大范围骨缺损的修复治疗进展

侯志峰

骨创伤、肿瘤、炎症等各种原因引起的大范围骨缺损是骨科临床的常见病和难治病，由于缺损的范围比较大，很容易引起功能障碍，降低患者的生活质量乃至引起病死。通常的治疗方法是进行骨移植修复。用来修复的材料要求很高，理想的骨修复材料要求同时具备骨传导、骨诱导和骨生成这三项功能。本文拟将修复治疗综述如下。

1 自体骨移植

自1809年Merrem在动物颅骨上环钻后植入骨片并获得顺利愈合后这一方法在临床上得到了大范围的推广。自体骨材料分为游离自体骨和带血管自体骨两种。游离自体骨上的活细胞能够在移植后依赖于弥散而得以存活，后在移植局部形成新的骨组织，后通过爬行替代的作用缓慢修复骨缺损。这种方法操作简单，但是由于恢复缓慢，只能用于极少量骨缺损的治疗；对于带血管的自体骨组织而言，由于血供比较丰富，不会发生骨坏死和骨吸收，不需要经过缓慢的爬行替代过程，能直接与受骨区域组织融合，因而修复过程速度快，具有愈合期短，固定时间短，有利于肢体功能恢复的优点。但是由于带血管的骨组织起源及位置恒定，移植起来要求较高，在临床使用中相对受限。总之，自体骨移植不会产生免疫排斥反应，能够最大限度的发挥骨生长因子的作用及保留存活的成骨细胞，成骨效果是最好的。但是自体骨移植受困于取材有限，而且额外手术增加患者痛苦，扩大创伤，特别是对于重症者和年老体弱者，因此在临床上应用颇多限制。

2 异体骨移植

异体骨移植主要有同种异体骨移植和异种异体骨移植两种。对于同种异体骨移植而言，随着加工、消毒灭菌以及贮存方法的不断改进，这种方法在临床应用中更加安全简便。但是与此同时，这些处理的方法也对移植骨的生物学性能产生了影响，最终引起移植物断裂、塌陷，脆性增加，诱导活性减弱，导致手术失败。对于异体异种骨移植而言，虽然这种方法骨来源丰富，易于大量获取和贮存，但是由于是异种，很容易引起强烈的免疫排斥反应，而经过多种理化方法处理过后虽然消除了免疫原性，但也造成了有益的活性物质的消失。因此异体骨在临床上的应用受限严重。胡蕴玉等[1]提出可以通过对异种骨进行重组再用于临床，并取得了一定的效果，但是异体骨的大规模临床应用仍然任重而道远。

3 人工骨材料移植

当前骨科基础研究最热门的当属人工骨材料的研究。对于移植物的要求，概括起来有以下几点：①无细胞毒性；②无免疫原性或仅有低免疫原性；③可进行生物降解，降解的速度与新骨生成的速度相匹配，人工骨逐渐被新生骨所替代；④有一定的组织结构，可在骨缺损区域内起到临时支架作用；⑤较易制备或获取。目前研究较多的材料有以下几种。

3.1 生物活性陶瓷 这类材料的生物相容性很好，但是降解速度慢，而且在固化的时候会产生热量，限制了其在临床的应用。

3.2 生物性材料 这类材料包括胶原、藻酸盐、纤维蛋白、天然珊瑚和甲壳素及其衍生物等。它们都具有良好的生物相容性和可降解性，但是机械强度和抗压性差，不能在骨缺损区域内起到临时支架作用，因此仅限于不负重部位的骨修复。

3.3 高分子材料 这种材料有甲壳素、壳聚糖、聚胶酯、聚乙胶酯、聚丙胶酯乙胶酯等。大多数天然高分子材料都有良好的生物相容性与可降解性，但由于其分子量都较大，也存在着不易成形的问题。而人工合成的高分子材料具有良好的生物相容性，其各项参数都可以预先设置和控制，容易加工成各种形状，与生物活性分子结合后能具有良好的骨诱导性，而且其在体内可以完全被人体吸收，且降解速度可以根据需要调节。另外高分子材料还可以与无机材料复合，产生更加优良的材料。以上种种优点使得这种材料成为当前骨移植物研究的热点。

3.4 无机材料 无机材料具有良好的生物相容性及降解产物无害性，但也存在脆性大，不宜成形的特点。因而在骨组织工程材料研究中经常与高分子材料复合使用。这类材料主要包括磷酸钙骨水泥，硫酸钙骨水泥，生物活性玻璃，碳纳米管和二氧化钛等。当前比较热门的材料主要为磷酸钙骨水泥。磷酸钙骨水泥是一类自固化非陶瓷型羟基磷灰石类材料，具有任意塑形，降解速度适中，不需烧结，无毒性、生物相容性好、可吸收降解并被新生骨组织替代、无聚合放热效应、在X射线下显影良好，可与多种有机材料复合等优点。主要用于填充骨缺损、辅助加固骨折内固定、作为牙科的填充材料、作为药物载体、用于椎体成形术等应用。实验表明磷酸钙骨水泥有以下优点：①反应不产热；②具有良好的诱导骨形成能力；③可生物降解，能被新生骨以爬行替代的方式代替，磷酸钙骨水泥的吸收速度与新骨形成的一致性是其显著的优点，同时对骨重塑或骨折愈合过程无影响；④无明显不良反应，无免疫原性及致癌作用[2]；另外，磷酸钙骨水泥易于成形，可适应各种不规则的形状。正因为磷酸钙骨水泥有如此多的优势，因此成为临床组织修复领域研究和应用的热点，但是它也有脆性大，抗水溶性（血溶性）差，力学性能不足，降解缓慢等缺点。但是随着近代生物科技的发展，通过添加复合材料，磷酸钙骨水泥的生物性能有了很大的提高。

针对磷酸钙骨水泥固化时间长的缺点，Miyamoto等[3]就将固化液改为中性磷酸钠缓冲溶液，制成了一种快速凝固型CPC，实验证明在大鼠肌肉内的凝固时间缩短到了5～7 min。可能是因为中性磷酸钠缓冲溶液加快了向HAP的转化速度，增大了钙离子和磷酸根离子的过饱和度，从而起到了促凝作用。Ishikawa等[4]比较了TTCP+DCP型骨水泥在NaH2PO4、KH2PO4、NH4H2PO4溶液中固化的时间，发现均能缩短凝固时间到5 min。Khairoun等[5]将5%碳酸钙加入到CPC中，固液混合24 h后对其粘附时间、初凝时间、终凝时间进行测定，发现初始固化时间和粘附时间的差值在2～3 min，终凝时间在15 min以内。Bohner[6]向α-TCP（α-磷酸三钙）骨水泥中加入硫酸钙（CSD），结果发现CSD的加入能够明显地缩短骨水泥的固化时间，并认为原因在于CSD是一种能够快速释放Ca元素的可溶性盐，由于它与磷酸根离子大量存在于骨水泥混合初期的浆体中，促进了水合反应的进行，从而缩短了固化产物CDHA在骨水泥浆体中达到过饱和程度的时间。另外一些研究表明，有机酸类物质如聚丙烯酸等也有促凝作用，机理大都表现为同CPC中的碱性物质发生酸碱中和反应，并很快凝固形成水凝胶。

针对磷酸钙骨水泥的抗水溶性 （血溶性）不足的缺点，Ishikawa等[7]在FSCPC基础上进一步改善抗水性能，他们在固化液中加入一定量的海藻酸钠，结果发现混合后立即放入水中不会溃散，并能正常固化。机理可能是它能够与从中溶解的钙离子形成不溶于水的海藻酸钙水凝胶，后者能有效地阻止调和物被水浸蚀而溃散。但海藻酸钠的引入是以牺牲材料的强度为代价的，因而使其应用受到了一定的限制。Chemg等[8]研究表明，将羟丙基甲基纤维素（HPMC）添加到CPC中，在凝胶增稠作用机理下也能够提高骨水泥的抗溶血性。

针对磷酸钙骨水泥力学性能不足的缺点，Xu等[9]向CPC中添加不同比例的氮化硅、碳化硅，发现硅化物/CPC的比例对CPC复合物特性有显著影响，使其强度增加了3倍，刚度增加了5倍，弹性模量增加了2倍。在纤维复合材料研究中，为提高CPC水化产物的抗压、抗折强度，采用高分子可吸收长纤维对TTCP/DCPA骨水泥进行增强，结果抗折强度得到了提高[10]。Mickiewicz等[11]证实，复合了一定量聚氧离子聚乙酰亚胺和聚丙烯酰胺水化物的CPC和复合13～25wt%血清蛋白的CPC，其抗压强度分别是单纯CPC的6倍和2倍。Wang等[12]向CPC中加入磷酸化的几丁糖并调整加入的比例，获得了生物力学性能优异的CPC，固化时间可以不超过15 min。他们认为这是由于Ca2+同壳聚糖间的强烈的键合作用使得新生成的羟基磷灰石颗粒通过聚合物连接在一起，所以含有磷酯化壳聚糖的CPC的抗压强度较空白的要高。Lin等[13]发现多肽共聚物胶粒复合CPC后，其抗压强度、抗折强度都较单纯CPC的强，认为是因为多肽共聚物有很多的亲水侧链、孔壳胶粒能加强CPC的强度。Pan等[14]证实骨水泥中含30%的壳聚糖纤维，5%的胶原时可获得最大的抗屈曲强度。Wang等[15]则认为可注射性CPC加入8wt%的p-硅酸二钙后能显著提高其抗压强度 （26.5～47.5 MPa）， 而不影响CPC的生物降解性、固化时间、可注射性及CPC的微观结构。Link等[16]在大鼠的颅骨缺损模型上，研究了20 wt%聚乳酸一聚乙醇酸共聚体（PLGA）微球复合到CPC中后机械特性和生物降解的改变，实验测试抗剪切强度8周后可达到（2.60±2.78）MPa。

生长因子（也称生物活性因子）由于具有良好的骨诱导能力，能够提高造骨细胞活性，促进成骨及成软骨作用，因而被广泛地用于改进CPC的成骨能力。Kroese等[17]研究了BMP对多孔CPC骨诱导能力的影响，他们将BMP-2与多孔CPC体外进行混合，随后植入白兔背部的皮下组织观察其成骨效果，并与单纯植入CPC进行对照。结果显示植入10周后，单纯CPC植入体中没有骨组织形成，而CPC复合体中则观察到骨组织形成，并有18%的孔隙被新生骨填满。Jansen等[18]将rhBMP-2与CPC复合物植入兔颅骨缺损模型中，2周时植入体周围和内部有网织骨形成，10周时CPC与颅骨组织之间形成骨性桥连，缺损完全愈合，骨密度增高并呈板层状结构，CPC内孔隙中可见成骨样细胞和破骨样细胞附着，还可见到骨改建和骨髓样组织形成。Seeherman等[19]比较了不同量的rhBMP-2与CPC复合后对兔桡骨骨缺损的影响，结果发现0.166 mg/ml rhBMP-2/CPC的比例为最佳，并且在植入8周后，证实有骨皮质的桥连和骨髓腔的再生。动物实验研究结果表明，将CPC载体与TGF-β复合后能够明显刺激前体成骨细胞的分化，并且不会影响CPC的物理和化学性能[20]。Tieliewuhan等[21]将70wt%的HAP与胶原复合冻干后得到海绵状复合支架，成骨细胞培养表明复合支架有良好的生物相容性，可作为组织工程的支架材料。Bigi等[22]取羊的成骨细胞，培养在复合了胶原的CPC支架材料上，结果表明复合材料能提高成骨细胞的活性，并且能有效的刺激碱性磷酸酶的活性，促进Ⅰ型胶原、降钙素的产生。

在修复骨缺损的同时，保持局部组织中有效的药物浓度是确保组织正常修复的必要条件，而一系列的研究发现，CPC是比较理想的药物缓释载体，不管是在CPC粉中直接加入药物，还是在骨水泥形成后再加入药物，都不影响其转化为HAP，且可维持良好的生物力学性质，药物可持续释放达3周以上，释放遵循Higuchi公式。Suzuki等[23]研究了CPC复合硝苯地平，发现其在CPC中释放可持续7 d或更长，释放符合Higuchi公式。Tahara等[24]报道，将载有10 mg/kg顺铂（CDDP）的CPC植入到成年家兔的骨骼中，检测局部铂的浓度，发现6周后局部仍可维持较高的浓度，产生持续的抑瘤效果，并且不良反应低。近年来，许多学者也对载药CPC体系针对能够引发细菌性慢性骨髓炎的金黄葡萄球菌的治疗作用进行了研究，发现复合庆大霉素、替考拉宁、万古霉素等[25-27]。不同种抗菌药物的CPC载药体系，具有良好的局部药物释放功能，并且对金黄葡萄球菌有明显的抑制作用。Stallmann等[28]在体外检测复合了庆大霉素的CPC的释放速率和时间，发现CPC比PMMA及其它的生物型可降解载体材料都要持续稳定，有的甚至可以持续释放达17 d之久。但是Buranapanitkit等[29]比较了羟基磷灰石与PMMA分别作为两性霉素B的载体的缓释效果，两者都能保持1个月的抗菌性，但7 d后羟基磷灰石骨水泥高于PMMA，充分证实了羟基磷灰石的缓释优势。Joosten等[30]将复合万古霉素的骨水泥填充到慢性脊髓炎的家兔骨髓腔内，结果发现能有效的抑制金黄葡萄球菌的生长。Pietrzak等[31]的研究也证明了羟基磷灰石支架材料具有很好的局部药物释放功能。CPC因其良好的生物相容性、生物活性、骨传导性、易塑性、可降解性和低温自固化性，已成为临床上应用最多的药物缓释载体。药物释放率受CPC颗粒度，载药量和孔隙率的影响。针对不同药物运用合适的包埋技术，并通过调节骨水泥的厚度、孔隙率、载药量等条件可达到药物控制释放的目的[32]。

针对磷酸钙骨水泥生物降解缓慢的缺点，周萘，周何铤等人利用甘露醇作致孔剂，制备了具有较高空隙率的G-BC（glass based cement）玻璃基骨水泥。但是骨水泥中生成的部分孔与孔之间并不能彼此连通，孔隙处于封闭、半封闭状态，这将不能很好地诱导新生骨组织的长入。王慧宇等[33]以可降解手术缝合线作为造孔剂添加在多孔骨水泥中，生成连通孔道，与骨水泥中甘露醇降解形成的立方体小孔共同构成树枝状孔隙结构，进而更好地诱导骨组织的长入。结果表明，缝合线的降解有助于羟基磷灰石的生成。在骨水泥中加入可降解手术缝合线，可促进钙离子的沥析，同时缝合线降解生成的羟基乙酸和乳酸能弱电离生成COO-基团，该基团能与钙离子发生强烈吸附作用，从而进一步加剧了钙离子的离析活动，对HAP生成过程起到积极作用。可降解手术缝合线内部伴有HAP生成，孔道内部富集HAP，片状HAP逐渐生成；30 d时，层状结构和架装结构的HAP在孔道表面大量形成；缝合线降解生成的贯通孔道与甘露醇溶解生成的小孔彼此相连，共同构成了树枝状的孔隙结构体系，从而更好的引导新生骨组织及血管的长入，促进磷酸钙骨水泥降解。刘兴炎等[34]用蔗糖为造孔剂，证明含30%蔗糖的CPC可形成62.9%的总孔率和22.8%的大孔率，能促进磷酸钙骨水泥在体内的降解，与空白对照组有显著的统计学差异，而其力学强度达到了5.4 MPa，并没有降低其力学强度。

随着时代的进步，微创手术的优越性越来越得到体现，可注射型磷酸钙骨水泥成为骨水泥研究的一个重要方向。张辉等[35]实验证明在磷酸钙骨水泥中加入藻酸钠、磷酸二氢钠等材料后形成可注射性骨水泥，其与传统磷酸钙骨水泥相比，具有易注射、操作时间长、降解时间短等优势，而其他性状改变不大，进一步研究推广。

综上所述可见，目前最有前途的还是人工骨材料的替代治疗，随着骨组织工程研究的不断壮大与深入，还将有越来越多的材料出现，但都距离人们理想的骨替代材料有一定的距离，就以后的发展方向而言，主要有3个：①现有材料本身的改性，如胶原的交联，可以明显改善材料本身的力学性能与降解性能；②现有各种材料之间的复合，特别是无机材料与高分子材料之间的复合，可以彼此之间取长补短，优化组合，合成具有更优良性能的骨科材料，特别是磷酸钙骨水泥与其它材料的复合看上去有广阔的前景，很多学者在这个方向上已经取得了很大的进展；③寻找新的性能优良的骨组织工程用生物材料[36]。我们有理由相信未来肯定会有更多的、更好的骨替代材料出现，大范围骨缺损患者将会迎来康复的一刻。

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