生物材料在骨修復中的應用

生物材料在骨修復中的應用

骨損傷和骨損傷是常見的事件。受損的骨骼可以通過內源骨或外源骨來修復。內源骨修復效果很好,但其數(shù)量十分有限,而且需要二次手術,即將骨從人體某一部位取出后再移植到損傷部位。采用外源骨修復效果遠不如內源骨,存在免疫排斥反應,并且外源骨可能帶有潛在的病原體,例如HIV病毒、肝炎病毒等,因此國內及國外市場對硬、軟組織修復材料有迫切需求。目前用于骨修復的生物材料分為以下四種:醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用生物陶瓷、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用復合材料。一、多孔鎳鈦材料金屬材料在醫(yī)學上的應用已有很長的歷史,是最早被采用的生物材料,有較高的強度和韌性,適用于硬組織系統(tǒng)的修復。最先廣泛用于臨床治療的金屬是金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)等貴重金屬,它們具有良好的穩(wěn)定性和加工性能。之后,銅(Cu)、鉛(Pb)、鎂(Mg)、鐵(Fe)和鋼等曾用于臨床試驗,但因耐腐蝕性、生物相容性較差以及力學性能偏低未受到廣泛應用。隨著冶金技術的進步,不銹鋼逐漸應用于臨床,雖然抗腐蝕性并不十分理想,但易加工,價格低廉,是目前應用最廣的金屬材料。以后又發(fā)展了鈷基合金和鉭。鈷基合金的耐磨性能是所有金屬中最好的,但有研究表明鈷鉻合金對成骨細胞有一定的毒性作用,雖然它鑄造容易成形,是齒科的常用材料,但用于骨內種植應十分慎重。鉭是化學活性很高的金屬,在生物體內可立即生成一層化學穩(wěn)定的氧化膜,從而具有很好的化學穩(wěn)定性和抗腐蝕性能,并具有良好的生物相容性。近年來鈦和鈦合金也被采用,主要應用于整形外科。其質量輕,彈性模量與骨相近,在四肢骨和顱骨整復中應用較多。鈦屬于惰性金屬,不影響成骨細胞附著、生長和代謝,是較好的骨修復材料。但鈦的耐磨性能不好,應力腐蝕較明顯,對于作為承力骨材料有一定弊端。在髖關節(jié)假體中,股骨的關節(jié)頭曾用金屬球來替代,它位于假體的上端。假體的莖端向下插入到股骨的骨干中。不銹鋼316L,鈷合金,Ti-6%Al-4%V合金是此種假體的常用材料,但這種產品并不十分成功,因而50-120nm的涂層被采用,目的是使骨長入種植體表面,實現(xiàn)其與骨的牢固結合,從而將種植體固定。另一種方法是將金屬種植體表面制成多孔結構,使自然骨長入多孔結構中。但由于金屬較骨硬度過高,降低了種植體周圍自然骨的負載(新骨的形成需要這種負載),造成了應力吸收,以及長期存在機體內會引起生物反應等原因,這種種植體在5-20年間便會松動,所以只適用于老年人,而對于更年輕,更活躍的病人來說并不適用。鎳鈦形狀記憶合金的鎳原子數(shù)與鈦原子數(shù)基本相等,具有不同于一般金屬三個性質:熱形狀記憶、超彈性、高回復率。鎳鈦形狀記憶合金已被證明有良好的生物相容性,它的耐磨性能較好,同時又兼有高耐腐蝕性,它的形狀記憶溫度為36±2°C,符合人體溫度,多孔鎳鈦合金是目前醫(yī)用金屬材料的研究熱點,已有研究表明它的多孔結構可使新骨長入,因而可形成牢固的嵌合。S.J.Simske等對長入多孔結構的新骨的顯微硬度及組織學參數(shù)進行測定,證明同周圍的顱骨具有相似的性質,因而此種材料比較適合作為顱骨、頜骨的替代材料。V.I.Itin等的研究表明鎳鈦合金空隙率越高、平均孔徑越小,其形變回復率越高。盡管醫(yī)用金屬具有一定的生物相容性,但因其本身缺乏生物活性,難以與骨組織鍵合,其應用具有一定的局限性,并且絕大多數(shù)醫(yī)用金屬彈性模量較骨過高,易造成骨應力吸收,引起種植體松動。二、鈦合金關節(jié)體的生物活性用于骨修復的生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷兩大類。生物惰性陶瓷主要有氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷兩類。高密度氧化鋁(α-Al2O3)是最早被應用于臨床的生物陶瓷,具有良好的力學性能(高強度、優(yōu)良的抗腐蝕性和耐磨性)。但其彈性模量較骨過高。99.7%高純氧化鋁彈性模量為350GP,而人骨的彈性模量只有5—30GP,所以其力學相容性較差,并且由于氧化鋁是生物惰性材料,不能與骨發(fā)生鍵合,因而容易因應力集中而導致脆性斷裂。ZrO2具有高的常溫抗彎強度和斷裂韌性的生物材料,常作為種植體。它的生物相容性與氧化鋁相似,高溫化學穩(wěn)定性比氧化鋁好。鈦合金髖關節(jié)假體,其關節(jié)頭主要由陶瓷(Al2O3和ZrO2)制成.材料有毒性,會使其周圍組織死亡;材料無毒性,但生物惰性,在其周圍將形成不同厚度的纖維組織包被;材料無毒性并具有生物活性,材料與組織之間將形成界面。生物活性陶瓷即屬于第三類,主要指磷灰石(AP),包括羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)等。目前應用最多的是HA。人骨無機質的主要成分是HA,它賦予骨抗壓強度,是骨組織的主要承力者,人工合成的HA是十分重要的骨修復材料,這是由于它的組成性質與生物硬組織的羥基磷灰石極為相似,并具有良好的生物相容性,可與自然骨形成強的骨鍵合,一旦細胞附著、伸展,即可產生骨基質膠原,以后進一步礦化,形成骨組織。已有報道表明多孔HA不僅具有生物活性,還具有骨引導作用,為新骨形成提供支架,并且在其與骨組織的界面處及材料的內外表面都有新的骨組織生成。但單純將HA作為人體的承力構件存在一些不足,例如成形不理想、脫?，F(xiàn)象、強度低、脆性大、韌性差等,這是由于在骨中膠原纖維(CF)不僅幫助HA聚合成形,而且在HA賦予骨抗壓強度的基礎上,CF又增添了抗張強度。α-磷酸三鈣(α—TCP)骨水泥具有水合硬化特性,可作為一種任意塑型的新型人工骨用于骨缺損填充。它在動物體內形成蜂窩狀結構,動物組織可逐漸長入此蜂窩狀結構中,形成牢固的骨性鍵合。β-TCP屬可吸收生物陶瓷,在體內要被逐漸降解和吸收,但其強度較低,主要用于骨修復或矯正小的骨缺損或骨缺陷,如骨缺損腔填充,牙槽脊增高等。盡管β-TCP植入體內可被降解和吸收,新骨將逐漸替換植入體,但由于其降解和吸收速度與骨形成速度難達到一致,所以不宜作為人體承力部件。目前磷酸鈣陶瓷主要用于作小的承力部件、涂層,低負載的植入體。三、pla和pga的降解高聚物曾被廣泛用作骨修復材料,可降解聚乳酸(PLA)用于口腔外科,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥用于骨填充,聚乙醇酸(PGA)作為可吸收螺釘用于骨固定。PMMA作為一種骨水泥得到了廣泛的應用,但因PMMA骨水泥生物相容性差,不能與骨組織牢固結合,易造成人工關節(jié)等移植體的后期松動,而且臨床中發(fā)現(xiàn)PMMA聚合期間釋放大量的熱量,局部溫度可高達80°C左右,能將周圍的活組織細胞殺死,同時PMMA在體液中會逐漸釋放出有毒單體。生物降解材料制作的接骨材料,其彈性模量較金屬更接近骨組織的彈性模量,有利于骨折愈合,且隨著骨折的愈合,材料逐漸在體內降解,不需二次手術取出。聚乳酸(PLA)是一類有應用價值的生物材料,它的降解速度取決于它的分子量、分子取向、結晶度、物理及化學結構,但其降解的機制主要是因為酯鍵的水解。有研究表明其降解產物與人體代謝的中間產物結構類似,可以被轉化成丙酮酸,進入三碳循環(huán),最終以CO2的形式排出體外。由于三碳循環(huán)發(fā)生在線粒體內,所以這種方式只能通過細胞內消化進行,即被吞噬的PLA顆?？赡芤赃@種方式排出體外。而細胞外消化的PLA顆粒將隨尿液排出體外或轉化為糖原。但實際上PLA降解機制要復雜得多。這類高聚物的降解曾被認為是在體內經過表面侵蝕而使降解產物逐漸釋放,但有研究表明在材料的中心可能發(fā)生自我催化降解,最后導致植入材料在體內的崩解。目前PLA主要用于骨外科部件,例如骨針、骨板。NaotoSaito等用不同分子量的PLA和PEG制成PLA-PEG共聚物作為骨形成蛋白(BMP)的載體,其中PLA6,500-PEG3,000共聚物具有一定的彈性,是較好的BMP載體。一些研究者用可降解高聚物PGA和PLA作為三維支架,從肋軟骨、人關節(jié)等部位取軟骨細胞,讓它呈現(xiàn)三維生長,結果出現(xiàn)了類似軟骨組織的結構。此方法具有廣泛的應用前景,但由于高聚物降解速率不易控制,難與骨生長速率達到一致,以及具有一定的疏水性,細胞粘附難、生產周期長等缺點對于臨床應用不能滿足,目前仍處于試驗階段。高聚物因易老化,隨壓力增強疲勞性增大,以及生物降解作用的影響,某些力學性質容易喪失,并且高聚物可能因為降解產物帶有一定毒性,而對人體不夠安全。骨形成離不開骨生長因子的局部調節(jié)作用。現(xiàn)已從骨基質、骨細胞及骨細胞的培養(yǎng)液中分離出多種生長因子,包括骨形成蛋白(BMP)、β-轉化生長因子(TGF-β)骨生長因子或胰島素生長因子Ⅱ(CSGF和IGF-Ⅱ)、胰島素生長因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)等。在眾多的骨生長因子中BMP的研究最為深入。BMP是廣泛存在于骨基質中的一種酸性蛋白質,有誘導成骨的作用,它誘導成骨的方式主要是軟骨內成骨,也可能有膜內成骨。國內外醫(yī)學界至80年代以來對BMP做了大量的基礎研究,并逐漸將其應用于臨床。骨形成及骨愈合離不開血管生長因子,新的血管生成可能與多種生長因子誘導有關,包括TGF-β、血管內皮生長因子(VEGF)等。生長因子對骨形成的局部調節(jié)作用是肯定的,華西醫(yī)大的田衛(wèi)東、王大章等對生長因子網絡調節(jié)對骨形成作用進行研究,表明具有協(xié)同作用的生長因子聯(lián)合作用才能促進骨的形成。但直接將骨生長因子植入體內,將被血液沖刷掉,成骨效果差,要充分發(fā)揮其作用則需要載體使其緩慢釋放。四、ha與非天然生物材料的復合醫(yī)學領域長期以來廣泛使用的金屬,有機高分子等生物醫(yī)學材料,其成分與自然骨不同,作為骨替代材料、骨缺損填補材料,其生物相容性、人體適應性以及與自然骨之間的力學相容性尚不能令人滿意。近年來,羥基磷灰石(HA)因其組成成分,結構性質與人骨組織中的無機質一致,以及良好的生物學特性(生物相容性,骨引導作用,可與自然骨鍵合)而成為極其活躍的研究領域。但這種材料也存在一些不足,例如不具骨誘導活性、脆性大、聚形較差等缺點。制備具有生物相容性,力學相容性以及生物活性的硬、軟組織材料是當今國際生物材料研究中的前沿性課題,磷灰石組成的復合材料已向此類人體組織材料邁出了重要一步。HA復合材料屬于第二代生物材料它模仿自然骨的結構和功能,具有HA的生物活性,有特殊的醫(yī)用價值。綜觀國內外研究,HA復合材料大致分為以下三類:(1)HA與天然生物材料的復合(2)HA與非天然生物材料的復合(3)HA與多種材料的復合。4.1HA與天然生物材料的復合天然生物材料主要指從動物組織中提取的,經過特殊化學處理的具有某些活性或特殊性能的物質。比如骨形成蛋白(BMP)、膠原、纖維蛋白粘合劑、細胞因子、成骨細胞、自體紅骨髓、脫礦化骨等。HA具有良好的生物相容性,多孔的HA因具有與正常骨組織相似的多孔結構和成分,寬大的內部空間,能容納較多的細胞和各種細胞因子等,以及其生物化學槽的功能,較適合作為天然生物載體。BMP、細胞因子等雖然是具有骨誘導活性的蛋白質,對促進骨缺損的修復有重要作用,但它們不能被單獨制成骨的形狀,必須依靠支撐材料作為載體組成釋放系統(tǒng),將其吸附在載體上緩慢釋放,才會充分發(fā)揮其效應。實驗和臨床證明,多種細胞因子復合應用明顯優(yōu)于單種細胞因子的療效。但細胞因子雖然能啟動骨形成,卻不一定使骨折或缺損部位達到最終愈合。組織工程學是近20年來隨著細胞生物學及生物材料學技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一門邊緣學科,它是應用生物學和工程學的原理,研究開發(fā)能夠修復、維持或改善損傷組織功能的生物替代物的一門學科。方法是將體外培養(yǎng)的高濃度的活細胞種植于天然或人工的細胞外基質載體上,然后將她們移植到體內,達到形成新的有功能的組織的目的。通過干細胞開發(fā)分化的組織材料是目前組織工程研究的中心,例如位于成人骨髓中間質干細胞,可以通過特定培養(yǎng)基(包括TGF-β)的引導,最終分化成軟骨細胞。Kazuhito等利用此方法,將軟骨細胞種植于HA人工骨塊上培養(yǎng),然后植入體內橋接獲得了成功。Begley等的研究表明松質骨組織來源的成骨細胞,也能在多孔狀的HA人工骨塊上培養(yǎng)成活。郭昭慶等將骨髓基質細胞在多孔狀的HA上培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)生成的新骨具有成骨細胞及類似于正常骨的骨髓腔樣的腔隙組織。骨是由有機膠原纖維(CF)和無機磷灰石(AP)構成的復合材料,其中膠原占20wt%,磷灰石占69wt%,水占9wt%,其它有機成分占極小部分。單純將微粒型HA作為缺損骨組織填充物尚存在一些問題,例如脫?，F(xiàn)象,難于成形固位。R.Z.Wang合成的納米HA-骨膠原復合物,HA均勻分散在膠原基體中,與骨有類似的性質。王韋等將微晶HA用I型膠原粘附后植入體內,發(fā)現(xiàn)CF既可防止HA脫粒,幫助其聚合成形,又可減輕HA的炎癥反應。但此類復合物目前正處于研制初期,尚無完備的復合方法。楊勤等將自制的兩種纖維蛋白粘合劑與HA微粒人工骨按不同比例復合,發(fā)現(xiàn)其具有良好的生物相容性、完全的生物降解性、無毒、不影響機體的免疫系統(tǒng)、不改變HA的晶體結構,但此種材料的力學相容性并未得到證實。4.2HA與非天然生物材料的復合非天然生物材料主要包括兩類:無機生物材料和有機生物材料。HA涂層材料,最常用的基底是醫(yī)用鈦和鈦合金,以及醫(yī)用鈷基合金和不銹鋼。這種材料兼具HA的表面生物活性和金屬材料的強度和韌性。不銹鋼的物理性能和綜合力學性能穩(wěn)定良好,被作為人體硬組織的修復和植入的主要金屬材料之一,但它不具有生物活性和組織相容性,HA涂層的應用解決了這一問題。高家誠等利用激光涂覆技術在奧氏體不銹鋼材制備性能優(yōu)良的HA涂層,得到的材料界面結合良好,表面成分均勻,呈網狀顆粒結構。經等離子噴霧HA涂層的Ti-6Al-4V圓柱體植入人體四周后形成骨樣組織,一年后形成骨小梁,薄層骨片兩年后切片可見涂層被吸收,細胞內未發(fā)現(xiàn)Ti、Al、V金屬,證明該材料具有良好的骨形成和骨進化。M.shirkhazadeh通過電結晶技術在較低的溫度下,利用含Ca、P的電解質溶液涂層Ti種植體,將其用于關節(jié)固定,發(fā)現(xiàn)在生理條件下HA得到了很好的吸收,取得了良好的固定效果。HA涂層種植體的短期種植效果已經得到了充分的肯定,但遠期效果尚無明確結論。HA-碳纖維增強體韌化復合材料是一種新型材料,K.Park等合成的碳纖維含量為5%的此種復合材料具有多孔結構,HA的可塑性得到增強。HA-Ag復合材料是金屬復合材料的一種,Ag顆粒禰補了HA脆性大的不足,提高了其韌性,并且Ag顆粒增強體有抗菌效果。有機生物材料是指具有一定生物相容性的高聚物材料,如滌綸(Dacron)、聚乳酸(PLA)、尼龍(nylon)、聚乙醇酸(PGA)、聚氨酯(PU)等。聚合物具有良好的韌性和接近人骨的彈性模量,但缺乏生物活性。成熟骨的主要部分是由HA晶體緊密地嵌入膠原基體中構成的,因此可被看作在基體中含有晶體的雙相復合材料,其中HA晶體長40nm、寬20-30nm、厚2.5-5nm,被認為對CF有增強作用。骨具有良好的力學性能,是各相異性的材料,沿骨的不同方向楊氏模量不同,其中長軸方向的楊氏模量較大。下列觀點已被普遍接受,即骨可被簡化為填充了粒子,粒子為納米晶體的復合材料。將HA與高聚物復合,將二者性能充分結合起來,可望得到力學性能好(強度高、韌性好),彈性模量與人骨相近且具有良好的生物相容性和生物活性的骨性材料。據報道,影響填充聚合物性能的因素主要有兩個:填料粒子在聚合物基體中的分散情況和填料粒子與聚合物基體界面結合情況。對于骨修復材料而言,除了對材料本身的性能有所要求外,還要求其與人骨之間具有力學相容性和生物相容性。近年來國內外不少學者對可降解性聚合物[如聚乳酸(PLA)、聚羥丁酸脂(PHB)]與磷灰石粉末復合材料進行研究,盡管與磷灰石粉末復合后增強了這些高聚物的強度和生物活性,但對于可降解高聚物而言既要求有良好的生物相容性,又要求其降解的動力學可控制。由于上述復合材料在體內降解速度始終不能得到有效控制,難于與新骨生長速率一致給臨床應用帶來了一定的困難。另有一些學者對穩(wěn)定性聚合物[如高密度聚乙烯(HDPE),聚用基丙烯酸用酯(PMMA),環(huán)氧樹脂(EP)及聚四氟乙烯(PTFE)等與AP粉末復合材料進行研究實驗證實AP粉末確實增加了這些聚合物的活性,力學性能有較大改進。但由于使用的是惰性聚合物,難以與磷灰石表面羥基形成化學鍵合,因而復合材料兩相界面結合脆弱,加之所使用AP粉末是微米級的,化學活性較低,AP含量小于40%,大大低于人骨中AP含量。新近荷蘭學者進行了納米AP針晶與polyactive聚合物復合材料的研究。納米晶體因尺寸小比表面積大,表面能高而具有許多不同于常規(guī)材料的新性質(化學活性高,硬度大,可塑性強,增強的均相性等),納米復合材料是指分散相尺寸至少小于