治疗骨缺损的组织工程支架研究进展▲

程志琳 秦 豪 许 林

(贵港市人民医院骨科，广西贵港市 537100)

【提要】 临床上的骨缺损主要由创伤、感染、肿瘤等因素导致。对于轻微的、小范围的局部骨缺损，人体骨组织能够凭借其自我修复能力恢复骨组织的连续性和完整性，但是在更多情况下，大段、大面积的骨缺损无法进行自我修复。因此，寻找更安全、有效的骨缺损修复方法和材料一直是骨科临床亟须解决的问题。

人体骨质的缺失称为骨缺损。相关调查研究显示，全球每年有超过2 000万的骨缺损患者[1]，而仅在美国，每年就有超过50万的骨缺损患者接受治疗，人均治疗费用超过5 000美元[2]。对于无法自我修复的骨缺损，自体骨移植是首选的治疗方法。自体骨移植具有最佳的组织相容性、良好的生物活性和无免疫原性等优势，被认为是治疗骨缺损的“金标准”[3]。但自体骨移植也有其显著的局限性[4-5]，如自体的骨供应量有限和不可避免的供骨部位并发症(如供区出血、感染、疼痛和神经损伤等)，这些缺点严重限制了自体骨移植在临床中的广泛应用。异体骨移植能够解决自体骨移植取材量有限的缺点，还能减少患者的创伤与不确定的风险。经过处理后的异体骨，虽然降低了免疫原性，但骨组织却缺少了细胞生物活性成分，因此异体骨的骨诱导和骨传导能力及成骨作用也会大大减弱，且具有传播疾病和免疫排斥的潜在风险[6]。

近年来，骨组织工程技术的不断发展给患者带来了希望。随着组织工程学、材料学、生命科学和制造业的飞速发展，利用骨组织工程技术修复骨缺损成为研究的热点。目前常用的支架材料类别主要有生物陶瓷、金属、天然高分子聚合物、人工合成高分子聚合物及复合材料等，这些材料各有优缺点。与此同时，其制备的方法也在不断地发展。虽然应用传统方法制作骨组织工程支架已取得一定成就，但在支架的三维结构、力学强度、支架个性化方面仍不太满意，而通过3D打印技术制备的组织工程支架有望避免这些缺点。3D打印技术不仅为支架材料的制作提供了更好的方法，而且其可以通过混合不同的活性成分，赋予支架新的生物活性，为临床医生治疗骨缺损提供新的选择。

1 修复骨缺损的理想支架材料应具有的特性

虽然目前用于骨缺损修复的骨组织工程支架可由多种材料、多种方法制成，但其治疗成功的关键在于这些支架在移植后能够长入正常的新鲜骨组织并由此代替原来的骨组织发挥作用。因此，这些用于骨缺损修复的理想支架材料应具有以下几种特性。(1)生物相容性：作为人体外来物，支架材料移植到人体后不引起免疫排斥反应、炎症反应和毒性反应。(2)生物可降解性：移植的支架材料应随着时间的推移逐渐被生物体降解，并最终由自身骨组织所替代，而其降解速率也应与骨组织再生速率相匹配，并且在降解过程中应能保持一定的机械强度。(3)良好的机械力学性能：骨组织是人体的支撑结构，在骨组织再生之前，移植的支架材料在为新生组织提供力学支撑的同时，还要有与原人体骨组织相匹配的机械力学性能。(4)生物活性：移植的支架材料应具有良好的骨传导性(刺激骨细胞生长)和骨诱导性(促进干细胞分化成骨细胞)，从而有利于周围组织与其结合，并促进骨祖细胞、新生血管向缺损区迁移、生长。(5)合适的孔隙率与孔径：支架材料的孔状结构与合适的孔径[7]使其具有更大的作用表面积，这不仅有利于细胞的扩散和迁移，还有利于血管系统的生长，促进细胞的增殖分化和骨组织的再生。(6)可塑性：支架材料的可塑性可以使其被制作成不同的形状和尺寸，从而在一定程度上模拟骨组织的孔状结构和机械力学特性[8-9]。

2 制作骨组织工程支架的常用材料

2.1 金属材料 金属材料是骨科临床应用较为广泛的一类材料。常用的金属材料包括钛及其合金、钴、镍合金、不锈钢。与其他生物材料相比，生物金属材料具有更高的机械强度及韧性[10]，可为新组织的生长提供良好的支撑。而钛及其合金因具有良好的生物相容性及优异的机械力学性能而被广泛应用于骨科疾病的临床治疗中[11]。然而，由于钛及其合金缺乏生物降解性，钛合金的组织形态对其力学性能的影响很大，限制了其在骨组织工程中的应用。而近年来，新型的可降解金属材料走进了人们的视野，如镁、铁、锌等金属。镁金属在植入体内后可降解成无毒物质排出体外，且降解过程中释放的镁离子还可促进成骨反应。然而纯镁在生理环境中降解的速度太快，使其在骨组织愈合之前就失去机械力学性能，因此当前许多研究侧重于制备镁合金材料或构建其他保护涂层以增强镁金属的抗腐蚀性能[12-13]。而作为可降解金属材料的锌金属主要以氧化锌的形式存在，氧化锌因具有独特的抗菌能力[14]、良好的生物相容性及骨诱导性[15]受到了广泛的关注，被应用于骨缺损的治疗中。值得关注的是，有研究表明氧化锌对内生软骨瘤、骨巨细胞瘤有一定的治疗作用[16]。在新型复合支架材料的基础上添加氧化锌，能结合氧化锌独特的抗菌能力和骨诱导性的优势，进行材料之间的优势互补，应用3D打印技术可制作出用于修复骨缺损的新型骨组织工程支架材料。这或可为因肿瘤而致骨缺损的患者提供一种全新的治疗方法。

2.2 生物陶瓷材料 人体骨组织主要由有机成分和无机成分构成。而生物陶瓷具有类似于人体骨组织的无机成分，具有良好的骨传导能力及促进新鲜骨组织生长的能力[17-18]。与此同时，生物陶瓷材料还具有良好的生物相容性、生物降解性及机械力学性能。但生物陶瓷材料因脆性大，不能完全降解及难以控制降解速率，使其在临床中的应用受到了限制。其中骨组织工程中最常用的生物陶瓷材料主要有羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、磷酸八钙、焦磷酸钙、磷酸氢钙、磷酸镁等。其中羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分，其具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，且来源广泛，不仅可以在天然材料中获得，也可以通过化学方法制备，被广泛用作骨缺损的修复材料[19]。但其降解速度慢，且自身并不具备良好的机械强度，单纯的羟基磷灰石材料难以满足骨缺损修复的需求，目前对它的研究主要是将它与其他材料(如金属材料、高分子材料)相结合，整合其与其他材料的优势以改变其性能，使其成为更适用于治疗骨缺损的支架材料。

2.3 高分子聚合材料 高分子聚合材料可分为天然聚合材料和人工合成聚合材料。天然聚合材料主要有胶原、蚕丝、藻酸盐、壳聚糖和透明质酸。天然聚合材料具有良好的可塑性、生物相容性和生物可降解性等诸多优点，但使用天然聚合物也受到一定程度的限制，如难以大批量获取，且其降解速率过快，缺乏支撑骨组织的生物力学特性，因此其亦较少单独用作组织工程支架材料，常作为生物活性材料应用于复合支架材料的制备[20]。

人工合成聚合材料主要有聚乳酸、聚己内酯、聚乙醇酸、聚乳酸羟基乙酸共聚物等。这类材料来源广泛，具有良好的生物相容性及生物降解性，更有意义的是，这类材料可塑性强，可以按要求定制机械强度和降解的速率。但是这类材料在制备过程中多需要使用有机溶剂，而有机溶剂的残留会导致相应的毒性反应，影响细胞活性[21]。此外，人工合成聚合物具有疏水表面性质，不利于细胞黏附，限制了该类材料在骨科临床中的应用。

2.4 复合材料 由上述可知，作为修复骨缺损的材料，不论是哪一种材料都存在一定缺点，单纯用一种材料作为修复骨缺损的支架材料均不能满足要求。而复合材料是指将2种或2种以上材料结合，使其形成同时具备多种材料的优良特性的新材料，克服单一材料某些性能上的不足，更大限度地满足骨组织工程支架材料的需求。而且，从生理角度来说，骨组织由无机基质(羟基磷灰石及水等)和混合有机成分(Ⅰ型胶原、脂质及非胶原蛋白等)组成[22]。因此在支架的制造过程中，多种不同类型的材料组合产生的复合支架似乎是更加合理的选择，特别是有机材料与无机材料之间的复合材料，可以实现良好的机械性能与生物活性的整合。如聚合物聚己内酯+人工骨粉具有生物降解性、良好的生物相容性和形状保持性能，被广泛用于制作骨组织工程的支架。但将其用于骨组织工程时，因聚己内酯存在生物活性不足的问题，新生成的骨组织不能与聚合物表面紧密结合。而羟基磷灰石却具有较高的生物活性和促骨形成能力，因此，羟基磷灰石与聚己内酯制成的复合材料结合了两种材料的优势，具有更好的生物相容性、生物可降解性和力学性能的优势[8]。

3 骨组织工程支架的传统制作方法

制作骨组织工程支架不是材料的简单堆积，在制作过程中，不仅要考虑支架的孔隙率和孔径大小，还要考虑其支架结构的力学支撑特性。传统的组织工程支架制造方法主要有溶剂浇铸/颗粒浸出、气体发泡、冷冻干燥等，每种方法都有其不同的优缺点。

溶剂浇铸/颗粒浸出技术是将致孔剂与材料溶液相混合后，形成聚合物-致孔剂网络复合物结构，复合物中的溶剂蒸发使支架硬化，随后用水或有机溶剂溶解致孔剂，从而形成了具有孔隙结构的支架[23]。这种制作方法需要的技术相对简单，可形成具有规则孔隙率和孔径的支架。但是此方法难以控制支架产生的孔隙形状和使孔隙互相连通，且在制作过程中需要使用有机溶剂，因此不能将细胞或生长因子直接添加于支架中，还可能导致有机溶剂的残留， 目前已很少使用此方法制造骨组织工程支架。

气体发泡法与溶剂浇铸/颗粒浸出技术的主要区别是，气体发泡法使用气体作为致孔剂，其优点是避免了制作过程中使用有机溶剂。但是通过气体发泡技术制作的支架材料仍然很难控制孔径大小、孔隙率及孔隙的连通性[24]。

冷冻干燥技术的原理是将聚合物溶液与水或有机溶液在低温条件下冷冻结晶而得到聚合物相和固溶相，然后在真空条件下使固溶相升华而去除溶剂，从而得到具有互连多孔结构的干燥聚合物支架。与其他方法相比，冷冻干燥技术的优势是其制备支架的过程是在低温状态下进行，可最大限度地保留材料原有的理化性质和生物特性，而且制作过程避免了固体致孔剂的应用。但采用冷冻干燥技术制作支架的过程仍需要使用有机溶剂，且处理时间较长，仍存在孔隙率难以控制的问题。

4 生物3D打印技术制作骨组织工程支架

由前述可知，采用传统的骨组织工程支架制作方法所制作的支架存在的主要问题是难以精确控制支架的孔隙大小、孔隙分布、孔隙率及孔隙之间的连通性。与之相比，3D 打印技术在一定程度上克服了这些问题。

3D 打印技术是以计算机数字模型数据为基础，通过逐层叠加材料的方式，精确制造出三维立体实物模型的技术[25]。近年来，3D打印技术在骨组织工程中的研究和应用极大地推动了骨缺损再生修复的研究和发展[26]。利用3D打印技术能对骨组织工程支架制作过程进行精准控制，如3D打印技术可以有效并精准地控制支架的孔隙大小、分布及孔隙率，从而达到使孔隙间相互连通的效果。此外，通过CT、MRI等方式获取骨缺损的个体化数据，然后结合3D打印技术进行精确的数字化设计，可以使支架形态与骨缺损的形态相匹配，从而实现支架的个性化制造。

近年来，利用生物源性羟基磷灰石作为骨缺损修复材料逐渐受到关注。羟基磷灰石主要来源于鱼、牛、猪或其他生物的骨组织，其主要优势是来源广、成本低，不仅具有良好的生物相容性，而且其化学成分与人体骨组织的矿物成分有很大程度的相似性[27-28]。

与人工合成的羟基磷灰石相比，羟基磷灰石更加安全，因为在羟基磷灰石的制作过程中不需要添加化学物质[29]。而且羟基磷灰石通常含有少量的碳酸盐、镁和钠等微量元素，这些微量元素在促进骨代谢过程中起着非常重要的作用[30]。但羟基磷灰石的缺点也很明显，如生物脆性大，不能提供良好的机械力学性能。因此有学者根据羟基磷灰石的特点，将其与聚己内酯相结合，并运用3D打印技术开发了聚己内酯/羟基磷灰石复合材料用于骨缺损修复，其在动物实验中取得了良好的效果，且应用40%含量的羟基磷灰石与60%含量的聚己内酯混合制作而成的复合材料有着与人体松质骨相似的力学性能[31]。

5 小结与展望

综上所述，以羟基磷灰石为载体的复合修复材料被认为是与人体骨组织生物性能最接近的人工合成材料，其具有综合的力学性能、生物相容性和促成骨生成等优点，但是应用该类材料时仍需解决复合材料在人体内的降解速率与新骨生长速率的匹配、聚合物材料与羟基磷灰石表面结合的能力、复合材料在植入部位对细胞和蛋白质的吸附问题，以及材料力学强度匹配、复合材料的促成骨、促血管化能力等多方面的问题。随着科技的进步，用于修复骨缺损的材料会源源不断地被研制出来，而最优的骨组织修复材料不单单是对材料的选择，材料的制作工艺也决定着材料的性能，如何将材料与制作工艺相结合也是今后研究的重点。期待未来能够早日制作出用于修复骨组织缺损的理想支架材料，并将其广泛应用于临床，造福患者。