骨缺损填充材料的研究进展

2014-01-23姚彪，尹宏

中国中西医结合外科杂志 2014年4期

姚彪，尹宏

骨缺损填充材料的研究进展

姚彪1，尹宏2

显著的骨缺损及骨折后不愈合，通常需要手术来填补缺损以提供支持，并提升缺陷的生物修复。骨缺损的修复仍然是一个世界难题，很多年来，骨科临床、生物材料学、组织工程学等一直在探讨研究这个问题，修复骨缺损应该采用何种方式、何种材料才能达到最佳效果，更能够减轻患者的痛苦，提高患者的生活质量。

骨缺损；骨移植；人工骨；骨组织工程

创伤、感染、骨肿瘤、骨髓炎清创术后，某些先天的骨相关疾病等，常引起骨缺损而难以自身愈合。本文就骨缺损修复治疗的方法做一综述。

1 骨移植

1.1 自体骨移植迄今为止，自体骨移植都被认为是治疗骨缺损的金标准。与其他材料相比，自体骨移植不但能够提供自然愈合的要素：成骨干细胞、骨的传导基质、相关生长因子，而且没有免疫排斥反应，骨诱导作用较好。髂骨、肋骨、胫腓骨是目前临床使用的主要来源。随着研究的深入，自体骨的取材部位及移植形式越来越多样化。单纯的腓骨移植逐渐被新型的自体骨移植所取代。靳国强等[1]通过临床实验认为，带血管腓骨移植方式对多种四肢大面积的骨缺损修复效果满意。刘建宁等[2]研究表明，游离腓骨皮瓣移植修复骨缺损及骨折后骨不连，具有理想的疗效。Taylor等在1975年初次成功利用带血管腓骨移植修复胫骨大面积骨缺损，临床上逐渐将此种修复四肢大面积骨缺损的方式作为金标准。但自体骨移植也存在弊端，如可供骨来源有限，移植骨形态、大小不宜满足要求，自体骨移植额外增加手术创伤和手术时间，取骨处容易出现出血、血肿及感染、慢性疼痛等并发症。为了克服这些缺点，人们在不断寻找最佳的替代品，最近的许多研究都集中在新型骨移植替代物的发展。

1.2 异体骨移植异体骨相对于自体骨，来源相对丰富，骨细胞经处理灭活后免疫原性低。同种异体骨移植后，修复机制目前主要有自体成骨、骨传导和骨诱导三种学说理论。新鲜的同种异体骨容易产生强烈的免疫排斥反应，导致吸收、感染而达不到治疗目的。库存的同种异体骨经灭活处理，消除了免疫原性，但不同程度地降低了其抗扭曲、抗扭转及机械强度。异体骨的来源虽然丰富，但仍有一定的局限性，制备、处理、存储成本较大。动物实验[3-4]表明，异种骨修复兔骨缺损效果满意。左健等[5]通过检索数据库大量数据认为，即使同种异体骨会有病毒或者细菌感染，导致骨折延迟愈合甚至不愈合及其他诸多风险，但因其与自体骨结构相似、排异反应轻以及没有自体骨移植导致的供区受损、手术时间变长等缺陷，骨折及切除骨肿瘤后引起的骨缺损、关节及脊柱疾病的治疗方式中，仍以同种异体骨移植较为普遍。胡懿合等[6]通过中期随访研究，在全髋关节翻修中，选择与骨缺损类型适合的异体骨治疗骨缺损取得了满意的效果。郭世炳等[7]研究了冻干同种异体小块骨治疗骨的良性肿瘤和肿瘤切除术后病变具备了优良的相容及成骨性，认为此种异体骨是方便又安全的良好的骨移植材料。

2 人工骨的应用

为了解决自体骨及异体骨移植所带来诸多并发症的困扰，人们又将研究的重点转移到了寻找新的骨替代材料上—人工骨。理想的骨替代材料具备以下几点：(1)具备较好的生物相容性、可降解吸收性，并且其降解速率能适应骨形成能力。（2）良好的力学性能和生物力学适应性。（3）良好的骨-材料组织界面及很强的渗透能力。（4）可塑性。（5）骨传导和诱导性。目前虽然还没有骨替代材料能够全部符合这些特点，但很多材料已经或多或少具备了一些。目前常用的骨替代材料以骨水泥及生物陶瓷比较多见。

2.1 骨水泥 1960年曼彻斯特大学初次顺利地实现了把牙科使用的材质自凝型聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate，PMMA)引入到人工髋置换术中，PMMA骨水泥被当作骨缺损修复充填材料在骨科临床中已经应用了50余年。PMMA骨水泥因为其易塑形、常温下固化快且力学性能好，被广泛应用于人工关节固定、骨缺损充填、固定脊柱和一些特殊类型的骨折。但PMAA缺点也比较突出，比如生物相容性不足，缺乏骨传导性，聚合过程中产生的高热量使得植入材料部位温度升高而引起骨组织结构破坏，继而在骨与骨水泥交界处产生纤维组织，既不利于吸收，骨也难以长入。弹性模量高，疲劳强度不足。由于其存在较大的毒性，甚至千分之几的死亡率[8-9]，固化塑形时蓄积的高温造成周围组织、脊髓损伤甚至骨坏死，使得PMMA骨水泥在脊柱损伤的使用受限。所以不断将PMMA组分改进，以PMMA为基质的生物活性骨水泥得到发展。

磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）相比于PMMA，不但生物相容性优越，而且在固化时不产热，降解速度相对适中等优点。Chen等[10]通过实验表明，具良好性能的CPC骨修复材料，可以治疗多种骨缺损。有研究表明[11-12]，CPC是一类没有毒性，固化时不产热，骨传导及生物相容性俱佳而且在人体内能够自行降解的材料。但CPC仍有诸多的缺点，其抗压力及抗张力能力差使其在修复承重骨缺损上缺乏优势，而其较慢的自行降解速率，相对韧性欠缺，使其在临床应用受到一定限制。改善其降解速度及抗压能力是今后临床研究重点之一。

美国“医师研究组”公司研发出了一种新型修复材料-氪石骨水泥（kryptonite bone cement，KBC）。它运用粉末碳酸钙及另外两种来自于蓖麻油的脂肪酸组成，使用时只要按比例混合就能得到与骨骼强度和结构都相似的材料。Di Nuzzo等[13]运用KBC，成功治愈6例因开颅手术导致的颅骨缺损，认为KBC是一种没有发热反应、无磁性、X线难以透过、质轻、易操作，而且具备尚佳的粘结强度、可降解吸收以及骨传导性的材料。

2.2 生物陶瓷生物陶瓷是与生物体或者生物化学相关的陶瓷材料的统称，生物陶瓷材料通常有生物惰性（氧化铝和氧化锆等）和生物活性（羟基磷灰石和生物活性玻璃等）两种，生物活性陶瓷在临床上做为骨缺损修复材料比较常用。

因为羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是人体骨的主要成分，也有人把HA称为人工骨。它的特点是，生物活性及其相容性优越、不存在免疫排斥反应、无毒，没有致癌致死性，并且在体内降解后能够与骨直接结合而具有较好的骨传导性。但HA最大缺陷在于，其力学性能不足、强度差、脆性高。因此，促使人们不断改良其性能及复合材料的研究，从气孔率较小的致密HA到多孔HA的研究，以及与金属、惰性生物陶瓷及纳米材料的复合材料研究，力图获得生物性能及力学性能较好的材料。张欣等[14]通过检索大量数据证实，纳米羟基磷灰石能够促使新骨大量形成，生物降解性以及骨引导性均良好。通过和天然或者非天然材料相结合，改变了脆性弱和机械性差等缺陷，从而使骨界面愈合速度增快。

目前临床上广泛应用的可降解陶瓷磷酸三钙（tricalcium phosphate，β-TCP），是磷酸钙的高温相。β-TCP的优势在于生物相容性优良，无毒性，最重要的是在体内易于降解。钙和磷的比值主导了体内溶解性和吸收趋势，β-TCP溶解度比HA要高20倍左右。按照不同部位骨性质及降解速度，调整其形状和孔隙率，用来治疗各种骨缺损。与HA一样，β-TCP的缺点仍在于其脆性方面的不足，使得制造成型较为困难。侯喜君等[15]通过将煅烧制备含β-TCP的材料对兔股骨缺损修复实验，证实其在骨缺损修复上是一种良好的材料。

目前临床上将HA的高强度与β-TCP的生物降解性能好的优点结合起来，制成HA/β-TCP双相陶瓷，可能因其化学成分跟骨更接近，而呈现出比单一的HA或者β-TCP更满意的力学性能、生物活性及降解性。

3 骨组织工程

组织工程学是将生命科学与工程学有机的结合，致力于建设活组织培养，新的生物代替物，修复、重建病损组织器官，改善并维持组织器官功能的一门新兴学科。为了找到更佳的骨缺损修复方法，组织工程骨逐渐成为研发的方向。组织工程骨兼具传统修复材料的优点，而且在一定角度上克服了传统材料的缺点，比如可以按需塑形大量制备，无免疫原性，无传染病，不会造成自体骨、异体骨移植区的损伤。支架材料、种子细胞和生长因子是骨组织工程三个基本元素，前两者是目前研究的主要内容。

理想的支架材料应该有良好的生物相容性，降解速度可调节、便于细胞能粘附在表面生长、有可塑性且能适应生理机能的力学性能。支架材料又分成人工合成、天然及复合支架材料3种，人工合成材料如羟基磷灰石、生物陶瓷、壳聚糖、磷酸三钙、聚乳酸等[16-17]，天然支架材料如珊瑚羟基磷酸石和各种动物骨。Bhumiratana等[18]将羟基磷灰石及蚕丝蛋白复合成支架材料，发现不但促进了骨基质的快速形成，而且材料也获得了良好的降解。

种子细胞应该具有生物潜能，组织分离快，体外利于培养且繁殖快，稳定的生物相容性、取材方便，来源充足。干细胞是目前研究最多的种子细胞，干细胞是存在于分化组织的为分化细胞，具有自我复制及多分化潜能。临床应用较多的为骨髓间充质细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)、脂肪干细胞（adipose derived stem cells，ADSCs）、胚胎干细胞、成骨细胞等。王浩等[19]通过实验证实，BMSCs结合异种去蛋白松质骨不但有良好的成骨能力，而且可以修复节段性骨缺损，而后者是单纯BMSCs无法做到的。陈伟等[20]实验表明，脂肪基质细胞诱导出成骨活性后，结合细胞支架后便能够修复骨缺损。

目前已知的骨生长因子有转化生长因子家族、血小板衍生生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛样生长因子、血管内皮生长因子等，以及一些中药提取物。杨楠等[21]实验显示，碱性成纤维细胞生长因子基因在治疗大段骨缺损时，利于改善手术区中心血管化缺失的问题，显著修复15 mm×10 mm× 10 mm大小骨缺损，为大面积骨缺损修复提供了更加可靠而有效的临床思路与途径。宋坤修等[22]实验表明，纳米-HA/胶原复合材料与VEGF结合后具有良好的成骨诱导作用，促进骨细胞增殖，加速骨折修复，可以成为修复骨缺损的新方式。在祖国医学方面，中药提取物作为生长因子结合支架的组织工程骨的研究也得到发展。毛勇等[23]通过淫羊藿苷与β-TCP复合修复兔骨缺损的试验研究得出，其作为复合组织人工骨，是一种良好的骨诱导、骨传导组织工程材料，经过药物在人体内的释放过程而达到有效修复骨缺损的目标，为面向临床的新式骨修复材料的研制指出了一条道路。苗波等通过实验证明，骨碎补/羟基磷酸石复合材料[24]以及杜仲提取物/细菌纤维素/胶原支架[25]修复兔下颌骨缺损，有明显促进骨缺损修复的作用。随着中药成分研究的深入，其提取物的临床应用在骨缺损修复中将越来越受到重视。

4 展望

不论是何种原因引起的骨缺损，都将带来一定的畸形和功能障碍，给患者的生理和心理造成巨大的创伤。临床上目前有许多方法来修复骨缺损，包括骨段滑移技术，但各种方法优点较多，缺点也明显。骨组织工程成为骨缺损修复的新的里程碑，随着骨生长因子研究的不断深入，以及祖国医学的新发展，中药提取物作为新的生长因子定会将骨缺损修复治疗打开一个新的局面。

[1]靳国强,张海侠,程春生,等.带血管腓骨移植可治疗四肢长段骨缺损[J].中医正骨,2012,24(9):49-51.

[2]刘建宁,王晔.应用腓骨皮瓣治疗骨缺损骨不连临床观察18例[J].中国中医基础医学杂志,2011,17(7):812-813.

[3]Bagher Z,Rajaei F,Shokrgozar M.Comparative Study of Bone Repair Using Porous Hydroxyapatite/β-Tricalcium Phosphate and Xenograft Scaffold in Rabbits with Tibia Defect[J].Iranian biomedical journal,2012,16(1):18-24.

[4]Bigham A S,Dehghani S N,Shafiei Z,et al.Experimental bone defect healing with xenogenic demineralized bone matrix and bovine fetal growth plate as a new xenograft:radiological,histopathological and biomechanical evaluation[J].Cell and tissue banking, 2009,10(1):33-41.

[5]左健,康建敏,潘乐.同种异体骨移植用于骨缺损修复的应用现状[J].中国组织工程研究,2012,16(18):3395-3398.

[6]胡懿郃,董松庚,李康华,等.异体骨移植修复髋关节翻修术中骨缺损的中期随访[J].中国矫形外科杂志,2009,17(9):641-643.

[7]郭世炳,冯卫,贾燕飞,等.异体冻干小块骨修复良性骨肿瘤及瘤样病变切刮术后骨缺损 [J].中国修复重建外科杂志,2007,21 (8):789-792.

[8]王雨,王爱民.与骨水泥相关的肺栓塞 [J].中国矫形外科杂志, 2005,13(8)：615-616.

[9]徐长明,吴海山.与骨水泥相关的死亡 [J].国外医学骨科分册,2003,24(2):109-111.

[10]陈红卫,赵钢生,叶键.自固化磷酸钙人工骨修复不同病因骨缺损94例 [J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(19): 3779-3782.

[11]Lee S K,Lee S K,Lee S I,et al.Effect of calcium phosphate cements on growth and odontoblastic differentiation in human dental pulp cells[J].Journal of endodontics,2010,36(9):1537-1542.

[12]Oh S A,Lee G S,Park J H,et al.Osteoclastic cell behaviors affected by the α-tricalcium phosphate based bone cements[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2010,21(11): 3019-3027.

[13]Di Nuzzo G,Luongo M,Parlato C,et al.Cranial reconstruction using bioabsorbable calcified triglyceride bone cement[J].Journal of Craniofacial Surgery,2010,21(4):1170-1174.

[14]张欣,孙红.纳米羟基磷灰石及其复合物修复骨缺损的研究与应用[J].中国组织工程研究,2012,16(34):6403-6406.

[15]侯喜君,王春华,李霖,等.β-磷酸三钙煅烧骨修复兔桡骨远端骨缺损[J].中国组织工程研究,2013,17(3):400-406.

[16]Tanner K E.Bioactive composites for bone tissue engineering[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part H: Journal of Engineering in Medicine,2010,224(12):1359-1372.

[17]Douglas T,Liu Q,Humpe A,et al.Novel ceramic bone replacement material CeraBall® seeded with human mesenchymal stem cells[J].Clinical oral implants research,2010,21(3):262-267.

[18]Bhumiratana S,Grayson W L,Castaneda A,et al.Nucleation and growth of mineralized bone matrix on silk-hydroxyapatite composite scaffolds[J].Biomaterials,2011,32(11):2812-2820.

[19]王浩,未东兴,王伟.异种去蛋白松质骨复合骨髓间充质干细胞修复骨缺损的组织学变化 [J].中国组织工程研究与临床康复, 2011,15(51):9509-9512.

[20]陈伟,江毅.脱钙骨支架与诱导培养的脂肪基质细胞复合修复兔胫骨缺损 [J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(34): 6650-6654.

[21]杨楠,何惠宇,胡杨,等.复合骨髓间充质干细胞同种异体支架骨修复羊髂骨极限缺损 [J].中国组织工程研究,2013,17(16): 2859-2868.

[22]宋坤修,何爱咏,谢求恩.纳米羟基磷灰石/胶原复合材料结合血管内皮生长因子修复兔桡骨缺损[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(34):6624-6628.

[23]毛勇,闵珊,吴涛.淫羊藿苷与β-磷酸三钙复合后修复骨缺损的实验研究[J].航空航天医学杂志,2013,24(3):269-271.

[24]苗波,隋长德,李慕勤,等.羟基磷灰石/骨碎补复合材料修复骨缺损的实验研究[J].黑龙江医药科学,2009,2(32):3-4.

[25]苗波,王景新,刘苗,等.杜仲提取物/细菌纤维素/胶原支架材料修复骨缺损的实验研究[J].中国体视学与图像分析,2013,1(18): 29-34.

（收稿：2013-06-20 修回：2013-12-10）

（责任编辑韩慧）

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10.3969/j.issn.1007-6948.2014.04.044