骨组织工程支架材料

骨组织工程支架材料骨组织工程支架材料 中国国际新材 产业研讨会 生物医用材 专业论坛骨组织 工程支架材 崔福斋李艳 清华大学材 科学与工程系 京 摘要介绍了骨组织工程支架材 的研究应用现状 重点讲述了 纳米相羟基磷灰石 胶原复合材 的仿生设计与制备 指出复合骨髓 基质干细胞 生长因子的组织工程支架材 将是今后骨修复材 的发 展趋势 关键词骨组织工程支架材 生物仿生 临床上由于创伤 肿瘤 感染所造成的骨骨 的生长 成骨 有限 在大范围缺损的情况缺损很常见 自 世纪 以来 人们一直在 下 成骨往往仅限于植体边缘区域 难以实现遗 余 地发展植骨材 以解救数 众多的大范围骨缺损的修复 大范围骨缺损的医治患者 但这些材 都存在各自的局限性 自体成为临床上的难点 骨移植是目前最常用的疗法 但供体有限 而且增加了患者的痛苦 异体骨移植虽克服了 骨组织工程支架材 研究概况供体缺乏的问题 但材 本身存在抗原性 剧组织工程的兴起为解决众多医疗难题提 烈的免疫排斥反应常常导致植入失败 近 供了希望 近 来 骨组织工程的应用研究已来 各种金属 陶瓷或高分子制造 的人工骨替经在矫形外科 口腔及颌面外科等多个领域代材 蓬勃发 展 但这些材 在生物相容性 蓬勃开展 其基本 发点是以 诱导成骨 生物活性 生物可降解性及与宿 主骨的 学的方式而 是单纯以 爬 替代 的方式实匹配性和使用寿 命等方面都有各自的缺点 现骨的修复和再生 利用骨组织工程原 与 能参与人体的新陈代谢 长期效果往往 技术 诱导成骨性细胞的分化和增殖 并生成尽人意 重要的是 无论是可实现骨整合的活体骨组织用于骨的修复和再生 有望促进钛植体 还是能与骨实现化学键合的生物活外科修复大 范围骨缺损的进步 性材 都是基于 爬 替代 的机制实现新在骨组织工程的三个基 本要素中 支架 雹 堇 叫型黟 中国 京 习 心 全芝 蚤高罾墨中争垄 中国国际新材 产业研讨会生物医用材 专业论坛材 无疑有着举足轻 重的作用 坷为一方面它是信号分子或靶细胞载体 另一方面 它还提供 新骨牛长的支架 随着骨组织工程的研究深入 支架材 的性质和制备 也成为研究重 点 想的骨组织工程支架材 应当满足下述几个要求 良好的生 物相容件 植人体内 引起免疫排斥反应 也 会引起炎症及毒副作 用 牛物可降解 在新骨的牛长过程中 材 应逐渐被改建和 吸收 最终从植入部位消失 且降解速率与新骨再生速度相匹配 具维框架结构 且 隙率足够高 以利于承载细胞与信号 分子 并且保证养分的传输和废物的排泄通畅 同时还为新骨牛长 提供支架 手术中 于修整 可根据需要加工成各种形状和大 小 具有一定的机械强度 在必要时材 本身可提供机械支持 消毒性 目前用于骨组织工程的支架材 有很多 根据特性可分为以下几类 人工合成的多聚体类以聚乳酸 聚羟基乙酸 及其共聚物 为代表 这类聚合物属热塑性材 可加工成各种结构形状 并且可以通过调 整分子 选择 同聚合方式及成型手段调节并控制材 的 学性能和 降解速度 凶其降解产物无毒及良好的生物相容性 已经通过 美国 的批准 许可作为植入物 自从 等 首先将 用作软骨细胞体外 培养基质材 通过组织丁程方法获得新生软骨成功后 及其共聚物被广泛用于组织工程各类组织细胞外的基质材 如 软骨 骨 肌腱 小肠 气管 心瓣膜等 但此类材 疏水 细胞亲和性差 必须在表面改性后 成骨细胞才能 在三维的框架进 正常的贴壁和生长 另外 此类聚合物还存在致炎症反应等问题 有待于进一步改进 天然高分子聚合物包括胶原 纤维蛋白 甲壳素及其衍生物和藻 酸盐等 这些天然聚合物生物相容性好 具有细胞识别信号 如某些氨基酸 序列 利于细胞黏附 增殖和分化 但它们存在一些缺一 点 如缺乏机械强度 难以大 获取 降解时 间难以控制等 故很难单独作为组织 程中成骨性细胞种植的载 体 例如胶原是动物体内含晕最丰富的蛋白 仅为细胞提供支持保护作 用 而且与细胞的粘附 辛长 表型表达均有密切关系 等 将 型胶原片 作骨髓基质细胞的培养基质 发 现骨髓基质细胞可定向分化为成骨细胞 最终形成含骨髓成份的新 生骨组织 但其最大的缺点是缺乏一定的机械强度 难以单独崩作成骨细胞培 养基质材 可作为良好的材 包埋和添加剂 生物陶瓷以磷酸三钙 和羟基磷灰石 为代表的磷酸钙盐陶瓷是 泛应用的骨替代材 之一 它们都具有优异的骨传导性能 可 同程度地整合入宿主骨 对骨形态发生蛋白 具有较强的亲和性 采用吸附了 的 多 植入成 狒狒的颅盖骨缺损部位 可迅速诱导骨的分化 形成 的弱点在于脆性较大 而且纯 被吸收 这限制了其应用 目前主要用于颅面外科及牙科等领域 经处 的天然骨材 将同种异体或异种骨经过 定处 可作为 组织丁程支架材 如异种骨材 的广泛 但移植后会发生剧烈的免疫排斥反应 采用化 学处 方法去除异种骨中致抗原的组元 而保留抗原性极微甚至无抗 原性的胶原基质和骨矿 同时最大限度地保持骨矿的微结构特征 可以获得良好的骨组织工程基体材 对牛松质骨进 处 得到的无抗原性支架 保持了天然的多孔结构 骨矿和部分胶原基质 然后与从牛皮质骨中提取并纯化的 复合 制成的重组合异种 骨显示了较高的骨诱导能 天然珊瑚具有微孔道结构 主要成分为碳酸钙 还有少 有机成分和 其它元素 类似无机骨 经 化处 后形成的珊瑚人工骨具有良好的 生物相容性和骨亲和性 但珊瑚人工骨质地脆 吸收快 植入后有 定的体积变 化 复合材 单纯的有机聚合物材 或无机陶瓷类材 单独作用往往 存在各种问题 因此 研究者们将目标定位存复合材 上 如此形成 了多种多样的复合材 与天然骨成分相似的 类复合材 是研究重点 骨组织工程支架材 的仿生设计与制备骨是具有复杂分级结构的天 然生物复合材 其组元经过精巧的组装而获得优异的性能 型胶原是骨中最主要的结构蛋白 它占有骨干重的 而且 是骨中非矿物相成分的 骨的组合即是通过将磷酸钙矿物有序地沉积在胶 原基质上 再将矿化的胶原有序排列而成的 对骨来说 其强度和韧性最佳匹配的综合 学性能 与有机和无机组 元的微结构特征及在分子水平卜的独特组装是密 可分的 骨中的有机基质模板 型胶原 限定了矿物晶体形核的位置和生长 空间 而含 极微的某些非胶原性蛋白如骨涎蛋白则可作为形核的引 物并规范矿物的取向 这使得骨 具有磷灰石结构的 矿物相晶体大部分处在原胶原分子的间隙区 尺寸在纳米 级 晶体 轴择优取向平 于胶原纤维 骨中各组元的形成及组装是在细胞的调控下完成的 而这些组元及 由它们构成的复杂结构反过来又会影响细胞的活动和功能 模仿天然骨的成分及结构特征制造的骨替代材 可为细胞提供与天 然骨相类似的微环境 因而有望成为优异的骨组织 程载体材 等制成成分与结晶度同骨矿相似的碳酸 磷灰石 与胶原溶液混合并经紫外线照射处 使胶原交联制成复合材 在大鼠皮下植人实验中显示了良好的生物相容性 和 的研究组采用脱钙 骨基质或 型胶原为模板在过饱和磷酸钙溶液中诱发晶体生长 获 得多孔 胶原或 胶原复合材 其中矿物相的重 百 分比为 矿化 中国国际新材 产业研 讨会生物医用材 专业论坛后胶娘基质的拉伸强度可增加 等将胶原溶液 磷酸和氢氧化 钙悬浊液混合并将沉淀物在 的条件下加 制成 一胶原复合材 表观密度为 具有良好的可切削性 但强度较低 压缩强度仅为 杨氏模 为 和 等利用 和 之间的水 型反应在明胶或胶原存在下合成 一明胶或 一胶原复合材 并证明反应过程中的 变化 放热及离子强度变化均在生 范罔内 研究者认为这些材 作为骨水 是可 的 等报道 将胶原基质交替在碱性磷酸酶和卵黄高 磷蛋白溶液与 一甘油磷酸钙溶液中孵育 使得矿物相沉积于胶原 纤维上 周后得到磷灰石一胶原复合材 存大鼠皮下植入实验中显示了良 好的相容性和可降解性 等制备了胶原 复合材 薄 膜 通过细胞试验证明其具有良好的生物相容性 等将 与胶原制成微球 与成骨细胞共同培 养 发现采用仿生比例 的 和胶原制成的微球可以作为 骨缺损的填 研究了成纤维细胞在胶原 粘多糖多孔框 架晕的对微拉 的反应 模拟伤口愈合与缺损修复的实际情 况 等通过研究多肽自组装的纳米纤维的矿化 为 得到类似的有择优取向的周期结构 以此来突破传统的成分 仿生的材 为制备 加 想的组织工程材 打卜了坚实的基础 纳米相羟基磷灰石傲原复合材 正是基于仿生的观念制成的骨组织工程支架材 其仿生思 骨痂 胚胎骨的结构研究和生物矿化的机 研究 骨折后自愈过程巾骨痂的形成有五个典型阶段 在第一阶段 成纤维细胞分泌大 的胶原纤维 它们纵横交错 呈 规则未定向分布 仅有个别的纤维发生矿化 排列松散 第二阶段 矿化的胶原纤维集结成束 出现胶原的规则排列和无规 排列两种 同的区域 第三阶段 无规排列的胶厂习 互 金皇 蕾高謇墨中 国祭 生物医用材 专业论坛 中国国 际新材 产业研讨会 金器重要墨富辈 原纤维被人体吸收留 下空的吸收腔 而排列规则的胶原纤维得以保存下来 矿化而成的 骨小 为编织骨 第四阶段 新形成的编织骨表面存存成排的成骨细胞 断分泌骨样组 织 骨小 融合 内部孔隙逐渐被瓤 牛骨组织所填充 第五阶段 哈佛氏系统 现 编织骨逐渐向板层骨演变 最终形成由 成熟的板层骨构成的骨质骨痂 本实验组采用提纯并去抗原的 型胶原为模板 在钙磷盐溶液中调 制矿化而获得的复合材 矿物相为含有碳酸根的 晶粒度低 晶体尺寸在纳米 级 且与胶原自组装为仿天然骨的分级结构 这种材 由于是从微观结构上 仿造天然骨 具有层片结构和纳米晶 两大特点 因而有着 好的综合性能 包括骨细胞传导性和生物相容 性 采用特殊的增强工艺把这种有优异生物相容性的材 制备成具有与 天然骨孔隙率相同的复合框架材 可用作优异的骨组织工程支架材 材 具有生物降解性 且在降解过程中对周围环境 产生 值的变 化 同时降解速度可以与成骨的速度相适应 体外细胞培养实验发现 小鼠腹腔巨噬细胞可以介导材 的降解 其 过程包括吞噬和胞外降解两种机制 这些单核吞噬细胞可在材 表面造成吸收陷窝 并表现出类似破骨细 胞的某些形貌特征 如在细胞与材 接触的表面出现了类似刷状缘的 结构 这些现象表明材 的特定结构影响了细胞的功能 这种复合材 应用于骨组织工程的结果令人满意 作为 的载体 植入 兔尺骨节段性缺损 经 个半 月 缺损愈合并且新骨改建成板层骨 作为细胞的载体 利用组织 培养技术 可得到具有三维多孔结构的成骨细胞一 复合体 初期反应结果表明 材 具有很好的细胞亲和性 细胞在材 上正 常的贴壁 增殖和迁移生长 种植第二天 细胞就贴壁和完全铺展 到 二天时 细胞已经长 入框架材 恤 到 恤 深的内部区域 另外贴附于矿化胶原基质 二的成骨细胞能够合成许多纤维状细胞 外基质 材 细胞亲和性好的原因是其与天然骨在成分和结构上的高度相似性 使得细胞红此基体 反应积极 展望骨移植的临床应用广泛分布于矫形 口腔及颅而外科等多个 领域 存应用数 骨移植已经成为仅次于输血的人体组织移植 据美国的统计 其国内每 涉及骨置换的外科治疗超过 万人次 我国的这一数字估计也在数 万以 而且 随着人们生活水平 的提高和保健意识的增强 这一数字还将逐 增加 岗此 骨组织工程的临床应用前景是极为广阔的湘关产品也将具有 可观的市场需求 根据骨组织工程的应用战略 寻找合适的信号分子以及种子细胞 并探索它们与支架材 的组装模式 将是今后较长时间内的极为活跃 的研究内容 复合骨髓基质 二细胞以及生长因子的纳米相羟基磷灰石 胶原框 架材 将会有着极为广 阔的临床应用前景 参考文献 哟 一 刘玮 胡