金屬材料修復臨界性骨缺損的實驗研究進展

張煥超，呂玉強，王茜，李琪佳 ，王志強

作者單位：1華北理工大學附屬醫院骨科,河北 唐山 063000;2華北理工大學醫學實驗研究中心，河北 唐山 063000

臨界性骨缺損(critical size bone defect,CSD)，是骨愈合中的一種極端情況[1]，常由某種原因，如骨腫瘤切除、創傷、感染、結核、骨髓炎清創術等導致部分骨質喪失[2]，直接影響血管重建和組織分化，最終導致自發性骨折，未經干預便進展到不愈合。CSD的經典定義是“在特定骨和動物物種中，活體動物不會自發愈合的最小骨缺損”,或“在動物的一生中骨缺損的骨再生面積小于10%”[3]。但缺損大小并不是代表CSD的唯一參數[4]，人們發現，大多數物種的骨缺損長度超過直徑的1.5倍或2.0倍時可以考慮為最小尺寸[5]。CSD常常合并軟組織損傷，嚴重影響缺損部位的血供，導致骨折處畸形愈合或愈合過程中無連續性骨痂形成，產生骨不連，造成患肢功能障礙，降低病人的生活質量[6]。CSD在治療上存在手術時間長，出現并發癥概率高等風險。

目前CSD的主要治療方法包括①自體骨移植：自體骨移植是修復CSD的“金標準”，可以達到理想的骨愈合效果。然而，自體骨取材困難、來源有限，且取骨將不可避免地增加病人的疼痛和感染的風險[7];②異體骨移植：異體骨取材容易，來源豐富，具有自體骨優良的組織學特性。但因物種間抗原差異，常引起免疫排斥反應，導致感染和腫瘤的發生；同時，樣品制備、處理和儲存成本較高，因此限制了臨床應用[8-10]；③骨組織工程：骨組織工程將種子細胞、生長因子與支架材料相結合,促進新骨的再生和重塑,為CSD的修復提供了新方法[11]。傳統的支架材料，如羥基磷灰石、磷酸三氫鈣、聚己內酯、生物活性玻璃等，修復骨缺損效果良好，但因機械強度不夠，修復大型動物承重骨CSD時易斷裂；同時，其只有骨傳導性和生物相容性，而不具備成骨性和骨誘導性，不能達到理想支架材料的全部性能[12]。

金屬支架材料生物相容性良好，耐腐蝕性強，力學性能優，相比傳統支架材料，其最大特點為機械強度更高，可為新組織生長提供良好的支撐，有效避免植入物與皮質骨間極低的骨內應力變和骨吸收，促進骨向植入物內生長，增強骨組織與植入物的結合強度，適用于CSD，特別是承重部位CSD的修復[13]，以及股骨和肱骨等長骨大段骨缺損的修復。筆者就目前金屬材料修復CSD的相關研究做一簡要綜述。

1 不可降解金屬材料對CSD的修復作用

1.1 鈦(titanium,Ti)Ti因其良好的生物相容性、耐腐蝕性、骨整合性和優異的力學性能，使其能夠在承重條件下用于永久性骨科植入物修復CSD[14]。近些年，多孔鈦金屬支架因其良好的機械性能在動物體內用來修復CSD的實驗中取得了一些積極的成果[15]。Zhang等[16]用圓柱形多孔鈦金屬支架和羥基磷灰石支架修復兔橈骨10 mm CSD，X線檢查和生物力學測試顯示兩種支架骨修復良好，12周和24周時，兩種支架材料內新生骨面積百分比差異無統計學意義，但術后12周生物力學測試表明，多孔鈦金屬支架的機械強度(107.3±27.4)N高于羥基磷灰石支架的機械強度(93.4±21.2)N。Zhao等[17]采用等離子體浸沒離子注入技術制備表面改良的鈦金屬復合支架材料，將硅摻雜到鈦表面的二氧化鈦納米管中。將該材料植入到大鼠股骨CSD處，觀察2周，實驗結果顯示，摻雜硅的二氧化鈦納米管支架比二氧化鈦支架和鈦支架的機械強度分別提高了18%和54%。研究表明[18],良好的機械性能可有效避免植入物與皮質骨間極低的骨內應變和骨吸收，促進骨向植入物內生長，增強骨組織與植入物的結合強度，促進CSD的修復。

除機械性能可影響骨愈合外，Woodard等[19]研究發現，微孔對于生物材料實現良好的骨誘導也是至關重要的，具有相互連接的多孔結構有利于血管化和營養物質的交換，從而實現骨向內生長，通過生物錨固實現長期固定。研究表明，骨向內生長的最佳孔徑范圍為100～500 μm[20]，孔徑大于300 μm可增強新骨和毛細血管的形成。Li等[22]將3種不同孔徑(300～400 μm、400～500 μm和500～700 μm)的多孔鈦合金支架在體外與人骨髓間充質干細胞共培養，結果發現300～400 μm支架組效果最好。隨后將其植入山羊跖骨30 mm超CSD處，體內評價表明，隨著時間的增加骨向材料內生長的量逐漸增多，骨修復良好，并且在實驗期間沒有發生植入物移位。Chang等[23]將不同多孔鈦(孔徑188～390 μm，孔隙率70%)支架材料在體外與骨髓間充質干細胞共培養，在體內植入兔股骨CSD處，結果表明，鈦188在初始階段更傾向于促進細胞分化，而細胞增殖和骨向內生長偏向于鈦313和鈦390。融合不同孔徑優點的混合多孔鈦支架的設計對CSD修復具有重要意義和應用前景。

1.2 鉭(tantalum,Ta)Ta是一種稀有的過渡金屬，在體內有高度耐腐蝕性和惰性[24]。20世紀中期，鉭就被用于醫療實踐，并顯示出良好的生物相容性和安全性,被認為是一種潛在的修復骨缺損的生物材料[25]。Ren等[26]通過火器裝置和手術隨機在新西蘭大白兔左或右脛骨作長10 mm 的CSD，將多孔鉭支架材料植入骨缺損處。X線觀察顯示：4周后CSD周圍纖維組織覆蓋于多孔鉭材料的表面，8周后多孔鉭材料表面產生骨膜反應，新的骨組織覆蓋于多孔鉭材料表面，16周后骨缺損周圍組織完全包裹于多孔鉭材料表面，組織學評價顯示：骨缺損周圍出現的新骨已經長入了多孔鉭支架內。在CSD動物模型中，多孔鉭生物材料表現出骨向內生長，有利于骨缺陷的治療。

Balla等[25]提出，由于鉭金屬是一種惰性金屬材料，在體內不能快速誘導成骨細胞的黏附和增殖，早期與宿主骨密切接觸。為了提高其生物活性，需要對多孔鉭金屬材料進行表面修飾，使其能夠為種子細胞的黏附、增殖和分化提供良好的生物界面，促進細胞外基質的生成和鈣化，滿足早期負重活動的要求。Zhou等[27]研究顯示，與未涂層的鉭支架相比，磷酸鈣聚乳酸(CaP-PLA)涂層的鉭支架在模擬體液(SBF)環境中具有更高的表面生物礦化性能，且親水性顯著提高。Zhou等認為，所制備的CaP-PLA復合涂層鉭支架可用于誘導體內骨再生。Wang等[13]在兔橈骨中段建立了15 mm CSD模型，實驗組用cyclo (-GDfK-)肽修飾的多孔鉭支架,對照組分別為植入未修飾的多孔鉭支架、異種松質骨支架,結果表明：經修飾的多孔鉭支架與未經修飾的多孔鉭支架相比，其支架界面和支架孔內骨形成更多；多孔Ta支架和異種松質骨的新骨體積分數相似；生物力學性能在三者中最優。經修飾的多孔鉭支架具有增強節段骨缺損修復能力的作用，有望成為修復CSD的潛在材料。

2 可降解金屬材料對CSD的修復作用

鎂(Magnesium,Ma):是人體內第四豐富的陽離子，成人人體約含1 mol(24 g)鎂，60 %以上積聚在骨骼和牙齒中[28]。鎂作為支架植入材料修復骨缺損具有以下優點：①鎂及其合金作為一種可生物降解的金屬，在使用壽命結束后，可降解并通過新陳代謝排出體外[29]；②鎂(40～45 GPa)和天然骨(10～40 GPa)之間的類似彈性模量使應力屏蔽最小化[30]；③鎂是人體的一種重要元素，在人體新陳代謝中起著重要作用[31]，Mg2+適度釋放不會引起任何毒副作用[32]。此外，一些學者還對鎂合金的生物相容性和骨傳導性進行了研究，發現鎂合金在骨中具有較高的礦物附著率和較高的骨量，鎂支架材料周圍具有較高的礦物密度，結果提示，Mg2+可促進新骨形成[33-34]。

與人體骨骼相似的力學性能和生物降解性表明鎂及其合金有可能成為良好的機械承載裝置。然而，因鎂支架材料在人體內快速腐蝕降解，導致在組織完全愈合之前，鎂支架機械性能降低，可能失去功效。為解決這一關鍵問題，常采用合金化和表面改性來控制降解速率[35]。Zhang等[36]在使用小型豬脛骨平臺外側骨缺損模型來評價鎂合金修復CSD的有效性時，分別用微弧氧化(MAO)涂層的鎂合金支架和硫酸鈣支架修復骨缺損。結果發現，植入4個月后，MAO鎂合金支架修復骨缺損的骨形態與正常骨相似，而硫酸鈣支架修復骨缺損的骨形態異常，呈凹形，MAO涂層鎂合金支架材料的骨愈合率更高。Han等[37]使用鑄態、擠壓態和MAO涂層的鑄態鎂鍶(Mg-Sr)合金修復新西蘭成年兔雙側橈骨10 mm CSD時發現，MAO涂層的鑄態Mg-Sr合金降解速率適中，介于另外兩者之間，骨修復最好。表面粗糙的MAO涂層可促進細胞黏附[38]和增強植入物的骨整合。鎂合金及改性的鎂金屬支架具有骨誘導、骨傳導、可控降解性、力學性能優異等優點，這為生物可降解鎂合金作為潛在的CSD修復替代材料提供了新思路[35]。

3 金屬支架材料的不足

單純的金屬支架材料和傳統的支架材料一樣缺乏骨誘導性，需要進一步的修飾或者與生長因子聯合應用。金屬支架材料的臨床應用時間相對較短，遠期臨床效果和并發癥尚未知。未達到CSD標準的骨缺損可通過自體修復達到完全骨愈合，植入金屬支架會造成二次損傷，加重軟組織損傷，影響血運，并不會加快骨愈合時間甚至可能延長骨愈合時間。非承重部位的CSD可植入可降解性人工合成支架材料和鎂合金支架材料，通過支架材料的降解程度和骨修復程度來修復骨缺損，骨修復效果優于不可降解金屬支架材料，但如何控制可降解支架材料降解速率使與骨缺損修復程度相當還有待進一步深入研究[39]。

4 展望

近年來，金屬支架材料的實驗研究及臨床應用越來越廣泛。在國外，金屬支架材料已成功應用于臨床，如全膝關節置換術[40]、Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損的修復等，并取得了良好的臨床效果。金屬支架材料生物相容性好、耐腐蝕性強、機械強度高，雖然國內對金屬支架材料的了解和應用相對較少，停留在實驗研究階段，有待進一步研究，但不可否認其在修復CSD時具有巨大的優勢和潛力，未來可能成為骨科治療CSD的植入材料。