纳米技术在骨科的应用进展*

田静静 李嘉浩 李春旭 赵宇**

（1.中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院医学科学研究中心，北京 100730；2.中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京 100730）

纳米技术是21 世纪最具有突破性潜力的领域之一，其提高控制和改善疾病的能力，有助于诊断和治疗复杂的医疗问题。纳米技术通过在纳米尺度上观察、测量、操纵、组装和控制物质，将纳米科学理论转化为应用。美国国家纳米技术计划（national nanotechnology initiative,NNI）将纳米技术定义为“在纳米尺度（1～100 nm）上进行的科学、工程和技术”[1]，其独特的现象和性质使其能够在化学、物理、生物、医学、工程学和电子学领域拥有更为广泛的应用。

1959 年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出了纳米技术的概念，他提出了“为什么我们不能把大英百科全书的24卷全部写在一根针头上”的假设[2]，该假设后来被证明是正确的，费曼也因此被认为是现代纳米技术之父。近年来，许多研究证明纳米技术在生物医学领域中的诊断和治疗中具有巨大的潜力[3]，也被广泛用于骨科领域的许多方面，包括植骨材料、功能涂层、表面改性、靶向给药等诊断和治疗技术。本文从植骨材料、骨科感染防治和癌症诊断与治疗三个方面综述纳米技术所带来的挑战和机遇，以期为骨科的临床研究和诊疗方案提供理论依据和参考。

1 纳米技术概述

纳米技术是20世纪80年代后期发展起来的一门综合性交叉学科，是利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特殊性能制造具有特定功能产品的科学。当物质缩小至纳米尺度时，会表现出其宏观状态所不具备的新颖现象和特异性质，如在宏观尺度上的绝缘体材料缩小到纳米尺度时可能具有导电性；此外，随着比表面积的改变材料的机械能也可能发生变化。对这种特异现象和性质加以利用，将会对骨科领域乃至全人类的社会生活面貌产生革命性的影响。

纳米科技在为骨科和人类健康带来诸多好处的同时，也带来新的挑战。由于纳米尺度的物质尺寸小、表面活性高，其不利的生物学效应也是一个不可避免的科学问题，如一些纳米颗粒能够进入人体，然后通过循环系统和淋巴系统转移到不同的器官中[4]。此外，还有研究表明，纳米材料可能与脑和肺的细胞毒性、全身炎症和氧化应激有关[5]。因此，如何使用好纳米技术这把双刃剑是科研人员和临床医师所面对的更大挑战。

2 纳米技术在植骨材料领域的应用

骨是一种天然纳米复合材料，由分层排列的胶原纤维、蛋白聚糖和羟基磷灰石（hydroxyapatite,HA）组成。植骨材料中模拟天然骨骼的纳米级特征和结构可能会促进新骨生长或再生，而纳米技术为模拟天然骨组织的复杂层次结构提供了可能性[6]。由于天然骨组织的尺寸是纳米级的，周围细胞直接与纳米结构的细胞外基质接触和作用，所以纳米材料的仿生特性和物化特性在刺激细胞生长和促进组织再生方面具有显著优势[7]。此外，纳米植骨材料还可以改善一些关键的特性如强度、耐磨/耐腐蚀、组织整合能力等。纳米结构、纳米涂层和纳米颗粒在植骨材料领域的应用进展逐一阐述如下。

2.1 纳米结构

生物陶瓷在过去50 年经历了巨大发展，根据其在生物体内的活性可分为生物惰性陶瓷（Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等）和生物活性陶瓷（生物活性玻璃、磷酸钙生物活性陶瓷）。生物惰性陶瓷如Al2O3、ZrO2与骨组织的结合为一种机械的锁合，多与生物活性材料联合应用，此处不再单独赘述。生物活性陶瓷虽然具有良好的生物相容性、耐腐蚀等特性，但其在强韧性方面仍存在很大的局限性，而随着纳米技术的发展，生物陶瓷材料内部的晶粒、晶界及两者之间的结合都处在纳米尺寸和水平，这就使生物陶瓷的生物学性能和力学性能（强度、韧性和硬度）都有了显著提高。

生物活性玻璃比普通玻璃含有较多的钙和磷，能够与骨牢固地发生化学结合。1969 年，Hench 等[8]首次创造性地制备出生物玻璃，其主要成份是SiO2-CaO-Na2O-P2O5。生物活性玻璃在骨再生中有几个关键优势，能够在表面形成碳化的HA 层，并与活性组织结合，从而提高成骨细胞的增殖，刺激成骨和成血管；此外，生物活性玻璃还能释放一些金属离子，起到局部诱导抗细菌和抗真菌的作用[9,10]。Rocton等[11]以SiO2-CaO-P2O5三元系统为基础，对比了纳米和微米生物活性玻璃在表面形成磷酸钙层的速度和能力，结果发现随着尺寸的降低，不仅其比表面积、孔径随之改变，而且其获得表面磷酸钙层结晶的速度由原来的2 周降至3 d，大大提高了离子交换速率。宫玮玉等[12]对比了58S纳米生物活性玻璃（nano-58S）和传统45S5 生物活性玻璃促进兔顶骨临界骨缺损的修复效果，发现nano-58S促进兔顶骨临界骨缺损修复的效果优于传统的45S5，在4～6周和6～8周nano-58S的新骨形成范围[（29.4±4.48）μm，（35.3±3.74）μm]显著高于45S5组[（13.43±3.44）μm，（17.64±4.13）μm]。

除生物活性玻璃外，另一大类生物活性陶瓷是磷酸钙生物活性陶瓷，目前研究最多的是HA 和磷酸三钙。磷酸钙生物活性陶瓷具有良好的生物相容性、骨整合和骨传导性，且其钙和磷离子的释放还能调节成骨细胞和破骨细胞的活性以促进骨再生，已广泛应用于骨水泥、骨支架等领域。限制磷酸钙基植骨材料更广泛应用的一个关键问题是其机械性能，磷酸钙材料很脆，抗冲击性低，拉升应力也相对较低（6～10 MPa）[13]，因此，研究人员试图用纳米磷酸钙的微尺寸效应和复合材料系统来提高材料的强韧性。Wei等[14]采用共溶、共沉淀法制备了纳米羟基磷灰石/聚酰胺（nano-hydroxyapatite/polyamide,nano-HA/PA）复合支架，发现含有64.25%wt nano-HA的复合支架具有与天然骨骼接近的机械性能。此外，纳米生物陶瓷在体内外也表现出更为优异的成骨性能，Razavi等[15]利用犬对比了nano-HA、纳米生物玻璃（nano-bioactive glasses,nano-BG）和硅酸镁支架应用于骨组织再生的有效性，发现nano-HA组和nano-BG组的骨形成量显著高于硅酸镁支架组（P＜0.01），15 d 后，nano-HA 组呈现出最高水平的编织骨和板层骨再生量（18.37±1.06和30.44±0.54）。Brum等[16]对比了nano-HA/β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate,β-TCP）和HA对大鼠颅骨临界尺寸骨缺损的修复效果，发现与HA 相比，nano-HA/β-TCP为骨基质形成提供了更好的条件，对骨重塑过程中的细胞反应更有利。

2.2 纳米涂层

在不同种类的植骨生物材料中，金属基材料是骨科最为常见的骨替代品[17]。与其他医用金属植入物（如不锈钢、钴合金、钽合金、镁合金等）相比，纯钛及其合金Ti6Al4V 是骨科使用最为广泛的植骨材料，具有良好的耐腐蚀性、力学性能（较低的杨氏模量）和生物相容性[18]。以钛及其合金为例，生物惰性的钛表面导致其成骨和抗菌能力不足，而且磨损碎片与生物媒介产生的离子交换也会导致有害物质的积累，从而导致植骨失败[19]。骨整合发生在植骨材料的表面，所以植骨材料的表面形貌和化学成分对植骨成功极其重要。随着纳米技术的发展，研究者一直努力在钛及其合金表面制备各种纳米结构的涂层以达到促进骨整合和抗菌的作用[20]。

目前越来越多的研究集中于在钛植入物表面制造纳米管，即在钛及其合金表面制备一层二氧化钛（TiO2）纳米管涂层，通过提供纳米多孔表面和分层结构来弥补钛植入物的缺陷。此外，将抗菌物质局部掺入纳米管还可减少植入物周围的细菌定植，避免由于病原菌引起的早期感染风险。与此同时，制备TiO2纳米管策略也呈现出越来越多的优势，主要集中在提高植骨材料的矿化能力、生物相容性、抗菌活性、促进成骨细胞增殖和分化等方面[21]。矿化能力意味着植入物浸泡在体液中会产生类似骨的HA 物质，在TiO2纳米管的存在下，由于比表面积的提高使HA 的产生动力学得到改善。此外，植入物表面有序的纳米结构通过与骨组织的机械连接也会提高骨整合进程[22]。TiO2纳米管还可以用NaOH 处理以增强生物活性并促进HA 的形成，处理后的TiO2纳米管能够促进生物活性钛酸钠的形成，当浸泡到体液中时，形成的钛酸钠能够促进纳米HA 在植入物表面的成核和形成[23]。Rahman等[24]利用MC3T3细胞对比了纯钛、Ti6Al4V和Ti6Al4V-ELI 表面的TiO2纳米管的生物相容性，发现MC3T3 虽然与不同表面的TiO2纳米管作用方式不同，但对MC3T3 的黏附和增殖都没有不利影响，说明成骨细胞活性能够通过TiO2纳米管的表面修饰作用得到提高，为植入物提供一个更适宜的表面结构和平台。此外，TiO2纳米管还表现出一些抗菌性能，在Ti6Al4V 表面形成的TiO2纳米管能够显著降低金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的定植量，而且细菌定植量与TiO2纳米管的直径息息相关，20 nm 直径的TiO2纳米管比80 nm 直径的TiO2纳米管具有更好的抗菌性能[25]。与此同时，细胞的黏附、增殖和分化性能也与TiO2纳米管的直径有关，Smith 等[26]发现直径70～90 nm，长度1～1.5 μm 的TiO2纳米管能够促进成纤维细胞的增殖和分化。Park 等[27]将带有绿色荧光蛋白的间充质干细胞（mesenchymal stem cells,MSCs）在不同直径的TiO2纳米管上培养，直径15～30 nm 时MSCs 的活性最大，直径大于50 nm 时会严重影响细胞的分散和黏附，直径大于100 nm 时会导致细胞凋亡。因此，将TiO2纳米管应用于临床时，要充分考虑和验证其尺寸的影响。

2.3 纳米颗粒

除上述提到的生物陶瓷和金属植入物外，还有一大类骨植入材料——聚合物，主要包括天然和合成聚合物。天然聚合物主要包括胶原蛋白、纤维蛋白、壳聚糖、透明质酸和藻酸盐等，合成聚合物主要有聚甲基丙烯酸酯（polymethyl methacrylate,PMMA）、聚乳酸（poly latic acid,PLA）、聚醚醚酮（poly ether ether ketone,PEEK）、聚己内酯（polycaprolactone,PCL）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]等。天然聚合物具有生物相容性好、可生物降解、无免疫反应等优势，但是其单一成分的天然聚合物机械强度较低，因此多用于软骨或其他软组织的填充修复材料。合成聚合物目前可单独作为骨植入材料的有PEEK 和PMMA，而单独的PEEK 材料疏水、摩擦系数高且不具有骨诱导能力[28]，单独的PMMA 与天然骨的机械性能不匹配且无成骨能力[29]。基于此，纳米复合材料便成为解决上述问题的方式之一。

纳米复合材料是一类相对较新的材料，是将纳米生物活性和可吸收材料填充到生物聚合和生物可降解基底结构中形成的一类材料[30]。所涉及的纳米颗粒填充物主要包括nano-HA、纳米氧化锆（nano-Zr）、纳米二氧化硅（nano-SiO2）、银纳米颗粒（sliver nanoparticles,Ag NPs）、纳米二氧化钛（nano-TiO2）和聚氨酯（polyurethane,PU）等[31]。纳米颗填充物将赋予聚合物基底新的物理和化学特性，如提高比表面积、提高机械强度和稳定性、改善细胞黏附、增殖和分化等[30]。

壳聚糖（chitosan,CS）天然聚合物常用的纳米颗粒填充物为nano-HA，由于nano-HA 与天然骨磷灰石材料的化学性质相似，在机械、热量和细胞活性方面均有很大的优势。有研究表明，在CS 中掺杂20%的nano-HA 能够将其杨氏模量从3.5 GPa 提高到4.4 GPa[32]。胶原是骨天然细胞外基质的重要组成部分，但相对于胶原聚合物，纯的胶原支架机械强度差、降解速率快，而多壁碳纳米管填充物的掺入能促进多孔结构之间的连通性，提高机械性能，还可以使生物相容性提高，这可能源于纳米管表面所带负电荷，这些带电的位点可以成为骨矿化的成核位置[33]。PCL是常用的合成聚合物基底材料之一，具有优异的韧性和机械强度[34]，而其缓慢的降解速率可能成为骨组织再生过程中的负面影响因素；此外，PCL的疏水性使其抑制细胞的黏附也成为限制其应用的原因。TiO2、HA、还原氧化石墨烯已被用于掺入PCL支架中改善其机械和生物学特性。羟基磷灰石纳米棒（nano-HA）填料均匀的分布于PCL基质中，不仅能够增强其机械强度，还能显著增强PCL支架的骨再生功能[35]。

除上述复合材料之外，还有很多纳米复合物在物理、化学和生物特性方面都表现出优异的性能。天然聚合物在生物相容性和降解性方面优于合成聚合物；合成聚合物则通过物理、化学和形貌学方法为细胞增殖、新组织生长等特性提供了充分的机会。但是，合成聚合物基支架降解的副产品可能造成某些生物安全问题，例如周围组织中酸的积聚。因此，包括纳米颗粒填充物在内的聚合物复合材料的优化对于获得充分促进骨组织生长的支架材料至关重要。

3 纳米技术在骨科感染防治领域的应用

骨科术后感染是最常见且最严重的并发症之一，是细菌或真菌入侵的结果，多由金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞杆菌引起[36]。尽管抗生素的发明和使用在一定程度上降低了其发生率，但是细菌耐药性的出现使抗生素逐渐失去了效力，因此需要新的抗菌方法来改变这一现状，纳米技术的发展和纳米抗菌材料、药物的出现为解决这一问题提供了新的方式和思路。

常用于降低骨科感染的纳米材料是Ag NPs，主要源于其广谱杀菌性，研究表明其对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌等均有效[37,38]。Ag NPs 的抗菌机制包括两个方面：一方面是破坏细菌的细胞膜，另一方面是通过形成自由基产生氧化应激压力[39]。有研究表明，与传统药物相比，在骨水泥PMMA中添加Ag NPs可以大大降低感染风险，Alt等[40]报道在PMMA 中添加1.0%Ag NPs能够完全抑制表皮葡萄球菌、耐甲氧西林表皮葡萄菌和耐甲氧西林金黄葡萄球菌的增殖，而在PMMA中添加2%的庆大霉素仅能抑制表皮葡萄球菌的增殖。此外，Ag NPs还被广泛掺杂于各种水凝胶聚合物中发挥抗菌作用，Neibert等[41]通过将Ag NPs掺杂到藻酸盐水凝胶中，发现不仅具有抗菌性能，还能增强水凝胶的机械性能、促进表皮再生，同时许多相关动物实验也证明了这一点。

除Ag NPs 外，TiO2纳米管及其衍生物是近年来新兴的抗菌剂，如前所述，TiO2纳米管的抗菌性能与直径息息相关，20 nm 直径的TiO2纳米管比80 nm 的TiO2纳米管具有更强的抗菌性能[25]。此外，TiO2纳米管还可以与其他抗菌物质如Ag NPs 整合来提高抗菌性能。Mei 等[42]通过将Ag NPs 整合到TiO2纳米管中来提高抗菌性能，降低术后感染发生率；同时发现在较低电压（0.5 kV）下等离子注入的Ag NPs 会在表面积累从而显著降低生物相容性，相反在高电压（1 kV）下等离子注入Ag NPs 的TiO2纳米管表面出良好的生物相容性，并且具有很好的抗菌性能，这可能是因为Ag NPs装载到TiO2纳米管的合适深度。

4 纳米技术在癌症诊断与治疗领域的应用

纳米技术在癌症诊断方面的应用主要基于纳米颗粒-配体复合物与特定基因突变位点结合，从而使突变细胞实现可视化[43]。该技术已被用于研究p15基因，p15基因是骨肉瘤中与肺转移有关的肿瘤标志物[44]，从而早期识别恶性肿瘤转移的可能性，在有临床症状之前实现对患者的诊断，纳米药物和化学疗法的提前介入可大幅降低发病率和致死率。另外，利用荧光探针对纳米材料的探测技术能够预先评估癌症的治疗响应[45]，这种方法与传统组织学评价方法比较，能为肿瘤切除术后评估肿瘤剩余量提供更为准确的方法。

纳米技术在治疗方面的应用主要体现在两个方面，一方面是药物传递，一方面是抗癌材料。在药物传递方面，纳米技术为抗癌药物提供了一种独特的载体，可将药物递送到靶向位置。纳米药物递送系统治疗癌症始于药物装载纳米分子的发明，将这种纳米药物装载于特定配体如单克隆抗体上，单克隆抗体能够结合并进入癌细胞，可以使化学疗法只在癌症部位作用从而降低对其他组织的毒性[43]。纳米颗粒药物载体有很多种类，包括钛、金、磷酸钙和壳聚糖等，其中脂质体纳米颗粒载体为治疗骨肉瘤提供了一种新的方法，这种药物不仅高效而且还可以口服[46]。传统化疗药物如依托泊苷用这种技术进行递送，发现对治疗骨转移有更好的疗效[47]。Liu 等[48]制备了一种藤黄酸和视黄酸的载药纳米颗粒，发现与传统药物递送系统相比，能够诱导更高比率的骨肉瘤细胞凋亡。尽管上述新型药物载体已经取得了较好的试验结果，但是其研究仍处于早期阶段，距离临床应用还有很长一段距离。

纳米技术在抗癌材料方面也有很大的应用空间，硒纳米颗粒（selenium nanoparticles,Se NPs）显示出优秀的抗癌活性和低毒性，其抗癌活性主要源于诱导细胞停留在S 期从而抑制癌细胞的增殖[49]，这个过程主要是由位于细胞膜上的eIF3蛋白复合物介导的，有研究表明Se NPs 处理后的癌细胞会改变其生物力学性能，显著降低其细胞黏附力和杨氏模量[50]。除抗癌作用以外，Se NPs 还能区分正常细胞和癌细胞，然后通过癌细胞的内吞作用进入细胞诱导其凋亡[51]。Stolzoff和Webster[52]将Se NPs掺杂到PLLA 组织工程材料中，在不施加任何化学疗法和药物的情况下，能够降低骨肉瘤细胞密度的同时促进健康成骨细胞的增殖和分化，为后续健康组织替代肿瘤组织奠定了基础。

5 小结

近年来，纳米技术取得了革命性的进展，特别是在骨科领域，无论是在植骨材料、骨科感染防治、癌症诊断与治疗方面均取得了突破性的进展。本文综述了纳米技术在植骨材料、骨科感染防治、癌症诊断与治疗三个方面的应用进展，以期为临床医师和临床研究提供借鉴和参考。在植骨材料方面，纳米结构和尺寸的研发与设计为生物陶瓷的生物学性能和力学性能增强提供了可能的方式和途径；纳米涂层设计为金属及其合金的成骨和抗菌能力不足提供了解决方案；纳米颗粒掺杂为纳米复合聚合物的研发提供了新的思路，赋予了原有聚合物新的物理和化学特性（如提高比表面积，提高机械强度和稳定性，改善细胞黏附、增殖和分化等）。在骨感染领域，多种抗菌材料如Ag NPs 和TiO2纳米管等相继被研发并应用于抗感染的预防和治疗等方面。在癌症诊断与治疗方面，纳米技术的突破主要集中于肿瘤标志物的识别、靶向给药和抗癌材料的设计与研发方面，但目前的研究大都处于早期研究阶段，尚未进入临床。

纳米技术在骨科的应用仍处于起步阶段，但是其有可能彻底改变骨科的诊断、治疗和研究方向。纳米技术一方面为植骨材料的设计提供了更精确、更利于骨骼生长和更安全的治疗方式，能够以低成本的方式替代传统疗法；同时也为感染控制提供了各种新的防治和控制策略，能极大降低植入物的感染发生率；也为骨肿瘤的治疗和诊断提供了新的技术和方法，表现出巨大的潜力。纳米技术并非解决骨科手术领域许多问题的灵丹妙药。未来我们将继续利用纳米科技的优势，设计新的治疗方式和方法，进一步优化和提高纳米技术的作用和功效，强化和拓展其在骨科的应用。同时，必须深入理解细胞和纳米生物材料之间的相互作用，掌握纳米材料对人类健康的长期影响，降低其生物副作用，并在骨科临床实践中广泛验证其安全性。