骨组织生物材料的发展
西南交通大学材料科学与工程学院-李森-20085650
【摘要】
主要介绍骨组织生物材料的发展历史现状以及未来发展等。 【关键字】
骨组织生物材料，骨组织生物材料的发展，展望。 【正文】
自1 9世纪以来，骨移植术一直致力于修复由于创伤、肿瘤、感染所造成的大范围骨缺损，以恢复肢体功能。自体骨移植是目前最常采用的疗法，但供体的有性限制了其应用，而且增加患者的痛苦。异体骨具有抗原性，特别是在植体较大时常因剧烈的免疫排斥反应导致植入失败。目前临床上也在广泛使用各种以金属、陶瓷或高分子制造的人工骨替代材料，但这些材料在生物相容性、生物活性、生物可降解性及与宿主骨的力学性能匹配性、使用寿命等方面都有各自的缺点。更重要的是，无论是可实现骨整合的钛植体，还是能与骨实现化学键合的生物活性材料，都是基于“爬行替代”的机制实现新骨的生长，成骨量有限，在大范围骨缺损的情况下，成骨往往仅限于植体边缘区域，难以实现缺损的修复和再生。迄今为止，大范围骨缺损的医治仍未有效解决。硬组织(骨、牙)替代材料是生物医学材料的重要组成部分，具有量大面广的特点。根众多的发展中国家，潜在的巨大需求是不言而喻的。今后，随着人民生活水准据预测，未来生物材料在临床上的应用将保持7～1 2％的年增长速度。据美国的估计，其国内每年涉及骨置换的外科治疗早已超过100万人次。而对我国这样一个人口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前景极为广阔。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。本文主要介绍骨组织生物材料的发展历史现状以及未来发展方向等。 骨组织工程概况
融汇材料科学、生物技术和生命科学的最新进展而诞生的新兴交叉学科一组织工程，为解决众多临床医学难题提供了希望。对于骨组织工程，通过成骨细胞的诱导分化与增殖并生长活体骨组织用于骨的修复和再生，将有望促进外科修复大范围骨缺损的进步。骨组织工程的三个关键要素为信号分子(骨生长因子、骨
诱导因子)、骨组织工程支架材料或者是基体材料、靶细胞。骨组织工程支架材料一方面作为信号分子的载体，将其运送至缺损位置，另一方面提供新骨生长的支架。骨诱导因子的靶细胞是一些血管周围游走的、未分化的间充质细胞，其具有多向分化的特性，可分化形成肌组织、纤维组织、脂肪组织或骨组织，在骨诱导因子的作用下，将不可逆的向软骨细胞、骨细胞的方向分化，从而增补成骨性细胞，满足修复大范围缺陷的需要。骨生长因子则可以刺激成骨性细胞的有丝分裂，从而形成大量新骨。这种成骨的方式称为“诱导成骨”。因此，骨组织工程的基本出发点是以“诱导成骨”的方式而不是单纯以“爬行替代”的方式实现骨的修复和再生。组织工程骨有望成为最早实现的组织工程产品。
近几年来，人们逐渐认识到基体材料在组织工程中占有的重要地位。骨组织工程材料既是信号分子或细胞的载体，研究其与骨组织和骨细胞的相互作用，探索信号分子、细胞与载体的组装模式，是骨组织工程研究的一个重要内容。在骨组织工程中，支架占据着非常重要的地位。它不仅有保持原有组织形状的作用，而且还起到模板作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。更重要的是，支架会影响种子细胞的生物学特性和培养效率，并且决定移植后能否与受体很好地结合在一起，发挥其修复缺损的作用。故目前在骨组织工程的研究中，寻找理想的支架材料是一大热点。理想的骨组织工程支架材料应具备的条件是：( 1 ) 良好的组织相容性；( 2 ) 良好的生物降解性；( 3 )良好的细胞界面；( 4 ) 三维立体多孔结构；( 5 ) 可塑性和机械强度。
目前，应用于骨组织支架的材料主要包括生物陶瓷材料、高分子材料及复合材料等。其中高分子材料具有一定的生物相容性、可降解性、易加工性等优点 ， 适用于骨组织支架材料，但其降解率低，且降解后的酸性代谢产物会降低聚合物周围的p H 值，从而影响细胞和组织的生长，再加上其机械强度不高，所以其应用受到限制。复合材料是近年来比较热门的，为了弥补单一材料的缺陷，常常将几种材料进行复合，取得了一定的效果，但要达到理想支架材料的要求仍需进一步的工作。而生物陶瓷具有良好的生物相容性和化学稳定性，一定的骨传导性以及耐腐蚀等优点，作为骨组织支架材料的研究也较为成熟，但也存在诸如力学强度不高，降解率低等问题。下面作者将按材料种类分别介绍。
1高分子生物材料
目前高分子生物医用材料主要有非生物降解型和生物降解型两种。非生物降解型材料主要是聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、等，在骨组织上面用于骨和牙齿硬组织及器官的修复，其特点是大多不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过敏反应等。生物降解型主要成分是聚乳酸、聚酯、聚酸酐、改性的天然多糖和蛋白质等，在临床上主要用于暂时执行替换组织和器官的功能，或作为药物缓释系统和送达载体等。其特点是易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长无影响，目前已成为高分子生物医用材料发展的方向。
王振林等通过体外模拟天然骨生物矿化和材料自组装的形成机制，制备了类骨羟基磷灰石/胶原仿生复合材料，结果表明，纳米羟基磷灰石均匀分布在胶原基质上并呈择优取向排列，其成分和微观结构与天然骨类似。韩雪峰等将绵羊关节软骨制备成直径为0. 100～0. 154 mm的软骨微粒脱细胞基质(CMACTM)，为软骨细胞提供较大贴附面积的三维支架，利用纤维蛋白胶的良好可塑性，弥补 CMACTM粉末较松散的缺点，将两者与异体软骨细胞充分结合为圆柱形的复合物体外培养;试验表明，软骨微粒脱细胞基质及纤维蛋白胶与异体软骨细胞有良好的生物相容性，软骨细胞生长和分泌功能良好，塑成的复合物具有一定的硬度和弹性。Lahiji等研究了人造骨细胞及软骨细胞在甲壳胺膜上的生存、繁殖及表达，证明了甲壳胺有促进软骨细胞和造骨细胞的成活等作用，可用于修复骨和软骨损伤。
合成高分子材料主要包括聚乙醇酸( PGA)、聚乳酸( PLA)、聚己内酯( PCL)、聚乙丙交脂共聚物( PLGA)、聚甲基丙烯酸甲脂( PMMA)等。通过不同的合成路线和成型工艺，调整聚合物分子量、投料比等，合成出不同性能的降解材料。刘建国等采用Y(CF3 COO) 3 / AL (i2Bu) 3 络合物催化合成 PCL及其与 PLA 的共聚物，该材料细胞相容性好，未发现明显毒性及免疫排斥反应。Hutmacher采用融凝沉积法( FDM)设计制造了可吸收的生物降解蜂窝状多孔网状3D2PCL 支架，得到抗压强度较高的支架材料，且发现成人纤维细胞和成骨细胞可以在此支架上增殖、分化和生成细胞样组织。 2生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括羟基磷灰石( HA)、磷酸三钙( TCP)、45S5和固骼生等。
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