含羥基磷灰石的復(fù)合膜用于引導(dǎo)骨再生的研究進(jìn)展

李彭銀,陳少青,王建浩,倪昕曄*,王車禮

(1.常州大學(xué)藥學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院,江蘇 常州 213164;2.南京醫(yī)科大學(xué) 附屬常州第二人民醫(yī)院 放療科,江蘇 常州 213003;3.江蘇省醫(yī)學(xué)物理工程研究中心,江蘇 常州 213003)

骨對人體起著至關(guān)重要的承重作用。骨缺損是一種常見疾病,對人體健康構(gòu)成了極大的威脅。引導(dǎo)骨再生(GBR)作為一種旨在通過使用屏障膜實(shí)現(xiàn)骨再生的治療方式在1988年被引入。隨著時(shí)間的推移,GBR已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的骨愈合技術(shù)。GBR技術(shù)使用膜作為物理屏障,在骨缺損部位形成一個(gè)封閉空間,防止纖維結(jié)締組織入侵骨缺損區(qū)域,從而促進(jìn)缺損部位骨組織再生[1]。而使用的膜需要滿足一些要求:1)膜的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,屏障膜的化學(xué)性質(zhì)必須在所含聚合物之間的化學(xué)鍵中具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu);2)膜表面的完整性,阻止骨缺損空間被入侵;3)有一定的機(jī)械強(qiáng)度,膜必須具有良好的力學(xué)性能,即抗拉強(qiáng)度能夠提供足夠的彈性、柔韌性和強(qiáng)度特性,以保持結(jié)構(gòu)完整性和承受組織和骨骼的抗拉強(qiáng)度;4)良好的生物相容性和生物降解性,防止復(fù)合膜本身刺激骨缺損部位;5)膜與周圍骨組織之間適當(dāng)?shù)酿じ叫?以防止膜的移動(dòng)。這些需求能夠支持最佳的骨組織再生[2-3]。然而大多數(shù)復(fù)合膜缺乏機(jī)械穩(wěn)定性,具有復(fù)雜的機(jī)械載荷,導(dǎo)致復(fù)合膜變形、移位和松動(dòng),難以保護(hù)新骨再生和重塑。

羥基磷灰石(HA)作為一種理想的人工骨材料,具有生物相容性良好、易被人體吸收及有利于成骨細(xì)胞黏附生長等特點(diǎn),已被廣泛用于骨缺損修復(fù)中[4]。由于HA本身的力學(xué)性能差、脆性大、附著力差等缺點(diǎn),很少單獨(dú)使用。但是,HA具有疏松的多孔結(jié)構(gòu)和較高的結(jié)晶度[5],并且HA與各種材料具有不錯(cuò)的相容性,可以均勻地分布到材料中去,表現(xiàn)出潛在的生物學(xué)優(yōu)勢。HA和改性的HA常常與各種材料復(fù)合或者交聯(lián),通過將聚合物材料與羥基磷灰石顆粒結(jié)合在GBR中,可以定制復(fù)合膜的物理、機(jī)械和生物特性,HA本身的缺點(diǎn)也通過材料的結(jié)合得到改善,能夠更好地發(fā)揮HA性能。目前,HA與天然高分子材料、人工材料、金屬材料復(fù)合,獲得的復(fù)合膜具有優(yōu)異的GBR性能。本文就含有HA的各種復(fù)合膜展開討論。

1 HA與天然高分子材料復(fù)合

膠原蛋白是一種天然提取物,呈纖維狀結(jié)構(gòu),在人體中含量豐富,它具有生物可降解、生物相容性好以及無細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn),但是作為膜材料存在著機(jī)械強(qiáng)度差、降解速度快以及成本高等缺點(diǎn)[6]。Sun等[7]研究了雙分子層納米羥基磷灰石/礦化膠原復(fù)合膜對狗的牙槽嵴保存的影響,該復(fù)合膜由致密層和疏松層組成,致密層主要成分為羥基磷灰石和Ⅰ型膠原蛋白,疏松層為Ⅰ型膠原蛋白。復(fù)合膜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的增殖提供了理想的微環(huán)境,并作為細(xì)胞生長的底物,為成骨細(xì)胞提供黏附、分化和增殖的場所。通過對狗的牙槽嵴實(shí)驗(yàn),羥基磷灰石和Ⅰ型膠原蛋白的質(zhì)量比例為3∶7和5∶5的骨再生效果更好。雖然牙槽窩解剖結(jié)構(gòu)的差異和狗舔舐傷口的習(xí)慣可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差,但總體結(jié)論表明,由羥基磷灰石和Ⅰ型膠原蛋白組成的復(fù)合膜具有較大的表面積,能夠屏蔽不良細(xì)胞侵入植入?yún)^(qū),促進(jìn)骨細(xì)胞附著、增殖、刺激細(xì)胞分化。

殼聚糖(CS)是一種由甲殼素通過脫乙酰得到的天然生物聚合物,是由n-乙酰氨基葡萄糖和n-葡萄糖胺以1-4糖苷鍵連接而成的多雜糖。殼聚糖具有良好的生物相容性、生物安全性、生物降解性以及機(jī)械強(qiáng)度比膠原高,還具有化學(xué)惰性、抗氧化、抗菌和抗腫瘤等特性[8]。但生物活性較低,脆性較高,導(dǎo)致難以應(yīng)用于手術(shù)。殼聚糖對肉芽組織的形成有促進(jìn)作用。殼聚糖可以通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)活化成骨細(xì)胞。然而,殼聚糖的力學(xué)性能較差,不足以單獨(dú)用作骨再生的空間維持及引導(dǎo)作用。Tu等[9]采用溶液共混和真空蒸發(fā)法制備了不對稱納米羥基磷灰石/殼聚糖(n-HA/CS)復(fù)合膜。該不對稱復(fù)合膜由致密層和疏松層組成,致密層防止纖維結(jié)締組織入侵骨缺損空間,疏松層直接接觸骨缺損空間,因其結(jié)構(gòu)粗糙,與宿主組織結(jié)合較好,成纖維細(xì)胞數(shù)量明顯減少,有利于新形成骨組織的長入。納米羥基磷灰石的加入,改善了殼聚糖膜的力學(xué)性能,即膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率在潮濕條件下均高于純殼聚糖膜。制備的n-HA/CS非對稱膜在8星期前結(jié)構(gòu)完整,在植入12星期時(shí)發(fā)生明顯降解,表明該非對稱膜可滿足臨床對GBR膜的要求。然而殼聚糖通過刺激炎癥細(xì)胞促進(jìn)傷口愈合,在體內(nèi)具有抑制細(xì)菌生長的作用,從而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)過表達(dá)。甲殼素是乙酰化的殼聚糖,可以用于替代殼聚糖,減少炎癥表達(dá)[10]。

Teng等[11]設(shè)計(jì)了一種含有膠原、羥基磷灰石和殼聚糖三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜,該復(fù)合膜上下兩層為羥基磷灰石和膠原蛋白,中間層為殼聚糖,通過逐層過濾工藝配制成結(jié)構(gòu)緊湊的整體膜。該復(fù)合膜表面呈現(xiàn)出完整的多孔結(jié)構(gòu),新骨通過微孔生長到膜內(nèi),膜與新生骨緊密結(jié)合,黏附性增加。殼聚糖層提升了膜的高拉伸強(qiáng)度和彈性模量,而膠原/HA復(fù)合層的存在使其具有良好的柔韌性和生物活性。

Jiang等[12]采用逐步靜電組裝的方法制備了殼聚糖/纖維素/納米羥基磷灰石(CS/CMC/n-HA)復(fù)合膜,CMC與CS的結(jié)合提高了CS膜的降解速度,而n-HA的加入可以減緩CS/CMC膜的降解,促進(jìn)細(xì)胞黏附擴(kuò)散和增殖分化。實(shí)驗(yàn)還表明n-HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到60%時(shí),復(fù)合膜不能保持長期穩(wěn)定,后期降解加速。雜交膜中的n-HA能夠促進(jìn)細(xì)胞的黏附、擴(kuò)散、增殖和分化,高比例的n-HA可以提升膜的細(xì)胞相容性。該復(fù)合膜用于仿生螺旋-圓柱支架,因其表面結(jié)構(gòu)多孔,骨會(huì)在整個(gè)支架空間形成,并可以觀察到富含間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞的骨髓。這種不連續(xù)的骨生長方式愈合速度更快。

2 HA與人工材料復(fù)合

聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)是由聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)共聚而成,PLA、PGA、PLGA因其可生物降解性、生物相容性、高力學(xué)性能以及優(yōu)異的成型和成型性能而得到廣泛應(yīng)用[13]。PLA膜由于水解后的產(chǎn)物是二氧化碳和水,對人體相對安全,因此常作為一種疏水材料[14]。Han等[15]研究制備了HA/PLA復(fù)合膜。復(fù)合膜的PLA側(cè)具有疏水性光滑的表面,使復(fù)合膜具有阻隔功能。而HA側(cè)具有親水性,表面粗糙,有利于干細(xì)胞或前體細(xì)胞的附著、增殖和分化。通過將PLA澆鑄在HA納米線上而成,制備的復(fù)合膜具有阻隔和成骨誘導(dǎo)功能。

PLGA的降解速率可以通過改變?nèi)樗崤c乙醇酸的比例來調(diào)節(jié),這對于開發(fā)擁有不同降解特性的膜非常有用。此外,PLGA的降解產(chǎn)物可以通過生物的自然過程代謝掉,但患者的生理環(huán)境可能會(huì)因?yàn)镻LGA的降解而變酸,導(dǎo)致骨修復(fù)部位產(chǎn)生局部炎癥。聚合物與細(xì)胞之間的相容性差也會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)排異反應(yīng),并且它們不容易被生物活性部分修飾[16]。Fu等[17]首次采用相反轉(zhuǎn)和靜電紡絲相結(jié)合的方法,制備出具有不同結(jié)構(gòu)和表面的新型PLGA/n-HA功能梯度雙層膜。先用相反轉(zhuǎn)法制備含有PLGA和n-HA的致密層,然后用靜電紡絲法制備了多孔納米纖維層。有趣的是,n-HA的加入并沒有使得力學(xué)性能降低,摻入30%含量的n-HA復(fù)合膜表現(xiàn)出3.18 MPa的抗拉強(qiáng)度,與市售的豬膠原加工純化制成的雙層可吸收膠原膜抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。在膜降解的過程中也能夠很好地防止成纖維細(xì)胞滲透進(jìn)膜封閉區(qū),表現(xiàn)出良好的多孔納米纖維結(jié)構(gòu)。該相轉(zhuǎn)化膜在降解后仍能保持30 d的完整性。Dos等[18]也是用同樣的方法制備了聚乳酸-羥基乙酸/羥基磷灰石/β-磷酸三鈣(PLGA/HAp/β-TCP)雙分子層膜。其中致密層PLGA和HA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例為95∶5,具有良好的孔徑[(4.20±2.55) μm]和不對稱的孔隙結(jié)構(gòu),這表明該膜致密層具有很好的阻止成纖維細(xì)胞侵入的能力。電紡層則制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例的HA和β-TCP,其中70∶30組的存儲(chǔ)模量最好,60∶40組的成骨細(xì)胞反應(yīng)最好,加入的β-TCP可以改善成骨細(xì)胞的附著和遷移,而小粒徑磷酸鈣的高比表面積有助于磷酸鈣和靜電紡纖維的黏附。電紡層的孔隙率約為38.2%,表現(xiàn)出養(yǎng)分滲透和成骨細(xì)胞遷移的潛力。兩層復(fù)合后獲得的膜剛度和彈性達(dá)到了不錯(cuò)的平衡狀態(tài)。體外降解評(píng)價(jià)表明,獲得的膜在60 d后質(zhì)量損失<10%,這可能是磷酸鈣的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(30%)造成的,據(jù)報(bào)道HAp和β-TCP即使在體內(nèi)2.5年后也不會(huì)完全降解,復(fù)合膜緩慢降解這一功能與骨再生需要較長的時(shí)間不謀而合。這些都表明復(fù)合膜具有足夠的機(jī)械性能,以防止膜在使用中坍塌。

Torres等[19]則將PLGA膜使用氧等離子體(PO2)修飾,然后在膜上添加一層超薄的納米結(jié)構(gòu)羥基磷灰石,形成PLGA/PO2/HA復(fù)合膜。經(jīng)過氧等離子體處理,聚合物的粗糙度得到提升,在膜表面引入化學(xué)功能,刺激了成骨介質(zhì)和細(xì)胞的黏附,加速了膜降解。而HA具有較高的親水性可以中和PLGA的酸性降解產(chǎn)物,改善了膜降解后的酸性環(huán)境,并且復(fù)合膜還表現(xiàn)出優(yōu)秀的鈣收集能力和骨樣磷灰石形成能力,具有良好的骨導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)表明,和對照膜相比,與復(fù)合膜結(jié)合的成骨細(xì)胞數(shù)量更多、體積更大,并且活細(xì)胞結(jié)合率均高于對照膜,故PLGA/PO2/HA膜顯示出良好的骨缺損再生潛力。Huang等[20]采用聚乙烯亞胺(PEI)在聚乳酸-羥基乙酸酯/納米羥基磷灰石(PLGA/n-HA)表面形成活性基團(tuán),并在活性基團(tuán)上接枝精氨酸-gly-asp (RGD),得到了新型PLGA/n-HA二維膜,表面改性后PLGA/n-HA的親水性顯著提高。實(shí)驗(yàn)表明,表面改性后PLGA/n-HA膜的親水性顯著提高,促進(jìn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在復(fù)合膜表面的增殖和分化,對兔下頜骨缺損的骨再生具有良好的效果。

聚L-乳酸(PLLA)與PLGA同樣是一種合成的可生物降解聚合物,也用作生物可降解醫(yī)用膜的材料,它不會(huì)引發(fā)動(dòng)物源性生物材料所具有的感染和免疫反應(yīng),因此PLLA作為生物醫(yī)學(xué)材料在骨愈合材料、組織工程和藥物輸送領(lǐng)域得到了廣泛的研究[21]。Ikumi等[22]利用未燒結(jié)的羥基磷灰石(u-HA)經(jīng)過水化處理與PLLA復(fù)合。復(fù)合后的u-HA/PLLA膜表現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),彈性接近天然皮質(zhì)骨。通過紫外線照射還可以增加親水性,并顯著提高該復(fù)合膜的生物相容性。實(shí)驗(yàn)中,使用u-HA/PLLA膜后,大鼠骨缺損邊緣形成板層狀骨,表明成骨細(xì)胞有規(guī)律地形成新骨,并為骨再生提供足夠的生長空間。然而u-HA/PLLA膜降解時(shí)間較長,據(jù)報(bào)道,與u-HA/ PLLA膜相同材料的骨固定膜在術(shù)后需要3～5年才能完全吸收。不足之處在于沒有評(píng)估膜降解過程如何影響新形成的骨和周圍組織。

聚多巴胺(PDA)具有良好的黏附能力和生物相容性,它含有兒茶酚和氨基,可應(yīng)用于各種材料的表面改性,是生物醫(yī)學(xué)表面改性的重要候選材料。此外,PDA薄膜可以作為生長因子倉庫提供多個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)。然而,PDA納米膜缺乏成骨誘導(dǎo)性,限制了其在骨組織工程中的應(yīng)用[23]。Xie等[24]使用脈沖電化學(xué)驅(qū)動(dòng)逐層組裝工藝制備了含聚多巴胺和羥基磷灰石的多層納米復(fù)合膜,該復(fù)合膜具有較高的骨形態(tài)發(fā)生蛋白負(fù)載率,可以實(shí)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白的持續(xù)遞送,體外骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)和大鼠體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)表明,多層納米膜具有較高的成骨誘導(dǎo)能力。

聚己內(nèi)酯(PCL)以二元醇為引發(fā)劑,由己內(nèi)酯開環(huán)聚合而得到的熱塑性結(jié)晶聚酯,具有可生物降解、降解速度慢、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)等特點(diǎn)。目前,PCL已被食品和藥物管理局批準(zhǔn)為用于人體的醫(yī)療和藥物輸送設(shè)備[25]。Tsai等[26]采用溶膠-凝膠法制備了鍶取代羥基磷灰石納米纖維,然后將鍶取代羥基磷灰石納米纖維碎片加入PCL中,制備了引導(dǎo)骨再生的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜。鍶取代羥基磷灰石不僅能促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的活性,還能抑制間充質(zhì)干細(xì)胞的脂肪生成,同時(shí)鍶取代羥基磷灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.5%的膜的細(xì)胞附著水平最高。該復(fù)合膜可以促進(jìn)成骨樣細(xì)胞的分化和礦化,具有應(yīng)用于GBR的潛力。

聚乙烯醇(PVA)是由醋酸乙烯聚合、醇解而成,具有良好的生物相容性、無毒性、親水性和化學(xué)穩(wěn)定性。聚乙烯醇的表面具有摩擦和抗張力,且分子之間有高黏著性,形成的薄膜無色透明,機(jī)械強(qiáng)度高,表面光潔,而且可降解[27]。Zeng等[28]采用溶劑鑄造和蒸發(fā)法制備了納米羥基磷灰石/聚乙烯醇(n-HA/PVA)復(fù)合膜。在n-HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過20%時(shí),n-HA和PVA均勻分布。n-HA的摻入使得PVA基體親水性顯著降低,雖然降低了復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和延展率,但復(fù)合膜的楊氏模量得到提高,當(dāng)復(fù)合膜含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的n-HA時(shí),楊氏模量最佳為(567.5±40.2) MPa。將n-HA摻入PVA基體中,n-HA的脆性得到優(yōu)化。研究表明n-HA/PVA復(fù)合膜具有良好的生物相容性,膜的表面適合成骨細(xì)胞的黏附和增殖。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物,作為一種非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料,氧化石墨烯具有膠體、聚合物和兩性分子的特性,它比石墨烯含有更多的含氧官能團(tuán),從而理化性質(zhì)較石墨烯更加活潑。氧化石墨烯有著獨(dú)特的機(jī)械和光學(xué)性質(zhì),可以在生物醫(yī)學(xué)工程、組織過程、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用。還原氧化石墨烯通過化學(xué)或物理方法產(chǎn)生,去除了部分含氧官能團(tuán),提高了化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能。但石墨烯或氧化石墨烯在體內(nèi)應(yīng)用可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性和遺傳毒性,氧化石墨烯自身的生物安全問題限制了其在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)用[29]。Liu等[30]采用兩步電化學(xué)方法制備了三維多孔還原氧化石墨烯/羥基磷灰石(3D rGO/HA)復(fù)合膜。電化學(xué)還原制備的3D rGO/HA復(fù)合膜不僅具有可用的塑性,而且還能保持彎曲的形狀,該復(fù)合膜一側(cè)為三維多孔還原氧化石墨烯和沉積的HA,3D rGO/HA復(fù)合膜面向骨組織的多孔側(cè)可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和成骨分化,另一側(cè)為致密的二維還原氧化石墨烯表面,而面向軟組織的致密側(cè)具有良好的生物相容性,有望促進(jìn)軟組織的生長。此外,3D rGO/HA復(fù)合膜可在顱骨缺損模型中指導(dǎo)大量高礦質(zhì)密度新骨的再生。研究發(fā)現(xiàn)3D rGO/HA復(fù)合膜對不同細(xì)胞具有良好的生物相容性,在體內(nèi)外均具有增強(qiáng)的成骨活性。

3 HA與人工材料和天然材料復(fù)合

單組分材料在提供結(jié)構(gòu)支撐和促進(jìn)骨再生方面已經(jīng)逐漸不如多組分材料,由HA與人工材料和天然材料組成的復(fù)合膜,能夠滿足良好的物理、化學(xué)和生物等需求。Bhuiyan等[31]將羥基磷灰石與PLGA和膠原復(fù)合,羥基磷灰石納米顆粒分布均勻,膠原蛋白在PLGA主鏈上,復(fù)合后的膜在彎曲方面更有彈性。羥基磷灰石-PLGA-膠原膜的極限抗拉強(qiáng)度為(4.1±1.4) MPa,非常接近人松質(zhì)骨7～20 MPa。羥基磷灰石-PLGA-膠原膜的彎曲模量[(0.09±0.03) GPa]在人松質(zhì)骨(0.05～5 GPa)的范圍內(nèi)。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在第五星期時(shí),會(huì)在復(fù)合膜上分泌基質(zhì)和礦物質(zhì),可以減輕PLGA水解而造成的機(jī)械強(qiáng)度損失。改變生物材料中羥基磷灰石、膠原蛋白、PLA和PGA的比例,可以改變羥基磷灰石-PLGA-膠原膜的機(jī)械強(qiáng)度、降解率和熱穩(wěn)定性,這可以擴(kuò)大羥基磷灰石-PLGA-膠原復(fù)合膜的長期儲(chǔ)存能力和植入的適用性。Jin等[32]通過靜電紡絲制備含魚膠原蛋白(FC)和羥基磷灰石增強(qiáng)的PLGA纖維膜,FC和HA顆粒均勻分布在PLGA纖維基質(zhì)中。FC與PLGA相互作用形成的增強(qiáng)型聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)顯著提高了PLGA膜的抗拉強(qiáng)度,并加快了PLGA膜的降解速度。而納米羥基磷灰石提高了PLGA膜與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞相容性,改善了復(fù)合膜的成骨活性。

Niu等[33]結(jié)合溶劑鑄造和靜電紡絲技術(shù)設(shè)計(jì)了一種雙層組織導(dǎo)向復(fù)合膜,一層由聚酰胺-6/殼聚糖構(gòu)成,另一層由聚酰胺-6/羥基磷灰石構(gòu)成,該復(fù)合膜與天然骨組織結(jié)構(gòu)相似,兩層通過分子相互作用和化學(xué)鍵結(jié)合,形成緊密無縫的層狀結(jié)構(gòu)。Tamburaci等[34]采用冷凍干燥和靜電紡絲技術(shù)制備了一種新型雙層納米復(fù)合膜,其微孔層由殼聚糖和摻硅納米羥基磷灰石顆粒通過冷凍干燥技術(shù)制備,所得多孔層孔隙率為81%～85%,平均孔徑為177～191 μm,適合細(xì)胞增殖。納米纖維層由殼聚糖/聚環(huán)氧乙烷(PEO)納米纖維通過靜電紡絲技術(shù)制備,獲得的納米纖維層具有平均纖維直徑為107 nm,具有阻止成纖維細(xì)胞遷移到骨缺陷部位的屏障性能。復(fù)合后形成了具有不同形態(tài)的兩層一體化納米復(fù)合膜。摻硅納米羥基磷灰石顆粒的加入提高了復(fù)合膜的力學(xué)和物理性能,殼聚糖層的壓縮模量為81.4 kPa,當(dāng)摻硅納米羥基磷灰石顆粒摻入量為50%,最大應(yīng)變?yōu)?0%時(shí),復(fù)合膜的壓縮模量增加到212.5 kPa。并控制了復(fù)合膜的生物降解性,通過增強(qiáng)人成骨肉瘤細(xì)胞在復(fù)合膜表面的附著、擴(kuò)散和生物礦化能力來誘導(dǎo)人成骨肉瘤細(xì)胞的生物活性。

Ariesanti等[35]研究了PVA -膠原蛋白- HA復(fù)合膜在不同劑量的輻照下,化學(xué)結(jié)構(gòu)、抗拉強(qiáng)度、孔隙率和可降解性的變化。拉伸強(qiáng)度隨著γ輻照劑量的增加而顯著增加,抗拉強(qiáng)度的增加是由于交聯(lián)反應(yīng)的增加,交聯(lián)反應(yīng)可以降低聚合物膜的結(jié)晶度,從而使抗拉強(qiáng)度值變高[36-37]。并且醫(yī)用生物材料的最佳滅菌劑量為25 kGy[38]。說明25 kGy輻照組的PVA -膠原蛋白- HA復(fù)合膜具有最佳的抗拉強(qiáng)度和最佳的殺菌劑量。輻射劑量越大,孔隙尺寸也會(huì)變大。其中PVA -膠原蛋白- HA復(fù)合膜25 kGy輻照組化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,抗拉強(qiáng)度最高,孔隙尺寸理想,降解率最低,符合GBR膜的要求。

Liu等[39]首次采用一步真空過濾和仿生礦化法制備了同時(shí)含有殼聚糖和羥基磷灰石的氧化石墨烯基(GO/CS/HA)復(fù)合膜。CS和HAP提高了復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度和表面親水性,GO/CS膜的平均抗拉強(qiáng)度為(44.79±2.13) MPa,經(jīng)過HA沉積后,GO/CS/HA復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度增加了20 MPa。在GO/CS/HAP復(fù)合膜上,成骨細(xì)胞的分化表現(xiàn)出較高的堿性磷酸酶活性、礦化和相關(guān)基因表達(dá)。在大鼠顱骨缺損模型上使用復(fù)合膜,表現(xiàn)出不錯(cuò)的成骨能力。GO/CS/HAP復(fù)合膜具有獨(dú)特的仿生多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的力學(xué)性能和優(yōu)異的骨再生能力,是應(yīng)用于GBR的潛在材料。Souza等[40]將殼聚糖-黃原膠配合物與不同濃度的羥基磷灰石-氧化石墨烯(HA-GO)納米復(fù)合材料相關(guān)聯(lián),得出的結(jié)論為,雖然HA-GO的加入降低了膜的機(jī)械強(qiáng)度,但提高了膜的生物相容性,細(xì)胞在復(fù)合膜上的活力更高。

4 HA與金屬材料復(fù)合

不少研究發(fā)現(xiàn),鎂、鋅等金屬元素對骨再生有良好的促進(jìn)作用。鎂可以誘導(dǎo)新骨的形成并促進(jìn)骨組織愈合,而且鎂可以在人體內(nèi)被消耗降解,表現(xiàn)出良好的生物相容性。然而,鎂在人體內(nèi)環(huán)境很容易被腐蝕,然后失去原來的功能。此外,鎂與生物環(huán)境作用產(chǎn)生的副產(chǎn)物對鄰近組織有害,產(chǎn)生的氫氣和氫氧根離子會(huì)引起堿性中毒、造成炎癥刺激和組織壞死,這極大地限制了鎂的應(yīng)用[41]。而膠原膜等可吸收非金屬膜保留力和機(jī)械強(qiáng)度低,操作難度大。Byun[42]研制了一種可吸收金屬網(wǎng)(羥基磷灰石包覆鎂網(wǎng)),具有可接受的機(jī)械性能和滿足生物相容性的能力,該復(fù)合膜可在體內(nèi)緩慢降解,并且在骨再生過程中提供了不錯(cuò)的支撐能力。

適量的鋅可以促進(jìn)骨的形成和礦化,鋅的缺乏會(huì)導(dǎo)致骨骼礦化不良、骨骼生長遲緩以及骨結(jié)構(gòu)形態(tài)異常。鋅通常以合金的形式應(yīng)用于骨再生領(lǐng)域,具有較好的抗菌和成骨能力[43]。但鋅的本身生物相容性較差,且高比例的鋅含量可能會(huì)引起不良副作用,研究表明,含有5%的鋅是誘導(dǎo)骨再生的最佳濃度。Chou等[44]將羥基磷灰石與鋅粉進(jìn)行熱處理摻入到明膠中,交聯(lián)生成復(fù)合膜,該膜在酸性條件下釋放鋅離子,在大鼠顱骨缺損模型中,成骨主要發(fā)生在復(fù)合膜表面,這可能是因?yàn)閺?fù)合膜的表面鈣離子濃度較高,導(dǎo)致新生成的骨生長到膜中。鋅的最佳濃度是多少仍需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

5 總結(jié)

含有羥基磷灰石的復(fù)合膜用于骨再生研究已逐漸增多,它不僅可以提供骨再生需要的密閉環(huán)境,而且具有促進(jìn)和引導(dǎo)骨再生的作用。羥基磷灰石與各種材料相結(jié)合,提高了復(fù)合膜的生物相容性,改善了復(fù)合膜的力學(xué)性能,增強(qiáng)了復(fù)合膜引導(dǎo)骨再生的能力,特別對于復(fù)合膜降解率的可控性提供了不錯(cuò)的選擇,在醫(yī)用領(lǐng)域降低了復(fù)合膜的使用難度。盡管目前含羥基磷灰石復(fù)合膜有著不錯(cuò)的性能,但還是存在著些許問題,對于骨重建的效果也還是有限的,并且可能會(huì)造成不良反應(yīng)。期待未來的研究能夠運(yùn)用更多的技術(shù)手段來改良復(fù)合膜的骨再生能力,以及有更多的新型材料用于GBR復(fù)合膜。