成肽(mBMP)，對(duì)羥磷灰石有高親和力。將mBMP結(jié)合于鈦HA涂層表面，植入羊股骨髁中，可增加植入鈦推出力[16]。雖然實(shí)驗(yàn)研究取得良好效果，但藥物和細(xì)胞因子吸附在表面會(huì)表現(xiàn)出爆發(fā)式釋放，局部藥物及生長(zhǎng)因子超生理劑量，從而導(dǎo)致不良反應(yīng)。

MACDONALD等[16]采用逐層組裝技術(shù)，交替應(yīng)用BMP-2和帶電聚合物修飾植入材料表面，既可以將大劑量的BMP-2裝載于材料表面，同時(shí)避免BMP-2爆發(fā)式釋放。該材料植入肌內(nèi)時(shí)，可發(fā)起骨生長(zhǎng)并逐漸成熟。SHAH等[17]采用類(lèi)似的技術(shù)修飾鈦支架材料，可控制治療分子BMP-2持續(xù)釋放，體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)顯著增加植入物的抗推出力。SONG等[18]研發(fā)了由聚己內(nèi)酯(與羥基磷灰石共混)和聚乙烯醇(與Col共混)(PVAHA/PCLCol)制成的共聚物納米纖維涂層。將強(qiáng)力霉素和地塞米松(成骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化劑)結(jié)合于這種聚合物納米纖維涂層，并與前成骨細(xì)胞MC3T3-E1培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能增強(qiáng)前成骨細(xì)胞擴(kuò)散和黏附。該涂層可控制治療藥物及生長(zhǎng)因子在病變部位的釋放，避免爆發(fā)式釋放。然而，進(jìn)一步的體內(nèi)研究中，需要監(jiān)測(cè)不同治療藥物及生長(zhǎng)因子的釋放，了解不同治療分子的釋放動(dòng)力學(xué)，才能完全控制修飾材料局部藥物的釋放。

同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)雙膦酸鹽(BPS)可促進(jìn)去卵巢動(dòng)物種植體的骨整合，并延長(zhǎng)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床使用壽命。含BPS的纖維蛋白原涂于植入物表面可改善材料在人骨骼中的整合。LI等[19]發(fā)現(xiàn)唑來(lái)膦酸(ZA)修飾的植入材料植入骨質(zhì)疏松小鼠模型中，能促進(jìn)植入材料固定，同時(shí)在皮下注射人類(lèi)甲狀旁腺激素1-34(PTH)效果更明顯。吳晗等[20]在兔骨質(zhì)疏松模型中，用ZA修飾植入材料，ZA局部釋放，抑制骨吸收,可明顯改善種植體周?chē)墙Y(jié)合率，促進(jìn)骨形成,從而增強(qiáng)種植體的穩(wěn)定性。這種治療劑修飾植入物，局部釋放策略可能成為治療骨質(zhì)疏松患者骨缺損的新策略。

2.4細(xì)胞種植策略 SONNET等[21]使用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝膠制成的微膠囊(直徑50～350 μm，能封裝可產(chǎn)生BMP-2的細(xì)胞系(Ad5BMP2)，植入大鼠股骨，BMP-2在局部表達(dá)水平相對(duì)較低，降低了超生理濃度生長(zhǎng)因子釋放的相關(guān)副作用。HUANG等[22]將包含有VEGF和質(zhì)粒DNA(人骨髓基質(zhì)細(xì)胞和編碼BMP-4的質(zhì)粒DNA)的聚乳酸(PLGA)支架植入SCID(severe combined immune deficiency)小鼠中皮下，顯示出顯著的骨形成。同樣，聚己內(nèi)酯(PCL)支架采用骨髓基質(zhì)細(xì)胞修飾后成骨作用明顯[23]；將骨髓基質(zhì)細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞聯(lián)合修飾的PLGA支架植入小鼠體內(nèi)，骨形成明顯，且兩種細(xì)胞具有協(xié)同作用。BMSCs可作為種子細(xì)胞，種植于骨缺損處，促進(jìn)成骨，提高材料骨整合，BMSCs作為種子細(xì)胞修飾植入材料，修復(fù)牙槽骨缺損療效滿(mǎn)意[24]。細(xì)胞修飾植入材料修復(fù)骨缺損，既能提供局部機(jī)械支撐，也能產(chǎn)生多種骨形成相關(guān)的因子和蛋白，供局部整合所需，有利于局部快速成骨，修復(fù)骨缺損。

2.5表面基團(tuán)與生物凝膠 材料表面官能團(tuán)和聚合物對(duì)骨整合同樣具有重要作用。GANDAVARAPU等[25]將磷酸基團(tuán)與PEG水凝膠結(jié)合，并將血清蛋白吸附于該結(jié)合材料表面，可促進(jìn)成骨細(xì)胞在表面附著和擴(kuò)散。RGD序列是一種常用的促進(jìn)細(xì)胞黏附的材料表面修飾基團(tuán)。ALSBERG等[26]將用RGD序列修飾的藻酸鹽水凝膠、軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞植入免疫力低下的小鼠皮下，有類(lèi)似于軟骨內(nèi)骨化的結(jié)構(gòu)形成，并在骨和軟骨界面區(qū)形成類(lèi)似生長(zhǎng)板樣結(jié)構(gòu)。HSU等[27]使用組織蛋白酶K敏感肽作為交聯(lián)劑制成具有RGD功能化的PEGDA水凝膠，當(dāng)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞在這樣的凝膠上培養(yǎng)時(shí)，可降低破骨細(xì)胞的附著，而不影響成骨細(xì)胞的附著，可抑制骨吸收，促進(jìn)骨生長(zhǎng)。凝膠同樣能避免修飾基團(tuán)的爆發(fā)式釋放，將重組人BMP-2包埋于該凝膠，能隨時(shí)間緩慢釋放。

RGD序列能與各種類(lèi)型的整合蛋白非特異性結(jié)合，能被其他特定的誘導(dǎo)骨分化的序列代替。WOJTOWICZ等[28]使用GFOGER(其通過(guò)α2β1整合蛋白與細(xì)胞結(jié)合)涂層于聚己內(nèi)酯支架，促進(jìn)節(jié)段性骨缺損修復(fù)，并且顯示在沒(méi)有任何外源性生長(zhǎng)因子的情況下，吸附GFOGER的支架表面骨形成的顯著高于未涂層的支架。SHEKARAN等[29]利用PEG水凝膠通過(guò)α2β1整合蛋白與BMP-2來(lái)傳導(dǎo)信號(hào)增強(qiáng)骨再生。化學(xué)基團(tuán)聯(lián)合水凝膠在實(shí)驗(yàn)研究階段療效顯著，有待進(jìn)一步臨床研究。

2.6生長(zhǎng)因子生物固定 生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子(包括BMP-4、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β、纖維母細(xì)胞生長(zhǎng)因子、胰島素樣生長(zhǎng)因子、VEGF)對(duì)骨形成具有重要作用[30]。將生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子固定于支架材料上，模擬其在ECM中的存在[31]。生長(zhǎng)因子的釋放可隨著細(xì)胞的需求而呈遞，不會(huì)隨時(shí)間的推移迅速擴(kuò)散[32]。MARTINO等[33]設(shè)計(jì)的多功能纖維蛋白支架，能結(jié)合生長(zhǎng)因子如PDGF-BB和BMP-2，用該纖維蛋白支架固定生長(zhǎng)因子，避免了迅速擴(kuò)散，在治療大鼠骨缺損所需的生長(zhǎng)因子劑量顯著降低。

對(duì)骨科植入材料的修飾不再是簡(jiǎn)單的某種修飾，混合修飾效果更優(yōu)越，茍?jiān)娙坏萚34]運(yùn)用明膠微球吸附轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1，形成微球控制釋放系統(tǒng)，并交聯(lián)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1蛋白，再通過(guò)殼聚糖(CS)凝膠將整個(gè)復(fù)合涂層用于鈦表面，能促進(jìn)骨細(xì)胞增殖分化，這種修飾方法既能將生長(zhǎng)因子固定于材料涂層，且能控釋。吳雪林等[35]通過(guò)模擬體液仿生沉積法在鈦合金材料表面構(gòu)建鈣磷離子/神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)復(fù)合涂層，能緩釋生物活性因子NGF，促進(jìn)成骨。

3 展 望

植入材料的不斷更新增強(qiáng)了對(duì)骨整合和骨組織再生的理解。簡(jiǎn)單物理、化學(xué)法改性材料，整合蛋白配體功能化材料，植入物的表面修飾以改善骨整合已經(jīng)顯示出廣闊的前景。生長(zhǎng)因子釋放和細(xì)胞包埋相結(jié)合，治療劑局部釋放與凝膠復(fù)合涂層，其對(duì)骨生長(zhǎng)具有協(xié)同作用。骨組織生長(zhǎng)和再生是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，植入物需要響應(yīng)骨組織不斷增長(zhǎng)的需求。這需要廣大學(xué)者的共同努力，解開(kāi)錯(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)制和細(xì)節(jié)。