Beta-磷酸三鈣復合材料支架的研究進展

外科臨床工作中，由于骨缺損或者組織填充需要而要求植骨的情況十分多見，但自體骨的來源有限，體積、形態的塑造均受到很大限制，且會對供區組織的連續造成破壞，并有引起并發癥的風險；異體植骨可能引起免疫排斥反應，少數甚至可引發傳染性疾病，所以兩者的臨床應用受到很大限制。因此，人工骨的制備和臨床應用成為研究熱點之一。

組織工程學者們研究并對比了諸多材料，其中低溫相磷酸三鈣，即β-磷酸三鈣（β-TCP）類似于人骨的天然無機構成，具有優于其他無機材料的生物相容性，植入后與機體骨接合良好，骨傳導性好。應用于臨床的β-TCP在體內能夠逐步降解，降解率與表面構造、結晶構型、孔隙率及植入的組織相關。β-TCP的降解產物是無害的，組織細胞可從體液中補充相關離子和蛋白形成新骨，可在骨骼接合界面產生分解、吸收和析出等反應，實現骨的再生并牢固結合[1]。盡管有上述優點，但磷酸三鈣材料的缺點也非常明顯。首先，生物力學強度不佳，脆性大，不易成形，承受外力沖擊能力差，不能用于負荷部位；其次，無誘導成骨能力；第三，降解速度不能與體內新骨的形成相協調，無法達到理想生物材料的要求[2]。因而其臨床應用受到限制。有鑒于此，許多學者對磷酸三鈣材料的改性研究投入了大量精力，通過研究發現，改變孔徑和材料純度能改變降解率，并提高生物強度[3]，而與其他物質復合，可以進一步提高力學性能和生物學性能，更加符合臨床應用的要求。因而，制備力學性能優良，保持原有優點的復合型磷酸三鈣的研究越來越受到重視。本文就復合型磷酸三鈣材料的研究進展綜述如下。

1磷酸三鈣與高分子材料復合

在外科臨床工作中，為了提高磷酸三鈣材料的生物學性能，經常采用高分子材料與其復合。從自然仿生學角度來看，將磷酸三鈣與高分子材料復合，既可以解決磷酸三鈣材料質脆的問題，又可以提高材料的生物活性[4]。常見的高分子材料有聚乳酸、膠原、甲殼素等。

1.1 β-TCP與聚L乳酸（PLLA）復合：β-TCP和聚L乳酸（PLLA）作為支架材料植入體內均安全可靠[5]。而聚L乳酸的降解時間可以通過控制分子量來調控，所以其生物降解性能好，而且易加工成形，加之其良好的組織相容性，PLLA已被FDA批準用于生物醫學的各個領域[6]。單純的聚乳酸機械強度特別是抗壓強度不足，對熱不穩定，因此與β-TCP制成復合材料支架可以有效彌補PLLA特性上的缺陷。張寧等[7]應用溶劑自擴散法復合按PPLA與β-TCP顆粒比例3：7混合，經壓模成型-粒子瀝濾加發泡制孔，制備成多孔復合材料支架，接種骨髓間充質干細胞，經電鏡掃描觀察、細胞活性檢測及堿性磷酸酶測試，證明PPLA與β-TCP復合材料能夠促使骨髓間充質干細胞早期粘附，具有良好的細胞相容性，且抗壓強度較單一材料的支架有所提高[8]。

1.2 β-TCP與膠原復合：膠原是人體骨組織的主要成分，對細胞的增殖、分化、生長等具有促進作用[9-10]，膠原在體內穩固性能好，降解性能穩定，并且具有良好的組織相容性，可塑性強。更值得一提的是，通過與其他材料的組合，膠原纖維的強度和降解率能夠實現可控。β-TCP與膠原復合，能夠模擬骨組織的無機成分和有機成分，創造利于成骨細胞生長的三維環境，并使支架具備一定的骨誘導性[11]。Hori等[12]在實驗中從豬皮中提取膠原，其中I型占70%～80%，其余為III型，此種方法在處理過程中移除了膠原端肽，降低了膠原的抗原性，為β-TCP和膠原復合物的制備提供了前提條件。Vicente等[13]應用新西蘭大白兔作為實驗動物，通過脛骨、股骨植入實驗，將β-TCP/I型膠原復合材料與單一β-TCP材料性能做比較，結果發現兩者的成骨能力相當，但復合物的體內吸收更完全。另有研究表明[14]，β-TCP/去端肽膠原復合材料支架在骨的誘導形成過程中，有促進成骨的作用。Matsuno等[15]將多孔β-TCP與去端肽膠原鹽酸溶液復合（比例分別為0.02、0.05、0.1和0.2g/ml）后做抗壓實驗，結果表明，在0.2g/ml比例下合成的復合材料，具有更強的抗屈服強度，材料降解較快，吸收完全，成骨效能較好。以上實驗和研究均表明，β-TCP和膠原復合材料具備骨再生材料所需性能，是一種值得進一步深入研究并完善的材料。

1.3 β-TCP與甲殼素復合：甲殼素又名甲殼質，幾丁質，殼多糖，聚乙酰氨基葡萄糖等，是一種氨基多糖聚合物，其組織相容性好，降解率穩定，具有一定的抗菌性[16]。但由于甲殼素分子間氫鍵作用強烈，導致其不溶于常見的有機溶劑和水，高溫易直接碳化，給甲殼素的加工成型帶來困難。經過實驗研究，Yang等[17]經通過凍干法制備出具有合適微結構、力學強度、生物降解率及生物活性的β-TCP/甲殼素復合材料。近年，Liao[18]采用凍干法進一步制備成β-TCP/甲殼素復合三維多孔支架，孔徑120um，孔隙率達到91.07%，并進行體外實驗，證明凍干法制備的復合材料擁有更好的生物性能和力學強度，能使堿性磷酸酶（ALP）和骨橋蛋白（OPN）高表達，促進細胞的成骨分化。Lee等[19]利用TCP與甲殼素粉體的混合溶液制成海綿狀支架行體內實驗，用來修復大鼠的顱骨缺損，取得了良好的治療效果。現有研究均提示β-TCP/甲殼素復合復合材料較之單一β-TCP或甲殼素材料在多個方面有更優秀的性能。

2磷酸三鈣與無機材料復合

無機材料是組織工程支架的重要組成部分，磷酸三鈣材料因為其化學組成部分與自然骨骼相近而成為人工骨支架材料的主要選材，但磷酸三鈣材料隨著降解過程的進行，強度進行性下降，無法滿足臨床要求。為了提高磷酸三鈣的理化性能，更好地適應體內修復進程，常用羥基磷灰石（HA）和硅酸鹽等與磷酸三鈣復合，形成復合材料。

2.1 β-TCP與HA復合：HA的強度高，化學性質穩定，化學組分與人體骨的無機成分相似，Ducic等[20]曾通過臨床實驗證明HA材料可以用于修復大面積顱骨缺損，證明HA與β-TCP一樣可以與人體組織發生良好的親和，形成骨性界面結合。與此同時，HA降解率遠不如β-TCP[21]，因此可以設想通過制備β-TCP與HA的復合材料控制降解度及力學強度。美國學者LeGeros等[22]基于β-TCP與HA復合這一設想而提出雙相磷酸鈣生物陶瓷概念（BCP），并對不同β-TCP/HA比例下的雙相磷酸鈣生物陶瓷的理化性質進行研究，證明可以通過調節β-TCP/HA的比例得到不同生物活性（指材料與組織之間形成直接的化學鍵[23]）的BCP。Kurashina等[24]將β-TCP/HA比例分別為8∶2和3∶7的多孔BCP植入兔子肌肉內，于6個月后觀察其成骨情況，發現比例為3∶7的樣品中有新骨形成。同時，LeGeros等[25]對BCP材料進行更深入和廣泛的研究，使其制作工藝更加成熟，理化性質更加穩定，最終使該類材料實現商品化，并在臨床工作中得到廣泛應用。近年來，隨著制作工藝的不斷進步，β-TCP/HA復合材料的性能必將日臻完善。

2.2 β-TCP與硅酸鹽復合：Kokubo等[26]于模擬體液（Simulated body fluid， SBF）實驗中證實，能夠誘導類骨羥基磷灰石形成的材料都具有良好的生物相容性和生物活性。與之相對的，雖然β-TCP具有良好的降解性和組織相容性，但Hench[27]認為β-TCP材料缺乏誘導生成類骨羥基磷灰石的能力，因而β-TCP材料的骨傳導和骨再生能力不強，無法在軟/硬組織間形成緊密的化學鍵合。所以找到一種具有誘導類骨羥基磷灰石能力的材料與β-TCP復合成為改良β-TCP材料的方法之一。研究表明，硅元素在體外具有很好的誘導類骨羥基磷灰石的能力，生物活性好，被認為是促進新骨形成的媒介[28]?；诖?，Huang等[29]提出采用新工藝制備β-TCP/硅灰石復合材料，經SBF實驗證明，該材料具有原位多孔結構和高生物活性，其力學強度接近人體致密骨。硅酸鹽材料本身的研究至今有很長的時間，體系成熟，與磷酸三鈣材料復合是兩種成熟材料間的新探索，其前景廣闊。

3磷酸三鈣與生物活性物質復合

相關生物活性物質對骨的再生和分化具有直接促進作用，現已得到證實的有骨形態發生蛋白、骨唾液酸蛋白等。與生物活性物質復合，是提高β-TCP生物活性和生物功能的重要途徑。

3.1 β-TCP與骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein， BMP）復合：骨形態發生蛋白又稱為骨形成蛋白，是轉化生長因子B家族中的一類[30]，其中誘導骨生長活性較強的為BMP2和BMP7，它可以加快骨折的愈合和骨缺損的修復過程，是近年組織工程領域的研究熱點，備受矚目[31]。Alam等[32]利用β-TCP材料與不同劑量的rhBMP-2復合，制成生物活性材料，植入于大鼠背部皮下，通過堿性磷酸酶測定及組織學和組織形態學檢查，認為含有高劑量rhBMP-2的復合材料更有利于誘導成骨和新骨的生長。Vehof等[33]則在覆蓋有β-TCP和BMP復合材料涂層的鈦材料上發現，新骨的形成和生長與β-TCP復合材料中BMP的劑量成正相關?，F有的實驗均表明，β-TCP與BMP復合，能夠在為BMP提供緩釋載體的同時，發揮骨傳導作用，在不影響支架材料力學強度的前提下，提高其生物活性。

3.2 β-TCP與骨唾液酸蛋白（bone sialoprotein， BSP）復合：骨唾液酸蛋白是一種堿性磷酸化糖蛋白，相較于其他非膠原蛋白，BSP主要分布于鈣化的骨、牙組織及鈣化的骨與軟骨交界處。BSP的功能尚不完全清楚，但其成骨特性已得到廣泛證實，并被視為一種新的骨生長因子而受關注[34]。β-TCP因其良好的理化特性和生物性能而成為BSP的良載體，凍干法制備的β-TCP/BSP復合材料，于3天之內呈爆發形式釋放，10天之內則保持著較快的釋放速度，以后的釋放速度較前明顯減慢，此種釋放方式，有利于材料在短期內于局部形成有利于成骨的體液環境，并在較長時間里保持有效濃度。諸多實驗證明，β-TCP與BSP復合材料支架發揮兩者的優勢，在生物學和力學功效的發揮上均有良好表現。

綜上，對磷酸三鈣材料的改進未曾中斷，隨著新工藝、新理論的出現，材料的性能日新月異，不斷接近對組織工程人工骨的臨床要求。但是也應該看到，現階段組織工程人工骨大多仍處于研究階段，真正用于臨床的依然是單一的支架材料。復合材料，特別是干細胞復合材料的應用技術仍不成熟，在臨床應用中，暴露出一些問題，我們認為后續的研究尚有極大空間：①多向生物材料的制備：雙相磷酸鈣生物陶瓷概念（BCP）的提出以及基于此概念的后續研究表明，多種材料的復合可以發揮各個材料的優點，并相互彌補缺點。將硅酸鹽、鈣酸鹽以及如Zn等元素復合，理論上可以得到性能更加優良的多向生物材料，但各個材料所占比例以及復合工藝仍需通過研究進一步明確和完善；②納米級材料的制備和開發：納米材料是在0.1～100nm尺度空間里具有特定功能的材料，較之原材料，往往具有新的特性或效能。納米人工骨材料在韌性上有很大改善，孔徑及孔隙率均有大幅提高[35]?？梢韵胂?，通過納米工藝對既有β-TCP材料進一步加工，以及應用納米工藝制備新的β-TCP復合材料，將是今后的研究熱點之一；③種子細胞的應用：組織工程技術中，利用種子細胞與可降解的支架材料復合制備在體內具有生理功能的骨組織，有望成為組織修復、組織替代的全新治療模式[36]，已有關于β-TCP材料復合骨髓間充質干細胞和脂肪干細胞的研究報道。隨著細胞與材料相互作用機制更加明確，細胞與支架共培養技術不斷成熟，應用組織工程學技術，緊密結合患者具體情況的個體化治療將指日可待。

可見，經過科研及臨床工作者數十年的不斷努力，磷酸三鈣作為骨組織工程材料在基礎研究及臨床應用中雖然取得了很大的進步，但在某些方面依然面臨許多挑戰，有不完善的方面尚待改進。相信在不久的將來，一種性能全面、符合組織工程學要求的新型磷酸三鈣復合組織工程人工骨，將在組織修復和組織替代等臨床應用方面取得良好效果。

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[收稿日期]2011-02-15 [修回日期]2011-03-29

編輯/李陽利