生物活性壓電陶瓷在植骨材料的研究進展

謝建平，徐云瑩，李開南

(1.成都大學 機械工程學院,四川 成都 610106；2.成都大學 附屬醫(yī)院,四川 成都 610106)

0 引 言

目前由創(chuàng)傷、感染、惡性腫瘤和先天性疾病等因素所導致的骨缺損仍然是臨床常見且較難解決的問題之一[1].骨腫瘤、骨感染以及先天性骨病等手術后常常面臨大段骨缺損的修復和重建[2].植骨是治療骨缺損的有效手段，大段骨缺損不僅需要的植骨量大而且療效不佳，小段骨缺損(<5 cm)治療多采用自體骨移植，但其應用常受到供區(qū)骨量有限和導致醫(yī)源性損傷的影響，同時，供區(qū)新的骨缺損還會出現(xiàn)持續(xù)疼痛、血腫、出血及感染等，因而臨床應用仍有局限[3-4].對此，科研人員開發(fā)了一些人工骨修復材料，主要包括鈣磷基材料、生物玻璃以及膠原等，雖然這些材料具有一定的引導骨組織生長和新骨沉積的作用，但與自體骨相比，仍然存在諸如生物活性不足、骨折不愈合、成骨量有限、材料降解速度與組織生長不匹配等問題，臨床療效不盡如人意[1,5-7].基于上述植骨材料在臨床使用中的局限性，研究具備成骨性能的新型生物活性骨修復材料是目前骨組織工程領域研究的熱點和重點之一[8-9].

在眾多材料中，生物活性壓電陶瓷因有與骨相似的壓電效應且展現(xiàn)出良好的生物學性能而倍受研究者的青睞.材料的生物學性能取決于它能夠模擬微環(huán)境并傳遞刺激細胞反應的信號的程度，生物電信號、內(nèi)源性電場和外部電刺激在調(diào)節(jié)細胞行為和促進骨修復方面起著至關重要的作用.壓電陶瓷能夠在不需要外部刺激裝置的情況下傳遞這些電信號，并能夠增強生理電環(huán)境以刺激修復，降低了肌體免疫的概率，增強了植入材料的相容性，是一種很有前景的骨修復材料.本文就生物活性壓電陶瓷在植骨材料的相關研究進展做一綜述.

1 骨的壓電效應及其骨修復機制

壓電效應是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應.當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變.相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應.

1957年，F(xiàn)ukada等[10]從人和牛的股骨上切下標本，并通過加熱完全干燥并測量其壓電常數(shù)，觀察到壓電效應只有在對膠原纖維施加剪切力以使其滑過其他部位時才會出現(xiàn).在熱水中煮沸并隨后完全干燥的樣品在壓電效應上幾乎沒有變化，這一事實確定了該效應不是生物體產(chǎn)生的，他們將骨中壓電性的起源歸因于膠原分子中結(jié)晶膠束的壓電效應.自此以后，對骨的壓電效應研究越來越深入.

在日常生活中，活骨由于其定向的超微結(jié)構(gòu)而經(jīng)歷多方面的機械負荷.由于骨骼的壓電特性，機械負載導致電荷的產(chǎn)生，壓縮應力和拉伸應力分別在生理應力區(qū)附近產(chǎn)生負電荷和正電荷.帶負電的區(qū)域促進成骨細胞的活動，這使得骨沉積在其附近，另一方面，由帶正電的區(qū)域使骨骼趨向解吸，整個現(xiàn)象是骨骼壓電性的結(jié)果.Fabian等[11]指出，骨骼在壓力下產(chǎn)生電力，這種機電行為被認為是骨骼自我修復和重塑的必要條件，其起源是由于骨骼的主要結(jié)構(gòu)蛋白膠原蛋白的壓電效應.理論上，任何材料都可以產(chǎn)生響應應變梯度的電壓，這要歸功于被稱為柔電的特性.他們還測量了骨骼和純骨礦物(羥基磷灰石)的撓曲電，發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的數(shù)量級，定量相似性表明，羥基磷灰石彎曲電流是皮質(zhì)骨彎曲誘導極化的主要來源.此外，還利用測得的撓曲電系數(shù)計算了骨礦物裂紋產(chǎn)生的撓曲電場，強度在裂紋尖端周圍40 μm范圍內(nèi)超過5 kV/m，就可以誘導骨細胞凋亡，并且啟動裂紋愈合過程，損傷中心提供強大的電信號來刺激骨修復，從而體現(xiàn)了撓曲電在骨修復和重塑中的中心作用.膠原纖維響應于內(nèi)部或外部機械刺激的相對運動，同時，骨骼中的壓電系數(shù)值與機械刺激方向和骨軸形成的夾角有關.據(jù)報道，壓電系數(shù)的最高值是骨軸和機械方向之間的角度刺激到45°，并且，由于機械變形而在骨中誘發(fā)的正或負電勢與變形的程度和速率成比例[10].

2 幾類主要壓電陶瓷植骨材料

壓電陶瓷按是否含鉛，主要分為鉛基壓電陶瓷和無鉛壓電陶瓷，作為人體骨植入材料，鉛基壓電陶瓷自然排除在外.無鉛壓電陶瓷主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)和鉍層狀結(jié)構(gòu)3個體系.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)名字來源于鈦酸鈣(CaTiO3)這種礦物的結(jié)構(gòu)，其化學通式為ABO3，許多重要的壓電陶瓷都是以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)存在，主要包括鈦酸鋇(BaTiO3)基(BT基)無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉[(Bi0.5Na0.5)TiO3]基(BNT基)無鉛壓電陶瓷和堿金屬鈮酸鉀鈉[(K，Na)NbO3]基(KNN基)無鉛壓電陶瓷.鎢青銅結(jié)構(gòu)的無鉛壓電陶瓷晶體結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)類似，主要包括以鈮酸鍶鋇(Sr1-xBaxNb2O6)系和鈮酸鋇鈉(NaBa2Nb5O15)系為代表的無鉛壓電陶瓷.鉍層狀壓電陶瓷為具有層狀結(jié)構(gòu)的化合物，是由鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物層和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶格層穿插交疊而成，主要包括以鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)、鈦酸鉍鈣(CaBi4Ti4O15)和鈦酸鉍鍶(SrBi4Ti4O15)為代表的鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷.其中，BaTiO3因具有較好的生物相容性和壓電性，在研究中使用較為廣泛，研究也較為深入.

2.1 CaTiO3

CaTiO3作為初期鐵電體，其生物相容性在實驗中有著良好表現(xiàn).王梓力等[12]將鈦板、羥基磷灰石涂層鈦板和納米CaTiO3涂層鈦板分為鈦板組、涂層組和納米組，將各組材料與成骨細胞(MC3T3-E1)共培養(yǎng)，通過免疫熒光染色、四甲基偶氮唑鹽微量酶反應比色法(MTT法)、堿性磷酸酶(ALP)含量測定評估材料表面細胞的存活、增殖及分化情況，觀察到涂層組、納米組比鈦板組有更多的活細胞數(shù)量和更高的MTT值與ALP含量.這顯示出納米CaTiO3涂層材料有良好的生物相容性.Wiff等[13]也驗證了CaTiO3涂層在形成仿生磷酸鈣層方面改善了Ti和Ti6Al4V合金的生物相容性.另外，可以通過施加外部電場來增強骨骼愈合，CaTiO3涂層也會對影響植入物的導電率來影響骨組織復合.Mallik等[14]采用多級火花等離子體燒結(jié)羥基磷灰石(HA)-80鈦酸鈣(CaTiO3)復合材料和純HA.HA-80CaTiO3的掃描電子顯微鏡(SEM)微觀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它們的導電性能差異很大(相差14個數(shù)量級).通過在1、4和12周的不同時間段內(nèi)植入兔的圓柱形股骨缺損中，如圖2所示,以此來評估骨再生的能力.組織學結(jié)果的整體評估表明，HA-80CaTiO3周圍的骨缺損的逐漸愈合效果更好，從組織學上講比純HA高140%左右.

圖1 HA-80CaTiO3的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 HA-80CaTiO3植入兔的圓柱形股骨缺損示意圖

CaTiO3與HA和磷酸三鈣(TCP)的復合材料也被認為是潛在的生物活性材料.Ergun等[15]在HA-CaTiO3和TCP-CaTiO3復合材料上的成骨行為表明，這兩種情況下黏附的細胞都比純HA高4.5倍.CaTiO3還能促進細胞的擴散，為細胞的增殖和生長提供良好的表面條件.在這些復合材料中，TCP-CaTiO3中含有Ca9HPO4(PO4)5OH，最有利于成骨細胞黏附.

納米CaTiO3涂層材料其培養(yǎng)的細胞有更好的細胞結(jié)構(gòu)形態(tài)以及良好的生物相容性，CaTiO3涂層也會通過影響植入物的導電率來影響骨組織復合.上述實驗都表明CaTiO3在骨再生和組織工程應用方面具有潛力.

2.2 BaTiO3基無鉛壓電陶瓷

BaTiO3是一種著名的鐵電和壓電材料，現(xiàn)階段對BaTiO3壓電陶瓷的研究主要集中在以BT為基的二元或多元陶瓷體系.BaTiO3陶瓷是研究與發(fā)展得相當成熟的無鉛壓電陶瓷材料，其具有高的介電常數(shù)、較大的機電藕合系數(shù)和壓電常數(shù)，中等的機械品質(zhì)因數(shù)和較小的介電損耗.

劉峙辰[16]的研究中，制備了純BaTiO3材料以及質(zhì)量比為9∶1的BaTiO3-HA復合材料,其中，成型的BaTiO3-HA(9∶1)復合材料如圖3所示.通過電場對兩種材料進行極化處理，獲得具有不同材料學和電學屬性的3種材料，即A組(不帶電荷的BaTiO3-HA)、B組(帶電荷的BaTiO3-HA)、C組(帶電荷的純BaTiO3).對此3組材料進行成骨細胞表面共培養(yǎng)，觀察和檢測實驗結(jié)果后，得出BaTiO3-HA復合材料對成骨細胞的促進作用主要來源于材料表面所攜帶的負電荷.其進一步實驗表明，電荷必須達到足夠數(shù)量才能夠發(fā)揮更好的促進成骨細胞活性的功能.另外，其選用成年雄性新西蘭大白兔作為植入對象，根據(jù)植入材料是否帶電以及運動刺激的不同分為4個組，即A組(帶電荷+運動刺激組)、B組(不帶電荷+運動刺激組)、C組(帶電荷+非運動刺激組)、D組(不帶電荷+非運動刺激組).術后2周起，給予運動刺激組每天1次、每次持續(xù)30 min的運動刺激.分別于術后6周、12周取材觀察.最終得出BaTiO3-HA復合材料在運動刺激中產(chǎn)生的壓電效應，能夠更好地促進新骨生成，加速骨愈合.付春穎[17]把BaTiO3-HA多孔復合材料分為實驗組極化材料和對照組未極化材料，然后在其上接種相同處理方式的細胞懸浮液.一段時間后觀察細胞形態(tài)和生長情況，發(fā)現(xiàn)差別并不大.由上述兩個研究看出，細胞實驗中雖然對材料極化，但不能提供有效運動刺激使其發(fā)揮壓電效應，修復狀態(tài)并不明顯.但在臨床中，骨修復前期并不能提供有效運動刺激，這也為臨床使用大大增加了困難，也是科研人員需要解決的一個問題.

圖3 成型的BaTiO3-HA(9∶1)復合材料

BaTiO3有著較好的生物相容性，Shokrollahi等[18]采用冷鑄法制備了具有高壓電系數(shù)的多孔鈦酸鋇和納米鈣鈦礦(BT/nAK)壓電復合材料.在制備過程中，BT和nAK之間沒有發(fā)生可檢測的反應，在固體負荷和冷卻速率恒定條件下，BT90/nAK10的d33值大于BT75/nAK25和BT60/nAK40，BT90/nAK10的d33值為4 pC/N.結(jié)果表明，隨著BT含量的增加，d33值增加，其氣孔是移植體和宿主骨之間同種異體骨移植的最佳部位，隨著nAK含量的增加，孔隙直徑減小.另外，間接細胞毒性結(jié)果表明，這些BT/nAK復合材料不存在任何細胞毒性作用，BT/nAK復合材料的密度、孔隙率和力學性能與海綿狀骨相似，是一種很好的骨替代材料.除了添加其他元素外，表面涂層也會對BaTiO3的力學性能和細胞黏附性有所影響.Ehterami等[19]等采用泡沫復制法制造高度多孔的BaTiO3基支架，并通過施加外部電場使其極化，為了增強機械和生物學性能，加入了明膠和納米結(jié)構(gòu)HA并進行表征.結(jié)果表明，多孔支架的抗壓強度和壓電系數(shù)隨燒結(jié)溫度的升高而增加.在用Gel/HA納米復合材料涂覆后，支架的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)和孔徑幾乎保持不變，而與未涂覆的樣品相比，Gel/nHA涂覆的支架表現(xiàn)出增強的抗壓強度和彈性模量，通過SEM和MTT測定法評估了最佳支架對MG63成骨細胞的黏附、生存能力和增殖的影響.細胞培養(yǎng)實驗表明，發(fā)達的支架具有良好的生物相容性，并且細胞能夠黏附、增殖并遷移到支架的孔中，在所有測試的時間點，涂覆的支架中的細胞密度顯著更高.這些結(jié)果表明，涂有Gel/HA納米復合材料的高孔隙度BaTiO3支架在組織工程應用中具有巨大的潛力，可用于骨組織修復和再生.

BaTiO3摻雜到聚合物中也有著不錯的生物相容性和成骨作用.Nacer等[20]研究得出摻有BaTiO3的蓖麻油聚合物在兩個觀察期內(nèi)均保持良好的生物相容性和一定的成骨作用.將BaTiO3制作成涂層附著到醫(yī)用合金上也會顯現(xiàn)出較好的生物相容性和生物活性.Rahmati等[21]使用溶膠—凝膠合成的納米BaTiO3粉末，通過電泳沉積在Ti6Al4V醫(yī)用合金上，制備了BaTiO3涂層.分別使用X射線衍射和SEM成像研究了樣品的結(jié)構(gòu)和形態(tài)；在浸入模擬體液(SBF)后，通過SEM和電感耦合等離子體(ICP)分析評估涂層樣品的生物活性；通過MTT測定法和SEM成像研究了細胞相容性.結(jié)果顯示，其具有立方結(jié)構(gòu)和約41 nm的微晶尺寸的均勻涂層，SEM圖像表明SBF浸泡7 d后在涂層上形成了磷灰石,ICP分析證實SBF中的離子濃度降低了,培養(yǎng)7 d后，與涂層緊密接觸的細胞顯示出扁平的形態(tài).由此可見，涂覆的樣品表現(xiàn)出適當?shù)纳锘钚院蜕锵嗳菪?

由上述實驗表明，BaTiO3-HA復合材料的最佳配比為9∶1，BaTiO3-HA復合材料對成骨細胞的促進作用主要來源于材料表面所攜帶的負電荷，且電荷必須達到足夠數(shù)量才能夠發(fā)揮更好的促進成骨細胞活性的功能.在成骨過程中，板層孔是骨細胞生長的最佳部位.此外，BaTiO3摻雜到聚合物中也有著較好的生物相容性和成骨作用.

2.3 [(K，Na)NbO3]基(KNN基)無鉛壓電陶瓷

KNN是最著名的無鉛壓電材料之一，其用作生物相容材料有不錯的潛力.KNN的極化可在表面上感應出足夠量的電荷，其表面的靜電相互作用與帶正電或不帶電的表面相比，細胞在帶負電的表面上選擇性良好和優(yōu)先吸附[22].

植入物感染是醫(yī)療器械植入術后最嚴重的并發(fā)癥之一，開發(fā)具有良好抗菌性能的生物相容性材料就顯得具有重要意義，利用生物材料的固有電性來解決這一問題，可能是一個新的方法.Yao等[23]制備了不同壓電常數(shù)的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷(K0.5Na0.5NbO3)，對其微觀結(jié)構(gòu)和壓電性能進行表征，并測試壓電陶瓷的抗菌效果和生物相容性.結(jié)果表明，壓電陶瓷能減少金黃色葡萄球菌的菌落，促進大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖，促進細胞的黏附和擴散，上述效應與壓電陶瓷的表面正電荷密切相關.在此基礎上，通過控制壓電性能開發(fā)生物相容性抗菌材料是可行的.

KNN壓電陶瓷在抗菌方面還有另外一些用途，活性氧(ROS)可用于殺滅細菌細胞，因此從材料表面選擇性生成ROS是抗菌材料研究的一個新方向.Tan等[24]研究發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷的極化使兩側(cè)分別帶正電和負電，在水溶液中轉(zhuǎn)化為陰極和陽極表面，由于水的微電解作用，ROS優(yōu)先在陰極表面形成，因此，細菌被選擇性地殺死在陰極表面.細胞實驗表明，ROS水平對正常哺乳動物細胞是安全的.KNN的極化導致其表面形成微電場，進而產(chǎn)生ROS，在正極化的表面對金黃色葡萄球菌的抗菌活性最強，生物相容性可與HA相媲美，其在不改變材料成分的情況下，為控制壓電陶瓷表面的抗菌性能提供了新的見解.Verma等[25]采用固相合成法對HA-xNKN陶瓷復合材料進行了優(yōu)化制備，優(yōu)化的工藝參數(shù)有利于在所開發(fā)的復合體系中形成純HA和NKN相，且各相之間不會發(fā)生任何反應或解離，從而得到了致密化良好的陶瓷復合材料.其測試結(jié)果顯示，介電常數(shù)和損耗的變化與不同電導率相引起的電荷極化有關，生物相容性壓電NKN第二相的加入可以提高HA的介電響應和電學響應，從而獲得類骨的電學性能.Chen等[26]為了模擬骨骼表面膠原纖維的電特性，在聚吡咯(PPy)涂層裝飾的KNN壓電陶瓷的表面上形成了內(nèi)置的納米級電場，可通過調(diào)節(jié)極化過程來調(diào)節(jié)電場，并且在KNN壓電陶瓷的表面上獲得導電PPy納米陣列(CPNA).導電PPy將電場傳輸?shù)酵繉颖砻妫珻PNA的形態(tài)導致表面電勢的變化，從而控制內(nèi)置的納米級電場.其生物實驗表明，CPNA具有可接受的生物相容性，納米級電場有相對較高的表面電勢，能夠促進細胞增殖、細胞附著和成骨分化.Chen等[22]制作了壓電常數(shù)約為93 pc/N、相對密度約為93%的KNN陶瓷，用于研究陶瓷表面電荷對牛血清白蛋白(BSA)的吸附以及對KNN陶瓷表面細胞增殖的影響，通過細胞培養(yǎng)和MC3T3的細胞染色，驗證了KNN陶瓷的生物相容性.與非極化表面相比，其正表面和負表面顯示出更好的蛋白質(zhì)吸附能力，細胞生長情況也更好.

KNN基無鋁壓電陶瓷能促進細胞的黏附和擴散，并且對抑制細菌生長有一定作用，其在不改變材料成分的情況下，為控制壓電陶瓷表面的抗菌性能提供了新的見解.此外，KNN基無鉛壓電陶瓷會在表面形成電場，納米級電場有相對較高的表面電勢促進細胞增殖、細胞附著和成骨分化.總而言之，KNN基無鉛壓電陶瓷在促進組織再生方面有巨大的潛力.

2.4 LiNbO3

LiNbO3目前也作為活性植骨材料被研究，這種植入物可以促進骨形成，如果其浸入液體中，則在界面處形成雙電層和擴散層，這對植骨附近的蛋白質(zhì)吸附以及細胞的黏附和生長起重要作用.

電荷分布可以用一種簡化的方式Zeta電位來表征，Vaněk等[27]測量了極化鐵電單晶LiNbO3片表面極性對Zeta電位的影響，結(jié)果表明，在某些“理想”條件下(低離子強度、無污染的表面、非常低的粗糙度)，鐵電材料的表面極性可以影響表面的電荷分布.然而，植入物表面的鐵電涂層并不理想(粗糙的、多晶的、體液復雜及具有高離子強度).因此，在實際情況下，表面極性對電擴散層的影響相當小，從而對蛋白質(zhì)的比吸附量影響也較小.Carville等[28]研究了襯底表面電荷對鐵電鈮酸鋰(LN)晶體在成骨細胞體外增殖的影響.LN具有沿z軸的自發(fā)極化，因此在+z和-z表面具有正和負束縛極化電荷的特征.通過MC3T3成骨細胞的培養(yǎng)和熒光成像，證實了LN的生物相容性.同時，與靜電中性x-cutLN和玻片對照相比，細胞通過在帶正電荷和帶負電的LN表面形成礦物質(zhì)而顯示出更高的增殖速率和更好的成骨細胞功能.Vilarinho等[29]把LiNbO3在模擬體液(SBF)中浸泡不同時間后，其表面有磷灰石狀的結(jié)構(gòu)形成，表明其具有生物活性.同時，提出了磷灰石形成的機理可能與LiNbO3和SBF的離子交換有關.

3 結(jié)語與展望

本文綜述了植骨材料的電生物活性，如電導率、壓電性以及壓電效應在調(diào)節(jié)骨骼代謝活動中的作用.在實驗中，壓電陶瓷對成骨細胞增殖有著較好的促進作用.此外，一些材料通過控制壓電性能開發(fā)生物相容性抗菌材料也是可行的.總而言之，生物壓電陶瓷做骨修復材料有著較好的適用性，但目前的研究也存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)納米多孔結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石壓電性優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)羥基磷灰石壓電性，但達到輔助修復其壓電性還不足，是否可以加入其他人體可接受元素來增加其壓電性或者尋找其他結(jié)構(gòu)，在滿足人體生物相容性的條件下有足夠的壓電性幫助其修復.

2)生物壓電陶瓷為了獲得較好的生物相容性，常與羥基磷灰石復合，但在羥基磷灰石加入后，壓電性大打折扣，如何平衡生物相容性和壓電性需要更多科學的數(shù)據(jù)來支撐.

3)壓電陶瓷在實驗中顯示出了良好的結(jié)果，然而，其臨床潛力還有待開發(fā)，一個主要的限制是大多數(shù)壓電陶瓷迄今為止不可降解.

4)生物壓電陶瓷的力學性能還遠不能滿足骨移植應用，尋找合適的方法來進一步提升其力學性能也是目前需要解決的問題.