骨組織工程材料在大段骨缺損修復中的應用進展

毛克亞，劉建恒，崔 翔

骨缺損是由先天性疾病、創傷、感染、腫瘤等原因引起的骨科常見病，大段骨缺損的治療是骨科醫師面臨的臨床難題[1]。臨床常用的治療方法包括自體骨移植、異體骨移植、帶皮瓣腓骨移植、Ilizarov骨搬移技術、Masquelet技術等。然而，這些方法都存在各自的局限性。自體骨移植是目前治療骨缺損的“金標準”[2]，但存在供區骨量有限、術后供區骨缺損及感染等一系列問題[3]。帶血管蒂的腓骨移植往往手術難度和風險大，難以推廣[4]。異體骨移植存在免疫排斥反應，會影響骨愈合[5]。Ilizarov骨搬移技術則存在治療周期長、外架操作安裝復雜、患者痛苦等問題。近年來，骨組織工程技術與材料的快速發展，為大段骨缺損的治療帶來了新的思路和策略。

理想的骨組織工程材料應具有以下特征：(1)良好的生物相容性，不產生免疫排斥反應，無毒性分解產物；(2)生物可降解性，具有可控的降解速率，材料降解速度與成骨過程相匹配；(3)生物活性，含有促進成骨的細胞因子或藥物等活性成分，刺激細胞黏附、增殖和分化，促進新骨形成；(4)具有微米-納米級別梯度的相互連接的孔徑支架結構，促進血管形成、細胞黏附和遷移；(5)良好的機械性能，與正常骨組織相似或優于正常骨組織[6]。隨著材料學的發展，骨組織工程材料的種類也在不斷增多，其中主要包括生物醫用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料等，其中很多材料已在動物模型和臨床研究中取得了顯著效果。因此，筆者按材料性質的不同及其對大段骨缺損修復效果，對近年來骨組織工程材料的進展進行綜述。

1 生物醫用金屬材料

金屬材料是最早用于骨修復的骨組織工程材料，包括鉭、鈦及鈦基合金、鎂及鎂基合金等。生物醫用金屬材料具有高強度、良好的韌性和優異的加工性能等特點。不同金屬材料的理化性質有所差異，應用不同加工及修飾方法，可以制備出性能不同的骨組織工程支架。

1.1 鉭金屬 具有高強度、延展性好、高摩擦系數和較強的耐磨損和耐腐蝕性，被稱之為“骨小梁樣金屬”[7]。研究表明，多孔鉭支架不僅與人體組織有優異的組織相容性和生物活性，還可顯著促進干細胞和成骨細胞在支架表面的黏附、生長和分化[8]。Mrosek等[9]應用多孔鉭支架修復綿羊股骨髁骨缺損，發現多孔鉭金屬支架可以有效促進新骨向材料內部生長，且與宿主骨整合良好，是一種良好的骨缺損修復材料。目前，多孔鉭支架作為關節假體、軟骨支架等已用于臨床，并取得了良好的效果[10]。但其高昂的價格限制了其在大段骨缺損修復中的應用。

1.2 鈦金屬 具有無毒、質輕、強度高、生物相容性好等優點，但目前也存在彈性模量過高、耐腐蝕性和抗菌性較差等問題。為了克服這些問題，國內外學者進行了大量探索，包括發展新型鈦基合金及鈦基復合材料、制備三維仿生結構支架，以及對鈦及鈦合金進行表面改性等。Anne-Marie等[11]基于生物力學設計，通過3D打印方法制備了結構仿生優化的鈦網支架，并在支架中填充自體松質骨，該支架克服了傳統鈦支架彈性模量過高產生的應力屏蔽問題，可顯著促進綿羊大段骨缺損修復。Shen等[12]在鈦表面制備了鎂/鋅的金屬有機骨架涂層，修飾后的支架不僅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現出強大的抗菌能力，還可以促進新骨再生。隨著近年來研究的不斷深入，一批綜合性能優異的新型鈦合金材料有望開展臨床前研究。

1.3 金屬鎂 不僅具有良好的組織相容性和力學穩定性，同時降解過程釋放的鎂離子具有良好的促成骨能力[13]。但是純鎂金屬在體內降解偏快，無法長期維持牢固的支撐固定。而通過添加鈣、鋅、鍶、錳、鋯、稀土元素等開發新的鎂基合金，或對鎂合金材料進行表面改性，不僅可使鎂支架降解速率與成骨速率相匹配，同時具有更好的力學性能[14-15]。Zhang等[16]制備了一種殼-核結構的不銹鋼鎂髓內釘，該髓內釘力學強度好，同時鎂降解后釋放到骨缺損局部，可以刺激骨膜感覺神經元末梢釋放CGRP，極大促進了新骨形成，顯示出對大段骨缺損的治療潛力。隨著對鎂在體內降解、促成骨及吸收代謝機理研究的不斷深入，其臨床轉化進程有望進一步推進，并在將來造福大段骨缺損患者。

2 無機非金屬材料

目前，用于大段骨缺損修復的無機非金屬材料主要包括磷酸鈣、生物活性玻璃及碳素材料等，這些材料都與骨組織有良好的親和性及促成骨活性。

2.1 磷酸鈣 是人體天然骨的主要無機成分。天然磷酸鈣存在于動物骨骼、珊瑚等，而合成的磷酸鈣材料有羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(TCP)等。HA的生物成分與骨礦物質較為接近，具有良好的生物相容性、骨傳導性和骨誘導性。然而，傳統羥基磷灰石力學性能差、脆性大。近年來，納米羥基磷灰石(Nano-HA)材料的發展不僅克服了傳統HA材料力學強度不佳的缺點，還具有更好的促成骨特性，因而受到了越來越多的關注[17]。張興棟院士課題組通過3D打印方法制備了一種Nano-HA涂層的多孔支架，該支架用于兔腫瘤大段骨缺損模型中，不僅可以促進腫瘤微環境下的骨缺損再生，還可以通過上調腫瘤壞死因子TNF-α等基因引起腫瘤凋亡、移植腫瘤細胞轉移，并減少腫瘤引起的骨溶解[18]。

磷酸三鈣(TCP)分為α-TCP和β-TCP，而前者具有細胞毒性，因此應用受到了限制[19]。β-TCP有良好的生物降解性、生物相容性和骨傳導性，但也存在機械強度不足、降解過快的問題，對此國內外學者嘗試通過構建磷酸鈣復合材料進行骨缺損修復。Lai等[20]通過低溫快速成型技術制備了PLGA/TCP/Mg支架，該支架力學性能得到顯著提高，并通過促進血管生成及介導新骨形成，實現骨缺損修復。

2.2 生物活性玻璃 是一種由硅、鈣、磷和鈉的氧化物組成的CaO-SiO2-P2O5系統，而新一代的生物活性玻璃通過添加MgO、B2O3、K2O、TiO2等成分改善其性能。生物活性玻璃在體內降解釋放的硅離子具有促進生長因子生成、細胞增殖和活化細胞基因的作用，進而促進成骨細胞的增殖和成骨分化，是一種理想的無機非金屬替代材料[21]。LIN等[22]通過多孔生物活性玻璃搭載BMP-2和IL-8，用以治療兔橈骨大段骨缺損，發現這種人工支架具有優異的骨再生能力，對于骨的形成和分化有明顯的促進作用。Ryan等[23]制備了摻雜銅的生物活性玻璃支架，該支架不僅可以促進血管和骨生成，同時展現出對金黃色葡萄球菌明顯的抗菌活性，因此為骨髓炎骨缺損的治療提供了新策略。但是生物活性玻璃釋放離子促進骨生長的具體生物化學機制尚未明確，其是否存在遠期風險也需要進一步闡明，同時生物活性玻璃抗疲勞性能較差，無法應用于負重區域的問題也需要改善。

2.3 碳素材料 包括碳納米管、石墨烯、富勒烯和納米金剛石等材料，不但擁有良好的機械強度，而且可以為骨細胞提供與人體天然骨相似的微環境，促進干細胞的黏附、增殖、分化，同時還可以促進組織礦化而修復大段骨缺損[24]。其中，石墨烯因具有良好的抗菌性和載藥緩釋性，近年來在骨缺損修復中受到了大量研究[25]。Wang等[26]將多壁碳納米管(MWCNT)粉末摻入甲基丙烯磷脂骨水泥制成骨組織工程支架，體外實驗證明，MWCNT的添加改善了干細胞的黏附和增殖。將不同MWCNT含量的支架植入新西蘭兔骨缺損模型中發現，大量成骨細胞聚集在支架內形成新骨，并且隨著MWCNT含量增加，骨長入率也隨之增加。Huang等[27]通過3D打印技術制備了一種多孔MWCNT支架，該支架可顯著增強干細胞附著，因而可作為骨組織再生的良好支架材料。

3 高分子材料

高分子材料可分為天然高分子材料和人工高分子材料。天然高分子材料主要包括膠原蛋白、明膠、殼聚糖和絲素蛋白等，這些材料具有良好的組織相容性和可降解性，并可促進成骨細胞黏附和生長，但其存在機械強度不足，降解速度與成骨速度不匹配等問題，因此多與其他材料復合使用。

3.1 天然高分子纖維蛋白 絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，具有良好的柔韌性、抗拉伸強度和生物活性。同時，絲素蛋白在體內的降解速度與骨缺損修復周期相匹配，其降解產生的氨基酸和多肽對周圍組織還有營養和修復作用，因此在骨缺損修復上展現出巨大優勢[28]。牛涵波等[29]通過化學交聯和冷凍干燥制作的絲素蛋白/殼聚糖三維多孔支架，體外研究發現，該支架材料無細胞毒性，并且具有良好的細胞黏附率和促成骨性能。Yang等[30]通過靜電紡絲技術制備了三維絲素蛋白支架，能夠顯著促進成骨細胞的黏附、增殖和分化，并在體內實驗中有效促進大鼠顱骨缺損的愈合。

3.2 人工合成高分子材料 主要有聚乳酸(PLA)及其復合物，聚乙酸(PGA)、聚己內脂(PCL)和聚乙二醇(PEG)等。其中PLGA、PLA、PCL、PEG已被美國FDA批準為生物降解性醫用材料，并用于骨缺損的研究[31]。Song等[32]將從鴨蹼中提取的膠原蛋白(DC)與PLGA混合制備了DC/PLGA支架，體內外研究均顯示其可以有效促進骨再生，支架內原始骨的形成和分化較對照組都有顯著增加。然而人工高分子材料生物相容性較差，聚乳酸及其共價復合物在降解過程中產生酸性物質，可導致植入材料周圍無菌性炎癥反應的問題仍有待解決。

4 復合材料

復合材料是用材料制備技術將兩種或兩種以上不同性質材料進行組合而成的新材料。復合材料可以有效彌補單一的天然或人工材料在生物和理化性質方面的不足，從而顯著改善骨再生[33]。近年來復合材料制備的水凝膠支架在骨缺損修復中取得了很大的進展。Frasca等[34]通過化學交聯制備出孔徑200 μm的多孔支鏈淀粉/ 右旋糖酐基水凝膠復合支架材料，用于大鼠股骨骨缺損模型，90 d后在骨缺損部位可以觀察到大量新生骨和血管生成，獲得了良好的骨缺損修復效果。而國內學者范先群等[35]采用化學交聯和雙網絡水凝膠構建的方法制備透明質酸-明膠雙網絡水凝膠，其不僅在保水性能、力學性能和降解性能等方面有了較大的提升，而且在骨缺損修復方面展現了良好的前景。

目前多種類型的納米復合材料逐步被開發并應用，其中納米羥基磷灰石復合材料被廣泛應用于骨缺損修復。這類復合材料不僅延續了納米羥基磷灰石良好的機械性能和穩定的結構，還降低其免疫原性，同時有些復合材料還可作為藥物載體，應用于骨缺損修復。李冬梅[36]利用將新西蘭大白兔骨髓基質干細胞與納米相羥基磷灰石膠原復合能成功制備納米級細胞型組織人工骨，將其用于新西蘭大白兔下頜骨骨缺損中效果理想，能有效促進缺損部位愈合。納米羥基磷灰石-殼聚糖復合材料作為骨缺損修復材料的同時，有望成為抗癌藥物釋放載體，可針對性應用于因腫瘤引起的骨缺損，進一步拓寬了在醫學材料領域的使用[37]。除此以外Nano-Ha聚乳酸復合材料、Nano-Ha聚酰胺復合材料、Nano-HA聚乙烯醇復合材料等都在臨床應用中有很好的治療效果。

由于傳統方法治療大段骨缺損存在一定局限性，開發修復效果更好的骨修復材料顯得尤為重要。例如，以3D打印為代表的增材制造技術，可制備具有優異骨傳導、骨誘導和骨整合特性的骨修復支架[38]。隨著工程和材料學發展，以及對骨重建再生機制研究的不斷深入，在不久的將來，有望研制出更加符合骨缺損修復要求的理想人工骨移植材料，為臨床骨缺損修復提供新策略，造福廣大患者。