生物材料在骨修复中的应用

生物材料在骨修复中的应用

骨损伤和骨损伤是常见的事件。受损的骨骼可以通过内源骨或外源骨来修复。内源骨修复效果很好,但其数量十分有限,而且需要二次手术,即将骨从人体某一部位取出后再移植到损伤部位。采用外源骨修复效果远不如内源骨,存在免疫排斥反应,并且外源骨可能带有潜在的病原体,例如HIV病毒、肝炎病毒等,因此国内及国外市场对硬、软组织修复材料有迫切需求。目前用于骨修复的生物材料分为以下四种:医用金属材料、医用生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料。一、多孔镍钛材料金属材料在医学上的应用已有很长的历史,是最早被采用的生物材料,有较高的强度和韧性,适用于硬组织系统的修复。最先广泛用于临床治疗的金属是金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等贵重金属,它们具有良好的稳定性和加工性能。之后,铜(Cu)、铅(Pb)、镁(Mg)、铁(Fe)和钢等曾用于临床试验,但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能偏低未受到广泛应用。随着冶金技术的进步,不锈钢逐渐应用于临床,虽然抗腐蚀性并不十分理想,但易加工,价格低廉,是目前应用最广的金属材料。以后又发展了钴基合金和钽。钴基合金的耐磨性能是所有金属中最好的,但有研究表明钴铬合金对成骨细胞有一定的毒性作用,虽然它铸造容易成形,是齿科的常用材料,但用于骨内种植应十分慎重。钽是化学活性很高的金属,在生物体内可立即生成一层化学稳定的氧化膜,从而具有很好的化学稳定性和抗腐蚀性能,并具有良好的生物相容性。近年来钛和钛合金也被采用,主要应用于整形外科。其质量轻,弹性模量与骨相近,在四肢骨和颅骨整复中应用较多。钛属于惰性金属,不影响成骨细胞附着、生长和代谢,是较好的骨修复材料。但钛的耐磨性能不好,应力腐蚀较明显,对于作为承力骨材料有一定弊端。在髋关节假体中,股骨的关节头曾用金属球来替代,它位于假体的上端。假体的茎端向下插入到股骨的骨干中。不锈钢316L,钴合金,Ti-6%Al-4%V合金是此种假体的常用材料,但这种产品并不十分成功,因而50-120nm的涂层被采用,目的是使骨长入种植体表面,实现其与骨的牢固结合,从而将种植体固定。另一种方法是将金属种植体表面制成多孔结构,使自然骨长入多孔结构中。但由于金属较骨硬度过高,降低了种植体周围自然骨的负载(新骨的形成需要这种负载),造成了应力吸收,以及长期存在机体内会引起生物反应等原因,这种种植体在5-20年间便会松动,所以只适用于老年人,而对于更年轻,更活跃的病人来说并不适用。镍钛形状记忆合金的镍原子数与钛原子数基本相等,具有不同于一般金属三个性质:热形状记忆、超弹性、高回复率。镍钛形状记忆合金已被证明有良好的生物相容性,它的耐磨性能较好,同时又兼有高耐腐蚀性,它的形状记忆温度为36±2°C,符合人体温度,多孔镍钛合金是目前医用金属材料的研究热点,已有研究表明它的多孔结构可使新骨长入,因而可形成牢固的嵌合。S.J.Simske等对长入多孔结构的新骨的显微硬度及组织学参数进行测定,证明同周围的颅骨具有相似的性质,因而此种材料比较适合作为颅骨、颌骨的替代材料。V.I.Itin等的研究表明镍钛合金空隙率越高、平均孔径越小,其形变回复率越高。尽管医用金属具有一定的生物相容性,但因其本身缺乏生物活性,难以与骨组织键合,其应用具有一定的局限性,并且绝大多数医用金属弹性模量较骨过高,易造成骨应力吸收,引起种植体松动。二、钛合金关节体的生物活性用于骨修复的生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷两大类。生物惰性陶瓷主要有氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两类。高密度氧化铝(α-Al2O3)是最早被应用于临床的生物陶瓷,具有良好的力学性能(高强度、优良的抗腐蚀性和耐磨性)。但其弹性模量较骨过高。99.7%高纯氧化铝弹性模量为350GP,而人骨的弹性模量只有5—30GP,所以其力学相容性较差,并且由于氧化铝是生物惰性材料,不能与骨发生键合,因而容易因应力集中而导致脆性断裂。ZrO2具有高的常温抗弯强度和断裂韧性的生物材料,常作为种植体。它的生物相容性与氧化铝相似,高温化学稳定性比氧化铝好。钛合金髋关节假体,其关节头主要由陶瓷(Al2O3和ZrO2)制成.材料有毒性,会使其周围组织死亡;材料无毒性,但生物惰性,在其周围将形成不同厚度的纤维组织包被;材料无毒性并具有生物活性,材料与组织之间将形成界面。生物活性陶瓷即属于第三类,主要指磷灰石(AP),包括羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)等。目前应用最多的是HA。人骨无机质的主要成分是HA,它赋予骨抗压强度,是骨组织的主要承力者,人工合成的HA是十分重要的骨修复材料,这是由于它的组成性质与生物硬组织的羟基磷灰石极为相似,并具有良好的生物相容性,可与自然骨形成强的骨键合,一旦细胞附着、伸展,即可产生骨基质胶原,以后进一步矿化,形成骨组织。已有报道表明多孔HA不仅具有生物活性,还具有骨引导作用,为新骨形成提供支架,并且在其与骨组织的界面处及材料的内外表面都有新的骨组织生成。但单纯将HA作为人体的承力构件存在一些不足,例如成形不理想、脱粒现象、强度低、脆性大、韧性差等,这是由于在骨中胶原纤维(CF)不仅帮助HA聚合成形,而且在HA赋予骨抗压强度的基础上,CF又增添了抗张强度。α-磷酸三钙(α—TCP)骨水泥具有水合硬化特性,可作为一种任意塑型的新型人工骨用于骨缺损填充。它在动物体内形成蜂窝状结构,动物组织可逐渐长入此蜂窝状结构中,形成牢固的骨性键合。β-TCP属可吸收生物陶瓷,在体内要被逐渐降解和吸收,但其强度较低,主要用于骨修复或矫正小的骨缺损或骨缺陷,如骨缺损腔填充,牙槽脊增高等。尽管β-TCP植入体内可被降解和吸收,新骨将逐渐替换植入体,但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致,所以不宜作为人体承力部件。目前磷酸钙陶瓷主要用于作小的承力部件、涂层,低负载的植入体。三、pla和pga的降解高聚物曾被广泛用作骨修复材料,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)作为可吸收螺钉用于骨固定。PMMA作为一种骨水泥得到了广泛的应用,但因PMMA骨水泥生物相容性差,不能与骨组织牢固结合,易造成人工关节等移植体的后期松动,而且临床中发现PMMA聚合期间释放大量的热量,局部温度可高达80°C左右,能将周围的活组织细胞杀死,同时PMMA在体液中会逐渐释放出有毒单体。生物降解材料制作的接骨材料,其弹性模量较金属更接近骨组织的弹性模量,有利于骨折愈合,且随着骨折的愈合,材料逐渐在体内降解,不需二次手术取出。聚乳酸(PLA)是一类有应用价值的生物材料,它的降解速度取决于它的分子量、分子取向、结晶度、物理及化学结构,但其降解的机制主要是因为酯键的水解。有研究表明其降解产物与人体代谢的中间产物结构类似,可以被转化成丙酮酸,进入三碳循环,最终以CO2的形式排出体外。由于三碳循环发生在线粒体内,所以这种方式只能通过细胞内消化进行,即被吞噬的PLA颗粒可能以这种方式排出体外。而细胞外消化的PLA颗粒将随尿液排出体外或转化为糖原。但实际上PLA降解机制要复杂得多。这类高聚物的降解曾被认为是在体内经过表面侵蚀而使降解产物逐渐释放,但有研究表明在材料的中心可能发生自我催化降解,最后导致植入材料在体内的崩解。目前PLA主要用于骨外科部件,例如骨针、骨板。NaotoSaito等用不同分子量的PLA和PEG制成PLA-PEG共聚物作为骨形成蛋白(BMP)的载体,其中PLA6,500-PEG3,000共聚物具有一定的弹性,是较好的BMP载体。一些研究者用可降解高聚物PGA和PLA作为三维支架,从肋软骨、人关节等部位取软骨细胞,让它呈现三维生长,结果出现了类似软骨组织的结构。此方法具有广泛的应用前景,但由于高聚物降解速率不易控制,难与骨生长速率达到一致,以及具有一定的疏水性,细胞粘附难、生产周期长等缺点对于临床应用不能满足,目前仍处于试验阶段。高聚物因易老化,随压力增强疲劳性增大,以及生物降解作用的影响,某些力学性质容易丧失,并且高聚物可能因为降解产物带有一定毒性,而对人体不够安全。骨形成离不开骨生长因子的局部调节作用。现已从骨基质、骨细胞及骨细胞的培养液中分离出多种生长因子,包括骨形成蛋白(BMP)、β-转化生长因子(TGF-β)骨生长因子或胰岛素生长因子Ⅱ(CSGF和IGF-Ⅱ)、胰岛素生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)等。在众多的骨生长因子中BMP的研究最为深入。BMP是广泛存在于骨基质中的一种酸性蛋白质,有诱导成骨的作用,它诱导成骨的方式主要是软骨内成骨,也可能有膜内成骨。国内外医学界至80年代以来对BMP做了大量的基础研究,并逐渐将其应用于临床。骨形成及骨愈合离不开血管生长因子,新的血管生成可能与多种生长因子诱导有关,包括TGF-β、血管内皮生长因子(VEGF)等。生长因子对骨形成的局部调节作用是肯定的,华西医大的田卫东、王大章等对生长因子网络调节对骨形成作用进行研究,表明具有协同作用的生长因子联合作用才能促进骨的形成。但直接将骨生长因子植入体内,将被血液冲刷掉,成骨效果差,要充分发挥其作用则需要载体使其缓慢释放。四、ha与非天然生物材料的复合医学领域长期以来广泛使用的金属,有机高分子等生物医学材料,其成分与自然骨不同,作为骨替代材料、骨缺损填补材料,其生物相容性、人体适应性以及与自然骨之间的力学相容性尚不能令人满意。近年来,羟基磷灰石(HA)因其组成成分,结构性质与人骨组织中的无机质一致,以及良好的生物学特性(生物相容性,骨引导作用,可与自然骨键合)而成为极其活跃的研究领域。但这种材料也存在一些不足,例如不具骨诱导活性、脆性大、聚形较差等缺点。制备具有生物相容性,力学相容性以及生物活性的硬、软组织材料是当今国际生物材料研究中的前沿性课题,磷灰石组成的复合材料已向此类人体组织材料迈出了重要一步。HA复合材料属于第二代生物材料它模仿自然骨的结构和功能,具有HA的生物活性,有特殊的医用价值。综观国内外研究,HA复合材料大致分为以下三类:(1)HA与天然生物材料的复合(2)HA与非天然生物材料的复合(3)HA与多种材料的复合。4.1HA与天然生物材料的复合天然生物材料主要指从动物组织中提取的,经过特殊化学处理的具有某些活性或特殊性能的物质。比如骨形成蛋白(BMP)、胶原、纤维蛋白粘合剂、细胞因子、成骨细胞、自体红骨髓、脱矿化骨等。HA具有良好的生物相容性,多孔的HA因具有与正常骨组织相似的多孔结构和成分,宽大的内部空间,能容纳较多的细胞和各种细胞因子等,以及其生物化学槽的功能,较适合作为天然生物载体。BMP、细胞因子等虽然是具有骨诱导活性的蛋白质,对促进骨缺损的修复有重要作用,但它们不能被单独制成骨的形状,必须依靠支撑材料作为载体组成释放系统,将其吸附在载体上缓慢释放,才会充分发挥其效应。实验和临床证明,多种细胞因子复合应用明显优于单种细胞因子的疗效。但细胞因子虽然能启动骨形成,却不一定使骨折或缺损部位达到最终愈合。组织工程学是近20年来随着细胞生物学及生物材料学技术的发展而出现的一门边缘学科,它是应用生物学和工程学的原理,研究开发能够修复、维持或改善损伤组织功能的生物替代物的一门学科。方法是将体外培养的高浓度的活细胞种植于天然或人工的细胞外基质载体上,然后将她们移植到体内,达到形成新的有功能的组织的目的。通过干细胞开发分化的组织材料是目前组织工程研究的中心,例如位于成人骨髓中间质干细胞,可以通过特定培养基(包括TGF-β)的引导,最终分化成软骨细胞。Kazuhito等利用此方法,将软骨细胞种植于HA人工骨块上培养,然后植入体内桥接获得了成功。Begley等的研究表明松质骨组织来源的成骨细胞,也能在多孔状的HA人工骨块上培养成活。郭昭庆等将骨髓基质细胞在多孔状的HA上培养,发现生成的新骨具有成骨细胞及类似于正常骨的骨髓腔样的腔隙组织。骨是由有机胶原纤维(CF)和无机磷灰石(AP)构成的复合材料,其中胶原占20wt%,磷灰石占69wt%,水占9wt%,其它有机成分占极小部分。单纯将微粒型HA作为缺损骨组织填充物尚存在一些问题,例如脱粒现象,难于成形固位。R.Z.Wang合成的纳米HA-骨胶原复合物,HA均匀分散在胶原基体中,与骨有类似的性质。王韦等将微晶HA用I型胶原粘附后植入体内,发现CF既可防止HA脱粒,帮助其聚合成形,又可减轻HA的炎症反应。但此类复合物目前正处于研制初期,尚无完备的复合方法。杨勤等将自制的两种纤维蛋白粘合剂与HA微粒人工骨按不同比例复合,发现其具有良好的生物相容性、完全的生物降解性、无毒、不影响机体的免疫系统、不改变HA的晶体结构,但此种材料的力学相容性并未得到证实。4.2HA与非天然生物材料的复合非天然生物材料主要包括两类:无机生物材料和有机生物材料。HA涂层材料,最常用的基底是医用钛和钛合金,以及医用钴基合金和不锈钢。这种材料兼具HA的表面生物活性和金属材料的强度和韧性。不锈钢的物理性能和综合力学性能稳定良好,被作为人体硬组织的修复和植入的主要金属材料之一,但它不具有生物活性和组织相容性,HA涂层的应用解决了这一问题。高家诚等利用激光涂覆技术在奥氏体不锈钢材制备性能优良的HA涂层,得到的材料界面结合良好,表面成分均匀,呈网状颗粒结构。经等离子喷雾HA涂层的Ti-6Al-4V圆柱体植入人体四周后形成骨样组织,一年后形成骨小梁,薄层骨片两年后切片可见涂层被吸收,细胞内未发现Ti、Al、V金属,证明该材料具有良好的骨形成和骨进化。M.shirkhazadeh通过电结晶技术在较低的温度下,利用含Ca、P的电解质溶液涂层Ti种植体,将其用于关节固定,发现在生理条件下HA得到了很好的吸收,取得了良好的固定效果。HA涂层种植体的短期种植效果已经得到了充分的肯定,但远期效果尚无明确结论。HA-碳纤维增强体韧化复合材料是一种新型材料,K.Park等合成的碳纤维含量为5%的此种复合材料具有多孔结构,HA的可塑性得到增强。HA-Ag复合材料是金属复合材料的一种,Ag颗粒祢补了HA脆性大的不足,提高了其韧性,并且Ag颗粒增强体有抗菌效果。有机生物材料是指具有一定生物相容性的高聚物材料,如涤纶(Dacron)、聚乳酸(PLA)、尼龙(nylon)、聚乙醇酸(PGA)、聚氨酯(PU)等。聚合物具有良好的韧性和接近人骨的弹性模量,但缺乏生物活性。成熟骨的主要部分是由HA晶体紧密地嵌入胶原基体中构成的,因此可被看作在基体中含有晶体的双相复合材料,其中HA晶体长40nm、宽20-30nm、厚2.5-5nm,被认为对CF有增强作用。骨具有良好的力学性能,是各相异性的材料,沿骨的不同方向杨氏模量不同,其中长轴方向的杨氏模量较大。下列观点已被普遍接受,即骨可被简化为填充了粒子,粒子为纳米晶体的复合材料。将HA与高聚物复合,将二者性能充分结合起来,可望得到力学性能好(强度高、韧性好),弹性模量与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。据报道,影响填充聚合物性能的因素主要有两个:填料粒子在聚合物基体中的分散情况和填料粒子与聚合物基体界面结合情况。对于骨修复材料而言,除了对材料本身的性能有所要求外,还要求其与人骨之间具有力学相容性和生物相容性。近年来国内外不少学者对可降解性聚合物[如聚乳酸(PLA)、聚羟丁酸脂(PHB)]与磷灰石粉末复合材料进行研究,尽管与磷灰石粉末复合后增强了这些高聚物的强度和生物活性,但对于可降解高聚物而言既要求有良好的生物相容性,又要求其降解的动力学可控制。由于上述复合材料在体内降解速度始终不能得到有效控制,难于与新骨生长速率一致给临床应用带来了一定的困难。另有一些学者对稳定性聚合物[如高密度聚乙烯(HDPE),聚用基丙烯酸用酯(PMMA),环氧树脂(EP)及聚四氟乙烯(PTFE)等与AP粉末复合材料进行研究实验证实AP粉末确实增加了这些聚合物的活性,力学性能有较大改进。但由于使用的是惰性聚合物,难以与磷灰石表面羟基形成化学键合,因而复合材料两相界面结合脆弱,加之所使用AP粉末是微米级的,化学活性较低,AP含量小于40%,大大低于人骨中AP含量。新近荷兰学者进行了纳米AP针晶与polyactive聚合物复合材料的研究。纳米晶体因尺寸小比表面积大,表面能高而具有许多不同于常规材料的新性质(化学活性高,硬度大,可塑性强,增强的均相性等),纳米复合材料是指分散相尺寸至少小于