可生物降解金属支架修复长骨严重骨缺损

刘 凯 综述,艾合买提江·玉素甫 审校

骨是力学和生理学动态稳定的组织结构,四肢长骨不仅承担着站立、行走等运动功能,还具有维持代谢、造血等生理功能。然而,由创伤、感染、肿瘤或先天疾病引起的长骨严重骨缺损(>6 cm)的修复仍然是骨科医师亟待解决的难题[1-2]。目前,修复长骨严重骨缺损主要包含两种方法——植骨和骨组织工程技术[3-6]。植骨在成骨、骨诱导方面的优势使其得以广泛应用,包括自体骨移植、同种异体骨移植等[7-8]。但缺损长度、供区并发症、感染及免疫排斥反应等限制了该技术在修复严重骨缺损中的应用。

骨组织工程技术具有个体化治疗、根除感染及贴合生理性成骨等优势,已逐渐成为修复长骨严重骨缺损的有效方法[9]。其中,生物支架由于其良好的力学支撑和成骨诱导性得到了广泛研究。理想的骨修复支架材料应具有良好的力学支撑、成骨活性、生物相容性及可降解性[10-11]。随着材料科学的高速发展,新的骨重建材料主要包括高分子聚合物、生物活性陶瓷、聚合物与陶瓷的复合材料、金属材料[12-14]。其中,聚合物、生物活性陶瓷及其复合材料常因坚硬度过高而韧性不足,不能为承重位置提供适宜的力学支撑[11, 15]。传统金属材料如不锈钢、钛或钽,虽然能提供足够的力学支撑,但其植入后难以降解,长期存在体内易发生超敏反应和免疫排斥反应,增加感染概率和患者的心理负担[8]。因此,可在体内生物降解并具备多孔隙结构促进成骨诱导的复合金属支架,逐渐成为国内外学者的研究热点。尽管已有研究探讨了铁(Fe)、锌(Zn)、镁(Mg)等及其复合金属支架用于承重部位骨缺损修复的机制,但考虑到动物模型及骨缺损部位存在异质性,不同金属元素配比的可生物降解支架对骨缺损的修复机制及临床疗效仍未可知。本文对不同可生物降解金属支架的理化性质、促成骨转导力学性能的研究进展进行综述,旨在促进其临床转化。

1 Fe

Fe是人体中必不可少的元素之一,在成人体内有4～5 g,主要以血红蛋白(72%)及肌红蛋白(3%)形式存在,其余以铁蛋白的形式储存在肝、脾和骨髓中。Fe基复合金属凭借制备简便、良好的生物相容性等优势,是最早应用于医学领域的植入金属[15]。然而,Fe基复合金属植入物在人体内常因有机盐溶液浸润发生电化学腐蚀机制而降解,但降解速率缓慢。Lin et al[16]研究发现,Fe基复合金属在动物实验中显示出良好的生物相容性,并认为其缓慢降解速率是由于降解时产生含磷(P)或氯的Fe化合物抑制层。此外,与人体骨组织相比,Fe基复合金属硬度及弹性模量较高,设计不合理易出现应力遮挡和退行性骨质疏松。为提升Fe基复合金属支架降解速率及力学性能,国内外学者主要通过优化复合成分、仿生涂层和制备工艺来实现,例如制备含锰(Mn)或银(Ag)等元素的复合金属支架[15, 17-18]、真空等离子渗氮工艺[19]、蒸汽真空电弧技术[17]、生物陶瓷或生物聚合物涂层技术[20]等。尽管上述技术优化了Fe基复合金属支架的材料构成,考虑到其缓慢的体内降解速率及高坚硬度,是否适用于植入修复严重骨缺损尚存在争议。笔者认为,在发挥Fe基复合金属支架的良好力学支撑性能时,应塑造多孔隙结构以获得贴合人体骨组织的力学和成骨诱导性能,以期达到满意的降解速率和骨再生效果。

2 Mg

Mg已被证实是人体内含量第3的金属元素,成人体内含量约25 g,近60%沉积在骨骼和牙齿中,27%分布于软组织中[17]。Mg基复合金属具有与人体骨骼相近的密度、弹性模量和良好的生物相容性,植入人体后释放的Mg2+是多种酶促反应的辅助因子,诱导人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)中缺氧诱导因子、过氧化物酶体增殖物激活受体γ-共激活因子-1α产生,促进血管内皮生长因子生成,从而促进血管化成骨[20]。因此,Mg螺钉或复合金属支架凭借优异的促成骨和血管生成作用,引起了国内外学者的广泛研究。Zhang et al[21]研究证明,Mg基复合金属释放的Mg2+具备良好的促成骨活性,过量的Mg2+也可通过机体新陈代谢排出。Salahshoor et al[22]通过动物和细胞实验研究表明,与生物陶瓷相比,Mg基复合金属表现出良好的力学性能和生物相容性。Bessa-Gonçalves et al[23]通过动物实验研究表明,Mg基复合金属的弹性模量接近皮质骨,应用时可有效地避免传统金属植入物易出现的应力遮挡现象。此外,Jin et al[24]通过动物实验研究发现,Mg基复合金属在体内降解释放的Mg2+可进入背根神经节神经元并促进降钙素基因相关肽的释放,刺激有助于成骨分化的基因表达,促进骨再生的同时,Mg2+可经肾脏排尿排出,能降低Mg2+浓集引起的毒性反应。Mg基复合金属植入物如纯Mg或Mg涂层螺钉,在治疗因退变、骨质疏松等造成的骨折和韧带损伤方面也具有优势。Mau et al[25]通过分析Mg螺钉固定修复前交叉韧带时的受力关系,以减少Mg螺钉置入时因不恰当的扭矩等效应力而造成的力学不稳定,来提高手术成功率。Lin et al[26]通过在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中添加Mg,提高其抗感染和力学强度。然而,尽管Mg基复合金属支架具有上述优势,但它在长骨严重骨缺损的修复中,高降解速率和低硬度是主要存在的问题。

目前,合金化和高生物活性纳米涂层技术是提高Mg金属耐蚀性、生物相容性和机械强度的常用方法[21,27],包括石墨烯纳米涂层、锂(Li)结合纳米涂层及生物陶瓷涂层等[28]。笔者认为,高降解速率、析氢及碱化仍然是Mg基复合金属支架作为骨修复植入材料应用的关键障碍。通过优化制备工艺、合金化和生物活性涂层等方法增强Mg金属的机械强度和耐腐蚀性,制备复合涂层的Mg基复合金属支架可能是有效降低其植入后高降解速率的解决方案。尽管Mg基复合金属存在上述不足,但考虑到其理想的促血管生成和成骨诱导性能,仍有望成为骨缺损修复的理想生物材料。

3 Zn

Zn是人体内维持生理功能所必需的微量元素,成人体内含量1.4～2.3 g,约30%存在于骨组织中。Zn2+在骨形成、发育和矿化中起着重要作用[28]。Yusa et al[29]细胞实验研究发现,Zn2+在骨重建中也发挥着积极作用,Zn2+在抑制破骨细胞的骨吸收同时,又促进成骨细胞增殖、分化和Ⅰ型胶原合成,加速骨再生及矿化。Qiao et al[30]通过细胞实验探究复合二氧化钛(TiO2)涂层的Zn基复合金属支架促成骨效应时发现,其置入体内后释放的Zn2+促进成骨细胞增殖和分化存在阈值效应,在Zn2+浓度超过5.2～6.5 mg/L时会产生抑制作用。Ranga et al[28]通过溶胶-凝胶法成功制备了含Zn的生物活性陶瓷,发现Zn2+可与硅元素形成稳定的Si-氧(O)-Zn四面体结构,具有良好的抗菌性能。尽管复合Zn元素的生物活性聚合物和复合金属具有优异的抗感染、降解性能,但其延展性及力学支撑强度不足。

为改进上述性能,Zn基复合金属材料逐渐成为骨缺损修复支架的研究热点,包括Zn-Li、Zn-Li-钙(Ca)、Zn-Mn和Zn-锶(Sr)等[31-34]。Zhao et al[34]通过真空铸造工艺成功制备了Zn-Li合金,并通过动物实验验证了该复合金属具有显著的延展性和力学性能,但生物相容性仍不理想。Zhang et al[32]通过熔融锻造成形技术制备Zn-Li-Ca复合金属支架,发现该支架可有效改善Zn-Li合金的生物相容性、成骨诱导和力学性能,但制备工艺要求较高。此外,Jia et al[35]通过动物和细胞实验研究表明,Zn-Mn合金的出现使Zn基复合金属的延伸率及生物相容性得到显著改善,但Zn、Mn元素与成骨细胞之间是否存在相互作用仍然未知。Jia et al[36]通过熔融锻造成形技术成功制备Zn-Sr复合金属支架,动物和细胞实验表明该支架释放的Zn2+、Sr2+不仅可以激活Wnt/β-连环蛋白、PI3K/Akt等信号通路促成骨细胞增殖分化,还具有满意的成骨诱导、促血管生成、力学支撑及生物相容性。因此,基于上述优势,笔者认为,Zn基复合金属支架是可用于修复长骨严重骨缺损的理想方法,但应进一步探讨复合金属元素与Zn元素的最佳配比,以更好发挥在促进成骨中的协同作用。

4 Ca

Ca是人体中含量最多的无机盐组成元素,总量为1 000～1 300 g,其中99%以骨盐形式存在于骨骼和牙齿中。骨是Ca沉积的主要部位,主要以非晶体的磷酸氢钙(CaHPO4)和晶体的羟基磷灰石(HAP)两种形式存在,新生骨中CaHPO4比成熟骨多,骨骼成熟过程中CaHPO4逐渐转变成HAP[37-39]。骨发育成熟后,通过骨形成和骨吸收过程维持骨骼健康状态及骨钙与血钙的动态平衡。在骨修复材料领域,Ca通常以辅助金属元素参与,如Mg-Ca、Zn-Ca、Mg-Zn-Ca等,其释放的Ca2+在骨重建稳态调节中发挥着重要作用[22, 39]。Prasadh et al[40]通过细胞实验发现,成骨细胞增殖的最佳细胞外Ca2+为3～10 mmol/L,在该浓度下Ca2+可刺激间充质干细胞谱系(如成骨细胞)和造血干细胞谱系(如破骨细胞)中表达的关键受体——钙感受器受体 (CaSR),从而促进成骨细胞增殖。Zhang et al[37]通过细胞实验检测Mg-Ca复合金属的微观结构和力学性能时发现,Ca2+还可上调骨钙素的表达,加速骨矿化。此外,Ibrahim et al[41]在研究热处理对Mg-Zn-Ca复合金属支架的微结构及改性变化时发现,复合金属中Ca含量的增加常与体内的P和O形成HAP,这能改善合金的生物相容性和刚度,有利于成骨或前成骨细胞贴附和增殖。

高降解速率是限制Ca元素加入复合金属制备的主要障碍,尽管Ca元素的加入有效提升了Mg或Zn基复合金属支架的促成骨及机械支撑性能,并在hBMSCs成骨分化起到远程促进作用,但单一Ca元素作为辅助元素制备长骨严重骨缺损修复的生物支架是不可取的。通过Zn、Li、Mn等多种元素合金化制备复合金属支架可有效提升支架力学性能,减慢降解速率以适配成骨周期。此外,向细胞外释放适宜Ca2+浓度的复合金属支架的成分配比仍有待进一步研究。

5 Mn

Mn是人体必需的微量元素之一,成人体内总量为0.01～0.02 g。Mn在人体内既可作为金属酶的组成成分,又是许多碱性物质的酶激活剂,参与能量代谢、自由基清除和神经递质合成等生理过程[42]。Sotoudehbagha et al[17]通过细胞实验研究Fe-Mn-Ag复合金属性能时发现,Mn可通过影响整合素的活性来调节细胞与细胞外基质之间的相互作用,从而促进成骨细胞的增殖、黏附及扩散。在修复骨缺损的复合金属支架制备中,Mn也承担着重要的角色,如Zn-Mn、Zn-Mn-Mg、Fe-Mn等[35, 43]。微量Mn元素的加入,不仅可改善复合金属支架的延展性,而且显著提高其成骨诱导性和生物相容性。因此笔者认为,Zn-Mn合金有望成为长骨严重骨缺损修复材料的新选择,特别是在承重部位。但考虑到Mn的强还原性,对制备复合金属的成分配比及加工工艺要求较精细,选择性激光烧结3D技术是制备含Mn复合金属支架的有效方法。但复合金属中各元素是否具有协同促成骨效应仍需要深入研究。

6 Sr

Sr是一种活泼的碱土金属,占骨矿物含量的0.035%,理化性质与Ca相近。在骨修复材料中,Sr以辅助金属元素成分参与制备复合金属支架,如Mg-Sr、Zn-Sr、Mg-Zn-Sr等。Zhong et al[42]通过对Zn-Sr复合金属的细胞实验发现,Sr2+可与Zn2+协同增加成骨细胞活性及增殖,同时介导抑制破骨细胞信号通路来促进骨形成。Wang et al[44]通过对Mg-Sr复合金属支架中Sr2+骨再生的功能研究发现,Sr2+通过激活Akt激酶相关信号通路促进成骨细胞的增殖并抑制细胞凋亡,并认为Sr2+浓度在0.83～6.15 mg/L范围时对成骨细胞增殖和分化有积极影响。Zhang et al[45]研究发现,Sr2+可通过与CaSr结合,激活MAPK/Erk、Wnt/β-catenin和PI3K/Akt信号通路促进骨再生。此外,Naruphontjirakul et al[46]研究发现,Sr2+可通过增加破骨细胞抑制因子生成,下调破骨细胞分化因子表达和抑制破骨细胞骨吸收,并认为Sr2+浓度在2～6 mg/L的范围内也存在促成骨作用。上述研究提示,Sr2+与Mg2+、Zn2+之间的协同效应有效改善了复合金属支架的细胞相容性和成骨活性,且Mg-Sr复合金属降解时易产生抑制层,从而提高Mg基复合金属的耐腐蚀性。因此,含Sr复合金属支架在修复长骨严重骨缺损领域中有巨大潜力。

7 结论

可生物降解金属支架通过微结构合金化、离子成分改性及生物涂层等技术,可集合良好的力学支撑、骨诱导、生物相容性等优势于一体,加速骨缺损部位血管化成骨及矿化。Mg或Zn基复合金属因其逐渐成熟的制备工艺和良好的促成骨活性等优势,是骨缺损修复的理想材料。但不同研究的设计方法、动物模型、缺损长度仍缺乏统一的预后评估标准。为促进其临床转化,未来研究需要建立标准化系统来评估可生物降解金属对骨缺损修复的结果。