负载骨碎补活性成分的骨缺损修复支架材料的最新研究进展

周志妍 张晔

[摘要] 近年来，骨组织工程技术应用于骨缺损修复逐渐受到学者重视，在支架材料中植入具有成骨作用的中药或其活性成分成为骨缺损修复的一个重点研究方向。骨碎补及其主要成分骨碎补总黄酮、柚皮苷可促进骨组织再生，促进成骨，进而修复骨缺损。本文对负载骨碎补或其主要活性成分的支架材料在骨缺损修复应用中的研究进展进行综述，旨在为骨缺损的临床治疗提供理论依据。

[关键词] 骨碎补；柚皮苷；骨缺损；支架材料；骨组织工程

[中图分类号] R782.2      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.15.022

骨缺损指骨结构的完整性受到破坏，造成骨缺损的原因有先天性疾病、创伤、感染和骨相关手术等[1]。自体骨移植是临床治疗骨缺损的金标准，但自体骨来源有限，手术过程较痛苦；异体骨移植易出现术后排异反应和免疫炎症，存在一定风险，在大面积骨缺损修复中应用受限。研究发现在支架材料中植入具有成骨作用且对骨组织具有再生作用的中药活性成分，骨缺损修复的效果更佳[2]。

骨碎补为中医骨伤科常用中药，应用于牙齿松动、筋骨折伤等疾病的治疗[3]。现已证实，骨碎补可用于临床抗骨质疏松、促进骨组织修复等治疗中。从骨碎补根茎中可提炼出有效成分骨碎补总黄酮（osteopractic total flavone，OTF），其中柚皮苷（naringin，NG）是OTF的主要活性成分，二者均可抑制炎症因子的表达，对各种骨相关炎症反应发挥抑制作用[4-5]；同时，二者还对间充质干细胞的成骨分化和成骨细胞的成骨活性、细胞分化与增殖等具有促进作用，可有效抑制破骨细胞引起的骨吸收，参与破骨–成骨改建过程[6-8]。骨碎补具有较好的成骨作用，其与支架材料复合后，具有良好的生物相容性和控释能力，被视作较好的骨生长因子替代材料，适用于骨组织工程相关研究。本文对负载骨碎补或其主要活性成分的支架材料在骨缺损修复应用中的研究进展进行综述，旨在为骨缺损的临床治疗提供理论依据。

1  负载骨碎补的天然生物衍生材料

富血小板血浆通过体外周血离心获得，其富含血小板源性生长因子、转化生长因子等。高浓度下联合应用这些生长因子，可促进细胞再生，刺激成骨，促进骨折愈合，是一种良好的天然生物材料，可广泛应用于口腔科、骨科等领域[9-10]。研究发现富血小板血浆联合骨碎补活性成分NG，可协同促进人骨髓间充质干细胞的体外增殖，诱导成骨分化[11]。

2  负载骨碎补的人工骨材料

2.1  负载骨碎补的无机材料

羟基磷酸钙是人及其他脊椎动物骨骼主要的无机成分，具有良好的生物相容性和骨引导作用，为骨的生长和形成提供良好条件[12]。研究表明，骨碎补–羟基磷酸钙复合材料较单纯使用羟基磷酸钙具有更明显的促骨修复作用[13]。磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）性质稳定，可降解，是骨骼系统负载药物的理想载体[14]。董航等[15]在鼠骨缺损模型中发现，负载OTF的CPC可促诱导膜成骨，提示OTF可通过提高骨细胞中血管内皮生长因子的表达，促进毛细血管网新生及成骨细胞分化。

2.2  负载骨碎补的有机高分子材料

2.2.1  天然高分子材料  明胶是常用的天然高分子材料，具有高亲水性、高生物相容性、高生物活性、低免疫原性及低成本等优点，是骨组织工程的理想材料[16-17]。明胶在制备纳米粒子、表面涂层、复合支架中表现出优异性能[18]。Wong等[19]研究发现，NG具有3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶抑制作用，可增加骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-2基因的表达。相较于自体骨移植和单独应用明胶，联合应用明胶和NG能更有效地促进骨再生，提示NG可作为骨诱导和骨缺损修复的安全药物使用。壳聚糖（chitosan，CHI）可抑制伤口感染并促进伤口愈合，具有优异的生物相容性和可降解性，在骨组织工程领域应用较广泛[20-21]。研究表明，含骨碎补的CHI温敏凝胶对牙周组织有促进修复和再生的作用[22]。另有研究发现，可注射的海藻酸基修复材料与OTF联合应用可促进骨缺损处骨的再生，缩短创伤恢复时间，提高修复质量，为中西医结合治疗骨缺损提供新思路[23]。

2.2.2  人工合成有机高分子材料  通过静电纺丝技术制成的纳米纤维膜的功能和结构与天然细胞外基质相似，但其孔隙率、表面积/体积比值均有所提高；当负载大分子物质时，可利用局部控釋功能对组织进行修复[24-25]。Ji等[26]将NG包埋在聚己内酯–聚乙二醇–聚己内酯三元嵌段共聚物纳米纤维中，可改善支架的亲水性、药物释放行为及材料的降解速率；控释的NG纳米复合物表现出修复骨质疏松性骨缺损的潜力。有文献报道，串珠样结构纳米纤维膜载NG较一般纳米纤维膜具有更好的亲和性，可有效提高释放药物性能的效率和降解速率[27]。

NG能够抑制脂肪生成，且仅促进人骨髓间充质干细胞成骨。Lavrador等[28]制作以NG为载体的甲氧基聚乙二醇-马来酰亚胺-硫醇-聚乳酸导入脂肪干细胞，发现甲氧基聚乙二醇-马来酰亚胺-硫醇-聚乳酸具有较高的NG包封率，可增强其对脂肪干细胞的成骨作用。细菌纤维素材料由多种微生物发酵合成，结构和形态均与骨胶原纤维十分相似，与NG联合使用可加速钙盐沉积成骨，成骨作用明显优于自体骨移植和单纯胶原基质移植[29]。

3  负载骨碎补的人工复合材料

3.1  骨碎补复合有机-无机材料

乳酸和羟基乙酸共聚生成高分子有机化合物聚乳酸–羟基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]，可在人体内代谢，最终经呼吸和循环系统排出体外，PLGA常作为大分子药物治疗载体发挥作用，其控释系统研究广泛[30]。陈虹舟等[31]将制备的OTF-PLGA/CPC复合支架植入兔骨缺损处，该复合支架可促进新骨形成并加速骨愈合，OTF在PLGA微囊包裹中缓慢释放，直接作用于骨缺损部位，达到局部稳定的血药浓度。Li等[32]将生物玻璃（bioglass，BG）/海藻酸钠可注射水凝胶与琼脂糖/NG水凝胶相结合，形成模型材料NG-BG水凝胶并植入骨缺损处，发现注射用NG-BG水凝胶可提高NG的生物有效性。阿仑膦酸盐（alendronate，ALD）是一种双膦酸盐类药物，可有效阻止破骨细胞的吸收和分化，是一种重要的骨吸收抑制剂[33]。朱必涛[34]制备PLGA+明胶/ALD/NG复合载药支架，置于SD大鼠颅骨骨缺损处，ALD和NG协同作用，从成骨细胞和破骨细胞两方面促进骨再生。相较于单载药复合支架，共载药复合支架可有效促進成骨基因BMP-2的表达，骨修复效果更佳。

β-磷酸三钙是一种合成的促骨生物材料，常用于改善骨置换的成骨特性[35]。申震等[36]将β-磷酸三钙与有机化合物复合制成β-磷酸三钙支架，并负载OTF，形成缓释微球；将该复合支架植入大鼠骨缺损中，发现OTF/β-磷酸三钙支架能上调转化生长因子-β的表达，对大段骨缺损有良好的促愈合作用。综上，该方法通过改善OTF的给药方式，提高成骨效能，为临床应用提供实验依据。

3.2  骨碎补复合天然-无机材料

胶原（collagen，COL）存在于结缔组织中，与羟基磷酸钙一同构成天然骨骼的重要成分，具有优良的生物学特性[37]。研究表明，以纳米羟基磷酸钙（nano-hydroxyapatite，n-HA）、胶原复合材料作为药物载体负载NG，合成的NG-nHA/COL的化学结构和力学性能均达到理想状态[38]。NG-HA/COL支架能够增强人牙髓干细胞的增殖能力和成骨分化潜能[39]；另一复合支架NG-CHI/HA在一定程度上可加速新骨生长，促进骨缺损的愈合[40]。Lai等[41]将NG负载到表面包覆CHI层的二氧化钛纳米管中，构建钛表面药物控释系统，这一结构可增强成骨细胞的扩散、增殖、矿化，提高碱性磷酸酶活性，进一步加强生物相容性和生物降解性。

明胶甲基丙烯酰水凝胶是骨组织工程应用中最有前途的支架材料之一，具有优异的化学调节性和生物相容性及体内外骨再生潜力。国内学者将NG与明胶甲基丙烯酰、COL联合，分别制成NG缓释和暴释的水凝胶纳米棒结构复合材料，该复合材料能促进大鼠骨髓间充质干细胞的生长和成骨分化，且暴释型NG效果更显著[42]。Chen等[43]将栀子苷元、明胶、磷酸三钙混合物与规定浓度的NG混合，形成的复合材料应用于兔颅骨，发现新骨形成活跃，具有良好的成骨活性。

丝素蛋白（silk fibroin，SF）是一种机械强度高、可降解、生物相容性好且易处理的天然生物高聚物[44]。Zhao等[45]发现NG可促进骨髓间充质干细胞向SF/HA支架内生长，促进成骨分化。

3.3  新型负载骨碎补相关复合材料

天然鲑鱼卵磷脂富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，主要是亚麻酸（ω-3）和亚油酸（ω-6），这些物质在防止骨吸收、增加体内骨量的同时，可发挥骨保护作用[46-47]。Elkhoury等[48]制备全天然生物活性纳米复合水凝胶，该水凝胶由NG负载鲑鱼衍生的纳米脂质体构建块组成，并嵌入到光交联凝胶网络中，可安全地应用于骨组织工程。黄俊波等[47]将NG制备成缓释药物，将其与胶原蛋白、凹凸棒石复合制成负载NG的凹凸棒石/胶原蛋白的3层复合支架，结果显示构建的复合支架具有良好的成型特点、较高的孔隙率和生物相容性，NG可发挥控释效果，能更好地促进骨形成。

综上，如何较好地修复大面积骨缺损的骨组织是当前临床治疗的一大难题，需面临取材困难、骨来源有限、手术痛苦等限制。骨组织工程将生命科学和材料科学等学科特性相结合，在修复骨缺损治疗策略的制定中发挥重要作用。将中药及其活性成分负载于支架材料中，二者联合组成药物复合支架材料，已应用于口腔、骨科、心血管等医学领域，是骨组织工程未来发展的重要方向。

多项研究证明，骨碎补具有促进骨髓间充质干细胞和成骨细胞增殖、分化的作用，可抑制破骨细胞生长，参与骨改建。将骨补碎或其主要活性成分OTF、NG加载于支架材料中，是临床治疗骨缺损较好的策略。本文对不同支架材料特性分析后发现，与天然生物材料相比，人工复合材料与多种材料复合后的生物学性能和孔隙率均有所提高，较单纯人工材料表现出更理想的降解率、生物相容性。

目前，关于负载骨碎补的支架材料研究仍停留在初期阶段，临床疗效尚不明确，需在许多方面进行改进。但与传统口服骨碎补相比，负载骨碎补的支架材料可有效避免低生物利用率和首过消除效应；同时负载中药有效活性成分的支架材料对修复骨缺损比单纯支架材料效果更优，可有效缩短愈合时间，具有一定的临床应用前景。

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