纳米羟基磷灰石复合材料在骨组织工程中的研究

孙云鹏 张松林 郭万厚

(华北煤炭医学院附属医院 唐山 063000)

近年来,常用的骨骼替代品是金属、塑料以及陶瓷等,其中以钛和钛合金为主。但由于金属是生物惰性材料,与骨的结合仅仅是一种机械锁合的方式,会产生磨损和成分扩散等问题。因此,在组织工程与人工器官、软硬组织修复与重建方面,对材料的功能提出了新的挑战。材料不仅是惰性植入体,而且要具有生物活性,能引导和诱导组织、器官的修复和再生。壳聚糖具有杀菌、消炎、促进细胞粘附和增殖等作用,且在自然界中储量丰富。因而,近年来羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的研究受到广泛关注。

1 纳米羟基磷灰石壳聚糖特点

1.1 纳米材料的特性 纳米(nm)是长度的度量单位,相当于百万分之一毫米或亿万分之一米。纳米技术(Nanotechnology)是指在小于 100nm的度量范围内对物质结构进行研究和制造新物质的技术[1]。就广义而言,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。材料细微化所产生的小尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应等使纳米材料的出现具有不同于许多常规材料的新奇特性。纳米技术在 90年代获突破性进展,它对生物医学工程的发展与影响是显而易见的,纳米技术的应用在 21世纪生物医学工程领域将成为必然的发展方向。羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)被认为是目前最有吸引力的骨组织替代材料,然而,纯HA机械性能比较差,在潮湿的环境中weibull因子较低(n=5～12),作为人工植入体,其可靠性较差。因此到目前为止,单纯HA陶瓷材料在医学上的应用仅限于小的非负重部位[2,3]。而纳米物质所展现的非凡的物理特性正好使这一难题迎刃而解。化学合成的普通 HA是多晶体,其大小、形状、结构、成分类似人体内生物矿化生成的HA,但二者仍有所不同。人体内的 HA晶体是不规则形状,平均宽度 50nm×25nm,厚度 2～3nm。从生物学角度讲,合成的 HA晶体与人体内 HA越相似,骨结合和骨诱导性越好。纳米微粒的大小为 1～100nm,由于其尺寸小,表面积大,表面能较高,因而具有更高的生物学活性。纳米材料与普通HA比较在物理、化学、力学、扩散及烧结性能上都有显著变化。

1.2 羟基磷灰石基本特点 羟基磷灰石属于磷酸盐系无机非金属材料,化学结构式为Ca10(P04)6(OH)2。羟基磷灰石是人体硬组织(骨和牙)的无机质的物质组成成份,其晶体结构和化学成分与脊椎动物骨的矿物质成分非常接近。这种材料与人体组织的生物相容性好,且无毒性,并能与骨组织形成很好的骨性结合。早在 1871年,羟基磷灰石就被人工成功合成,1926年,Bassett在X-射线衍射分析时发现牙和骨的矿物质与羟基磷灰石的 X射线谱相似。1930年,Naray-Szabo和 Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石的结构。1928年,Lcrichc和Policard就开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料,但由于技术限制,至 1972年,Aokizz和 Jarcho才成功烧结了羟基磷灰石,制得了羟基磷灰石陶瓷,并在随后的几年中发现烧结羟基磷灰石具有良好的生物学活性[4]。从此以后,羟基磷灰石作为生物材料,包括人工牙根、骨、关节等被广泛研究。1978年羟基磷灰石陶瓷引入临床医学,随后 Dem issen进一步研究了羟基磷灰石陶瓷种植体,1983年 Deputter等人报道了紧密羟基磷灰石种植体,1980年Ogiso等人开始紧密型羟基磷灰石种植体临床应用研究,并对两段式种植体进行了 5年时间的观察,成功率达95%。大量实验证实,HA植入骨组织后能在界面上和骨形成很强的化学性键合,具有骨传导和骨诱导性,是一种性能优异的生物活性材料。目前认为钙磷陶瓷的生物化学相容性较钛合金类好,能相对较早地形成骨性结合界面。将种植体与原骨组织的间隙增大超过 1mm,磷灰石类材料仍能形成骨性结合界面,而钛合金则不能,这是因为不同材料的骨引导能力不同的缘故。然而,羟基磷灰石在力学性能方面却有着明显不足。其抗张强度和剪切强度明显低于抗压强度,各种应力随单位体积内孔隙率的增加而相应减低,随结晶度和密度的增加而增加。由于力学强度不足、脆性大,在负重和受扭转力时易造成折断和碎裂。羟基磷灰石机械性能差,特别是断裂韧性较小。因此,不能被使用在体内负载部位,极大限制了它的实际应用。

1.3 壳聚糖基本特点 壳聚糖(chitosan,简称 CS)是一种天然的生物可降解多糖,其降解产物为氨基葡萄糖,对人体及组织无毒、无害。它对多种组织细胞的粘附和增殖具有促进作用,是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得,也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用,能加快创伤愈合,作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中,还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。壳聚糖作为术后防粘连膜、透析膜、药物控制、毒物吸附分离剂、载药微球、骨科齿科修复材料在生物医学中也被广泛的应用。另外壳聚糖还与硫酸软骨素共混形成透光性、通透性、生物降解性、生物相容性很好的膜片,为活性人工角膜培养提供了适合角膜细胞贴附生长、无免疫原性、可生物降解性的载体支架[5]。虽然壳聚糖的研究取得了很大进展,但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性,单独使用时的力学性能不够理想,缺乏弹性和柔韧性,从而限制了在骨组织工程中的应用。为了弥补这方面的不足,许多学者将羟基磷灰石、壳聚糖两种材料复合,所得到的复合材料不仅具有二者的优点,而且两者之间的协同作用赋予复合体优异的力学性能,可以适用于人体的生理负载环境,从而为开发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。

2 纳米羟基磷灰石/壳聚糖 -骨组织工程的良好载体/支架

骨组织工程是将具有成骨或成软骨潜能的细胞诱导分化、增殖,种植到可生物降解的支架材料上,形成组织工程化人工骨,并用其修复骨缺损的过程。此方法比以往的生物材料修复缺损具有显著的优越性。它试图结束以往医用生物材料在人体中作为宿主异体永久存在的历史,使骨缺损的修复达到理想水平。在组织工程化人工骨的制备中,作为细胞载体的支架材料起到了十分重要的作用,特别是支架材料对于生理环境的响应能力,以及由此而产生的物理、化学变化和有利于新骨形成的表面反应产物直接影响了材料与人体组织及细胞的亲和性,也决定了材料能否随着新生骨组织生长而本身逐渐在体内降解,这是骨修复材料及骨组织工程支架研究的重要内容。理想的组织工程用支架材料应该具有无细胞毒性、无免疫原性、生物可降解性,与骨形态发生蛋白(BMP)复合简便,易获取、易消毒、易储备等特性。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体已经和人类骨组织环境很相似,而且已经基本达到理想的组织工程用支架材料的要求。Yamaguchi等利用共沉淀法制备了壳聚糖/羟基磷灰石均相纳米复合材料,观察发现,复合材料中的羟基磷灰石结晶呈长230nm宽50nm的椭圆状聚集态,与壳聚糖分子长度相对应,且该结晶生长排布(C轴)与壳聚糖分子链相平行。表明壳聚糖分子的氨基可能与钙离子结合成核,促进羟基磷灰石在此处的结晶生长。压实的复合材料具有机械韧性,在饱和蒸汽高压下120℃加热 20m in,材料的机械韧性得到进一步提高,壳聚糖按10%的比例与纳米级多孔羟基磷灰石基(HAP)构成具有粘弹性的复合体,可牢固地粘附HAP材料,同时具有柔韧性,不损伤周围组织。这种复合体在 HBS溶液中的降解速度明显快于单纯HAP材料。赵峰等[6]采用冷冻相分离法制备壳聚糖 -明胶网络/羟基磷灰石(CS-Gel/HA)复合材料多孔支架,通过控制组分配比和预冷冻温度可制备不同密度和孔隙率的 CS-Gel/HA多孔支架,对大鼠颅骨成骨细胞在CS-Gel/HA复合材料支架上的生长情况进行的研究实验表明,成骨细胞在适当孔隙率的支架中粘附性和生长状态均良好,呈组织化趋向,且不同孔隙率的支架材料和细胞合成组织工程材料均非常有利于钙质沉积,CS-Gel/HA复合材料有望成为培养自体成骨细胞的材料,以重建新的骨组织。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料是好的骨组织工程支架,但是没有报道称它有直接成骨作用。

3 N-HA/CS与成骨活性物的复合 -组织工程化人工骨之一

自体骨移植被认为是治疗骨缺损的金标准,自体骨移植在治疗中的作用机制有两点:①作为支架起爬行替代的作用;②成骨活性。但是自体骨移植受自身供体有限性的限制,组织工程化人工骨已具备这两个特点,其中,纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体就是好的骨组织支架之一。一般来说,骨组织工程包含三个关键要素:信号分子(骨生长因子、骨诱导因子)、支架材料、靶细胞。支架材料一方面作为信号分子的载体,将其运送至缺损位置,另一方面提供新骨生长的框架骨,诱导因子的靶细胞通常指血管周围的、游走的、未分化的间充质细胞,其具有多向分化的特性,即可分化形成肌组织、纤维组织、脂肪组织或骨组织,但在骨诱导因子的作用下,将不可逆地向软骨细胞、骨细胞的方向分化,从而增补成骨性细胞,满足修复大范围缺损的需要。骨生长因子则可以刺激成骨性细胞的有丝分裂,从而形成大量新骨。这种成骨的方式称为“诱导成骨”,因此,骨组织工程的基本出发点是以“诱导成骨”的方式而不是单纯以“爬行替代”的方式实现骨的修复与再生。

从理论上讲,纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体与成骨活性物的复合-组织工程化人工骨与人类骨组织的环境已很接近,是好的移植材料。但目前还未见国内、外杂志报道应用纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体与BMP、骨髓基质细胞复合制成组织工程化人工骨在动物实验和临床研究。

4 展望

纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体是骨组织工程的良好载体与支架,具有无细胞毒性、无免疫原性、生物可降解性,与BMP复合简便,易获取、易消毒、易储备等特性。同时,纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体和人类骨组织微观环境相似,但它没有直接成骨作用。从理论上讲,纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合体与成骨活性物的复合-组织工程化人工骨是不可多得地移植材料,有进一步研究价值。

[1] 张立德.纳米材料[M].北京:化学工业出版社,2000.8

[2] Tancred DC,Mc Cormack BACarr AJ.A quantitativestudy of the sintering and mechanical properties of hydroxyapatite or phosphate glass composites[J].Biomaterals,1998,19(19):1735

[3] Barralet JE,Gaunt T,W right AJ,et al.Effect of porosity reduction by compaction on compressivestrength andm icrostructure ofcalcium phosphate cement[J].JBiomed Mater Res,2002,163(1):1

[4] 李世普.生物医用材料导论[M].武汉:武汉工业大学出版社,2000.72

[5] 曹 鹏,刘万顺,韩宝芹,等.壳聚糖与硫酸软骨素共混膜性质的研究[J].中国生物医学工程学报,2005,24(1):43

[6] 赵 峰,尹玉姬,姚康德,等.壳聚糖一明胶网络/羟基磷灰石复合材料支架的研究 -成骨细胞培养[J].中国修复重建外科杂志,2002,15(2):130