浅析骨修复材料知识引入高中化学课堂的认识

刘铠铭（郑州外国语新枫杨学校，河南 郑州 450001）

骨骼作为人体的重要支架，具备造血、支撑等多种功能。但是在临床中，因为肿瘤并发、外部创伤及感染引发的骨骼缺损很普遍。在临床治疗中，我们建议选择自体骨移植或者异体骨移植，但是自体骨移植容易引发患者取骨部位的感染，而异体骨带来的则是患者的排异反应，也具有感染的潜在风险。利用高中化学的相关知识，代替自体骨和异体骨制作骨修复材料，在临床应用上取得了一定成效。

1 骨修复材料——羟基磷灰石

探明天然骨的构成成分，才能基于仿生角度加强骨修复材料的研究。目前认为纳米HA和胶原质是天然骨的主要组成部分，并且含有纳米晶体双相复合材料。在骨修复材料的研发过程中，我们选择可以讲解的有机高分子作为基体填充材料，加入HA，起到骨修复材料性能融合的作用。因此也获得了骨修复的理想型材料。在这些理想型骨修复材料中，羟基磷灰石的骨修复应用价值得到普遍肯定。其主要成分是天然骨无机盐，因此其自身的骨传导性和生物相容性都是其临床应用的天然优势，特别是近几年研发的纳米级羟基磷灰石，其成分越发接近天然骨，在临床骨修复治疗中应用优势明显，应用前景广阔。羟基磷灰石属于典型的骨修复生物活性材料，涵盖人体骨骼的无机成分，当将其作为骨修复材料植入人体后，促使人体的纤维细胞及新生毛细血管自由填充在孔隙中并且开始生长，最终发育为人体骨修复的骨细胞及成骨细胞，实现骨组织结构的建构。早在七十年代，人们就开始尝试将其作为骨修复材料，而八十年代问世的HA—聚乙烯复合材料使得羟基磷灰石组织相容性得以保留，同时抗脆，是骨修复临床应用的最佳选择。

2 骨修复材料——生物活性玻璃

生物活性玻璃也是较常用的生物活性骨修复材料，其也是高中化学知识的医学延伸应用体现。普通玻璃其成分多为硅酸盐、硅酸钠和硅酸钙等，而生物活性玻璃的构成则是CaO·2SiO2·2P2O5，这种成分构成便于体系中洁净磷灰石和硅灰石晶体的有效分离，实现玻璃强度的提升。生物活性玻璃可以与人体骨骼形成稳定的高强度的界面结合体，以此促使骨细胞中的某些基因复活，骨细胞迅速分化，带动其增殖能力的提升。骨再生的速率甚至超过自身骨。目前生活活性玻璃在骨缺损临床应用中效果明显。但是其也有自身应用的局限性，早在1968年，学者Hench就认为生物活性玻璃更适合骨再生，而不适用于大面积的骨修复。而后期大量的实验也证实了这一论断。实验中将含80%SiO2，17%CaO，3%P2O5的玻璃放入模拟体液中，人体模拟液成分与人体的血浆基本相似，7天之后，在玻璃的表层会有一些球形的颗粒附着，而球体的数量是数以万千的，大小在50nm。对应的钙磷的比例是1.2。与生物体中钙磷比相接近。用电子显微镜进行观察，我们发现玻璃表面形成的磷灰石晶体与自然骨头中的磷灰石晶体相似，该实验也说明，骨其实是可以再生在玻璃表面的，在骨再生后，玻璃会自动降解。临床上建议选择多孔玻璃片，降解速度快也加大流体与玻璃的接触面积，

带动玻璃的整体性转化。在临床上，建议小范围的骨缺损修复使用。生物活性玻璃是如何诱导羟基磷灰石生成的呢？在玻璃的表层，O原子成键的碱金属离子会溶解，而对应的玻璃中含有的硅酸盐与磷灰石进行催化反应，水接触到玻璃表面时，实现了钙钠离子的溶解，

形成凝胶层，成骨细胞铺置到层上，体液中的氢离子进入玻璃中。玻璃中含有的钙离子分离出来，产生晶核，对钙离子和磷酸离子起到诱导，促使羟基磷灰石形成，进而实现骨修复。

3 骨修复材料——有序硅基介孔材料

近几年，针对骨修复过程中普遍面临的高感染率和修复迟滞两大关键问题，在尝试了不可降解骨修复材料之后，人们也着手于可降解骨修复材料的研发。以有序介孔材料为基体，从材料组成改性、结构优化、生物活性因子装载等多个角度入手，做好骨修复新型材料的研发成为必然趋势。最早引入的是介孔陶瓷材料，其对应的孔径范围大于2纳米小于50纳米，这个孔隙大小方便与机体体液反应，纳米磷灰石因此在表面成型，完成骨修复。其表面积更为开放，因此其生物活性更强。孔隙的负载能力更强，当其进入人体后可以自主控制负载物的释放量，应用效果更明显。随着人们对有序硅基介孔材料研究的深入，其在骨修复应用中的优势也更加明显。M41S系列硅基介孔材料是当前应用较广的骨修复材料，其孔径在2～10nm范围，而且在孔隙分布上也具有骨修复的天然优势，其孔隙分布是十分均匀的，便于后期药物释放量的自主控制。正是因为该材料构成的特殊性，其实现了肽、蛋白质等我氐的局部释放，奠定骨修复过程中骨细胞生理功能的基础框架。对于植入促进骨形成的生物分子设计提供了新思路。未来的几年，这也是骨修复研发的主导方向。在骨修复临床治疗中选用生物相容特性或生物可吸收性的硅基介孔材料，促使表面羟基磷灰石的形成，在局部释放出肽、蛋白质等物质，帮助人体骨骼产生新的活体组织细胞，从而达到骨修复的目的。

4 结语

医学临床上，骨损伤导致的骨缺失很普遍，自体骨移植的感染风险，异体骨移植的排异反应，让我们不得不反思如何创新骨修复材料。利用高中化学的相关原理知识，做好骨修复材料的创新研究是当前骨修复材料研究的一大方向。本文重点分析了羟基磷灰石、生物活性玻璃、有序硅基介孔材料三种比较典型的骨修复材料，基于化学研究及化学实验的视角，探明其骨修复原理，论证了其在临床医学骨修复中的优势，为骨修复材料的研发提供有效思路。

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