（材料学专业论文）磷酸钙降解陶瓷的组成与结构在体内的变化及成骨机制研究.pdf

武汉理工大学博十学位论文 摘要 赋与材料以生物功能使其植入体内后能充分调动人体自体修复和完善的能 力，从而实现损伤或病变组织、器官的永久修复，已成为二十一世纪生物材料 发展的方向和前沿。研制理想的骨移植材料是医学和生物材料科学领域中的重 要课题。钙磷材料因其组成与骨组织的矿物成份相近及优良的生物相容性和生 物活性而成为骨移植材料较重要、有潜力的一部分。 本文以材料科学为基础，并向医学、生物化学、生命科学渗透，旨在了解 钙磷材料与蛋白质、细胞、组织的相互作用及其在体内生物化学变化过程和微 结构的演变过程，探讨钙磷材料在体内的成骨机制，为设计具有生物功能的钙 磷骨修复材料和骨组织工程支架材料及钙磷材料在临床上的应用提供依据。 首先通过对人体松质骨的研究，对组成和微结构进行优化设计，将溶解度 适中的p t c v 与n a z o c a o m g o p 2 0 5 玻璃粘结剂进行复合，采用发泡法在8 5 0 c 制备出了具有三维连通、高显气孔率、高比表面，大孔、小孔和微孔相结合， 气孔分布均匀的多孔磷酸钙降解陶瓷，并通过体外模拟实验证实了磷酸钙降解 陶瓷具有良好的降解性能。 通过f t - i r 、x p s 、s e m 及s d s p a g e 分析研究了磷酸钙降解陶瓷对蛋白质 的吸附特性。结果表明磷酸钙降解陶瓷对蛋白质具有较强的吸附能力，f t - i r 中 蛋白质特征峰的位移及x p s 中磷酸钙c a 2 p 和o ls 结合能的化学位移表明蛋白 质通过其表面酸性氨基基团及碱性氨基残基以离子键与1 3 - r c p 晶体中c a 结合， 通过表面碱性氨基以氢键和静电引力的形式与p 0 4 中的氧结合。蛋白质的吸附 过程及机理为：蛋白质在浓度差的推动下向磷酸钙陶瓷表面扩散，然后在磷酸 钙陶瓷表面静电力的作用下通过空间构象的微调，使其表面的正负电荷点与磷 酸钙陶瓷表面相反的电荷点键合导致第一层面不可逆的吸附：随着吸附时间的 延长，在重力及蛋白质分子本身之间的静电引力等因素发生第二层面的物理吸 附；而蛋白质分子与溶液中游离的钙离子结合，通过参与表面进行的生物矿化 作用而吸附到材料的表面，形成第三层面的吸附。 成骨细胞与磷酸钙陶瓷复合培养实验表明磷酸钙降解陶瓷具有很好的细胞 亲和性，能促进成骨细胞在材料表面选择粘附，正常增殖、迁移和生长；并促 武汉理：r 大学博：卜学位论文 进成骨细胞从g 0 ，a l 期向s 期转化。加速细j 胞进入d n a 合成期，从而健逃d n a 合成及细胞增殖；促进成骨细胞o c n 的表达，提高成骨细胞的活性，促进其向 骨细胞的分化； 组织学观察表明磷酸钙降解陶瓷具有良好的生物相容性、适度的生物降解 性能、一定的生物学活性和骨传导性能。磷酸钙陶瓷的降解吸收和新骨的形成 处于一种动态平衡，降解速率与新骨形成的速率整体上相匹配；新骨i 勺形成过 程与膜内成骨的过程相符，由此确认磷酸钙降解陶瓷的成骨方式为膜内成骨； 多核巨细胞的出现及其吞噬现象，表明材料在体内的降解主要是细胞介导。植 入早期以巨噬细胞为主；破骨细胞处于材料与骨组织界面，主要在中厉期介导。 成骨细胞的成骨活动与破骨细胞的吸收降解活动相关联，降解产物为新骨形成 提供了物质基础；磷酸钙降解陶瓷合适的孔径及表面结构为成骨细胞的附着、 生长和迁徙提供了有利条件；其相互连通的孔隙不仅是细胞和营养物质进出的 通道，且为新生骨组织的生长提供了宽阔的空间。 通过四环索双标记的图像分析，从计量学上得出了磷酸钙降解陶瓷植入区 的成骨速率趋势，对从无机材料到成为有机骨组织成分这一生物转化过程进行 定量分析，为磷酸钙陶瓷在机体内降解和新骨形成提供了理论依据。 通过电子探针对磷酸钙陶瓷与宿主骨界面的研究表明磷酸钙降解陶瓷不仅 能作为骨生长的支架并且参与宿主骨的生命过程，成为有_ ：命的新生骨组织。 界面元素比的变化表明材料的生物降解和新骨生成过程是既栩互联系又相互制 约的复杂而缓慢的生物转化过程； 通过s e m 和t e m 的研究表明磷酸钙陶瓷降解产生f f , j j 、磷导致材料与骨 界面处出现电子密集层，促使d c p d 、o c p 、h a p 等品体的沉积；胶原纤维的 矿化一直发生在材料附近，降解和矿化同时进行；由于骨钙素等非胶原蛋白的 识别机制，使胶原纤维的矿化有序进行。日l a l 成熟后矿物棚最终以纳米缎d o h a 、 h a p 等形式存在 磷酸钙陶瓷与骨直接接触：磷酸钙颗粒与新骨组织间存在多 种界面，在界面处呈平行排列，逐渐解理成为片状结构，并由微米缀转为纳米 级，分散在新生骨组织中，与骨组织交织在一起，最终消失，转化为新骨中的 矿化物质；1 3 - t c p 晶体在体液作用下沿( 0 0 1 ) 面解理，其机制可能是1 3 - n a c a p 0 4 层的形成及b t c p 晶体本身的结构缺陷在烧成过程中引起晶面问的结合力破坏。 关键词；磷酸钙降解陶瓷：多孔：蛋白质：吸附：成胃锄i 胞；增殖：分化：相 互作用；降解；结构变化：组成变化；成i v = t sr l ：骨组织 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h e2 l s tc e n t u r y , b i o m e d i c a lm a t e r i a l se n d o w e dw i t hb i o - f u n c t i o n sc a nb e i m p l a n t e di n t ot h eh u m a nb o d y , w h i c ha r ea b l et om o b i l i z es e l f - r e p a i ra n di m p r o v e t h es t r e n g t ho fi n j u r e dt i s s u e 1 1 1 es e a r c hf o rt h e “i d e a l ”b o n ei m p l a n tm a t e r i a i i so n e o ft h em o s td e v e l o p i n ga n dp r o m i s i n gd i r e c t i o n so ft h eb i o m a t e r i a lr e s e a r c h d u et o i t ss i m i l a r i t i e si nc o m p o s i t i o na n dm i n e r a li n g r e d i e n t st ot h eh u m a nb o n et i s s u e ， c a l c i u mp h o s p h a t em a t e r i a l ss h o we x c e l l e n tb i o e o m p a t i b i l i t ya n db i o a c t i v i t y , w h i c h m a k e st h e mt ot h em o s ti m p o r t a n tb o n ei m p l a n tm a t e d a l s i nt h i ss t u d y , t h ei n t e r a e t i o nb e t w e e nc a l c i u mp h o s p h a t em a t e r i a l sa n d p r o t e i n s ，c e l l s ，a n db o n et i s s u ew e r ei n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so fm a t e r i a ls c i e n c e w h i l e p e n e t r a t i n g m e d i c i n ea n d b i o c h e m i s t r y t h e o b s e r v e d c h a n g e i n b i o c h e m i s t r ya n dm i c r o s t r u c t u r ea sr e s p o n s et ot h ei m p l a n t e dc a l c i u mp h o s p h a t e m a t e r i a l sa sw e l la st h em e c h a n i s m so fo s t e o g e n e s i si nb o d yp r o v i d ev a l u a b l e i n f o r m a t i o nf o rt h ed e s i g no fn e wc a l c i u mp h o s p h a t eb o n er e p a i rm a t e r i a l s ，b o n e t i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l dm a t e r i a l s ，a n do t h e rc l i n i c a la p p l i c a t i o n 1 1 l er e s e a r c hi n c l u d e dt h es t u d yo ft h eh u m a nc a n c e l l o u sb o n es t r u c t u r e ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h em a t e r i a lc o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e ，t h ec o m p o u n d i n go f 3 - t c pw i t hn a 2 0 - c a o m g o p 2 0 5g l a s sb i n d e r , a n dt h ep r e p a r a t i o no fb i o d e g r a d e d p o r o u sc a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c sb yt h ef o a m i n gm e t h o da t8 5 0 1 1 1 i sc e r a m i c s o b t m n e dah i g h l yv i s i b l ep o r o s i t y , l a r g es p e c i f i cs u r f a c e ，a n dw a st h r e e - d i m e n s i o n a l i n t e r c o n n e c t e dw i t hb i g ，s m a l l ，a n dm i c r o p o r e sa tah o m o g e n e o u sp o r ed i s t r i b u t i o n a si nv i t r oe x p e r i m e n tt e s t i f i e d ，t h ec a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c s ( ( ：p c ) h a sb e t t e r b i o d e g r a d a t i o np r o p e r t i e st h a no t h e rb o n ei m p l a n tm a t e r i a l s 力坨a b s o r p t i o no ft h ec a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i ct ot h ep r o t e i nw a si n v e s t i g a t e d b yu s i n gf t - l r 、x p s 、s e m 。a n ds d s p a g e a st h er e s u l t ss h o w e d ，f i l ep r o t e i n sw e r e s t r o n g l ya b s o r b e db yt h ec p c ，a n da s h i f to f t h ef e a t u r ep e a ko f t h ep r o t e i na n da l s oa c h e m i c a ls l l i f ti nt h ec a 2 pa n do l sb i n de n e r g yo fc p cw a so b s e r v e d t h i si n d i c a t e d t h a tt h ea c i d i ca m i n o g r o u pa n da l k a l i n ea m i n o r e s i d u eo nt h ep r o t e i n s s u r f a c e b o n d e dt om ec a 2 + i nt h eb - t c pc r y s t a lb yi o n i cb o n da n dt h ep r o t e i n s a l k a l i n ea m i n o g r o u p st ot h eo x y g e ni np 0 4 b yh y d r o g e nb o n da n de l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o n t h e 武汉理一j ：人学博：l ：学位论文 a b s o r p t i o nm e c h a n i s mo ft h ep r o t e i ni nt h ec p cc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ：t h e p r o t e i nd i f f u s et ot h es u r f a c eo fc p cd r i v e nb yc o n c e n t r a t i o nd i f f e r e n c ei nt h e s o l u t i o n t h e n ，t h ep r o t e i nc o n f o r m a t i o np e r f o r m sam i c r o r e s t r u c t u r i n gu n d e rt h e e l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o no nt h es u r f a c e ，w h i c hb o n dt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ec h a r g et o t h ei n v e r s ec h a r g eo nt h ec p cs u r f a c e t h i sr e s u l t si n t h ef o r m a t i o no ft h ef i r s t i r r e v e r s i b l ec h e m i c a la b s o r p t i o nl a y e r a f t e rap e r i o do ft i m e ，o t h e rf o r c e ss u c ha st h e g r a v i t ya n dt h ee l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o nb e t w e e np r o t e i n sl e a dt ot h es e c o n dp h y s i c a l a b s o r p t i o nl a y e r ；t h eb o n db e t w e e nt h ep r o t e i n sa n df r e ec a l c i u mi o n si nt h es o l u t i o n a sw e l la st h ep r o t e i na b s o r p t i o no n t ot h es u r f a c e ，w h i c ha l s ot a k e sp a r ti nt h e b i o - m i n e r a l i z a t i o no f t h eb o n et i s s u e ，l e a dt ot h et h i r da b s o r p t i o nl a y e r t h ei nv i t r oe x p e r i m e n t so fo s t e o b l a s ta n dc p cs h o w e dt h a tt h ec p ch a sb e t t e r c e l la f f i n i t yt h a no t h e rb i o m a t e r i a l s ，w h i c hc a np r o m o t et h eo s t e o b l a s tt oa d h e r e s e l e c t i v e l yo nt h em a t e r i a l sa n dt ol e tt h ec e l lp r o l i f e r a t ea n dg r o wo nt h es u r f a c ew e l l f u r t h e r m o r e ，c p cc a na l s op r o m o t et h eo s t e o b l a s tt ot r a n s f o r mf r o mt h eg 0 g ip h a s e t ot h esp h a s e , a c c e l e r a t et h ed n a s y n t h e s i sa n dc e l lp r o l i f e r a l k ma sw e l la si n c r e a s e t h eo c ne x p r e s s i o no ft h e o s t e o b l a s t ，i m p r o v e t h eo s t e o b l a s l a c t i v i t y ，a n d d i f f e r e n t i a t ei n t oo s t e o c y t e t h eh i s t o l o g i c a lo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tt h ec p ch a se x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y a n a p p r o p r i a t eb i o d e g r a d a t i o n ， g o o db i o a c t i v i t y a n d o s l e o c o n d u c t i v i t y 1 1 h e d e g r a d a t i o n - a b s o r p t i o no fc p ca n dt h ef o r m a t i o no fn e w b o n ei sad y n a m i cb a l a n c e d p r o c e s s t h ed e g r a d a t i o ns p e e dm a t c h e su pt ot h ef o r m a t i o ns p e e do fn e wb o n e t h e f o r mo ft h en e wb o n e si si nl i n ew i t ht h ei n t r a m e m b r a n o u so s s i f i c a t i o na n dt h et y p e o fb o n ef o r m a t i o ns t i m u l a t e d b yc a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c i si n t r a m e m b r a n o u s o s s i f i c a t i o n t h eo b s e r v a t i o no ft h em u l t i n u c l e a t eg i a n tc e l la n di t s e n d o c y t o s i s s h o w e dt h a tt h ed e g r a d a t i o no ft h ec p ci sc e l l m e d i a t e d d u r i n gt h ee a r l yp e r i o do f i m p l a n t a t i o n ，m a n l ym a c r o p h a g ec e l l sc o u l d b eo b s e r v e do nt h ec p cs u r f a c e d u r i n g t h em i d d l ea n dl a t e rp e r i o d ，m a i n l yo s t e o c l a s t sw e r eo b s e r v e di nt h e i n t e r f a c e b e t w e e nt h eb o n et i s s u ea n dt h ec e r a m i c s t h eo s t c o g e n e s i sa c t i v i t yo ft h eo s t c o b l a s t c o r r e l a t e sw i t ht h ea b s o r b e dd e g r a d a t i o no fo s t e o c l a s t t h ed e g r a d a t i o np r o d u c t p r o v i d e dt h es u b s t a n c ef o rt h ef o r m a t i o no fn e wb o n e t h es u i t a b l ep o r ea n ds u r f a c e s t r u c t u r eo ft h ec p cp r o v i d e dt h ef a v o r e dc o n d i t i o nf o rt h eo s t e o b l a s ta d h e r e n c e ， g r o w t h ，a n dm i g r a t i o n t h ei n t e r c o n n e c t e dp o r e sa r en o to n l yt h ec h a n n e lf o rt h e n u t r i t i o ns u b s t a n c e sa n dc e l l st op a s si na n do u t ，b u ta l s op r o v i d et h ef r e es p a c ef o r v 武汉理工火学博= ：学位论文 t h en e wb o n et i s s u eg r o w t h a st h ea n a l y s i so ft e t r a c y c l i n ed u a l l a b e l e di m a g e ss h o w e d ，t h ec p ct e n d e dt o i n c r e a s et h e o s t e o g e n e s i ss p e e dw i t h i n t h ei m p l a n t e da r e ai nm e t r o l o g y t h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h eb i n t r a n s f o r m a t i o no fi n o r g a n i cm a t e r i a li n t ot h eo r g a n i c b o n et i s s u el e a d e dt oat h e o r yo f t h ed e g r a d a t i o na n df o r m a t i o no f n e wb o n e 加v i v o t h ei n t e r f a c eb e t w e e nc p ca n dh o s tb o n ew a ss t u d i e db yt h ee l e c t r o np r o b e m e t h o d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec p ci sn o to n l yau s e f u ls c a f f o l dm a t e r i a lf o rt h e g r o w t ho fb o n e ，b u ta l s ot a k e sp a r ti nt h el i f ec y c l eo ft h eh o s tb o n ea n du l t i m a t e l y b e c o m e sl i v i n gn e wb o n et i s s u e f u r t h e rr e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s so ft h e b i o d e g r a d a t i o no fm a t e r i a l sa n df o r m a t i o no fn e wb o n ei st a k e np l a c ea tt h es a l n e t i m e t h i s c o m p l e xp r o c e s s i sas l o wi n t e r d e p e n d e n ta n d i n t e r a c t i n g b i o t r a n s f o r m a t i o n t h es e ma n dt e m p i c t u r e ss h o w e dt h a tt h ec a l c i u ma n dp h o s p h a t ep r o d u c e db y c p ci c a dt ot h ea p p e a r a n c eo fe l e c t r o nd e n s ei a y e r sa tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e m a t e r i a l sa n dt h eb o n e ，w h i c hi m p r o v e dt h ed e p o s i t i o no f t h ec r y s t a l ss u c ha sd c p d ， o c p , a n dh a p t h em i n e r a l i z a t i o no fc o l l a g e n sa l w a y st a k e sp l a c ea r o u n dt h e m a t e r i a l s t h ed e g r a d a t i o na n dm i n e r a l i z a t i o no c c u r sa tt h es a m et i m ed u et ot h e r e c o g n i t i o nm e c h a n i s mo ft h en o n c o l l e g ep r o t e i n ss u c ha st h eo s t e o c a l i n t h e c o l l a g e n o u sf i b r e sm i n e r a l i z ei no r d e ra n da f t e rt h em a t u r i n go ft h eb o n e ，t h em i n e r a l p h a s ew a si d e n t i f i e da sn a n o p a r t i c l e so fd o t i a t t a i e 沁t h ec a l c i u mp h o s p h a t e c e r a m i c ss t a y si nd i r e c tc o n t a c tw i t ht h eb o n e t h e r ea r em a n yk i n d so fi n t e r f a c e s b e t w e e nt h ec p ca n dt h en e wb o n et i s s u e t h ec a l c i u mp h o s p h a t ep a r t i c l ea r r a n g e s p a r a l l e la tt h ei n t e r f a c e ，c l e a v a g e si n t ol a t h l i k es t r u c t u r eg r a d u a l l y , a n dc h a n g e sf r o m m i c r o i n t on a n o p a r t i c l e t h e s en a n o p a r t i c l e sd i f f u s ei n t on e wb o n et i s s u e ，e n t w i n e a r o u n dt h eb o n et i s s u e ，a n du l t i m a t e l yb e c o m et h em i n e r a ls u b s t a n c eo f t h en e wb o n e i nt h eb o d yf l u i d ，1 3 - t c pc r y s t a l sc l e a v a g ea l o n gt h e ( o o l1f a c ed u et ot h ef o r m a t i o n o fap - n a c a p 0 4l a y e ra n dt h es e l fs t r u c t u r ed e f i c i e n c yo f1 3 - t c pc r y s t a l s ，w h i c h c a u s et h eb i n d i n gf o r c eb e t w e e nt h ec r y s t a lf a c er a v a g ed u r i n gs i n t e r i n g t h i s s t r u c t u r ei sb e n e f i c i a lt ot h ed e g r a d a t i o no fc p ci nv i v o k e y w o r d s ：c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c s ；p o r o u s ；p r o t e i n ；a b s o r p t i o n ；o s t e o b l a s t ； p r o l i f e r a t i o n ；d i f f e r e n t i a t i o n ；i n t e r a c t i o n ；s t r u c t u r e ；c o m p o s i t i o n ； b i o d e g r a d a t i o n ；o s t e o g e n e s i s ；b o n et i s s u e v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和和致谢的地方以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：同期： 武汉理 j 大学博十学位论文 第一章绪论 骨骼是人体的支架，担负着支持、保护、承重、造血、贮钙、代谢等功能， 是人体重要的组织器官。临床上常因创伤、肿瘤、感染、先天性缺陷等原因导 致骨组织坏死、缺损及病变，是临床多发病症。大部分不能自愈而需进行骨移 植，治疗不当则病废率高。随着人口老龄化和各种创伤的增加，对生物医学材 料尤其是硬组织( 骨、牙) 替代材料的需求也持续增长，具有量大面广的特点。 1 9 9 8 年全球生物材料产业的年交易额已达1 2 0 亿美元，其中涉及硬组织修复和 替代材料的约为2 3 亿美元【1 】。美国每年骨胃换外科治疗有2 0 百万人，s f 均每 十人中有一人用了植入体f 2 ，3 1 。2 0 0 1 年美国褴形外科牛物材料的市场超过了9 8 亿美元，其中同种异体骨和合成骨替代材料约5 7 8 亿美元，预计到2 0 0 6 年可能 翻倍。据预测，未来生物材料在临床上的应用将保持7 2 0 的年增长速度，而 对我国这样一个人口众多的发展中国家，潜在的巨大的需求是不言而喻的。我 国创伤住院病人己占住院人数的第二位，年增长率达7 3 ，而骨移植占人体组 织移植频率的第二位【4 l 。随着人们生活水平的不断提高和保健意识的不断增强， 有关骨替代材料和骨组织工程的临床应用静景极为广阔，该领域研究所具有的 深远的社会影响和巨大的经济效益是显而易见的。因此，骨缺损替代物的丌发 研究具有重大的意义。本章就骨替代材料的研究和进展以及亟待解决的问题作 了简要的回顾和讨论。 1 1 骨的组成与结构 从材料学角度看，骨可视作一种由无机矿物和生物夫分子规则排列所组成 的优化复合材料，其力学性能达到了理想化，这珥i 仪扶定于它的成份，i m 且也 决定于它的结构。骨组织( b o n e t i s s u e ) 是一一种特殊类型的结缔组织，山大量钙 化的细胞间质及数种细胞组成。钙化的细胞删质称为骨基质( b o n em a t r i x ) ，问 质中有大量的钙盐沉积，使之成为体内最硬的组织；细胞有骨( 母) 原细胞 ( o s t e o p r o g e n i t o rc e l l ) 、成骨细胞( o s t e o b l a s t ) 、骨细胞( o s t e o c y t e ) 及破骨细胞 ( o s t e o e l a s t ) 四种。骨细胞最多，位于骨綦质内，其余三利咖l 胞均位予罚研i 织的边 武汉理工大学博士学位论文 缘【5 - 7 1 。体内9 9 的钙、g s 的磷、6 5 的钠和镁以骨盐的形式贮存于骨内，因 而骨成为体内最大的钙库，与钙、磷代谢有着密切关系，对调节血液和体液中 钙、磷浓度的平衡起非常重要的作用【8 ，9 1 。 骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约7 5 2 5 ， 体积比约为6 5 3 5 。有机质主要是i 型胶原纤维( 占有机成份的9 0 上) 及1 0 左 右的无定形基质。无定形基质为凝胶，包括一些非胶原蛋白、糖蛋白、蛋白多 糖、多肽、碳水化合物及脂类等。其中含有两种钙结合蛋白：骨钙蛋白 ( o s t e o c a l c i n ) 和骨磷蛋白( p h o s p h o p h o r y m s ) 。前者有两个与钙亲合力强的部位， 后者则有许多钙结合部位，但只有一部分骨磷蛋白是可溶性的，其余均与胶原 纤维相结合。钙结合蛋白与钙化及钙的运输有关。无机成份主要为钙的磷酸盐 ( 8 5 ) ，包括羟基磷灰石( h y d r o x y a p a f i t e ，h a ) 和无定型的磷酸钙。骨组织中 的h a 是一种非化学计量的，含有c 0 3 2 。、c 1 。、f 、n a + 、k + 、m 矿+ 等杂质离子 和s r 、z n 等微量元素。其中c 0 3 2 可取代o h 。或p 0 4 3 的位置而成为a 型或b 型 碳酸磷灰石，一般在骨中两相同时存在。另外骨中还发现了非晶磷酸钙( a c p ) 、 磷酸八钙( o c p ) 、透磷酸钙( d c p d ) 、磷酸氢钙( d c p ) 。除磷酸钙，还有少 量的其它盐，如六方碳酸钙和碳酸镁钙( 1 0 ) 、柠檬酸钙( 2 ) 、磷酸氢二钠 ( 2 ) 等【1 。】。研究表明，骨基质中的磷灰石以长约3 0 5 0 r i m ，宽3 6a m 左右 的针状或片状晶体，有规律地沿胶原纤维长轴规则地排列并与之结合( 图1 1 ) 。 晶体位于胶原分子间的间隙孔内，晶体c 轴平行于胶原纤维而构成骨的基本结 构。这种类似纤维复合结构形式的骨基质十分坚硬，以适应其支持功能，1 2 】。 骨组织在骨内的形式有密质骨( c o m p a c t b o n e ) 和松质骨( s p o n g y b o n e ) 两种。 图1 - 1 骨的分级结构及矿物一胶原关系图 f i g i - 1 h i e r a r c h i c a ll e v e lo f b o n ea n dm i n e r a l - c o l l a g e ns t r u c t u r a lr e l a t i o n 2 武汉理工大学博士学位论文 骨密质位于骨干和骨骺昀外侧，其骨板排列十分致密而规则。骨松质主要位于 骨骺内和骨干的内侧筒，是由大量针状或片状的骨小梁连接而成的多孔网架， 形似海绵状。骨小梁也是板层骨，由数层平行排列的骨板和骨细胞构成。骨小 梁按承受力的作用方向有规律地排列( 图1 。2 ) 。在胚胎发育、骨折愈合( 骨痴) 的 初期还存在编织骨，其特征是骨基质中的胶原纤维排列无序，编织骨将进一步 被改建，为皮质骨或松质骨替代【1 3 】。在皮质骨中的孔约为1 l o o l t m ，而骨小梁 中的孔约2 0 0 4 0 0 1 m a 。孔的尺寸范围、程度和连通性是影响骨形成、修复和再 生所必需的营养物质传输，细胞附着、迁移和表达，组织长入的关键因素。 骨在人的一生中一直进行改建，骨组织中的钙是动态变化的。在多种骨细 胞作用下，旧骨不断被吸收破坏，新骨不断形成和重建。正常情况下，骨钙中 约有9 9 是相对稳定的，以不溶性的骨矿盐形式存在，不能自由参与钙的代谢， 主要通过骨单位的适时更新、骨的塑造与改建进行钙交流，称为稳定钙。另有1 的骨钙是不稳定的，它以可溶性状态存在于细胞内，可自由地与细胞外液交 换，称为不稳定钙。稳定钙和不稳定钙通过可溶性钙不断进行钙的交换，骨陷 窝、骨小管、哈佛氏管的腔面以及骨的内、外表面都是进行钙离子交换的交换 面。上述腔和管壁上的骨磷灰石晶体都是一端埋在骨基质，一端突出于腔面， 暴露于组织液的，也参与供给交换面。由此，旧骨中不稳定钙不断进入血液和 细胞外液，肠道吸收的钙又不断通过血液循环沉积在骨中，钙离子对维持和调 节机体内许多生化过程及血钙的正常浓度是必需的【l l ，1 4 】。 图1 - 2 骨结构示意图 f 培1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f b o n es t r u c t u r e 武汉理工大学博士学位论文 1 2 骨的康复与替代修复 1 2 1 骨的形成模式 骨组织的形成，包括间充质细胞分化为骨原细胞、成骨细胞、骨细胞，并 随之分泌类骨质非矿化的骨基质，以及类骨质的矿化。骨的形成模式主要 有以下三种方式i ”，州l ( 1 ) 膜内成骨( i n t r a m e m b r a n o u so s s i f i c a t i o n ) ：膜内骨发生过程与软骨无关。 在将要形成骨的部位，血管增生，未分化的间充质细胞密集，多层排列成膜状， 并分裂、分化形成骨原细胞，骨原细胞进一步分化增大为成骨细胞。成骨细胞 分泌类骨质并逐渐被类骨质包埋，继而类骨质钙化为骨质，成骨细胞覆盖在这 些岛状骨表面并继续增加骨基质。被骨基质包埋的成骨细胞转变为骨细胞。最 早出现成群的成骨细胞的部位称为骨化中心( o s s i f i c a t i o nc e n t e r ) ，围绕它逐渐 出现许多呈放射状排列的原始骨小梁。骨化过程由中心向周围不断扩展，骨松 质不断增厚，骨化中心外周的间充质分化为骨膜。骨膜内的成骨细胞在骨松质 表面成骨，形成骨密质。 ( 2 ) 软骨内成骨( e n d o c h o n d r a lo s s i f i c a t i o n ) ：是躯干骨和四肢骨的原始发 育过程，即软骨性原基被骨代替而形成骨一软骨复合体的过程。在将形成骨的 部位，未分化的间充质细胞密集并分化出许多骨原细胞。部分骨原细胞分化为 软骨细胞，软骨细胞向周围分泌基质并将其包埋其中，成为透明软骨组织，周 围的间充质分化为软骨膜，形成软骨雏形( c a r t i l a g e n o u sm o d e l ) 。软骨膜内层的 骨原细胞增殖分化为成骨细胞，贴在软骨组织表面形成类骨质，继而钙化为骨 组织形成骨领( b o n ec o l l a r ) 。软骨膜变成骨膜。骨膜内层的骨原细胞不断分化 为成骨细胞，在骨颈表面及两端添加新的骨组织，使骨骼逐渐增厚和加长，成 为骨干的原始骨组织，代替软骨起支持作用。以后不断改建成