硫酸钙人工骨修复骨缺损的研究进展*

李东晨 李忠 马腾 路遥 黄强 许毅博

骨缺损在临床上常由于感染、骨质疏松、严重创伤、恶性肿瘤或先天性遗传疾病等所致[1]，其病程迁延难愈，复发率高，患者经济负担重，治疗过程中也往往伴有各种并发症和功能障碍，严重影响患者的身心健康和生活质量，很多患者因病致贫。研究发现，一般小型楔形的骨缺损可以通过自身一期或二期愈合来达到缺损的愈合，然而当缺损较大（超过4 ～ 6 cm）或有节段性缺损时，则无法通过自身修复而愈合，往往需要通过骨移植等手段来修复缺损[2]。常用的骨移植材料有自体骨、同种异体骨、异种异体骨及人工骨等。目前，自体骨植骨是修复骨缺损的“金标准”[3]，但常因供区提供的骨量有限，并且易发生供区疼痛、感染、血肿、神经损伤及形成新的骨缺损等而导致其治疗有着一定的局限性。异体材料（包括同种异体骨、异种异体骨）虽然消除了自体骨移植造成的一系列并发症，但也存在着组织相容性差、对供区血供要求高等因素[4]，使之在临床上运用受到限制。人工骨来源广泛、种类多样、制备简易、生物降解性高（部分人工骨材料），可与成骨细胞、细胞因子等制备成复合人工骨材料，在临床上备受青睐。硫酸钙（calcium sulfate，CS）作为最常见的一种人工骨材料，在临床中的使用可以追溯到19 世纪末，首次被Dreesman 应用于治疗结核引起的骨缺损[5]。由于其具有生物相容性好、生物可吸收降解性高、机械性能好、制备成本相对低廉、原材料来源丰富等优势[6]，被广泛地应用于骨科和牙科等领域，本文就近年来以硫酸钙为基础的人工骨植骨材料的研究进展作一综述。

1 硫酸钙人工骨的基本特性

硫酸钙又称巴黎石膏[7]（poster of Paris，POP），存在3种形式：①二水硫酸钙（calcium sulfate dihydrate，CSD），又称作生石膏，是其在自然界中主要的存在形式；②半水硫酸钙（calcium sulfate hemihydrate，CSH），俗称熟石膏，因其优秀的生物相容性、骨传导性，以及体内降解可吸收性等优势在医学领域被广泛运用到骨修复中[8]；③无水硫酸钙（calcium sulfate anhydrite，CSA）也称之为硬石膏，主要用作建筑、化工原料。二水硫酸钙在150℃条件下煅烧，会失去1.5个水分子，形成半水硫酸钙，反应如下：

半水硫酸钙存在着α 和β 两种结构，α-半水硫酸钙（α-calcium sulfate hemihydrate，α-CSH）在结构上为有序的棒状或棱柱晶体，而β-半水硫酸钙则是由无规则的具有毛细小孔的晶体聚集而成，并且由于二者不同的颗粒特性，前者相较于后者凝固所需的水更少，并且其形成的二水化合物的抗压强度更高且更难溶[9]，因此，医学上硫酸钙材料常为α-半水硫酸钙。半水硫酸钙与1.5个水分子结合水化后，形成二水硫酸钙并释放一定的热量，反应如下：

良好的生物相容性是材料作为植入物的必要条件，植入宿主体内后不会引起明显的宿主反应才能后续考虑此材料的其他方面性能表现。硫酸钙材料作为一种在临床应用历史悠久的骨移植材料，其良好的生物相容性与可降解性已在临床上中被广泛证实[10]，但其材料自身缺乏骨诱导性，制约了硫酸钙材料的发展与临床应用。也有部分研究发现，尽管硫酸钙自身不具备诱导性，但其在植入宿主局部降解形成的高钙和低pH环境中可能会刺激成骨髓间充质干细胞分化成骨，同时硫酸钙在缺损部位的填充起到了支架作用，进一步促进骨的矿化过程，这可能是硫酸钙促成骨的机制[11]。

2 硫酸钙人工骨的应用

2.1 与天然高分子材料复合的硫酸钙材料

硫酸钙尽管作为人工骨材料在临床上应用已久，但由于其过快的降解速率，而导致在新骨形成之前发生材料实质性的降解[12]，使硫酸钙在临床上的应用受到限制。近些年来，有研究发现，通过将硫酸钙与天然高分子材料复合，可以调节其降解过快的问题。天然高分子材料包括壳聚糖、丝素蛋白及透明质酸等。Chen等[13]研究了一种新型的复合骨替代物，即以掺锶的α-半水合硫酸钙为基质，壳聚糖作为包覆材料制备成微胶囊，结果表明通过壳聚糖的包覆，使其具有了独特的抗菌性，并且有效调节了掺锶的α-半水合硫酸钙的降解速率，使其与新骨形成的速率更好地匹配，另外通过体内体外生物相容性实验评价，此胶囊还具有细胞毒性低、不易诱发炎症等特点。Xu等[14]通过对硫酸钙骨水泥引入不同类型的丝素蛋白，与单纯硫酸钙骨水泥组对照发现，引入丝素蛋白的硫酸钙骨水泥的机械性能得到了增强，缩短了骨水泥的凝固时间，其中以纳米纤维丝素蛋白（silk fibroin nanofibers，SFF）的改进效果最好，由于SFF 可以均匀地分散在水中，使得钙离子和蚕丝纤维的有机官能团的羧基与羰基末端互相作用、吸引，从而提高了复合硫酸钙材料的抗压强度，并且SFF 中的诸多极性基团加快了水分子的结合，使得骨水泥的凝固时间得到了加速。同时通过在复合材料上培养小鼠MC3T3细胞并通过光密度值评估细胞成活数，发现复合材料上的细胞生长增殖情况良好，证明了引入SFF 后并未导致硫酸钙材料的生物相容性发生明显降低。

2.2 与无机分子材料复合的硫酸钙材料

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）由于其与人体骨骼的无机成分相似，具有优异的生物学特性及良好的骨传导性，在牙科和骨科的骨重建中使用较广泛[15]，当以微球的形式制备时作为骨移植材料效果最佳，HA 的球形颗粒和小尺寸使微球能够均匀地填充到复杂形状的缺损中而不会发生颗粒团聚[16]。然而通过HA 微球输送生长因子等物质时依旧还是存在着输送速度过慢、释放总量相较于总运载量过低等问题[17]。Baek等[18]研究将棒状硫酸钙晶体嵌入负载骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）的HA微球内，随着硫酸钙在生理条件下逐渐溶解，使得HA微球的孔径和孔隙率得到了增加，从而改善了HA微球材料释放BMP-2的总量和速率，进而提高了运载BMP-2的HA微球材料刺激骨再生的能力，与HA 微球材料相比，羟基磷灰石-二水硫酸钙（hydroxyapatite-calcium sulfate dihydrate，HA-CSD）微球的运载、释放BMP-2 的能力得到了大幅度增强。Chen 等[19]运用3D 打印技术制备均一孔隙率的羟基磷灰石-硫酸钙（hydroxyapatite-calcium sulfate，HA-CS）生物支架，通过对比HA 与HA-CS 支架在模拟体液中的降解情况，发现HACS 支架在机械强度和生物降解性方面表现更加优异，同时将运载血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的HA-CS 支架用于修复兔股骨骨缺损，结果表明HA-CS/VEGF支架相较于HA 支架具有更好的骨诱导特性，能更好地促进骨的再生和改建。Xu等[20]将磷酸钙引入硫酸钙骨水泥中，制备了一种复合的硫酸钙骨水泥，随着磷酸钙含量的不断增加，复合骨水泥的凝固时间不断延长，力学强度则表现为先上升后下降，过高含量的磷酸钙会影响α-半水硫酸钙（α-CSH）向二水硫酸钙（CSD）的转化，进而降低硫酸钙的抗压强度。当磷酸钙的浓度为5%时，硫酸钙复合材料的凝固时间和力学强度最为适宜，不会因为过短的凝固时间而影响临床操作或是过长的凝固时间而暴露在空气中造成感染。

生物活性玻璃（bioactive glass，BG）是一种由特定成分组成的硅酸盐系统，通常含有SiO2、Na2O、CaO和P2O5等。当其在体外或体内接触到生物流体时，可在玻璃表面沉积一层类骨磷灰石结构，并能与骨稳定结合。有研究表明，生物活性玻璃为成骨细胞的定植和增殖提供了理想的环境[21]。Ma等[22]制备一种由硅酸盐、生物活性玻璃及硫酸钙组成的复合骨水泥，由于生物活性玻璃的加入，使骨水泥的凝固时间得到了调控，接近于推荐的临床标准固化时间（15 min）[23]，材料也因为生物玻璃的加入使得其抗压强度获得了提升，固化1 h后达到了10 MPa以上，7 d后逐渐增加到40 MPa，远高于人体松质骨的抗压强度（2 ～ 12 MPa）。此外，复合后的骨水泥在较短时间内也具有良好的可注射性，因此这种复合骨水泥在未来临床手术中的使用可能会更多地作为一种自固化的材料。

2.3 添加金属材料的硫酸钙材料

硫酸钙材料常通过与不同的金属材料结合来提高其自身的力学强度和骨诱导能力，如低剂量铜对新生血管有促进作用，从而促使骨的再生和修复[24]。Huang 等[25]将铜掺入硫酸钙材料中，通过与单纯硫酸钙材料对比发现，添加有铜的硫酸钙材料在力学抗压强度方面提升了近1 倍，在Sprague-Dawley大鼠体内制造胫骨近端直径3 mm×5 mm长的缺损，然后将含铜和不含铜的两种硫酸钙材料植入大鼠体内6 周后，经过显微计算机断层扫描（Micro-CT）和胫骨标本切片检测CD31 分子后发现，含铜的硫酸钙材料的新生血管能力明显好于单纯硫酸钙组，骨缺损的范围也明显缩小，在一定程度上说明了铜与硫酸钙的结合改进了硫酸钙材料的物理强度和生物学性能。

在稀土金属元素含量中最为丰富的铈因其丰富的生物学效应而被广泛研究，根据相关研究发现，金属铈元素可促进骨髓间充质干细胞（bone marrow stromal cells，BMSCs）的增殖、迁移和分化[26]。Xiang等[27]将纳米氧化铈（cerium oxide nanoparticles，nCeO2）与半水硫酸钙（CSH）进行复合，制得含纳米氧化铈的半水硫酸钙（Ce-calcium sulfate hemihydrate，Ce-CSH）复合材料，经体外实验发现，该复合材料具有激活BMSCs增殖、迁移和成骨分化的能力。此外，将5%CeO2的Ce-CSH复合材料在大鼠临界缺损模型体内植入4 周后，通过Micro-CT 和组织学分析表明，nCeO2的加入延缓了CSH的降解速率，并且其抗压强度并未受到明显影响。同时，通过与Ce 未复合的单纯CSH 组对比发现在骨缺损的边界周围有着新骨的形成，表明Ce-CSH 材料在体内放置的周围可能也存在着招募BMSCs、促进成骨和新骨形成的能力。有相关研究发现，锌具有促进成骨细胞骨化、抑制破骨细胞的作用[28]，Krell等[29]通过将锌引入硫酸钙载体，延迟了锌在局部骨缺损部位释放的速度，降低了其所需的有效剂量。Yang等[30]在硫酸钙骨水泥中掺入锶，发现可以增强其材料诱导骨再生的能力，促进成骨细胞的分化和新骨的形成。

金属银是一种常见的广谱抗菌材料[31]，有研究发现银离子通过与细菌重要呼吸代谢酶的巯基结合使其失活，并且产生活性氧破坏细菌细胞膜等机制达到无机金属材料少有的抗菌效果[32]，而且与其他抗生素药物对比，其不会产生耐药性[33]。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）上具有许多如—OH、—COO等含氧官能团，它们能使GO在水中均匀分散，另外GO 具有较大的表面积，使其成为一种理想的载体，为其他材料提供诸多附着点[34]。成艳琪[35]通过制备氧化石墨烯-纳米银（GO-nAg）水溶液，然后将GOnAg 水溶液添加到硫酸钙骨水泥中，复合后的硫酸钙骨水泥与用去离子水水化的骨水泥对比发现，氧化石墨烯延长了骨水泥的可注射时间，并且复合材料的抗压强度也得到了增强，这既为日后硫酸钙材料在临床上的应用延长了可操作的时间，也为进入动物或人体内材料的抗压强度提供了力学支撑保证，纳米银的加入也为材料提供自身不具备的抗菌性能，尤其对革兰氏阴性菌的抗菌性能更强。尽管硫酸钙骨水泥添加了两种不同的材料，但是通过XRD、SEM等表征分析表明二者的加入并未影响骨水泥的物理存在形式，同时还因GO 的加入，调整了材料在模拟体液中的代谢速度，然而人体内部实际情况与体外实验模拟环境存在一定的差异性，所以还需进一步深入探究其在体内的结构与性能变化。硫酸钙通过与不同的金属材料相结合，有助于补充其材料自身所不具备的性能，有望成为具有临床前途的治疗骨缺损的新型复合骨移植材料。

2.4 负载药物的硫酸钙材料

在应用硫酸钙人工骨植骨治疗骨缺损时，针对骨质疏松、感染或严重创伤等不同病因[35]，局部植骨区域的药物治疗也显得至关重要，不同于全身用药，局部治疗药物可随着材料一同进入缺损组织，提高局部区域的药物浓度[36]。近来有许多研究者通过材料载药来提高其性能，负载抗生素使材料具有抗菌性能，通过局部抗生素的释放而有效控制骨缺损部位的感染。通过运载有机分子，如胰岛素样生长因子[37]、骨形态发生蛋白[18]等骨诱导因子，进一步提高了材料的骨诱导能力。负载无机分子，如辛伐他汀[38]、阿司匹林[39]等药物，促进局部成骨细胞的增殖与分化，加快了缺损部位新骨的形成。传统上，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）一直是局部输送抗生素和骨缺损填充的标准生物材料，但其有着不可降解的性能缺陷，在体内无法吸收降解导致宿主产生异物反应，造成宿主产生继发性的感染[40]，并且后续取出后还需进行植骨手术来恢复缺损区域的力学稳定性。Boyle等[41]对比了磷酸钙-硫酸钙（calcium phosphate-calcium sulfate，CaP-CaS)复合材料和PMMA材料在大鼠骨缺损感染模型体内的预防和治疗效果，先用10%的万古霉素浸泡两种材料，植入大鼠骨缺损感染模型体内6 周后，通过细菌培养和组织学分析检测，结果表明CaP-CaS 复合材料与传统标准生物材料PMMA抗感染效果表现一致，均未出现感染的情况，同时经过microCT 图像计算得出的骨体积分数（bone volume/total volume，BV/TV）与组织学切片测量骨面积和软骨面积的结果来看，CaP-CaS 复合材料的成骨能力优于PMMA材料。综合比较，CaP-CaS 复合材料运载释放抗生素并根除感染的能力与传统生物材料PMMA相当，但其拥有着更加优异的成骨和再吸收降解能力，并且取代了传统材料根除感染后再重建生物力学稳定所需的漫长愈合过程，同时还减轻了患者精神和经济的双重负担。

2.5 纳米级硫酸钙材料的应用

硫酸钙材料自身具有良好的生物相容性、可降解性、骨传导性等特性，再加上其丰富的自然资源，使其在医疗上应用广泛[8]，然而硫酸钙在治疗骨缺损上有诸多限制，如体内快速吸收率、较低的骨诱导性等。有学者制备纳米硫酸钙（nano-calcium sulfate，nCS）作为骨再生的支架，通过纳米技术原理增强硫酸钙的物理性能，如增大细胞生长因子的可吸附面积、负载材料的控制释放速率，以及优良的骨传导性和抗压机械强度[42]。Nakagawa等[43]基于胶束介导的相分离原理，在表面活性剂TritonTM X-114 中，成功实现纳米级硫酸钙材料尺寸的可控制备，并通过添加纳米银颗粒，更有效地制备出尺寸更小的纳米级硫酸钙，与未添加银的硫酸钙对比，尺寸的大小精确了30 ～ 40 倍，而且通过改变混合物中银的浓度来控制纳米硫酸钙的尺寸大小。Liu 等[44]利用纳米硫酸钙-富含血小板血浆凝胶支架负载BMP-2修饰的BMSCs，纳米级的硫酸钙有着更大的表面积，使其可以负载更多的生长因子和BMSCs，并且原本血小板中许多促进骨再生的生长因子在局部骨缺损处24 h内就会直接耗尽，然而经过纳米技术制备的硫酸钙支架调控了其递送速率，让更多的生长因子有足够的时间使BMSCs进一步得到增殖和成骨分化，促进了局部骨的再生。

3 小结与展望

目前，传统的治疗方法在面对大段或节段性骨缺损存在一定的局限性，开发出性能更好的骨修复移植材料显得尤为重要。硫酸钙由于具有生物耐受性好、生物可吸收降解性高、制备成本相对低廉、原材料来源丰富等优势而被广泛研究。然而，研究表明，硫酸钙不具备骨诱导性和成骨特性。另外，在骨缺损区域，硫酸钙的降解明显快于骨生成。因此，提高硫酸钙的成骨诱导率，延缓其降解，有望使其成为一种较好的骨缺损替代材料。为了提高骨替代物的成骨诱导能力，BMP-2 或VEGF 等分子被用来显著增强间充质细胞的募集和成骨分化。但由于其活性保存时间短，临床应用受到限制。因此，探寻安全有效的分子或者活性物质改良硫酸钙的骨诱导性及骨愈合能力是临床面临的亟待解决的问题。随着越来越多与之相关的临床基础实验的开展，相关研究人员通过硫酸钙与不同的材料或药物复合，为新型硫酸钙骨移植材料的开发带来了无限可能。