硅灰石/β-磷酸钙复合支架材料生物学活性研究进展

刘宇光(综述)，胡　敏，刘玉艳(审校)

(1.吉林大学口腔医学院口腔医学系，长春 130021； 2.吉林大学口腔医院 a.正畸科，b.牙体牙髓科,长春 130021)

硅灰石/β-磷酸钙复合支架材料生物学活性研究进展

刘宇光1△(综述)，胡敏2a※，刘玉艳2b(审校)

(1.吉林大学口腔医学院口腔医学系，长春 130021； 2.吉林大学口腔医院 a.正畸科，b.牙体牙髓科,长春 130021)

摘要：骨缺损修复支架材料一直是生物材料领域的研究热点之一。β-磷酸钙作为骨修复材料已经广泛应用于临床，但由于其缺乏生物活性离子、机械性能不理想，使其在临床上的应用受到限制。而硅酸钙含有生物活性离子——硅离子，它具有良好的诱导成骨作用，因此将硅灰石加入β-磷酸钙制备成复合支架材料近来成为热点。该文将从基本构成组分、相对配比问题及潜在成骨机制等方面对这一热点生物支架材料予以阐述。

关键词：骨修复；硅灰石；β-磷酸钙；支架材料；生物学活性

天然骨包括自体骨和异体骨，因含有骨祖细胞及各种骨引导生长因子而广泛应用于临床[1]。但由于自体骨的来源有限和异体骨的免疫排斥反应等制约了其发展。近年来，人工骨修复支架材料在骨组织工程学上成为研究热点。骨修复支架材料不仅应具有三维结构，能提供细胞生长平台[2]，还应具有良好的理化特性及生物学特性等[3-4]。β-磷酸钙作为生物活性支架材料已经应用于临床，它能引导骨组织重构，但缺乏刺激细胞分化的能力；而硅酸钙不仅能促进成骨相关基因的表达，也能增加基因对相应蛋白的编码，最终刺激成骨细胞样细胞的增殖、分化和钙化[3，5]。现就硅灰石/β-磷酸钙复合支架材料应用于骨修复的生物学活性进行综述。

1成分与性质

1.1β-磷酸钙β-磷酸钙，化学分子式为Ca3(PO4)2。相比于其他目前应用于临床的骨修复支架材料，β-磷酸钙的降解性能更加适应新骨的形成，它的溶解产物能使材料在几个月内降解，而α-磷酸钙材料的降解需几周，羟基磷灰石的降解则需要几年[2]。β-磷酸钙具有骨引导特性，在植入骨组织后能引导新骨在其表面形成，随着自身的降解最终被新生骨所替代。它的构成与天然骨相似，在生物学相容性、生物学活性方面均优于羟基磷灰石，因此在整形外科学以及口腔医学中是最常见的材料之一[6]。

1.2硅灰石硅灰石，化学分子式为CaSiO3，结构式为Ca3[Si3O9]，为一种链状硅酸盐。它属于三斜晶系，具有细板状晶体，集合体呈放射状或纤维状。硅元素能诱导类骨组织矿化，可以引起人成骨细胞活性升高，在正常骨代谢中起重要作用[7]。研究表明，生物活性玻璃释放的大量硅离子能提高人胚胎成骨细胞的活性[8]。有学者对硅灰石水泥进行了一系列测试，发现其具有生物活性，能促进成骨以及血管再生；而且在模拟体液中，与其他生物玻璃或者玻璃水泥相比，其表面能较快地形成磷灰石[9]。而近年来，含硅玻璃和玻璃陶瓷由于具有比磷酸钙还高的生物学活性，引起了学者们极大的关注。有学者已经通过实验证明，与β-磷酸钙相比，硅酸钙更能促进成骨样细胞黏附、增殖和分化[10]。但由于其降解速度较快，可引起成骨特性的降低，因此在临床上的使用受到了制约。

2不同百分比的硅灰石/β-磷酸钙复合材料的生物学活性

大多数学者认为，复合材料中的硅酸钙含量达到50%以上时材料的生物学活性最有利于成骨[11-15]。Ni等[12]合成了不同比例的硅酸钙和β-磷酸钙复合支架材料，并对其成骨特性进行比较。结果表明，当硅酸钙的含量提高到50%时，除了在模拟体液中能更快形成羟基磷灰石外，成骨样细胞的增殖率和碱性磷酸酶活性也显著提升。在Shie等[16]的研究中，当硅酸钙含量达到50%时，形成硅灰石的能力与纯硅酸钙相同，并且更能促进人牙髓细胞释放成纤维细胞生长因子2。Wang等[13]的动物实验也证实了这一点，与单一材料相比，当复合材料中含有50%～80%的硅酸钙时，植入兔骨缺损模型后能发现新骨生成增多，分解率降低。在其后的细胞实验中，同样证明了50%～80%硅酸钙含量的复合材料能通过诱导成骨与成血管途径促进骨的生成[11]。虽然在体外实验中，硅酸钙/β-磷酸钙的降解速率高于纯β-磷酸钙[12]，但是动物实验的结果却相反；Wang等[13]认为这可能是由于硅酸钙的刺激成骨作用使新骨迅速生成而引起的结果，而且由于体内外微环境的不同，材料的生物学反应也有所不同。机体内骨的形成是多个细胞相互反应的结果，因此在体外研究中仅使用一种细胞进行实验是不准确的[17]。而费丽莎和孙皎[14]认为，含有硅酸钙的生物陶瓷的体外成骨效应与硅酸钙的含量成正比，并进行了与Ni等[12]相似的细胞实验，使用流式细胞仪检测细胞周期，发现含有硅酸钙材料浸提液处理过的细胞在G0/G1期时DNA含量高于β-磷酸钙组，且100 wt% 硅酸钙组高于50 wt% 硅酸钙组；同时指出，硅酸钙促进细胞增殖与细胞周期有直接关系，能在DNA水平上影响细胞的增殖。虽然以上实验方法及手段有所不同，但研究者们所得到的结论大致相同，即当复合材料的硅酸钙含量达到50%以上时，对于新骨的形成十分有利。但由于机械性能是随着β-磷酸钙的含量增多而提高的[4，15]，因此探讨硅灰石/β-磷酸钙复合材料应用于骨修复的最佳比例时，除考虑成骨性能外，还要考虑材料应有的机械强度以及其他特性。

3硅酸钙提高复合材料生物学活性的潜在机制

生物活性材料向周围环境释放的离子(如钙离子等)及材料表面特性可能会参与调节细胞的成骨性能[18]。磷酸钙材料的骨引导性主要来源于以下两方面。①表面形貌：其表面形貌、粗糙度促进细胞黏附增殖，并有利于骨形态发生蛋白的驻留；②化学成分：材料表面析出的钙离子、无机磷可明显促进材料周围骨形成，赋予材料骨诱导性[19-20]。与磷酸钙材料相同，除表面特性与钙、磷离子的特性相同外，主要是生物活性离子——硅离子在硅酸钙材料的生物活性进程中发挥了重要作用[7，21]。

3.1硅离子的成骨活性Shie等[7]证明了适宜浓度的硅离子(4 mmol/L)能促进MG63细胞Ⅰ型胶原基因的表达和细胞外信号调节激酶的分泌，从而激活细胞外信号调节激酶/丝裂原活化蛋白激酶途径，有利于促进成骨细胞分化以及骨的发育。另有学者发现，高浓度的硅离子(6 mmol/L)会因为渗透压过高而加速细胞的凋亡[22]。还有学者制备了不同硅/钙比例的硅酸钙材料，证明了硅离子可以促进MG63细胞的黏附，并能上调骨唾液酸蛋白、骨钙素的表达水平，但具体机制仍需进一步研究[16]。有学者通过研究相关基因探索了硅灰石/β-磷酸钙复合材料诱导成骨细胞增殖、分化的机制，Fei等[3]使用硅灰石/β-磷酸钙复合材料离子浸提液培养成骨细胞样细胞，证明了硅酸钙溢出的硅离子能通过刺激成骨样细胞表达骨形态形成蛋白2/转化生长因子β的基因和蛋白，进一步促进转录因子Runx2基因和蛋白的表达，最终影响碱性磷酸酶的活性和骨钙素的沉积，促进成骨样细胞的增殖和分化；并认为硅灰石/β-磷酸钙复合材料不仅能促进成骨相关基因的表达，也能增加基因对相应蛋白的编码，最终导致对成骨细胞样细胞的增殖、分化和钙化的调控。

3.2硅离子的抑制破骨活性除成骨作用外，硅离子还能抑制破骨进程。有研究表明，活性硅能够调控骨保护素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κB配体受体激活剂(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)的比率[23]。RANKL能引导破骨细胞前体细胞的分化途径以及破骨细胞的活性[19]，在破骨活动中起着至关重要的作用。它的功能与活性是由干细胞和成骨细胞分泌的OPG所调控的。特异性的OPG黏附到RANKL上，通过抑制RANKL/RANK途径来抑制破骨细胞活性，达到阻止骨基质过度吸收的目的。因此，骨组织中RANKL的表达与OPG的相对浓度决定了骨量与骨强度[24]。而在Wiens等[23]的研究中，硅离子能促进成骨细胞的OPG基因和蛋白的表达，并且RANKL含量没有明显改变。由此证明，活性硅提高了OPG/RANKL比例，从而能抑制破骨途径。Schröder等[25]将成骨细胞与破骨细胞共培养，得到了与Wiens等[23]相同的结果，并且发现成骨细胞分泌的OPG抑制了破骨细胞的生成。而Hung等[26]的实验则说明，硅离子除能抑制破骨细胞分化过程中RANKL诱导的破骨细胞生成外，还能使破骨细胞活性的良好标志物——抗酒石酸酸性磷酸酶的水平下降。

3.3硅离子的成血管活性新骨的形成与血管的新生密不可分，一些研究已经证明了含硅的生物玻璃能直接或间接促进成血管因子的生成[27-28]。Li等[9]认为，硅酸钙中的硅离子除能促进成骨外，还能通过上调血管内皮生长因子的方式激活人脐静脉内皮细胞中血管内皮生长因子受体，引导成血管通路，最终促进血管生成。除这种内分泌途径，硅离子还能通过旁分泌途径发挥促进人脐静脉内皮细胞的成血管作用[29-30]。除此之外，Shie和Ding[5]证明，通过细胞外信号调节激酶/丝裂原活化蛋白激酶和p38/丝裂原活化蛋白激酶信号通路，硅酸钙能促进细胞的生物学活性。Chou等[31]为了进一步研究其机制，将人牙髓细胞与硅酸钙支架材料共培养，发现与空白对照组相比，硅酸钙组的p38蛋白分泌与血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量明显增加，而加入了p38抑制剂的p38蛋白和血管生成素1及血管性血友病因子的分泌量低于加入同样抑制剂的空白对照组。由此证明，硅酸钙材料释放的硅离子能提高细胞渗透压，通过激活p38通路的途径提高成血管相关因子的分泌，最终促进细胞的成血管作用。

4小结

生物材料用于骨缺损修复是一个复杂的进程，受很多因素(如材料的降解速率、生物活性以及骨缺损处的生物环境等)影响。而硅灰石特有的硅离子能赋予单纯的β-磷酸钙支架材料以成骨诱导特性，故此种复合材料具有广阔的发展前景。但β-磷酸钙支架材料的研究仍处于起步阶段，今后应进一步研究两者骨引导、骨诱导特性的生物学机制；研究两者复合材料的物理化学性能；研究能更加精确控制硅灰石/β-磷酸钙复合材料降解速率的成分。

参考文献

[1]Idowu B,Cama G,Deb S,etal.In vitro osteoinductive potential of porous monetite for bone tissue engineering[J].J Tissue Eng,2014,5:1-14.

[2]Bose S,Tarafder S.Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering:a review[J].Acta Biomater,2012,8(4):1401-1421.

[3]Fei L,Wang C,Xue Y,etal.Osteogenic differentiation of osteoblasts induced by calcium silicate and calcium silicate/β-trical-cium phosphate composite bioceramics[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2012,100(5):1237-1244.

[4]Liu S,Jin F,Lin K,etal.The effect of calcium silicate on in vitro physiochemical properties and in vivo osteogenesis,degradability and bioactivity of porous β-tricalcium phosphate bioceramics[J].Biomed Mater,2013,8(2):025008.

[5]Shie MY,Ding SJ.Integrin binding and MAPK signal pathways in primary cell responses to surface chemistry of calcium silicate cements[J].Biomaterials,2013,34(28):6589-6606.

[6]Fielding G,Bose S.SiO2 and ZnO dopants in three-dimensionally printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds enhance osteogenesis and angiogenesis in vivo[J].Acta Biomater，2013,9(11):9137-9148.

[7]Shie MY,Ding SJ,Chang HC.The role of silicon in osteoblast-like cell proliferation and apoptosis[J].Acta Biomater,2011,7(6):2604-2614.

[8]Tsigkou O,Jones JR,Polak JM,etal.Differentiation of fetal osteoblasts and formation of mineralized bone nodules by 45S5 Bioglass conditioned medium in the absence of osteogenic supplements[J].Biomaterials,2009,30(21):3542-3550.

[9]Li H,Chang J.Stimulation of proangiogenesis by calcium silicate bioactive ceramic[J].Acta Biomater，2013,9(2):5379-5389.

[10]Ni S,Chang J,Chou L,etal.Comparison of osteoblast-like cell responses to calcium silicate and tricalcium phosphate ceramics in vitro[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2007,80(1):174-183.

[11]Wang C,Lin K,Chang J,etal.The stimulation of osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and vascular endothelial growth factor secretion of endothelial cells by β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2scaffolds[J].J Biomed Mater Res A,2014,102(7):2096-2104.

[12]Ni S,Lin K,Chang J,etal.β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite materials for hard tissue repair:in vitro studies[J].J Biomed Mater Res A,2008,85(1):72-82.

[13]Wang C,Xue Y,Lin K,etal.The enhancement of bone regeneration by a combination of osteoconductivity and osteostimulation using β-CaSiO3/β-Ca3(PO4)2composite bioceramics[J].Acta Biomater，2012,8(1):350-360.

[14]费丽莎,孙皎.不同含量硅酸钙生物陶瓷体外成骨效应的初步研究[J].上海口腔医学,2011,20(3):241-245.

[15]Su CC,Kao CT,Hung CJ,etal.Regulation of physicochemical properties,osteogenesis activity,and fibroblast growth factor-2 release ability of β-tricalcium phosphate for bone cement by calcium silicate[J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl,2014,37:156-163.

[16]Shie MY,Chang HC,Ding SJ.Effects of altering the Si/Ca molar ratio of a calcium silicate cement on in vitro cell attachment[J].Int Endod J,2012,45(4):337-345.

[17]Chen Z,Wu C,Yuen J,etal.Influence of osteocytes in the in vitro and in vivo β-tricalcium phosphate-stimulated osteogenesis[J].J Biomed Mater Res A,2014，102(8):2813-2823.

[18]Jell G,Stevens MM.Gene activation by bioactive glasses[J].J Mater Sci Mater Med,2006,17(11):997-1002.

[19]LeGeros RZ.Calcium phosphate-based osteoinductive materials[J].Chem Rev,2008,108(11):4742-4753.

[20]Schramek D,Leibbrandt A,Sigl V,etal.Osteoclast differentiation factor RANKL controls development of progestin-driven mammary cancer[J].Nature,2010,468(7320):98-102.

[21]Zhao Q,Qian J,Zhou H,etal.In vitro osteoblast-like and endothelial cells′ response to calcium silicate/calcium phosphate cement[J].Biomed Mater,2010,5(3):35004.

[22]Ge C,Xiao G,Jiang D,etal.Critical role of the extracellular signal-regulated kinase-MAPK pathway in osteoblast differentiation and skeletal development[J].J Cell Biol,2007,176(5):709-718.

[23]Wiens M,Wang X,Schröder HC,etal.The role of biosilica in the osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells[J].Biomaterials,2010,31(30):7716-7725.

[24]Wang X,Schröder HC,Wiens M,etal.Bio-silica and bio-polyphosphate:applications in biomedicine (bone formation)[J].Curr Opin Biotechnol,2012,23(4):570-578.

[25]Schröder HC,Wang XH,Wiens M,etal.Silicate modulates the cross-talk between osteoblasts (SaOS-2) and osteoclasts (RAW 264.7 cells):inhibition of osteoclast growth and differentiation[J].J Cell Biochem,2012,113(10):3197-3206.

[26]Hung CJ,Kao CT,Chen YJ,etal.Antiosteoclastogenic activity of silicate-based materials antagonizing receptor activator for nuclear factor kappaB ligand-induced osteoclast differentiation of murine marcophages[J].J Endod,2013,39(12):1557-1561.

[27]Zhai W,Lu H,Wu C,etal.Sitmulatory effects of the ionic products from Ca-Mg-Si bioceramics on both osteogenesis and angiogenesisin vitro[J].Acta Biomater，2013,9(8):8004-8014.

[28]Zhai W,Lu H,Chen L,etal.Silicate bioceramics induce angiogenesis during bone regeneration[J].Acta Biomater,2012,8(1):341-349.

[29]Li H,Chang J.Bioactive silicate materials stimulate angiogenesis in fibroblast and endothelial cell co-culture system through paracrine effect[J].Acta Biomater,2013,9(6):6981-6991.

[30]Li H,Xue K,Kong N,etal.Silicate bioceramics enhanced vascularization and osteogenesis through stimulating interactions between endothelia cells and bone marrow stromal cells[J].Biomaterials,2014,35(12):3803-3818.

[31]Chou MY,Kao CT,Hung CJ,etal.Role of the P38 pathway in calcium silicate cement-induced cell viability and angiogenesis-related proteins of human dental pulp cell in vitro[J].J Endod,2014,40(6):818-824.

Research Progress on the Biological Activity of Wollastonite/β-calcium Phosphate Composite Scaffold MaterialLIUYu-guang1,HUMin2a,LIUYu-yan2b.(1.DepartmentofOralMedicine,SchoolofStomato-logy,JilinUniversity,Changchun130021,China; 2a.DepartmentofOrthodontics,b.Endodontics,Stomato-logyHospitalofJilinUniversity,Changchun130021,China)

Abstract:Scaffold materials used to repair bone defect has been one of the research hot spots in the field of biological materials.As a typical bone repair material,β-calcium phosphate has been widely used in clinical,which is limited because of the lack of bioactive ions and dissatisfying mechanical properties.While calcium silicate contains bioactive ion-silicon ions,which endow it with osteoinductive capacity,β-calcium phosphate doped with wollastonite to construct a composite scaffold material has recently become a hot topic.Here is to make a review of this popular biomaterial′s basic components,relative ratio and underlying mechanism of bone formation.

Key words:Bone repair; Wollastonite; β-calcium phosphate; Scaffold materials; Bioactivity

收稿日期：2014-11-11修回日期：2015-02-06编辑：郑雪

基金项目：吉林省卫生厅科技计划(2012-Z-043)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.028

中图分类号：R318.5

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)17-3147-03