基于纳米羟基磷灰石的生物复合材料研究进展

周 鑫，蓝艺鑫，程丽佳

中国外科植入物专委会数据显示，2005年我国骨质疏松患者已超过1亿人，随着老龄化的进程加速，预计到2050年将达到2.12亿，占人口总数的13.2%，而超过30%老年骨折患者与骨质疏松相关。 我国各种关节炎重症患者超过8 000万人，现有肢残患者75万人，同时，每年新增骨损伤患者300万人。这也就意味着：随着我国老龄化进程的加快，我国骨科疾病的患病人数将加速增长，使得骨修复替代材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。骨修复替代材料是骨组织工程发展的基础。理想的骨修复材料应该具备生物相容性、机械耐受、可生物降解、可诱导再生等特性。纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite，nHA)具有表面活性大、溶解度高、生物活性好等特点，但是在复合材料中nHA含量越多生物力学性能越差，脆性越大。生物复合材料较单一材料在生物相容性、生物活性及成骨能力方面有更强的塑造能力，更容易满足临床需求。本文将综述5种基于nHA的生物复合材料的性能、制备方法及临床应用情况。

1 nHA/聚酰胺(polyamide，PA)

聚酰胺是临床上使用较多的一线材料，该材料具有较好的生物相容性和降解性。PA66是PA的一个品种，nHA/PA66在临床上广泛运用于脊髓的修复，PA能增加nHA材料的韧性，nHA /PA66复合材料的抗压、抗弯强度和弹性模量与人体骨皮质的力学性能相近。2005年，医用nHA /PA66复合骨充填材料(YZB /国 0063-2003)被批准上市，现已在全国1 300多家甲级医院应用，取得了良好的临床治疗效果[1]。

nHA/PA也用于临床颈椎治疗，梁欣洁等[2]在临床颈椎前路椎间融合术中应用n-HA/PA66 cage，展现出优良的生物活性及力学特性，能提供早期良好的支撑和稳定的力学环境而保障了较高的融合率，从而维持了术后颈椎前中柱重建的稳定性，且术后并发症发生率低达1.6%。Chen等[3]制作了一种新型高度可以调节的nHA /PA66椎体来矫正颈椎畸形，治疗7例脊柱肿瘤患者，恢复脊柱高度矫正畸形，患者脊柱压迫均明显减轻。为研究nHA/PA在更多骨相关疾病中的应用价值，大量的临床前实验正在开展。徐显春等[4]应用nHA/PA人工肱骨头置换兔肱骨头，结果显示在不同时期假体上端皮质均未出现骨皮质变薄、异位骨化等现象，人工假体均无碎裂迹象，骨覆盖范围达到80%～100%。另外，nHA/PA复合材料中的HA能够电解出Ca、P等离子，在材料表面沉积，对成骨细胞很好的吸附能力[5]。

2 nHA/聚乳酸(polylactic acid，PLA)

聚乳酸是一种具有良好生物相容性和生物降解特性的聚合物，降解终产物为CO2和H2O，降解中间产物乳酸也是体内正常代谢的产物，成为当前仿生细胞外基质中最受重视的生物材料之一[6]，已被美国FDA批准为生物降解性医用材料，在医药领域应用非常广泛，可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸还可作为药物缓释包装剂。

nHA/PLA复合材料具有良好的生物力学，生物活性和降解性；但复合材料的孔隙越大力学性能越低[7]。随着nHA含量增加，复合材料的拉伸强度和模量均先增加后减少，在nHA含量为 20%时nHA/ PLA复合材料达到峰值，适用于松质骨骨组织修复及骨内固定材料，能为骨折愈合提供坚强的内固定及修复愈合的医疗效果[8-9]。

nHA/PLA有多种制备方法，黄江鸿等[8]通过静电纺丝方法制备的nHA/PLA复合材料中，10%nHA/90% PLA复合材料的孔隙率、结晶性、热稳定性和力学强度综合起来效果最好。Ma等[10]采用了铸造-渗透法制备nHA/PLA Janus膜实验显示nHA侧具有较高的细胞存活率和高效的诱导成骨作用，PLA侧具有抑制细胞黏附的作用；大鼠下颌骨缺损修复实验证明，PLA侧可以防止术后骨与邻近肌肉粘连，nHA侧具有较强的促进缺损修复和骨再生的能力。Wan等[11]采用层插法制备nHA/PLA复合材料研究力学性能及细胞毒性，结果发现nHA的加入对PLA降解产生的酸性产物有一定的中和作用，从而降低体内酸性物质的囤积。

nHA与PLA材料混合后nHA/PLA复合材料的弹性模量得到明显提高，其在体内抗拉伸、压缩性能较nHA单独应用更佳，同时有利于骨髓间充质干细胞在材料中进行良好的增殖和分化；并且复合材料中PLA 降解速率减缓，可以改变nHA的降解速度，但nHA的降解仍与成骨速度不相匹配，难以进行有效的控制，可能导致材料降解过快，使缺损局部失去力学支撑[12]。所以在材料的降解速度控制上还要进一步研究。

3 胶原(collagen,COL)/nHA/PLA

天然骨由低结晶的磷灰石、微量碳酸钙COL纤维组合形成特殊的空间结构。磷酸钙和I型胶原是天然骨基质的主要成分，COL的纤维蛋白在凝血酶的作用下可聚合成可塑性良好的纤维蛋白原胶，弥补nHA在可塑性上的缺陷[13-15]。

柴雅琳等[16]进行的重组COL/nHA复合材料的研究中指出COL的加入使COL/HA复合材料与骨骼结构更加相似，胶原蛋白还有助于骨骼对钙的吸收和利用。然而，在前期nHA所载药物的突释现象明显，难形成长期、稳定有效的药物浓度，骨生成速度与材料药物分解速度不一致。而高分子材料如PLA不仅具有很好的相容性，还可减慢成骨材料的降解速度，可逐步降解，且不影响组织修复并能缓慢释放药物[17]。

体外实验中，Hatakeyama等[18]利用所制备的nHA/猪I型胶原复合材料与人成骨细胞共培养，研究发现细胞在材料上黏附状态良好，表型维持稳定，同时碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨钙蛋白(osteocalcin,OC)等的表达明显增加，且表达量随培养时间而增高。体内实验中，Komaki等[19]在兔胫骨节段性缺损模型修复中发现COL/nHA复合材料可与骨组织形成键性结合，材料被破骨细胞逐渐吸收，新骨形成过程中，无任何毒性、炎症等不良反应发生；该研究进一步发现，COL/nHA复合材料与骨改建代谢中产生的新生骨间形成的交联可以改变材料本身的力学强度和在体内的吸收过程，并在维持复合材料的强度和形状中起到关键性作用。Hao等[20]先将nHA与人重组胶原蛋白混合，然后与PLA按比重1∶1混合得到nHA/COL/PLA复合材料，将其应用于兔桡骨缺损修复，12周后骨缺损基本愈合，且支架已基本降解完成。吕玉明等[21]在纳米晶重组类人胶原基/ 聚乳酸复合支架材料研究中表明了复合材料中COL/nHA按1∶1混合后再与PLA组成复合材料各个方面均符合良好人工骨的性能。

4 nHA/壳聚糖(chitosan,CS)

壳聚糖具有生物相容性、生物降解性、与阴离子结合能力和抗菌性，且其成孔能力优越[20,23]。

EI-Meliegy等[22]将右旋壳聚糖与nHA复合发现，随着nHA增加，复合材料密度和力学性能增加，孔隙率降低。冻干法制备nHA/CS时通过冰晶核沿热梯度方向生长，能够在聚合物中提供优良的孔隙，还可以限制结晶器的孔隙方向[23]。采用冻干技术-粒子沥滤复合工艺制nHA/CS微球/聚乳酸/醋酸复合支架中，CS与nHA的复合物在药物缓释的过程中发挥重要的作用，不仅能降低材料的降解速度，还能提高细胞的增殖能力和材料的抗压强度[23-24]。张利等[25]采用共沉淀法制备了nHA/CS复合材料，当nHA与CS 质量比为7∶3时，可达最理想抗压强度(120 MPa)，能够满足人工骨的力学要求。Ruphuy等[26]最近研究了一种超临界CO2纯化CS支架，使制作工艺从5步缩减到3步，制作周期缩短，且材料具有高纯度无菌的特点，还避免了常用方法冷冻干燥制备支架中残留的乙酸对支架的破坏或阻碍细胞生长。石国华等[27]用nHA/CS复合材料修复兔颅颌骨实验中发现材料可以吸收移植部位的钙，并刺激新骨的形成，移植材料的部位完全愈合，骨面平整，材料完全被新生的自体骨取代。

5 凹凸棒(attapulgite，ATTP)/nHA/胶原

凹凸棒石是一种具链层状结构的含水富镁硅酸盐黏土矿物，属于海泡石族[28]。ATTP晶体呈棒状，单根晶体的直径为20～70 nm，长度为0.5～5 μm，具有良好的柔韧性、可塑性及生物相容性。研究表明，ATTP作为一种无毒、化学性能稳定的非金属矿产，由于具有纳米结构、大的比表面积和空间和较好的骨诱导性和生物相容性，对骨修复有积极的促进作用。但ATTP具有较大的膨胀容，太过柔韧等缺陷[29-31]。

张晓敏等[32]通过I型胶原/聚己内酯/ATTP复合材料体外诱导成骨的研究，发现其具有良好的生物相容性及骨诱导性，有望成为一种理想的骨组织工程支架材料。在实验中，HA的加入明显改善了ATTP复合材料的性能，优化了复合材料的孔隙率、透气性和吸水膨胀率，显著改善ATTP的膨胀容，此改变有利于细胞进入复合材料生长代谢，以及支架与组织之间的物质交换与营养代谢。动物实验中，ATTP/缺钙羟基磷灰石/聚己内酯/胶原、ATTP /羟基磷灰石/聚己内酯/胶原合成的复合材料分别植入大鼠颅骨1个月，在染色结果显示材料与骨连接紧密，材料有轻微降解且有骨样细胞形成，有很好的生物相容性，能够明显促进骨生成[33]。该类复合材料为一种新的骨组织工程材料，在后续的研究中将进一步评价材料对骨缺损修复效果的研究，以期获得更好的成骨效果。

研究表明人骨力学性能压缩强度为80～150MPa、弯曲强度50～120MPa、弹性模量3～20GPa[34]。查阅大量上述五种材料相关文献，研究人员对材料的物理性的测试显示5种材料的物理性能均满足人骨物理性能，上述5种材料的物理性能之间没有明显的优缺点，生物相容性均良好，无明显的免疫反应，主要差别是在于成骨能力的强弱。nHA/PA已经通过临床运用批准，在颈椎修复手术中也取得了明显的成果，具有良好的成骨能力；而其余4种材料中，COL/nHA/PLA成骨能力相对较高，可诱导成骨细胞生成，其他3种材料成骨能力相对较弱。

理想的人工骨应具有以下特点：良好的孔隙率、力学性能、降解性、骨诱导能力、生物相容性、可塑性、黏附性和吸水膨胀率。目前的人工骨种类繁多，已完成了从单一材料到复合人工骨的转换，使人工骨更加符合人骨的性质和需求。但是，人工骨复合材料还存在许多不足，如材料的降解率与成骨速度不协调、部分材料与骨组织不能有效黏附、人工骨孔隙率与可塑性研究不足等问题，使得人工骨研究处于一个瓶颈期。随着纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合, 人工骨必将迎来重大突破，为临床上治愈骨相关疾病提供更好的选择。