骨组织工程材料在大段骨缺损修复中的应用进展

毛克亚，刘建恒，崔 翔

骨缺损是由先天性疾病、创伤、感染、肿瘤等原因引起的骨科常见病，大段骨缺损的治疗是骨科医师面临的临床难题[1]。临床常用的治疗方法包括自体骨移植、异体骨移植、带皮瓣腓骨移植、Ilizarov骨搬移技术、Masquelet技术等。然而，这些方法都存在各自的局限性。自体骨移植是目前治疗骨缺损的“金标准”[2]，但存在供区骨量有限、术后供区骨缺损及感染等一系列问题[3]。带血管蒂的腓骨移植往往手术难度和风险大，难以推广[4]。异体骨移植存在免疫排斥反应，会影响骨愈合[5]。Ilizarov骨搬移技术则存在治疗周期长、外架操作安装复杂、患者痛苦等问题。近年来，骨组织工程技术与材料的快速发展，为大段骨缺损的治疗带来了新的思路和策略。

理想的骨组织工程材料应具有以下特征：(1)良好的生物相容性，不产生免疫排斥反应，无毒性分解产物；(2)生物可降解性，具有可控的降解速率，材料降解速度与成骨过程相匹配；(3)生物活性，含有促进成骨的细胞因子或药物等活性成分，刺激细胞黏附、增殖和分化，促进新骨形成；(4)具有微米-纳米级别梯度的相互连接的孔径支架结构，促进血管形成、细胞黏附和迁移；(5)良好的机械性能，与正常骨组织相似或优于正常骨组织[6]。随着材料学的发展，骨组织工程材料的种类也在不断增多，其中主要包括生物医用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等，其中很多材料已在动物模型和临床研究中取得了显著效果。因此，笔者按材料性质的不同及其对大段骨缺损修复效果，对近年来骨组织工程材料的进展进行综述。

1 生物医用金属材料

金属材料是最早用于骨修复的骨组织工程材料，包括钽、钛及钛基合金、镁及镁基合金等。生物医用金属材料具有高强度、良好的韧性和优异的加工性能等特点。不同金属材料的理化性质有所差异，应用不同加工及修饰方法，可以制备出性能不同的骨组织工程支架。

1.1 钽金属 具有高强度、延展性好、高摩擦系数和较强的耐磨损和耐腐蚀性，被称之为“骨小梁样金属”[7]。研究表明，多孔钽支架不仅与人体组织有优异的组织相容性和生物活性，还可显著促进干细胞和成骨细胞在支架表面的黏附、生长和分化[8]。Mrosek等[9]应用多孔钽支架修复绵羊股骨髁骨缺损，发现多孔钽金属支架可以有效促进新骨向材料内部生长，且与宿主骨整合良好，是一种良好的骨缺损修复材料。目前，多孔钽支架作为关节假体、软骨支架等已用于临床，并取得了良好的效果[10]。但其高昂的价格限制了其在大段骨缺损修复中的应用。

1.2 钛金属 具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点，但目前也存在弹性模量过高、耐腐蚀性和抗菌性较差等问题。为了克服这些问题，国内外学者进行了大量探索，包括发展新型钛基合金及钛基复合材料、制备三维仿生结构支架，以及对钛及钛合金进行表面改性等。Anne-Marie等[11]基于生物力学设计，通过3D打印方法制备了结构仿生优化的钛网支架，并在支架中填充自体松质骨，该支架克服了传统钛支架弹性模量过高产生的应力屏蔽问题，可显著促进绵羊大段骨缺损修复。Shen等[12]在钛表面制备了镁/锌的金属有机骨架涂层，修饰后的支架不仅对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出强大的抗菌能力，还可以促进新骨再生。随着近年来研究的不断深入，一批综合性能优异的新型钛合金材料有望开展临床前研究。

1.3 金属镁 不仅具有良好的组织相容性和力学稳定性，同时降解过程释放的镁离子具有良好的促成骨能力[13]。但是纯镁金属在体内降解偏快，无法长期维持牢固的支撑固定。而通过添加钙、锌、锶、锰、锆、稀土元素等开发新的镁基合金，或对镁合金材料进行表面改性，不仅可使镁支架降解速率与成骨速率相匹配，同时具有更好的力学性能[14-15]。Zhang等[16]制备了一种壳-核结构的不锈钢镁髓内钉，该髓内钉力学强度好，同时镁降解后释放到骨缺损局部，可以刺激骨膜感觉神经元末梢释放CGRP，极大促进了新骨形成，显示出对大段骨缺损的治疗潜力。随着对镁在体内降解、促成骨及吸收代谢机理研究的不断深入，其临床转化进程有望进一步推进，并在将来造福大段骨缺损患者。

2 无机非金属材料

目前，用于大段骨缺损修复的无机非金属材料主要包括磷酸钙、生物活性玻璃及碳素材料等，这些材料都与骨组织有良好的亲和性及促成骨活性。

2.1 磷酸钙 是人体天然骨的主要无机成分。天然磷酸钙存在于动物骨骼、珊瑚等，而合成的磷酸钙材料有羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)等。HA的生物成分与骨矿物质较为接近，具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性。然而，传统羟基磷灰石力学性能差、脆性大。近年来，纳米羟基磷灰石(Nano-HA)材料的发展不仅克服了传统HA材料力学强度不佳的缺点，还具有更好的促成骨特性，因而受到了越来越多的关注[17]。张兴栋院士课题组通过3D打印方法制备了一种Nano-HA涂层的多孔支架，该支架用于兔肿瘤大段骨缺损模型中，不仅可以促进肿瘤微环境下的骨缺损再生，还可以通过上调肿瘤坏死因子TNF-α等基因引起肿瘤凋亡、移植肿瘤细胞转移，并减少肿瘤引起的骨溶解[18]。

磷酸三钙(TCP)分为α-TCP和β-TCP，而前者具有细胞毒性，因此应用受到了限制[19]。β-TCP有良好的生物降解性、生物相容性和骨传导性，但也存在机械强度不足、降解过快的问题，对此国内外学者尝试通过构建磷酸钙复合材料进行骨缺损修复。Lai等[20]通过低温快速成型技术制备了PLGA/TCP/Mg支架，该支架力学性能得到显著提高，并通过促进血管生成及介导新骨形成，实现骨缺损修复。

2.2 生物活性玻璃 是一种由硅、钙、磷和钠的氧化物组成的CaO-SiO2-P2O5系统，而新一代的生物活性玻璃通过添加MgO、B2O3、K2O、TiO2等成分改善其性能。生物活性玻璃在体内降解释放的硅离子具有促进生长因子生成、细胞增殖和活化细胞基因的作用，进而促进成骨细胞的增殖和成骨分化，是一种理想的无机非金属替代材料[21]。LIN等[22]通过多孔生物活性玻璃搭载BMP-2和IL-8，用以治疗兔桡骨大段骨缺损，发现这种人工支架具有优异的骨再生能力，对于骨的形成和分化有明显的促进作用。Ryan等[23]制备了掺杂铜的生物活性玻璃支架，该支架不仅可以促进血管和骨生成，同时展现出对金黄色葡萄球菌明显的抗菌活性，因此为骨髓炎骨缺损的治疗提供了新策略。但是生物活性玻璃释放离子促进骨生长的具体生物化学机制尚未明确，其是否存在远期风险也需要进一步阐明，同时生物活性玻璃抗疲劳性能较差，无法应用于负重区域的问题也需要改善。

2.3 碳素材料 包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯和纳米金刚石等材料，不但拥有良好的机械强度，而且可以为骨细胞提供与人体天然骨相似的微环境，促进干细胞的黏附、增殖、分化，同时还可以促进组织矿化而修复大段骨缺损[24]。其中，石墨烯因具有良好的抗菌性和载药缓释性，近年来在骨缺损修复中受到了大量研究[25]。Wang等[26]将多壁碳纳米管(MWCNT)粉末掺入甲基丙烯磷脂骨水泥制成骨组织工程支架，体外实验证明，MWCNT的添加改善了干细胞的黏附和增殖。将不同MWCNT含量的支架植入新西兰兔骨缺损模型中发现，大量成骨细胞聚集在支架内形成新骨，并且随着MWCNT含量增加，骨长入率也随之增加。Huang等[27]通过3D打印技术制备了一种多孔MWCNT支架，该支架可显著增强干细胞附着，因而可作为骨组织再生的良好支架材料。

3 高分子材料

高分子材料可分为天然高分子材料和人工高分子材料。天然高分子材料主要包括胶原蛋白、明胶、壳聚糖和丝素蛋白等，这些材料具有良好的组织相容性和可降解性，并可促进成骨细胞黏附和生长，但其存在机械强度不足，降解速度与成骨速度不匹配等问题，因此多与其他材料复合使用。

3.1 天然高分子纤维蛋白 丝素蛋白是一种从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，具有良好的柔韧性、抗拉伸强度和生物活性。同时，丝素蛋白在体内的降解速度与骨缺损修复周期相匹配，其降解产生的氨基酸和多肽对周围组织还有营养和修复作用，因此在骨缺损修复上展现出巨大优势[28]。牛涵波等[29]通过化学交联和冷冻干燥制作的丝素蛋白/壳聚糖三维多孔支架，体外研究发现，该支架材料无细胞毒性，并且具有良好的细胞黏附率和促成骨性能。Yang等[30]通过静电纺丝技术制备了三维丝素蛋白支架，能够显著促进成骨细胞的黏附、增殖和分化，并在体内实验中有效促进大鼠颅骨缺损的愈合。

3.2 人工合成高分子材料 主要有聚乳酸(PLA)及其复合物，聚乙酸(PGA)、聚己内脂(PCL)和聚乙二醇(PEG)等。其中PLGA、PLA、PCL、PEG已被美国FDA批准为生物降解性医用材料，并用于骨缺损的研究[31]。Song等[32]将从鸭蹼中提取的胶原蛋白(DC)与PLGA混合制备了DC/PLGA支架，体内外研究均显示其可以有效促进骨再生，支架内原始骨的形成和分化较对照组都有显著增加。然而人工高分子材料生物相容性较差，聚乳酸及其共价复合物在降解过程中产生酸性物质，可导致植入材料周围无菌性炎症反应的问题仍有待解决。

4 复合材料

复合材料是用材料制备技术将两种或两种以上不同性质材料进行组合而成的新材料。复合材料可以有效弥补单一的天然或人工材料在生物和理化性质方面的不足，从而显著改善骨再生[33]。近年来复合材料制备的水凝胶支架在骨缺损修复中取得了很大的进展。Frasca等[34]通过化学交联制备出孔径200 μm的多孔支链淀粉/ 右旋糖酐基水凝胶复合支架材料，用于大鼠股骨骨缺损模型，90 d后在骨缺损部位可以观察到大量新生骨和血管生成，获得了良好的骨缺损修复效果。而国内学者范先群等[35]采用化学交联和双网络水凝胶构建的方法制备透明质酸-明胶双网络水凝胶，其不仅在保水性能、力学性能和降解性能等方面有了较大的提升，而且在骨缺损修复方面展现了良好的前景。

目前多种类型的纳米复合材料逐步被开发并应用，其中纳米羟基磷灰石复合材料被广泛应用于骨缺损修复。这类复合材料不仅延续了纳米羟基磷灰石良好的机械性能和稳定的结构，还降低其免疫原性，同时有些复合材料还可作为药物载体，应用于骨缺损修复。李冬梅[36]利用将新西兰大白兔骨髓基质干细胞与纳米相羟基磷灰石胶原复合能成功制备纳米级细胞型组织人工骨，将其用于新西兰大白兔下颌骨骨缺损中效果理想，能有效促进缺损部位愈合。纳米羟基磷灰石-壳聚糖复合材料作为骨缺损修复材料的同时，有望成为抗癌药物释放载体，可针对性应用于因肿瘤引起的骨缺损，进一步拓宽了在医学材料领域的使用[37]。除此以外Nano-Ha聚乳酸复合材料、Nano-Ha聚酰胺复合材料、Nano-HA聚乙烯醇复合材料等都在临床应用中有很好的治疗效果。

由于传统方法治疗大段骨缺损存在一定局限性，开发修复效果更好的骨修复材料显得尤为重要。例如，以3D打印为代表的增材制造技术，可制备具有优异骨传导、骨诱导和骨整合特性的骨修复支架[38]。随着工程和材料学发展，以及对骨重建再生机制研究的不断深入，在不久的将来，有望研制出更加符合骨缺损修复要求的理想人工骨移植材料，为临床骨缺损修复提供新策略，造福广大患者。