应用于骨组织工程的海洋来源天然活性物质的研究进展

赵启航 吕娜珺 郭庆圆

【提要】 海洋中蕴藏着各种各样的生物活性物质，地球上约有80%的生物活性物质存在于海洋，开发来源于海洋的药物和材料极具潜力。海洋来源的活性物质主要包括生物信息物质、生物生理活性物质、海洋生物毒素及生物功能材料等。本文简要介绍了在骨组织工程领域有研究开发前景的海洋活性物质的若干进展。

骨骼是一个动态的可自我修复器官，持续性的骨重塑可确保骨骼结构和功能随时间迁移而逐渐恢复，但骨的自愈性重建无法修复大型创伤性损伤。因此，需要手术干预和使用骨的替代物。骨组织工程的目的是修复和再生组织，并将骨移植物作为骨替代物进行工程化。为了实现这一目标，海洋类的天然或合成聚合物被用于开发具有低毒性和环保型的生物材料。海洋中蕴藏着各种各样的生物活性物质，地球上约有80%的生物活性物质存在于海洋，开发来源于海洋的药物和材料极具潜力[1-2]。海洋来源的活性物质主要包括生物信息物质、生物生理活性物质、海洋生物毒素及生物功能材料等[3]。其中，海洋来源的天然聚合物具有较高的生物相容性、良好的生物降解性和无毒性[2]。到目前为止，胶原、壳聚糖、海藻酸盐以及牡蛎壳等活性成分已被单独或联合应用于骨组织工程研究中。这些聚合物已被用作支架、水凝胶和微纳米球。海洋来源的聚合物与生长因子的功能化增加了聚合物骨再生的潜力[4]。

海洋来源的活性物质是一类天然的高分子材料，在再生医学领域具有广泛的应用价值。由于海洋来源的活性物质所构成的材料与其他普通材料相比具有更突出的优势，且大量的体内外研究均证明了来自海洋的活性物质能够促进骨再生[5]。利用生物活性物质的优良特性可制造性能优于自体骨移植和异体骨移植材料的可再生新型材料[6]。

目前，矫形外科、口腔外科、神经外科、颌面外科等都需要应用骨植入技术来解决临床问题。先前的研究显示，使用骨移植物替代术已经取得了突破性的进展，但大多数骨粉依然来源于尸体捐赠者[7]，而现在的研究发现海洋来源的活性物质植入物引起的排斥反应很低，而且很少有并发症。本文对骨组织工程领域有研究开发前景的海洋活性物质的若干研究进展进行综述。

1 壳聚糖

1.1 壳聚糖的来源

从海洋生物中提取的天然物质壳聚糖，具有低成本和生态环保的效益，是迄今发现的唯一与细胞外基质多糖外壳化学结构类似的天然阳离子多聚糖[8]。壳聚糖凭借其优良的生物特性（极好的生物相容性、环境友好性、优良的溶解性、低成本和极高的生物学活性）被广泛应用于各个行业。

海洋材料壳聚糖是甲壳素中的一类去乙酰化多糖成分，而甲壳素是一种主要存在于海洋甲壳类动物生物外壳和真菌细胞壁中的天然活性聚合物。在去乙酰化后，亮聚糖可以很容易地与DNA、蛋白质、脂质或带负电荷的合成聚合物相互作用[9]。壳聚糖的特性不仅可以提高其在机体内的溶解度、生物降解性和生物相容性，而且能直接促进壳聚糖材料的黏附、止血和抗菌性能。加上壳聚糖成本低廉，在生物制药和生物医学领域被广泛研究和应用了数十年，并且天然化合物比合成化合物有一些显著的优势，如愈合更快，与人体亲和性更高。由于天然化合物不表现出疾病传播风险和免疫排斥反应，可以低成本替代肌肉组织和骨组织。因此，壳聚糖在骨组织工程领域显示出了良好的潜力[10]。

1.2 壳聚糖在骨组织工程的应用和优势

在骨组织工程与再生医学研究中，骨生物支架能否成功应用很大程度上取决于生物支架的性能，包括要求生物材料必须有良好的生物溶解性、高度生物相容性、较高孔隙率，且具备一定的早期机械稳定性和早期骨引导性等，这也是骨组织工程中生物支架应该满足的最基本要求[11]。

壳聚糖生物骨支架已被证明可以促进血管壁的发育和骨基质矿化物的沉积[12]。人成骨细胞可在支架的天然粗孔径和密集孔隙的引导下，在支架表面甚至内部黏附生长和定殖。实验证明，壳聚糖支架填充的牙窝牙槽骨密度比未经治疗的牙窝要高[9]。

大量的体内外研究证明，壳聚糖基支架在骨工程方面具有生理惰性和低毒性[13]。此外，以壳聚糖为基础的材料应用于人体后，没有产生过敏和炎症反应。

壳聚糖的生物降解性和生物相容性使其适合作为一种生物材料和硬组织再生的支架。

1.3 壳聚糖在骨组织中应用中的局限性

壳聚糖与人体内各类细胞的相互作用，以及这种作用对成骨细胞的功能或活性的影响还有待进一步的深入研究[15]。尽管壳聚糖及其降解产物完全不具有抗原性，也不会产生相应抗体，但这种海洋活性物质植入人体后可能会激活人体其他免疫系统（如免疫细胞）而产生不同程度的排斥反应，这些都需要进行更深入的研究[16]。

1.4 关于壳聚糖的未来展望

将天然活性物质壳聚糖与其他天然或合成聚合物混合形成的生物材料，可以有效地控制生物复合支架的孔隙率和保水性，降低其生物降解率，增强骨支架生物活性和生物相容性，借此提高骨支架的机械性能。这种骨组织复合支架不仅没有细胞毒性，更能促进细胞的附着和增殖，从而进行组织修复。相信在不久的未来会有更多的学者进行复合支架的研究，使之更好地应用于临床。

2 海藻酸盐

2.1 海藻酸盐的介绍

海藻酸盐主要是从海洋生物褐藻类中提取出的高分子天然聚合物，分子式是由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）连接而成。海藻酸盐因其优越的生物相容性和与水的高黏性，被广泛用于食品的凝固剂、牙科取模剂、骨再生支架，增稠类仿生材料和影像材料中[17]。近年来，海洋活性物质海藻酸盐在骨组织工程研究中的作用逐渐被发现并引起重视，逐渐成为骨组织工程新材料研发的焦点。

2.2 海藻酸盐在骨组织工程方面的应用和优势

2.2.1 海藻酸盐水凝胶

海藻酸盐成为骨组织工程支架材料，必须先形成水凝胶或生物支架。海藻酸盐形成水凝胶的方式主要有两种：离子成胶和光交联成胶[18]。海藻酸盐自身含有大量的羧基，在纯水溶液中可以出现聚阳离子的行为，因此在较温和的条件下能与多价阳离子发生反应迅速形成水凝胶；也可以通过化学合成的途径，引入带有碳碳双键的小分子有机化合物（如2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐），再通过长波紫外线光交联形成水凝胶[19]。这两种成水凝胶的方式是目前最常见的，凝胶形成需要的条件温和，也要避免被一些药物、蛋白质、细胞和酶等活性物质降解造成失活[20]。海藻酸盐水凝胶由于绿色无污染，与机体相容性良好、可塑性高，凝固性能优越、来源广泛等，可以为细胞和生长因子提供完整且优良载体，从而被用于骨组织工程的研究[21]。

2.2.2 藻酸盐成骨再生支架

支架对于骨组织工程至关重要，可显著影响种子细胞的行为[22]。另外，由先天性畸形、创伤、肿瘤、炎症引起的颌面骨缺损会导致明显的美学畸形，以及口腔、上颌面肌的功能障碍[15]。骨移植支架作为骨组织工程再生技术的基础，因其损伤低、来源好、准确等优点而越来越受欢迎。天然衍生的聚合物，由于其生物相容性和生物降解性，易于在几何图形中迅速成型，可以支持细胞-基质相互作用，具有应用于骨组织工程的潜力[23]。

海藻酸盐是可降解性质聚合物，由月桂酸和甘露糖酸组成[24]，广泛应用于生长因子传递、细胞包封和骨丢失或失效的多孔支架等方面[25]。冷冻干燥法可方便地制备多孔海藻酸盐支架。

2.3 海藻酸盐在骨组织工程应用中的局限性

海藻酸盐水凝胶，无论是阳离子成胶法还是光交联成胶法，都存在机械强度低或者成骨诱导能力差的问题[17]。研究发现，可以通过引入与成骨相关的阳离子，或引入成骨相关生长因子，或作为基因传递的载体[26]，也可与其他的骨组织工程材料联合制备形成新型复合材料，来提高海藻酸盐水凝胶的机械强度或成骨性能[19]。

2.4 关于海藻酸盐的未来展望

未来可以通过升级骨再生支架的制作工艺和制造方法，制备出用途更广泛、临床实用性更好的海藻酸盐成骨支架。海藻酸盐应用于骨组织工程只有十几年，未来要对其作用机制进行更深入研究，成骨支架也有待于深度开发。海洋来源的海藻酸盐如果作为药物载体类材料，相关研究还需不断深入和完善[27]。

3 海洋类胶原

3.1 海洋类胶原的介绍

胶原蛋白一直是应用最广泛的生物材料之一，具有多种生物医学应用。最近，从海洋鱼类的皮肤、鳞片、鳍和废物中分离出天然的海洋蛋白，在鱼的皮肤和肌肉结缔组织中，获得Ⅰ型和Ⅴ型胶原蛋白，具有非常好的生物相容性、生物降解性、稳定性、安全性，易获取且无抗原性。各种各样的海洋胶原蛋白基支架已经被开发出来用于骨组织工程[28]。

研究证明，陆地生物中获得的胶原蛋白存在传播疾病的风险，并导致不良的免疫反应，如牛海绵状脑病[29]。海洋胶原蛋白没有传播疾病的风险。海洋来源的胶原蛋白可以在骨组织工程中作为支架材料[30]。胶原易于加工，又能与其他生物材料结合，提高成骨性能[31]。胶原蛋白的多肽主干上的功能团可以与生长因子、基因和治疗性生物分子相结合[32]。

3.2 海洋类胶原在骨组织工程的应用和优势

胶原蛋白可以被制成海绵，Ⅰ型胶原蛋白制备的海绵能招募血小板并发挥物理作用，具有良好的止血作用[32]。胶原蛋白敷料也用于组织修复；胶原蛋白的生物膜也被证明可以加速皮肤组织的修复。结合了蓝鲨胶原蛋白、壳聚糖和HA 的复合支架可以解决细胞播种低效率、分解产物具有细胞毒性等问题。海洋类胶原已经应用于医疗、食品材料、饲料工业、化妆品等各个行业。

基于海洋胶原蛋白支架的力学特性，由鱼胶原蛋白制备的复合支架具有高刚性、低生物降解率、良好的生物相容性和成骨性能[34-35]。此外，胶原蛋白也被证明可以上调成骨mRNA 和蛋白的表达[36]。研究发现，羟基磷灰石与胶原蛋白结合可促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化[37]。使用地塞米松胶原支架可促进骨髓间充质干细胞的体外成骨分化。通过胶原/羟基磷灰石复合材料传递神经生长因子β（NGF-β）可增加大鼠的新骨生长[38]。胶原蛋白在骨再生中具有巨大的潜力。在临床试验中，胶原蛋白是一种用于骨组织修复和再生的重要聚合物，在新骨形成方面显示出了良好的结果[39]。

3.3 海洋类胶原在骨组织应用中的局限性

当前面临的挑战是如何找到合适的胶原，以及胶原的提取和纯化。

3.4 关于海洋类胶原的未来展望

海洋类胶原蛋白在骨组织工程领域的应用仍处于起步阶段，需要在这一领域进行更多的研究，以深入了解细胞反应和海洋胶原支架的动态行为，从而充分发挥海洋胶原在骨组织工程中的应用潜力。

4 牡蛎壳

4.1 牡蛎壳作为生物材料的可行性

牡蛎养殖是最发达的水产养殖活动之一，研究发现牡蛎壳可用于骨组织工程研究[40]。牡蛎壳复合型骨材料横断面为同心圆，排列成致密的骨板样结构，厚度200～300 nm，与人体骨板、哈佛氏管、浮克曼管的数量、密度、形状、孔径及走向规律相类似[41]。不同种类的牡蛎全世界年产量在80 万吨以上，来源丰富，含有丰富的微量元素和大量的氨基酸，拥有极高的皮质骨替代潜能[42]。

4.2 牡蛎壳在骨组织工程中的应用和优势

牡蛎壳纳米颗粒的形成过程与人类骨沉积过程基本类似[43]，同时，牡蛎壳具有良好的生物相容性、生物降解性、优良骨传导性及良好的成骨性能[44]。研究证明，复方牡蛎壳钙剂在动物体内吸收速率，利用率比普通西药和陆地生物钙剂要高得多。实验用排液法测得的牡蛎壳材料孔隙率高达40%～50%，牡蛎壳的多孔结构形成的三维通道增大了自身与受植区组织器官的接触面积，有利于加速界面的结合过程[45]，为新骨组织长入提供足够的通道和容纳区域，并为骨诱导所需物质提供空间，加之孔隙相通使新生成的骨组织从材料的表面进入材料内部更容易，结构更稳定[46]。该材料可根据需要，通过预先定制或注塑等方式来成形[47]，方便操作，植入后可为缺损区组织提供足够的硬组织保护[48]。

4.3 牡蛎壳在骨组织应用中的局限性

当前，专门针对牡蛎壳分离培养的新技术比较有限[49]，牡蛎离开海洋后的成活率也比较低，能提取的生物类型比较少[50]。

4.4 关于牡蛎壳未来展望

牡蛎壳来源广泛，价格低廉，成本几乎是零。对牡蛎壳进行医学类研究发现，牡蛎壳中含有大量的活性钙，是骨骼、牙齿发育必不可少的组成成分，未来可将其开发成补钙剂和骨支架，解决骨缺损和骨质疏松的问题。

5 海洋来源的活性物质的优势和局限性

目前，已被研究利用的海洋生物种类有两千多种，其数量虽不敌传统的陆地生物，但就成骨活性来说，海洋来源的活性物质具有明显的活性稳定性和成骨分化高效性。其次，海洋活性物质毒副作用也低于人工合成的传统活性物质。另有文献证明，在极端恶劣环境下，海洋生物群具有极强的适应环境的能力，能产生结构特异、性质特殊的宝贵的海洋生物活性物质。海洋来源的活性物质具有生物相容性更高、毒性更小、分布广泛、造价便宜等优势。但是，海洋活性物质的开发也存在一些亟待解决的问题：①海洋天然生物中的活性物质的相关结构和作用机制依然需深入研究，来确保绝对安全性[52]；②许多海洋活性物质在海洋生物体内的含量较低，提取不易，需要大量的人力物力，且难以工业化生产。

6 总结

本文对近几年来不同的海洋活性物质构成的材料、处理工艺以及成骨效能进行了较为全面的总结[53]。壳聚糖生物材料机械效能低、弹性模量差和引发的炎症问题仍需进行改善[54]；以此制备的骨再生支架也存在力学性能不佳的问题[57]。海藻酸盐生物支架及水凝膜的远期效果仍需临床上的进一步应用观察和验证，该类骨支架脆性大、易断裂，硬度又不足，因此今后的研究应主要聚焦于对其性能的优化[58]。牡蛎壳生物材料与骨组织的沉积方式最为接近，但其机械强度和成骨机制仍需进一步研究[59]。海洋来源的胶原物质材料提取率低，通过改良新的提取技术和办法，将多种处理方法有机结合起来[60]，开发新型的复合结构的骨组织工程支架才是更有实用价值的研究方向。