羟基磷灰石在骨科中应用的研究进展

周育巧，郭阗廷，许 强，刘 通，姬广林

（1.赣南医学院2018级硕士研究生；2.赣南医学院2019级硕士研究生；3.赣南医学院第一附属医院骨科，江西 赣州 341000）

骨骼在生命活动中起着重要的作用，主要承担身体结构框架和运动功能，骨骼功能会因疾病而受影响，尤其是现如今人口老龄化的骨质疏松、机械外伤所致的骨缺损以及术中骨量的丢失的问题增多，超过了骨的自我修复能力。自此骨丢失已成为世界卫生保健主要问题之一，无论是急性的（例如骨折）还是慢性的（即骨质疏松症、肿瘤和感染），都需要进行治疗［1］。

其中取自体骨移植植骨，是迄今最好的内固定骨来源。但会增加手术风险、术后痛苦、及其他如感染等并发症风险，因此应用较为限制。同种异体骨来源虽然广泛，但存在免疫排斥、潜在传染病、术区渗液等风险。为此，医学界掀起了一股可替代骨材料的研究热潮。其研究重点是在生物活性材料维持骨的完整性及功能性，同时诱导骨生长。早期植入物可为病灶起力学支撑，中期为新长入的骨组织提供“脚手架”作用，加速组织修复，后期使至成为自身骨参与机体活动［2］。

羟基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）2，HA］是一种无机仿生材料，广泛存在于哺乳动物骨骼（牛、羊、马）、水生动物（鱼骨、鱼鳞）、贝壳（蛋壳、蛤、贝壳）、甚至在植物及藻类也含有，通过干法（灼烧法和仿生合成法）和湿法（化学沉淀，水解，水热等）提纯，其具有良好的可塑性、无毒性、诱导成骨及生物降解性特点，迅速成为研究骨再生材料的热点［3］。但因HA促成骨效率低、脆性大，并不能很好的适配临床医用，需要混合调整才能满足临床需求。

1 羟基磷灰石促进骨生长条件

1.1 孔隙率孔隙率的重要性不言而喻，研究普遍认为，虽然成骨细胞可以通过直径约为20µm 的孔，但只有空隙大于50µm能构建骨单位，过小的孔忽视了体液流动和血管长入的条件，无法为成骨细胞提供营养支持，以至于出现植入物无活力的“中空”地带［4-5］。MATSUO［6］通过不同孔隙羟基磷灰石培养成骨细胞观察，得出直径大于150µm的孔隙可以为骨组织的生长提供理想的空间，并能诱导骨骼基质的爬行长入，但过大的孔隙率，将降低骨板的密度，增加骨板的脆性，致使强度不足，无法起到初期支撑作用。现研究认为孔径大约为250µm，不仅具有良好的生长效果，而且可以维持骨架结构的稳定性［7］。

1.2 纳米级羟基磷灰石OKADA［8］通过普通煅烧的HA，发现其表面积与体积之比小，密度分布不均，空间结构紊乱，植入机体内，几乎不吸收，成骨效果甚微。值得一提的是，人自然骨的羟基磷灰石为纳米级（nHA），常规尺寸的HA 与nHA 材料相比，nHA 拥有更高的生物活性和机械效能［9］。宋华［10］团队通过高压水热处理法制备的nHA，在大鼠体内实验研究中，表现出nHA 溶解与新骨生长的时间匹配，对植入区框架稳定有重要意义。并且在骨髓间充质干细胞（bone marrow stomal cells，BMSCs）分化成骨实验研究中，提示nHA 有很强的诱导分化和增殖细胞能力，更有利于小血管和微血管的生长，促使骨骼肌的爬行，超过传统的羟基磷灰石支架材料。

1.3 植入物体表面情况羟基磷灰石也是一种可塑性较强的材料，可以通过不同的制造工艺加以改变。与光滑的表面相比，粗糙表面的羟基磷灰石拥有更大接触面［11］。另一方面ANDERUD 等［12］发现，促进成骨的因素不仅与空隙大小有关，还包括空隙表面形状，高粗糙表面有利于吸附蛋白。同时他提出材料亲疏水性变化与表面粗糙度密切相关，一般而言除静电作用外，材料的亲疏水性也对其蛋白吸附能力有较大影响，疏水表面更有利于蛋白吸附。ALBERTINI［13］研究也证实了，表面高粗糙度相对于低表面粗糙度的nHA，更能促使蛋白质粘附到表面。虽然阻碍了细胞与生物材料的直接接触，实际上其表面与血液接触后，吸附的纤连蛋白更有助于促进骨重塑。刘丹［14］在设计了不同粗糙度的nHA材料对成骨进程的影响时，发现羟基磷灰石表面粗糙度变化不影响间充质干细胞的生长形态，其中纳米尺度的低表面粗糙度具有良好促进间充质干细胞增殖能力，其最佳的表面粗糙度仍在探索。

1.4 促进骨生长相关活性因子作用nHA 具有骨诱导能力，很大的原因在于其自身是骨组成的部分之一，通过体内溶解羟基磷灰石，使局部增加Ca2+浓度，为骨的生长留出空间的同时局部Ca2+浓度的增加，能激活成骨细胞的增殖，又能促进间充质干细胞的分化［15］。BAYER［16］指出对于缺损部位大、血供差或周围组织破损多的体内中，高纯的nHA 要完成成骨及修复缺损还是有所欠缺。伴随水凝胶具有使生物分子吸附与释放功能被揭开，人们加速复合水凝胶的羟基磷灰石材料研发，为促进植入物在骨生长打下夯实的基础［17］。众所周知，维生素K（VitK）是一种脂溶性化合物，在凝血系统中发挥着重要的作用，它也被认为通过调节骨基质蛋白的启动而在骨代谢中起着至关重要的作用，另外VitK 可以延缓骨丢失，提高骨强度［18］。戴志鹏［19］将以纳米复合（nHA 和VitK）材料与nHA 为对照组在成骨细胞培养中进行对比，验证VitK 具有促进成骨细胞增殖和粘附。另外掺杂微量元素的HA 也可以提高骨诱导能力，这些掺杂剂的添加量一般很小，并且需要符合生物必要元素条件，如锶、镁、硅和锌［20］，其中锌被认为是重要的促骨细胞元素，可以抑制破骨细胞对骨吸收，诱导成骨细胞发生分化和矿化［21］。复合型nHA 中也有添加生物活性材料，如血管内皮生长因子，可以增加骨折端血流量，促进骨断端软组织、软骨细胞以及骨细胞的生长，有利于骨的矿化，增加骨密度［22］；骨诱导形态蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）作为一种存在于骨基质中的酸性多肽类物质，可以诱导BMSCs 及未分化的间充质细胞向成软骨细胞转化，从而改变体内生理成骨进程［23］。

2 羟基磷灰石在骨外科的运用

伴随HA 的表面电荷、疏水性及水凝胶特性被揭开，HA 不仅可以将所需的物质与羟基磷灰石表面结合，而且nHA 可作为载体，直接将病灶所需的药物包裹或混合于nHA 颗粒中，其释放药物机制不是药物的自身脱附，而是羟基磷灰石体内溶解［24］。为此，人们利用这一特性，从而达到治愈疾病所需的条件。

2.1 抗感染对于骨科手术而言，手术灾难性后果就是植入物感染，往往是当细菌附着在植入物表面时，容易诱导生物膜的产生，生物膜是一个可持续释放的感染源，另外非生物型材料往往没有良好的血运，全身运用抗生素难以抵达病灶，致使多数抗生素在病灶的浓度低于正常杀菌浓度，长期的慢性刺激，使得在生物膜内的微生物对抗生素的抗药性比自然界中游离的同类微生物高出一千倍［25］。

而加配抗生素的nHA 可以达到良好的抗感染效果。从载有环丙沙星到掺有银等微量元素的羟基磷灰石均可以获得长期持久地局部高浓度抗菌效果［26］。另外，糖尿病足和慢性化脓性骨髓炎的患者也能使用含有羟基磷灰石重构骨架，获取良好的预后。

2.2 肿瘤原发性恶性骨肿瘤及其他转移瘤患者而言，最佳的治疗方案往往是手术病灶切除，视情况配合化疗或放疗，然而因药物严重的毒副作用，可致肝、肾等重要脏器损害，负载抗肿瘤药物的人工骨可以解决上述问题的同时，加大局部化疗浓度，使其更利于杀灭肿瘤细胞，并且在维持肢体功能的同时不会像金属内植物一样，对后期放疗产生射线“遮挡”效果［27］。赵慧等发现HA 可通过负反馈系统直接调控细胞凋亡及激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B 通道，提示羟基磷灰石本身也具有一定的抗肿瘤效应［28］。

另外，AOKI 等将HA 纳米颗粒作为一种载体吸附多柔比星（ADM）、丝裂霉素C、氟尿嘧啶等抗肿瘤药物，在体内、外抗肿瘤实验中提示能达到增强对肿瘤细胞增殖的抑制作用［29］。

2.3 负重支撑作用众所周知，早期骨组织工程中使用钢板加螺钉的金属组合，其近期内固定效果明显，获得普遍推广，但随着后期临床数据表明，长期内植物在体内，将不可避免触发免疫炎症反应，加速局部骨质疏松及应力不匀，有可能发生再骨折的风险［30］。纳米级羟基磷灰石材料的空间结构非常接近天然骨基质，然而缺乏胶原蛋白的支撑，将存在抗弯强度低、脆性大、骨诱导活性差、力学性能不稳等缺陷，而且为了保障正常成骨需求，材料还将增加其孔隙，从而进一步增大其脆性［31］。事实上，正常人体内的羟基磷灰石其抗压强度也低，作为补偿，除矿物成分外，骨中还有I 型胶原参与，以维持结构上的韧性及稳定性。另一方面对胶原的研究发现，胶原通过激活BMSCs 细胞内信号通路，达到促骨细胞生殖能力。从仿生学角度出发，nHA与胶原复合能很好的模拟自然骨的状态，促进成骨干细胞的分化和细胞外基质产生［32］。壳聚糖（chitosan，CS）是通过有壳动物（虾、蟹、贝壳等）分离所提纯几丁质，然后脱乙酰后所制成。其来源广泛、具有组织相容性、可降解性及牢固的稳定性，打开了广阔的仿生材料前景。更有吸引力的点来至于其具有抗微生物、抗氧化剂和抗肿瘤活性特征［33］。聚酰胺66（polyamide66，PA66）以其优异的力学性能现已成为我国骨组织工程常用的混合材料之一，研究人员将PA66 涂成于羟基磷灰石表面，具有涂成的羟基磷灰石可达到（13.7±0.2）MPa，可以满足大部分外科对植入物硬度的要求，同时通过调节混合条件来控制涂层微观结构、厚度和结合强度，进而适配高延展性与生物活性。显然复合涂层比未涂层的PA66 基质具有更好的细胞相容性，可以作为细胞附着、扩散和增殖的良好模板［34］。

2.4 骨质疏松骨质疏松症是一种骨骼衰弱的疾病，特征为骨微观结构改变致骨脆性增加。尤其是好发于绝经后妇女。骨质疏松患病较为隐匿，直到第一次骨折发生，骨质疏松症才表现出特定的临床表现。现如今最常用的治疗方案为补充维生素D3、钙剂、双膦酸盐及生物靶向药物（雷洛昔芬、地诺单抗）［35］。骨质疏松症作为全身多发性疾病，单靠羟基磷灰石去填充全身骨组织是很难实现的，众所周知nHA 颗粒的凝胶特性，可以让抗骨质疏松药物与其具有高亲和力［36］。为此KETTENBERGER［37］将双膦酸盐和足够小的nHA 颗粒结合，在人体内环境下被巨噬细胞分泌水解酶所分解，增加局部钙离子溶度同时又释放双膦酸盐，达到靶向抗骨质疏松目的。

目前，越来越多的复合型nHA 被应用于临床，如羟基磷灰石-壳聚糖制作成纳米颗粒包裹塞来昔布，可用于止痛，在羟基磷灰石-壳聚糖键的作用下，延缓了药物释放过程，24 小时后，只有不到15%的药物通过“爆裂效应”释放。另外负载利福平的nHA治疗结核性骨髓炎也有报道［38］。

羟基磷灰石发现迄今已有40余年，早期用于口腔科，作为牙齿修补材料，随着技术的开发，使羟基磷灰石拥有支撑负重、抗感染、抗肿瘤等特性，在骨科领域得到迅速推广；另一方面3D 打印技术的兴起，可以获得理想需求的个性化植入物，进一步促使骨科、牙科、整形等发展，但其并发症如肌肉或重力引发的成骨畸形生长、内植物过敏、骨折不愈合、异物反应等并未拥有很好的解决方案［39］，以致于复合羟基磷灰石的肌肉运动属性与人自身骨骼有一定差距［40］。尽管上述研究是重大挑战，但值得肯定的是，这项研究领域的开发具有超越潜在风险的长期效益。