α-磷酸三钙骨移植材料在骨科领域应用的研究与进展.docVIP

www.CRTER.org肖渝，等. -磷酸三钙骨移植材料在骨科领域应用的研究与进展-磷酸三钙骨移植材料在骨科领域应用的研究与进展肖 渝1，李彦林1，高寰宇1，王国梁1，夏 萍2(昆明医科大学第一附属医院，1运动医学科，2 2014级规培学员，云南省昆明市 650032)引用本文：肖渝，李彦林，高寰宇，王国梁，夏萍. -磷酸三钙骨移植材料在骨科领域应用的研究与进展J.中国组织工程研究，2016，20(43):6494-6500.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.43.016 ORCID: 0000-0003-4069-5524(李彦林)文章快速阅读：-磷酸三钙骨移植材料的应用检索策略文献分析：初检183篇，纳入42篇符合标准且无重复研究的文献，19篇介绍-磷酸三钙特性及其应用，23篇介绍改良新型-磷酸三钙的特性及其应用。提出问题：-磷酸三钙移植材料目前的研究及应用情况关键词：-磷酸三钙，复合材料，骨移植，骨替代材料；alpha tricalcium phosphate, Composite material, Bone graft, Bone substitutie material。限定条件：近5年发表搜索文献：检索相应中文、英文数据库肖渝，男，1990年生，云南省昆明市人，汉族，昆明医科大学在读硕士，主要从事运动医学研究。 通讯作者：李彦林，教授，昆明医科大学第一附属医院运动医学科，云南省昆明市 650032中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)43-06494-07稿件接受：2016-08-16文题释义：-磷酸三钙：本身并不具备骨诱导能力，甚至即使只用浸泡提取液培养细胞都会造成细胞增殖能力的下降，但都一致承认这一材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性和骨引导能力。Lee等发现用-磷酸三钙制得的骨水泥，在生理溶液下呈现微碱性(pH=8.2)，这有助于细胞的生长、分化，并且通过细胞形态学和生存能力证实了-磷酸三钙具有良好的生物相容性，而且-磷酸三钙骨水泥的成型时间和最终凝固时间都明显短于一般骨移植替代材料。-磷酸三钙的缺点：总体质地较脆、生物力学性能不理想，再加上无诱导成骨作用，水固化反应过程中会发生体积的膨胀，引起局部强度降低。另外，磷酸钙材料都要经过较长的自凝时间才能获得最大强度，而且自凝时间不易控制，过久会导致材料的碎裂，在移植部位有渗血的情况下需要更长的自凝时间，因此并不适宜用于承重部位及血供丰富部位的骨缺损填充治疗。摘要背景：-磷酸三钙是目前骨移植替代材料当中研究和应用较为广泛的重要骨组织工程材料之一。目的：介绍目前-磷酸三钙骨移植替代材料的最新研究进展，并展望其在未来发展。方法：由第一作者检索1960年1月至2015年8月PubMed数据库、FMJS数据库、中国知网数据库、万方数据库、中国生物医学文献数据库，有关使用-磷酸三钙作为骨移植替代材料的相关文献，英文检索词为“Alpha tricalcium phosphate，Composite material，Bone graft，Bone substitution material”，中文检索词为“-磷酸三钙，复合材料，骨移植，骨替代材料”，根据纳入标准排除重复性研究，保留42篇密切相关文献进行归纳总结。结果与结论：-磷酸三钙是钙磷化合物中研究较多、应用较广的一种，虽然具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性和骨引导能力，但并不具备骨诱导形成能力。因此，将-磷酸三钙与无机物或有机物结合，形成混合性材料，不仅可克服-磷酸三钙自身的物理化学特性缺陷，还能增加其弹性，有助于细胞攀附，缩短成骨改建时间，甚至作为载体携带抗菌药物等，这些改进都显著缩减了骨折损伤的修复时间，为未来骨移植材料发展方向提供思路。 关键词：生物材料；骨生物材料；骨移植；-磷酸三钙；复合材料；骨替代材料；国家自然科学基金 3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 主题词：生物相容性材料；磷酸三钙；支架(骨科)；组织工程 基金资助：国家自然科学基金(81460340)；云南省骨关节疾病诊疗省创新团队项目(2004HC1018)；医疗卫生内设机构研究项目Alpha-tricalcium phosphate as a bone graft: research and development in orthopedics Xiao Yu1, Li Yan-lin1, Gao Huan-yu1, Wang Guo-liang1, Xia Ping2 (1Department of Sport Medicine, 2Department of Compliance Training, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China)AbstractBACKGROUND: As one of the important bone substitute materials in bone tissue engineering, -tricalcium phosphate (-TCP) has been widely applied and researched.OBJECTIVE: To introduce the newest research progress about -TCP as a kind of bone substitute material, and to prospect its development. METHODS: The first author searched the relative literatures addressing -TCP as a bone substitute material published from January 1965 to August 2015 in PubMed, FMJS, CNKI, Wanfang and CBM databases. The keywords were “alpha tricalcium phosphate, composite material, bone graft, bone substitution material” in English and Chinese, respectively. According to the inclusion and exclusion criteria, finally 42 articles were reviewed.RESULTS AND CONCLUSION: -TCP is one of calcium phosphate compounds which has been extensively applied and researched. It holds good bioactivity, biocompatibility, biodegradability, biodegradation and osteoconductivity except osteoinduction. Therefore, combining -TCP with inorganic or organic factors to establish the composite material cannot only overcome the shortage of -TCP in physicochemical characteristics, but also provide a mixed material with better resilience that is easy for cells to adhere, shorten bone reconstruction time, and even can carry antibacterial drugs. All these improvements will markedly shorten the bone repair time and provide a new idea for future development of bone graft materials.Subject headings: Biocompatible Materials; Tricalcium Phosphate; Braces; Tissue EngineeringFunding: the National Natural Science Foundation of China, No. 81460340; the Innovative Team Project for Diagnosis and Treatment of Joint Diseases in Yunnan Province, No. 2004HC1018; Research Projects of Medical InstitutionsCite this article: Xiao Y, Li YL, Gao HY, Wang GL, Xia P. Alpha-tricalcium phosphate as a bone graft: research and development in orthopedics. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(43): 6494-6500.6495ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction Xiao Yu, Studying for masters degree, Department of Sport Medicine, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, ChinaCorresponding author: Li Yan-lin, Professor, Department of Sport Medicine, the First Affiliated Hospital of Kunming Medical University, Kunming 650032, Yunnan Province, China骨移植材料是骨移植科研和临床中一直不断改进不断发展的重点，从异种骨到自体骨再到人工骨，从块状到粉末状再到骨水泥，几个世纪的发展变化令人称赞，而近年来的发展更是可以用日新月异来形容。目前的移植材料大体可分为3大类：自体骨、异体骨和人工骨。自体骨移植因没有免疫反应、融合性好、恢复率高而一直都是骨缺损移植术的金标准1。而异体骨移植较自体骨更为常用，据统计，美国每年约有一百万例患者接受异体骨移植2。但移植所带来的传染性疾病如HIV、丙肝的潜在风险仍不容忽视。人工骨则是因生物相容性好，晶体结构、成骨性及生物活性与人骨接近而大放异彩。但人工骨移植材料临床应用的最大阻碍莫过于异物炎症反应和免疫排斥反应。目前主要使用的人工骨移植材料有磷酸三钙、羟基磷灰石、生物活性玻璃等3。磷酸三钙与正常骨组织具有相似的特性，被作为临床骨修补材料的重要成分，但部分临床实验和基础研究中并未对磷酸三钙这一物质作进一步的描述，或是在研究中混淆了磷酸三钙的不同亚型，忽略了磷酸三钙化合物的多样性。1 资料和方法 Data and methods1.1 资料来源 由第一作者检索1965年1月至2015年8月PubMed数据库、FMJS数据库、中国知网数据库、万方数据库及中国生物医学文献数据库，英文检索词为“alpha tricalcium phosphate，Composite material，Bone graft，Bone substitute material”，中文检索词为：“-磷酸三钙，复合材料，骨移植，骨替代材料”。共检索到183篇文献。1.2 入选标准 与-磷酸三钙相关的文献。-磷酸三钙作为单一支架材料及与其他有机物、无机物混合形成改良新型支架材料特性的文献。1.3 排除标准 重复性研究；年代大于5年而无显著新理论、新发现的研究；对于磷酸三钙无明确亚型描6501ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH搜索文献：检索相应中文、英文数据库提出问题：-磷酸三钙移植材料目前的研究及应用情况从183篇相关文章中引文检索51篇最终纳入精读文献42篇由于同时限定所有关键词致搜索范围小，搜索文章过少，采用关键词“-磷酸三钙”搜索及关键词“-磷酸三钙”分别加上另外3个关键词搜索策略。英文搜索方式相同。关键词：-磷酸三钙，复合材料，骨移植，骨替代材料；alpha tricalcium phosphate, Composite material, Bone graft, Bone substitutie material。限定条件：近5年发表PubMed：123篇FMJS：203篇知网：12篇万方：108篇生物医学数据库：6篇从搜索结果中阅读并整理出183篇相关性较多大的文章图1 文献检索流程述的文章；非-磷酸三钙的研究文章；非目标数据库中收录的文章。1.4 质量评估 初检183篇，纳入42篇符合标准且无重复研究的文献(图1)，19篇介绍-磷酸三钙特性及其应用，23篇介绍改良新型-磷酸三钙的特性及其应用。2 结果 Results 2.1 -磷酸三钙材料特性简介 磷酸三钙的化学式为Ca3(PO4)2，钙磷比约为1.5，与正常人骨中的比例相似，化学性质和晶体结构也与人骨相似4-6。磷酸三钙是白色、无臭、无味晶体或无定形粉末，存在多种晶体相，除了低温相(-磷酸三钙)和高温相(-磷酸三钙)外，还有极高温和相等，熔点1 670 ，可溶于酸，不溶于水和乙醇。临床常用到的是相和相。目前在制备-磷酸三钙的过程中，应当注意最后一步降温的速度是整个过程中对材料纯度控制最为关键的一步，因为在高温下生成的相需要通过淬火以“锁定”晶体结构，以减少转变为相的量，因此整个过程应当足够迅速6。另外，在制作过程中还需注意氧化钙、羟基磷灰石等其他钙磷化合物对纯度的影响。现在科研中常用到的-磷酸三钙多被制成了粉末状，能够方便塑型，以满足不同的实验需求。近年来，有报道认为-磷酸三钙本身并不具备骨诱导能力，甚至即使只用浸泡提取液培养细胞都会造成细胞增殖能力的下降7，但都一致承认这一材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性和骨引导能力8-9。Lee等10发现用-磷酸三钙制得的骨水泥，在生理溶液下呈现微碱性(pH=8.2)，这有助于细胞的生长、分化，并且通过细胞形态学和生存能力证实了-磷酸三钙具有良好的生物相容性，而且-磷酸三钙骨水泥的成型时间和最终凝固时间都明显短于一般骨移植替代材料。-磷酸三钙有着比-磷酸三钙更好的溶解性，以-磷酸三钙/-磷酸三钙为主的复合骨水泥降解的主要成分就是-磷酸三钙。通过骨-材料接合界面发生的水固化反应11，经溶解-转化-沉淀的过程形成稳定的、具有微孔结构的磷酸钙化合物，具有良好的骨传导性和成骨作用，在体内能够被缓慢降解吸收并转化为新生骨。-磷酸三钙的降解产物主要是低钙羟基磷灰石，其结构和化学性质与生物体内的磷灰石相近，具有良好的生物相容性、生物活性及可塑性12。因此-磷酸三钙能够实现材料的降解并逐渐被新生骨所替代，最终实现骨的愈合。-磷酸三钙材料因为原料和制作方法多样，所获得的材料密度、孔率、颗粒大小都会有所差异。目前，孔径大小、孔隙率、贯通率已可通过对制备过程中的温度、pH等因素的调节来进行调整，最终达到与骨近似的生理状态，这有助于在体内环境中周围组织的生长和血管的长入，能为细胞的附着和细胞外基质分泌提供支架作用，最终有利于新生组织的生成6。就炎症反应而言，虽然Lange等13研究认为钙磷移植物的颗粒组成、粒子大小都会不同程度的引起局部炎症，但用纯-磷酸三钙或是-磷酸三钙为主的复合材料置入动物模型后，即使未长期使用抗生素，Vamze等14也没有发现其移植部位的炎症反应。这些优点都是-磷酸三钙作为自凝骨水泥、可降解生物陶瓷或骨修复复合材料的基础。但是-磷酸三钙总体质地较脆、生物力学性能不理想，再加上无诱导成骨作用，水固化反应过程中会发生体积的膨胀，引起局部强度降低。另外，磷酸钙材料都要经过较长的自凝时间才能获得最大强度，而且自凝时间不易控制，过久会导致材料的碎裂，在移植部位有渗血的情况下需要更长的自凝时间，因此并不适宜用于承重部位及血供丰富部位的骨缺损填充治疗10，15。目前为了改善-磷酸三钙的缺陷，大致使用3种方法：改变-磷酸三钙晶体结构，从理化性质根本上解决材料缺陷16-17；添加或混合其他化合物补充原有不足18；附和药物增加细胞贴附，以加强成骨效果7，19。从所使用的原料上分大致可分为无机材料和有机材料。2.2 改良后的-磷酸三钙2.2.1 -磷酸三钙与无机盐 -磷酸三钙在室温下保持着亚稳定状态，其稳定性高低取决于化学分子构型中的离子取代情况16。在分子结构中加入或者替换原有的基团和离子，可在提高-磷酸三钙的稳定性的同时，对骨组织再生时发生的生化反应产生较大影响7，20。以硅为例，硅是目前使用最多的-磷酸三钙稳定剂，能使常温下的-磷酸三钙更稳定状态，并且能够增加-磷酸三钙的抗压强度，改善因水解引起的-磷酸三钙抗压强度降低21。对于细胞而言，有硅混合的磷酸三钙复合物与纯磷酸三钙材料相比表现出了更好的力学特性和物理稳定性，并且能够刺激间质细胞分化、促进成骨细胞活动，由此改善以-磷酸三钙为基础的骨水泥的生物化学特性22。de Aza等23在动物模型实验中证实了在-磷酸三钙中加入硅离子，能促进材料-骨界面的骨重建。除了硅，锶元素目前也被认为是影响骨生长发育的重要元素之一。Saidak等24发现了锶元素在骨质疏松中扮演了重要角色，锶在生理上与钙离子有着共同通路并且能够在骨中蓄积 。除此之外，锶还能促使破骨细胞凋亡和成骨前体细胞的增殖分化、促进胶原合成。有研究报道25，含锶-磷酸三钙的自凝时间能够延长并且达到手术所需的时间，这意味着使用这种骨水泥的术口能够更早关闭，避免了长时间伤口的开放。而且锶不会影响-磷酸三钙在体内的化学反应或是降解，即使在浸泡生理盐溶液48 h之后，含锶-磷酸三钙依然能够承受30 MPa压力强度。除了上述的几个，还有报道铜、镊等二价盐与-磷酸三钙结合制作骨移植材料20。2.2.2 -磷酸三钙与磷酸钠钙 除了上述的加入离子或基团，化合物与-磷酸三钙复合也是改进单一-磷酸三钙的重要方法。Masashi等18通过向-磷酸三钙中混入磷酸钠钙、柠檬酸获得一种新型复合材料，在室温下材料内的钙离子和柠檬酸可在短时间内发生螯合，最终可缩短自凝时间，而且材料强度也明显强于主要由磷酸钠钙、磷酸四钙和-磷酸三钙组成的普通磷酸钙水泥，并且在生理盐溶液中该材料经水解可产生Na、Ca2和PO4，局部高浓度的Ca2、PO4有助于磷灰石的形成；此外，这些离子或离子团还能够加强材料-骨界面的骨传导性，并使溶液呈现出弱碱性，利于细胞的生长、增殖，适用于较为常见的骨损伤治疗。2.2.3 -磷酸三钙与-C2S -C2S是硅酸盐骨水泥中重要的成分之一，在体外有良好的生物活性和生物相容性。当溶液中液体/粉末比例适当时能制成可注射水泥，该水泥经水合反应凝固变硬形成C-S-H凝胶26。Correa等27对添加了硅酸盐的钙磷材料进行理化性能检测时发现-磷酸三钙骨水泥的抗压强度降低了，但是体外长时间浸泡在生理溶液中仍能保证其材料强度高于正常人骨小梁。Hasan等28进一步的研究发现，在体内C2S能够加快-磷酸三钙的降解，早期就能在材料周围检测到生成的降解产物CDHA，为骨修复提供足够的钙离子原料29，并且还C2S还能诱导低钙羟基磷灰石向骨组织天然的构型转化，局部适宜浓度的硅离子甚至能够加强骨形成相关基因的表达，刺激细胞增殖30-31。由此得知，-C2S不但改善了-磷酸三钙本身强度过大的缺点，在承重形变上更满足生理需要，而且能够激发细胞相关成骨基因表达，从种子细胞和支架材料两个方面补充了-磷酸三钙支架的现有的不足，但缺陷在于硅离子浓度需要精确掌握，过高的浓度可以导致细胞的死亡31。2.2.4 -磷酸三钙与凝胶 磷酸钙材料和人体骨相比力学强度较低。为了改变这一缺陷，有人注意到了乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸复合以改善强度不足的可能性19。在生物医学工程领域，上述化合物都是制备凝胶的常用单体物质。在-磷酸三钙中加入乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸，虽然会引起材料孔隙度降低，但抗拉和抗压能力都得到了不同程度的增加，并且展现出了更好的生物相容性，能在不影响材料的力学特性的前提下促进新生血管长入材料中，还具有较高的亲水性和稳定的药物释放能力，可作为移植材料修补损伤的同时，携带药物或细胞因子加强局部的修复作用19。2.2.5 -磷酸三钙与聚L乳酸纤维 经纤维强化的骨水泥能够改善磷酸钙骨水泥本身较低的力学强度以及受压后容易碎裂的脆性32；也能明显缩短水泥自凝时间；还可通过诱导机体内纤维空隙中的液体吸收，引起-磷酸三钙发生降解所需的液体微环境的减少，导致转变时间相对延长，最终导致-磷酸三钙降解减缓，抑制-磷酸三钙转变为低钙羟基磷灰石，最终因为有更小的晶体结构、更低的磷灰石相结晶度而使得材料整体结构更为紧密。并且因为纤维自身的可吸收特性，在被吸收之后可遗留下孔隙结构，利于新生组织的长入33。虽然短时间内由于-磷酸三钙晶体数量相对较多，会引起复合材料诱导骨生成能力降低，并减弱了一定的力学强度；但从长远来看，转变时间的延长使得材料能够长时间维持一定的形变能力和抗压能力。这都充分说明了纤维强化骨水泥作为骨替代材料可用于恢复时间较长的损伤当中的潜力。2.2.6 -磷酸三钙与儿茶素 儿茶素是绿茶中的一种儿茶酚，也是公认的茶多酚中含量最多、最有效的活性成分。现普遍认为儿茶素能够抗炎抗肿瘤，也能降低血脂，控制血压，调节免疫，增加骨密度，减少骨质疏松的发生，还能诱导多核细胞(如破骨细胞)的凋亡34。儿茶素改善骨的健康状况主要通过4个机制：减少氧化应激反应35；增加抗氧化酶活性36；减少炎症因子的释放；促进成骨细胞标记基因表达37。从许多报道中都可以看出，通过将儿茶素与-磷酸三钙材料复合，可诱导大量骨形成蛋白2生成，进而促进了骨的生成38-39，并且儿茶素对成骨细胞的增殖分化不会造成影响40-42。说明了以-磷酸三钙材料本身加上儿茶素对骨的多机制作，可在不影响-磷酸三钙特性和修复细胞活性的前提下提高骨的修复作用，是最大限度不改变-磷酸三钙以保持原有优点和缺陷上对其不足之处的补充。3 展望 Prospect 磷酸三钙材料是近几年来骨移植材料当中研究的热门材料，普遍用于各种骨损伤修复研究，磷酸三钙也是目前在临床报到中所用的众多骨水泥及骨修补材料中的重要成分，尤其是骨水泥，因为具有与正常骨组织相似的分子晶体成分和良好的可塑性，应用更为广泛。但在实际临床工作当中，应用较为局限，适用条件要求较多，而且作为植入材料，虽然异物抗原已经过理化灭活处理，但术后仍然存在不同程度的排异反应，严重的可导致慢性骨髓炎，造成长期不良预后。这些问题都是今后在临床科研当中所需要解决的难题。-磷酸三钙作为磷酸三钙的1个亚型，相对于-磷酸三钙而言缺乏了骨诱导能力7，不能对周围潜在的成骨细胞进行趋化和募集，并且在机体内的降解时间较长，对宿主而言有造成长期迁延异物排异反应的可能，而且作为自凝骨水泥时自凝时间窗较难掌握，尤其是用于那些不同来源、不同组成骨水泥，各自时间窗都不同，时间过短或过长都会对最终强度造成影响。更直观的数据表现在PubMed数据库中搜索Mesh词汇“alpha-tricalcium phosphate”和“beta -tricalcium phosphate”进行对比，可明显发现前者的研究高峰出现在2001至2003年，而后者于近5年出现了研究的热潮，每年都有90篇以上相关文章报道。虽然-磷酸三钙的缺点众多，但研究热潮出现的时间明显早于-磷酸三钙，考虑首先是因为制备方便，虽然制备温度要求高于-磷酸三钙，但在较大范围温度区间内，-磷酸三钙能够保持理化性质稳定，并具有较好的生物活性、生物相容性、生物降解性和骨引导能力8-9，可以说是科研人员依据当时的条件所制备出的较好移植材料，而随着新理论、新技术的出现，相的发现弥补了相的部分先天缺陷，成为了移植材料研究的新宠儿。但是-磷酸三钙并未就此淘汰，因为研究的时间较长，已经过了大量体外和体内实验，研制技术趋于成熟，特性也基本能够满足正常人的生理需要，为进一步研究提供了宝贵的前期经验。目前，改良的-磷酸三钙通过结合无机物或有机物，已能够满足部分临床应用的需要，并且利用无机物和有机对现有-磷酸三钙进行改良，在克服单一-磷酸三钙材料高脆性、低吸收等缺点的同时，改善了强度、增加了骨诱导能力，并赋予了新的特性，达到了缺点互补、优点互助。-磷酸三钙的应用价值经过长期的研究与改进，已不再限制于其自身的缺点，仍然可作为一种潜在的骨替代材料，而这样的变化仅仅经历了十几年。相信，只要经过科研工作者们的不断努力，在不久的将来，能够获得更接近生理需求、可以在临床广泛应用的新型-磷酸三钙材料。作者贡献：第一作者查阅、收集并整理相关资料成文，第二作者校审并对文章负责，第三、四、五作者协助第一作者资料收集及成文。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：未涉及伦理冲突的内容。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：通讯作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References 1 Aghazadeh A,Rutger Persson G,Renvert S.A single-centre randomized controlled clinical trial on the adjunct 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