[科普中國(guó)]-人工骨

在骨科領(lǐng)域,由于嚴(yán)重創(chuàng)傷、骨腫瘤、骨髓炎等多種原因所致的骨缺損十分常見(jiàn)。目前常用的骨修復(fù)材料包括自體骨和金屬假體。自體骨增加了患者的創(chuàng)傷和痛苦；金屬假體存在松動(dòng)、斷裂等問(wèn)題。因此,人工骨替代材料移植修復(fù)骨缺損成為醫(yī)學(xué)重點(diǎn)。人工骨 (Artificail Bone) 是指可以替代人體骨或者修復(fù)骨組織缺損的人工生物材料。當(dāng)需替換關(guān)節(jié)或治療骨斷裂時(shí)，最理想的方式是通過(guò)組織再生功能實(shí)現(xiàn)骨的自身修復(fù)。然而在許多情形下，人體骨并不能實(shí)現(xiàn)自身修復(fù)，例如骨組織壞死，骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷，這時(shí)就需要人工骨的幫助，理想人工骨材料的研制是醫(yī)學(xué)和生物材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

人工骨材料的基本要求許多人工骨材料已被應(yīng)用于骨重建，復(fù)合有成骨潛能的細(xì)胞或生長(zhǎng)因子后效果較好，但其植入后的長(zhǎng)期可靠性是一個(gè)問(wèn)題。人工骨材料須滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本要求：

1) 具有良好的生物相容性

2) 具有合適的力學(xué)性能

3) 有微孔結(jié)構(gòu)，使新生骨組織得以長(zhǎng)入

4) 其吸收速度與新骨生長(zhǎng)速度大致保持同步

5) 易于加工成所需的大小和形狀

人工骨的作用機(jī)理人工骨材料通過(guò)單獨(dú)使用或幾種材料符合復(fù)合使用來(lái)促進(jìn)骨愈合，其作用原理包括三個(gè)方面：

1) 骨生成作用：骨生成材料中包含了具有分化成骨潛能的活細(xì)胞，具有骨形成作用；

2) 骨傳導(dǎo)：植入材料通過(guò)促進(jìn)宿主骨與移植材料表面的結(jié)合，引導(dǎo)骨形成；

3) 骨誘導(dǎo)：其材料通過(guò)提供一種生物刺激，誘導(dǎo)局部細(xì)胞或移植的細(xì)胞分化形成成熟的成骨細(xì)胞。

人工骨的發(fā)展歷程骨由有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽結(jié)合而構(gòu)成。有機(jī)物質(zhì)主要是骨膠蛋白，使骨具有一定的韌性。無(wú)機(jī)鹽即堅(jiān)硬的礦物質(zhì)（羥基磷灰石結(jié)晶，即磷酸鈣和氫氧化鈣的復(fù)合物）使得骨堅(jiān)硬不屈、傲然挺立，是影響骨硬度的因素。有機(jī)成分和無(wú)機(jī)兩種成分有著恒定的比例，一般而言，前者占成人骨干重的34%，后者占65%，兩者的結(jié)合使骨具有很大的韌性和堅(jiān)固性。羥基磷灰石具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、骨傳導(dǎo)性與骨誘導(dǎo)性，因此被廣泛應(yīng)用于人工骨的制造。

自1971年人們發(fā)現(xiàn)海珊瑚具有與人骨相類(lèi)似的孔隙結(jié)構(gòu)，開(kāi)始應(yīng)用原始珊瑚碳酸鈣作為植骨材料。一只150～200磅的珊瑚就可以提供數(shù)百個(gè)人工骨原料，但珊瑚骨質(zhì)地脆，吸收快，在骨缺損處只具有支架和骨引導(dǎo)作用，而無(wú)骨誘導(dǎo)能力，單純珊瑚植入機(jī)體后有一定的體積喪失，對(duì)于較大的骨質(zhì)缺損，僅用珊瑚難以達(dá)到完全修復(fù)。

由仿生思想的啟示，1986年，美國(guó)齒科協(xié)會(huì)科學(xué)家L. C. Chow 和W. E. Brown發(fā)明了磷酸鈣骨水泥，1996年FDA批準(zhǔn)CPC可以用于非承重骨的骨缺陷治療。但羥基磷灰石因其強(qiáng)度和韌性較低，使其使用范圍受到限制，如何提高其性能便成了研究的熱點(diǎn)，羥基磷灰石/膠原類(lèi)骨仿生復(fù)合材料登上舞臺(tái)，膠原的加入使人工骨更加貼近人體天然骨成分。

近年來(lái)，除了應(yīng)用于骨修復(fù)和替代的人工骨，應(yīng)用于骨髓炎、骨缺損和預(yù)防人工關(guān)節(jié)感染等方面人工骨的開(kāi)發(fā)不斷展開(kāi)，載藥人工骨具有藥物載體和修復(fù)骨缺損的雙重作用，主要分為羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥、生物玻璃等，前兩者已逐步應(yīng)用于臨床研究及治療中，生物玻璃是最近比較新的材料，關(guān)于其特性、具體應(yīng)用還要進(jìn)一步研究。

人工骨的種類(lèi)和生物學(xué)特點(diǎn)人工骨按材料的結(jié)構(gòu)和性能大致可分為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料。

無(wú)機(jī)材料使用較多的材料有磷酸鈣生物陶瓷、氧化硅生物玻璃、羥基磷灰石等。這些作為植入物能滿(mǎn)足人工骨的一般要求，其優(yōu)點(diǎn)是生物相容性好，缺點(diǎn)是機(jī)械性能較差，硬而脆，易斷裂。根據(jù)植入物與受體骨組織界面所發(fā)生組織反應(yīng)的類(lèi)型，可以將生物陶瓷分為四類(lèi)：

1) 近乎惰性的晶體生物陶瓷：無(wú)生物活性，植入后與骨組織之間形成纖維膜，易松動(dòng)脫落。臨床上得到廣泛應(yīng)用的是氧化鋁，可用作人工髖關(guān)節(jié)假體部件；

2) 多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化鋁和羥基磷灰石涂層的金屬，其特點(diǎn)為呈生物惰性，但在骨組織長(zhǎng)入其縫隙時(shí)卻形成高度迂曲的曲面，從而提供了機(jī)械穩(wěn)定性；

3) 表面活性陶瓷：生物活性玻璃、玻璃陶瓷和羥基磷灰石，其化學(xué)組成與人體骨組織相近，可借助化學(xué)鍵直接與骨結(jié)合，即具有生物活性。有一種稱(chēng)為ceravital的玻璃陶瓷，與骨結(jié)合性能甚好，已成功地應(yīng)用于脊柱外科和制造人工骨盆。HA陶瓷多與其他材料復(fù)合使用，如HA與自體骨、自體紅骨髓、膠原、BMP、同種骨(脫鈣骨基質(zhì)或去抗原自溶脫鈣同種骨)、煅石膏、聚合物和氧化鋁陶瓷等復(fù)合，可克服HA缺乏骨誘導(dǎo)性和顆粒性材料成形困難的缺點(diǎn)。HA植入后不吸收；

4) 可吸收的陶瓷：在宿主體內(nèi)逐漸吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三鈣（TCP）為其代表。TCP之生物學(xué)特性與HA大致相同，其優(yōu)于HA之處為植入后在體內(nèi)緩慢降解吸收?，F(xiàn)多用TCP作為載體復(fù)合各種生物活性因子使用，如TCP復(fù)合BMP．可發(fā)揮骨傳導(dǎo)與骨誘導(dǎo)之雙重作用。

有機(jī)材料這種材料是從動(dòng)物結(jié)締組織或皮膚中提取的，是進(jìn)過(guò)特殊化學(xué)處理的蛋白質(zhì)物質(zhì)。由于其中含有某些成骨因子，因而具有較好的誘導(dǎo)成骨能力。此類(lèi)材料包括膠原、骨形態(tài)發(fā)生蛋白以及各種成骨因子等。

1) 膠原

Nehrers 等用UV交聯(lián)膠原海綿進(jìn)行軟骨組織工程的研究，顯示支架支持細(xì)胞生長(zhǎng)的效果良好。其中Ⅱ型膠原支架上的細(xì)胞保持較好表型,并合成較多的糖氨聚糖等胞外基質(zhì)，Ⅰ型膠原支架上的細(xì)胞能很好擴(kuò)增,但多數(shù)呈纖維細(xì)胞狀的形態(tài)，且僅有少量的細(xì)胞外基質(zhì)合成。Stone 等將牛跟腱經(jīng)純化得到膠原Ⅰ，然后將膠原—軟骨細(xì)胞移植物植入9 例半月板撕裂或缺損患者的膝關(guān)節(jié)中，術(shù)后3～6 個(gè)月后，二期關(guān)節(jié)鏡檢證明膠原支架被吸收，替代以新形成的軟骨組織，36 個(gè)月后，9 例患者癥狀減輕，未發(fā)現(xiàn)免疫反應(yīng)。MRI 證實(shí),形成的半月板中存在進(jìn)行性的軟骨成熟信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明,膠原支架是一種可移植的、安全且能夠支持軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)的基質(zhì)材料。

2) α- 聚酯

α- 聚酯為人工合成的有機(jī)高分子材料,其中研究較多且結(jié)果較理想的材料主要有聚乳酸(polylacticacid ,PLA) 、聚乙醇酸(polygiycolic acid ,PGA) 、聚乳酸- 乙醇酸共聚物( PL GA) 。PLA、PGA 已被美國(guó)FDA批準(zhǔn)廣泛用于臨床。Mikos等利用層壓技術(shù)制造有精確解剖形狀的三維生物降解聚合物泡沫。該技術(shù)包括空隙率為90 %的多孔膜的層壓。這種模板為植入細(xì)胞提供附著，并成為移植復(fù)合物的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，控制和調(diào)節(jié)植入細(xì)胞的環(huán)境和生長(zhǎng)。Vacanti 等首先將PGA、PLA 用作軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)基質(zhì)材料，通過(guò)組織工程方法獲得新生軟骨成功。人工合成的聚合物可以準(zhǔn)確地控制其分子量、降解時(shí)間以及其它性能。但人工合成材料沒(méi)有天然材料所包含的許多生物信息(如某些特定的氨基酸序列)，使其不能與細(xì)胞發(fā)揮理想的相互作用。目前已有研究將天然材料的某些重要氨基酸序列接在合成聚合物的表面，以克服兩種材料的缺陷。

3) 骨生長(zhǎng)因子

骨生長(zhǎng)因子是由骨細(xì)胞產(chǎn)生，分泌到骨基質(zhì)中的一些多肽，它們?cè)诠墙M織的修復(fù)和形成過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，許多骨生長(zhǎng)因子如BMP、bFGF 等已能通過(guò)人工基因重組產(chǎn)生?，F(xiàn)在急需解決的問(wèn)題主要有:

(1) 弄清各種生長(zhǎng)因子各自的生物學(xué)特性以及多種生長(zhǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用時(shí)的成骨效應(yīng)、釋放順序等;

(2) 選擇出最理想的骨生長(zhǎng)因子的釋放方式;

(3) 對(duì)其應(yīng)用的安全性、功效及可靠性建立明確的定義及期望, 以便盡早應(yīng)用于臨床。

復(fù)合材料由于無(wú)機(jī)材料不易被吸收，尤其是經(jīng)高溫灼燒的無(wú)機(jī)材料，植入后與周?chē)M織的界面長(zhǎng)期存在；而有機(jī)材料雖然誘導(dǎo)成骨性能較好，但植入早期缺乏足夠的力學(xué)強(qiáng)度，且提取量較少；因而人工骨的研究趨向有向復(fù)合材料發(fā)展，即使材料含有有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種成分，使之兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。

1) 磷酸鈣復(fù)合人工骨 主要包括TCP 及HA 與膠原、骨生長(zhǎng)因子等復(fù)合人工骨。肖建德等通過(guò)透射電鏡和掃描電鏡觀察了膠原羥基磷灰石(collagehydroxyapatite ,CHA) 誘導(dǎo)成骨的基本過(guò)程，觀察認(rèn)為，在成骨過(guò)程中，膠原對(duì)間質(zhì)細(xì)胞具有趨化作用和促分化作用，HA 起“核心作用”，并參與基質(zhì)鈣化，促進(jìn)新骨形成。王丹等報(bào)道了可降解多孔β- TCP/rhBMP - 2 人工骨的誘導(dǎo)成骨能力，結(jié)果證實(shí)，實(shí)驗(yàn)組有大量新生軟骨和骨形成，對(duì)照組無(wú)軟骨和骨生成。認(rèn)為β- TCP/ rhBMP - 2 具有良好的骨誘導(dǎo)作用，是一種較理想的骨移植替代材料。

2) 聚合物復(fù)合人工骨 生物降解聚合物是近年生物材料研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)加工可合成各種結(jié)構(gòu)形態(tài)，一定的生物降解特性的各種聚合物。但它們無(wú)骨誘導(dǎo)活性，需與其它骨誘導(dǎo)因子復(fù)合應(yīng)用才能取得良好效果。Isobe 等用含3ug/ rhBMP - 2的PL GA 膠囊修復(fù)5mm 大的鼠股骨缺損，術(shù)后4 周及8 周取標(biāo)本作X 線(xiàn)檢查及組織學(xué)檢查，結(jié)果顯示:PL GA - BMP 組已形成骨愈合，而對(duì)照組無(wú)骨連接。有人認(rèn)為rhBMP - 2/ PL GA 膠囊是一種有前途的骨再生釋放系統(tǒng)。Hollinger 等用人的脫抗原自身消化骨(即AA 骨) 和PLA/ PGA 的復(fù)合材料修復(fù)直徑24mm 的猴顱骨缺損。術(shù)后6 周時(shí)，復(fù)合材料組形成的新骨相互融合，并出現(xiàn)內(nèi)、外骨板和中間發(fā)育良好的骨髓腔。

3) 紅骨髓復(fù)合人工骨 骨髓(Bone marrow ,BM)由造血系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng) 兩部分組成。人和動(dòng)物健康紅骨髓的基質(zhì)細(xì)胞中含有定向性骨祖細(xì)胞( determined osteogenic precursor cells ,DOPC) 和可誘導(dǎo)性骨祖細(xì)胞( inducible ostegenic precursor cells , IOPC) 。DOPC 具有定向分化為骨組織的 能力，IOPC 在誘導(dǎo)因子(如BMP) 作用下才能分化成骨。Grundel 等采用TCP(占40 %) 和HA (占60 %) 合成雙相磷酸鈣陶瓷與BM 復(fù)合后植入治療骨缺損,術(shù)后24 周發(fā)現(xiàn)骨髓與塊狀陶瓷復(fù)合物組6 例中，有3 例呈現(xiàn)骨性連接，3 例有纖維連接;骨髓與顆粒狀陶瓷復(fù)合物組6 例中有5 例獲骨性連接，1 例纖維連接，單純骨髓植入的5 例均獲骨性連接;空白對(duì)照組3 例無(wú)1 例連接。東中川將骨髓細(xì)胞與HA 結(jié)合,并分別加入bFGF 和/ 或成骨蛋白- 1 (osteyenic protein - 1 ,OP - 1)，通過(guò)測(cè)定胸腺嘧啶摻入到DNA 中的量、AL P 的活性及新生骨的形成，來(lái)了解它們的生物活性。結(jié)果表明，bFGF 能刺激骨髓細(xì)胞的增殖，OP - 1 能增加AL P 的活性及刺激新生骨形成，并能促進(jìn)骨髓細(xì)胞的分化。

4) 其它種類(lèi)的復(fù)合人工骨 主要包括兩種以上材料組成的人工骨(如陶瓷、膠原與生長(zhǎng)因子或有關(guān)細(xì)胞的復(fù)合人工骨) 及與多種生長(zhǎng)因子復(fù)合的人工骨等。馬秦等報(bào)道了復(fù)合骨預(yù)制髂骨瓣的實(shí)驗(yàn)研究。熊建義將一定形狀的rhBMP - 2 、膠原、珊瑚復(fù)合骨植入狗髂骨區(qū)，顯示，復(fù)合骨術(shù)后3 個(gè)月時(shí)，已轉(zhuǎn)變成骨組織，髂骨形狀改變，4 個(gè)半月時(shí)新生骨改建為成熟骨。認(rèn)為rhBMP - 2 、膠原、珊瑚復(fù)合骨適用于體內(nèi)預(yù)制具有一定形狀和結(jié)構(gòu)的骨組織瓣。

人工骨的發(fā)展方向隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)人工骨的研制將主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①生物活性物質(zhì)的來(lái)源及其快速穩(wěn)定的體外培養(yǎng)增殖；②基質(zhì)材料的生物力學(xué)強(qiáng)度，降解率及其與生物活性物質(zhì)的親和力；③通過(guò)生物工程研究者和統(tǒng)計(jì)學(xué)家的共同努力，在人工骨的3類(lèi)組成中選擇出一種最佳組合，并確定其比例關(guān)系；④將控釋系統(tǒng)引入基質(zhì)材料，使基質(zhì)材料負(fù)載的各種生長(zhǎng)因子向生物活性細(xì)胞定量，持續(xù)釋放，利于細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。將BMP基因或bFGF轉(zhuǎn)染骨髓基質(zhì)細(xì)胞后能夠顯示出強(qiáng)大的成骨能力。對(duì)感染或腫瘤截骨術(shù)后所致的骨缺損，如基質(zhì)材料能定量，持續(xù)釋放相應(yīng)的抗生素或殺腫瘤藥，則臨床療效更佳。綜上所述，人工骨的制備應(yīng)考慮到生物活性物質(zhì)和基質(zhì)材料的優(yōu)缺點(diǎn)，引入一種合適的生長(zhǎng)因子，通過(guò)合理的方法組合成復(fù)合材料，模擬天然骨基質(zhì)成分，并含有最佳的生長(zhǎng)因子控釋系統(tǒng)，促進(jìn)生物活性物質(zhì)的黏附、增殖和分化，發(fā)揮其最佳的成骨能力。

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

奚廷斐 - 研究員 - 北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院顧漢卿 - 教授 - 天津醫(yī)科大學(xué)天津市泌尿外科研究所萬(wàn)榮欣 - 助理研究員 - 天津醫(yī)科大學(xué)天津市泌尿外科研究所