復合或改性羥基磷灰石微球作為支架材料的研究進展

王哲，李毅，趙旭，倪世磊，盧金金，楊亞蘭

(1.吉林大學口腔醫院兒童口腔科,長春 130021； 2.吉林大學化學學院，長春 130021)

羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAp)，化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，是一種天然礦物質，是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機成分[1]。HAp微球因具有優良的孔隙度、較大的比表面積、穩定的機械性能而被廣泛用于細胞學、免疫學、微生物學、分子生物學等眾多領域的診斷和治療。由于HAp具有骨誘導性，常用于骨組織再生工程，是較為理想的替代牙齒或骨骼的新素材。HAp納米顆粒的生物降解時間較長，這一特性對控制藥物釋放動力學至關重要。HAp控制的局部給藥通過降低血液中藥物的濃度，降低藥物對其他器官的毒性，且可將藥物濃度控制在既不達到毒性水平，又不低于最低有效濃度的范圍，避免重復用藥。故HAp可作為支架材料負載藥物分子、蛋白、生物活性因子，廣泛應用于緩釋系統。但因HAp自身力學性能的制約存在強度低、韌性差和不易成型等缺點，為改進HAp弱點，解決HAp微球在應用過程中存在的問題，可采用表面改性或包覆、摻雜以及將HAp分散在其他基體中等措施對HAp微球進行功能化修飾，可優化其性能、擴大應用范圍[2]。

目前能與HAp復合的材料包括金屬、非金屬、稀土元素、無機化合物、天然高分子材料以及人工高分子材料等幾大類?，F就近年來與HAp微球復合及改性材料的研究進展進行概述，為制備出更符合臨床需求的HAp復合微球提供理論依據，使其能更好地應用于骨組織及牙再生工程。

1 HAp微球摻雜金屬元素

摻雜是材料改性的重要手段之一，通過在某種材料或基質中摻入少量其他元素，從而改善材料或物質的性能，使其具有特定的價值或用途。通過摻雜對HAp微球進行改性，可以克服單一組分的HAp作為植入材料的不足，如抗菌性能、骨誘導能力等，進而增強抑菌功能，促進骨組織修復，減少抗炎藥物的使用，提高新生骨的形成速度等。

1.1HAp摻鋅 鋅是人體內的一種金屬元素，對骨骼結構和新陳代謝至關重要。鋅對骨生長和礦化有刺激作用，通過抑制破骨細胞的活性和刺激堿性磷酸酯酶的活性減少骨再吸收。鋅通過促進細胞增殖、成骨相關基因表達以及細胞外基質合成，促進骨形成和成骨反應[3]。Yu等[4]以磷酸鹽作為有機磷源，通過微波-水熱法合成鋅摻雜介孔HAp微球。由結構單元為HAp納米片組成的鋅摻雜介孔HAp微球顯示出分級的中孔空心結構和高比表面積，其保持了HAp的特性，有利于遞送藥物，同時又在HAp支架中引入微量元素提高了骨誘導潛力，促進成骨細胞增殖、成骨相關基因表達，進而促進骨再生，摻鋅的復合微球可應用于骨組織工程[4]。

1.2HAp摻鍶 生物材料摻入鍶可提高骨再生潛能。Henriques Louren?o等[5]制備了直徑為500 μm的摻雜鍶的HAp微球用于大鼠干骺端股骨臨界尺寸缺損的治療，結果顯示干骺端股骨中心和邊緣骨形成增加，且鍶可刺激更多的細胞定植，缺損中心厚膠原纖維沉積增加。鍶離子的持續釋放支持人間充質干細胞黏附、存活和成骨分化，并抑制破骨細胞分化和活性。鍶的加入改善了骨誘導性能，提高了骨再生[5]。應用摻雜鍶的材料是一種通過微創手術實現骨再生的有效方法。

1.3HAp摻鐵 選擇性摻雜二價和三價鐵離子(Fe2+/Fe3+)可賦予納米HAp(FeHAp)固有的超順磁性，并增強成骨特性[6]。生物活性磁性材料通過按需釋放生物活性因子或直接磁刺激指導骨再生過程。磁性生物材料的主要優勢是增強間充質干細胞、成骨細胞的黏附和分化，通過磁場促進骨組織再生[7-8]。Fernandes Patrício等[9]制備了有功能化表面的新型雜化超順磁性微球，其骨樣組合物具有細胞相容性和成骨特性，此磁性雜化微球可作為生物活性藥物遞送系統。

2 HAp-非金屬元素復合微球

2.1碳HAp 碳HAp是天然骨骼和牙齒的主要無機成分，相應的合成材料由于具有良好的生物相容性、生物活性和無毒性而被作為骨和牙齒的填充材料。Wang等[10]利用天冬氨酸和十二烷基硫酸鈉作為空心模板，在大氣壓和相對低溫(50 ℃)下采用一步仿生法合成中空碳HAp微球。中空碳HAp微球直徑為2～4 μm，具有中空結構，由短針納米顆粒構成，具有高載藥量和緩釋性的特點[10]。與碳HAp相比，中空碳HAp載辛伐他汀的緩釋時間可達1 100 h，具有很強的藥物遞送應用潛力[10]。

2.2氟HAp 天然牙齒中HAp的存在形式為氟取代的HAp。氟HAp的熱力學穩定性優于純HAp，在預防齲齒方面有重要作用。除了高穩定性外，氟HAp還具有優異的生物相容性[11]。氟HAp可作為骨和牙齒替代材料。在口腔環境中，牙齒不斷被細菌代謝的酸性產物或酸性食物侵蝕，因此牙齒替代材料的低溶解度和良好的耐酸性非常重要，以保護其不被腐蝕。岳雪濤等[11]采用納米HAp粉體為原料，在醋酸鈉緩沖液中制備氟HAp微球，通過調節緩沖液的pH值，改變微球樣貌，得到氟HAp的空心結構、空心有核結構以及實心球結構。制備的氟HAp微球大小較為均勻，結構可控，可作為藥物緩釋載體材料及牙齒替代材料。

2.3硅HAp 硅是骨骼和軟骨形成的基本元素，存在于骨骼生長過程中成骨活性最高的區域。該元素對于細胞外基質中糖胺聚糖的正常合成必不可少。具有生物活性的硅酸鹽會上調血管內皮生長因子的表達，兩者均參與血管和骨骼的形成?，F已證明，硅在HAp中進行少量的離子取代對熱穩定性、溶解度、破骨和成骨反應有顯著影響[12]。因此，硅取代的HAp的生物活性高于HAp，可延緩破骨細胞樣細胞的分化，降低其吸收活性而不影響細胞活力[12]。Casarrubios等[13]證明，硅取代的HAp的納米結晶度會影響骨細胞/生物材料界面，通過失去細胞錨定，延遲早期破骨細胞樣細胞分化，并降低這種細胞類型的吸收活性，誘導骨細胞凋亡。破骨細胞作為主要的骨吸收細胞參與了骨質疏松癥的發病。

2.4硒HAp 硒是一種具有多種生物學效應的微量元素，尤其是在骨骼重塑和生長方面，其對多種類型的腫瘤也具有很強的抗癌活性。王艷華等[14]利用碳酸鈣作為處理模板，通過共沉淀聯合水熱法，制備了硒元素摻雜HAp微球。硒HAp給藥系統具有高載荷效率、可持續釋放、低血毒和抑制腫瘤細胞生長等特點[14]，其作為新型微載體可應用于骨再生工程，也可用于骨關節炎和骨肉瘤的治療。

3 天然高分子聚合物復合HAp微球

針對HAp微球本身脆性、剛度限制以及降解速率慢、釋藥突釋等缺陷，將HAp分散在可降解聚合物的基體中，形成HAp/生物聚合物復合微球，既改善了HAp微球的機械性、加速HAp在體內的降解，還可以延緩單純HAp微球作為載體時的藥物突釋現象[15-17]。因此，一種能將HAp和生物聚合物結合起來模擬真實骨結構的復合體系在骨組織工程中具有一定的應用前景。

3.1殼聚糖HAp 由于殼聚糖具有生物相容性、生物降解性、骨傳導能力、較小的異物反應和固有抗菌性質等特點，基于殼聚糖的生物材料被應用于骨組織工程中。Yao等[18]制備了由中空HAp和殼聚糖組成的復合支架治療兔橈骨臨界尺寸缺損，評價殼聚糖HAp作為控制釋放重組人骨形態發生蛋白-2載體的能力。殼聚糖不僅能像黏合劑一樣將HAp微球結合在一起，使其保持在植入位置，而且能有效改善重組人骨形態發生蛋白-2的釋放行為。體外釋放曲線證實，此復合支架顯著減少了重組人骨形態發生蛋白-2的初始突釋，延長釋放時間達60 d[18]。體內實驗顯示，負載重組人骨形態發生蛋白-2的中空殼聚糖HAp支架組的新骨形成速率高于陰性對照組和負載重組人骨形態發生蛋白-2的CS組[18]。

3.2膠原蛋白HAp 天然骨組織主要由HAp和膠原蛋白組成，膠原蛋白HAp復合材料是前景良好的骨植入物的替代材料，其適用性和功效在很大程度上取決于材料的結構特征，如孔隙率、孔徑、表面積、材料強度、降解性質和生物相容性[19]。膠原蛋白由于具有生物相容性、膠原支架的微觀和宏觀結構的可控性、細胞附著配體的天然存在、通過交聯反應可改善復合材料的力學性能和降解性能等優點，在組織工程和再生醫學領域得到廣泛應用[20]。膠原蛋白本身不具有天然的骨誘導作用，抗壓強度較低。膠原蛋白復合HAp改善了膠原蛋白的機械性能，并提供了骨誘導和骨傳導作用，可應用于骨再生[21]。Cholas等[19]采用噴霧干燥法制備了HAp微球，并通過控制凍干法制備了由膠原蛋白和HAp微球組成的多孔復合支架。膠原蛋白HAp復合材料通過促進細胞黏附、遷移和血管化以及成骨細胞分化，為骨再生提供了合適的細胞微環境。具有介孔結構的微球為蛋白質吸附和細胞附著提供了較高的比表面積，當與具有可調節大孔的聚合物支架結合時，可為細胞浸潤、分化和骨細胞外基質的合成提供理想環境。

4 合成高分子聚合物復合HAp微球

4.1聚氨酯HAp 聚氨酯是一種合成的多功能聚合物，因其優異的機械性能、高生物相容性而廣泛應用于生物醫學中。聚氨酯支架在皮下、心血管和骨組織工程中支持細胞浸潤和新組織形成，且最終可生物降解為無細胞毒性的產物[22]。賴欣等[23]采用自乳化法制備了陰、陽離子聚氨酯/HAp復合微球，在靜電力作用下進行自組裝，微球成球性好，粒度分布均勻，分散性良好，組裝材料的彈性模量增強，并具有良好的黏彈性和一定的可注射性。該自組裝凝膠體系具有優良的細胞相容性，可應用于骨缺損微創治療領域。

4.2聚乳酸HAp 聚乳酸不僅具有良好的細胞相容性和生物降解性，且具有相對優異的力學性能，是骨組織工程材料的理想選擇[24]。Xiao等[25]先采用火焰干燥法制備了中空HAp微球，然后采用熱誘導相分離技術，采用不同比例的聚乳酸/HAp制備多孔復合支架，HAp微球被隨機地結合到聚乳酸多孔支架中。聚乳酸/HAp復合支架的抗壓強度也隨支架中HAp的增加而提高。此外，聚乳酸/HAp復合支架能改善成骨細胞的黏附、遷移和分化[25]。聚乳酸和HAp復合支架具有良好的性能，適合應用于骨組織工程。

4.3聚己內酯HAp 聚己內酯是一種半結晶脂族聚酯，生物相容好且可生物降解，并具有良好的機械性能和熱穩定性，其已被用于生物醫學領域的藥物釋放系統[26]。Du等[27]應用聚己內酯和HAp合成均勻的微球，再通過激光燒結構建具有均勻多尺度孔隙度、中等機械性能以及良好生物相容性的三維骨支架。基于微球的三維支架不僅可以操縱多種干細胞行為，包括促進細胞黏附、支持細胞增殖和誘導體外細胞分化，而且還具有優異的組織相容性并誘導新血管形成，可作為仿生骨材料應用于骨再生工程[27]。

4.4聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp 聚乳酸羥基乙酸共聚物作為載體和組織工程的支架在藥物遞送中具有巨大潛力，其突出特征包括：①生物相容性和生物降解性；②可作為藥物輸送系統；③可控的持續釋放性能；④可進行表面改性；⑤保護藥物免于降解；⑦根據藥物的不同類型，如親水性或疏水性，有不同的制備和合成方法；⑧可靶向特定器官或細胞[28]。

Lin等[29]采用水包油單乳劑制備了載5-氟尿嘧啶的聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球。通過加入高特性黏度的聚乳酸羥基乙酸共聚物，實現了復合微球中5-氟尿嘧啶的高包封率。聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球中的HAp限制了初始釋藥，5-氟尿嘧啶的線性緩釋曲線長達35 d[29]。聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球作為藥物遞送系統中的載體通過控制5-氟尿嘧啶的釋放，抑制細胞生長，可用于癌癥的治療[29]。

5 三種及以上復合型HAp微球

為使復合微球獲得更佳的生物學性能，有時一種物質無法滿足臨床需求，常摻雜兩種或多種物質。Bi等[30]用乳液交聯技術制備了HAp/海藻酸鈉/殼聚糖復合微球，由于HAp/海藻酸鈉/殼聚糖復合微球的三維網狀結構和粗糙表面改善了負載藥物的數量，其載藥量和包封率高于HAp納米粒子。此外，制備的復合微球因殼聚糖的加入而較HAp納米顆粒和HAp/海藻酸鈉復合微球顯示出更佳的細胞黏附和促增殖能力[30]。

由于HAp和Ⅰ型膠原蛋白是天然骨的主要成分，為模擬骨小梁的結構，Yu等[4]通過將鋅HAp結合到膠原基質中構建新型仿生鋅HAp/膠原蛋白復合支架。而鋅賦予了該支架成骨能力，改善了骨誘導潛力，與膠原蛋白和HAp/膠原蛋白支架比較，鋅HAp/膠原蛋白支架增強了骨髓間充質干細胞的成骨分化，加快了骨的形成和愈合。兩種材料的加入使該復合支架獲得更多的性能。良好的機械性能和高的骨傳導性能使HAp在骨再生的早期階段就能很好地與周圍骨融合，并引導組織在支架內生長。膠原蛋白具有生物網狀多孔結構，其有利于細胞攀附。兩者的結合對于刺激形成人體天然骨骼非常重要[31]。

6 結 語

HAp微球的應用雖已取得較大進展，但微球本身不具備多功能特性，需要額外對其進行改性或修飾處理。功能化途徑：①HAp微球摻雜金屬或非金屬單質，使其獲得摻雜元素所具備的特定功效；②對HAp微球進行表面修飾或包裹，延長藥物緩釋時間；③將HAp微球分散在其他材料中改進HAp微球的應用途徑等。為了滿足生物學應用需求，使HAp微球作為載體或支架材料用于構建緩釋系統，今后研究的重點是對HAp微球進行功能化修飾，擴大其應用范圍。HAp微球與各種材料復合在骨組織再生工程以及牙再生工程中有潛在的應用價值，將對人類骨骼以及牙齒的健康產生深遠影響。