天然高分子衍生材料在骨組織修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

馮星龍，王曉嵐，張 余，夏 虹

綜述

天然高分子衍生材料在骨組織修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

馮星龍，王曉嵐，張 余，夏 虹

天然高分子衍生材料具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨誘導(dǎo)能力，是骨替代材料的潛在發(fā)展方向之一。本文主要介紹膠原蛋白及明膠等膠原材料、絲蛋白、甲殼素及其衍生物、海藻酸鹽等天然高分子衍生材料的特點(diǎn)、功能及其在骨組織修復(fù)領(lǐng)域的研究成果，同時(shí)對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

膠原；絲蛋白；殼多糖；藻酸鹽；骨代用品；生物相容性材料

較大骨缺損或創(chuàng)傷后并發(fā)癥導(dǎo)致的缺損需要通過骨移植來進(jìn)行修復(fù)和重建，以盡可能達(dá)到迅速有效恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能的目的，但目前臨床上面臨著自體骨和異體骨來源不足、異種骨及人工骨等材料生物相容性差等難題。隨著材料科學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，研究者們逐漸將目光投向能夠與機(jī)體形成良性互動(dòng)的天然高分子衍生材料，它們具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨誘導(dǎo)能力，被認(rèn)為是骨組織修復(fù)的良好替代材料[1]。現(xiàn)有的天然高分子衍生骨組織修復(fù)材料主要有蛋白（膠原、纖維蛋白膠、絲蛋白等）和多糖類（淀粉、藻酸鹽、幾丁質(zhì)/殼聚糖、透明質(zhì)酸衍生物等）[2]。本文圍繞幾種典型的天然高分子衍生材料，就其在骨組織修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 膠原材料

膠原蛋白及其衍生產(chǎn)物明膠是組織工程最常用的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白之一，其自帶的官能團(tuán)具有增強(qiáng)成骨細(xì)胞黏附和遷移的作用。與膠原蛋白相比，盡管明膠的生物活性較低，但生物相容性好，理化性能優(yōu)異，溶解度高，價(jià)格低廉，因而在臨床上具有更廣泛的應(yīng)用潛能。

近年來膠原蛋白或明膠與其他材料共混制備而成的復(fù)合材料也受到研究者們的普遍關(guān)注。Nguyen等[3]制備明膠鈣磷酸鹽納米復(fù)合材料，其生物力學(xué)強(qiáng)度明顯高于純膠原蛋白，這種特性被認(rèn)為是加入鈣磷酸鹽納米粒子后，增加了材料剛度以及聚合物大分子與其表面的鈣離子結(jié)合強(qiáng)度而形成的；Azami等[4]設(shè)計(jì)一種明膠羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）納米粒子支架，具有與松質(zhì)骨不相上下的機(jī)械強(qiáng)度，孔隙結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出較好的細(xì)胞黏附、遷移和滲透能力；Kikuchi[5]將運(yùn)用滴定法制備的多孔HAP/明膠納米復(fù)合材料應(yīng)用于骨組織工程和骨組織修復(fù)，骨髓干細(xì)胞與MG63成骨細(xì)胞在納米復(fù)合材料上的共培養(yǎng)結(jié)果表現(xiàn)出向破骨細(xì)胞分化的趨勢(shì)；對(duì)膠原支架的骨傳導(dǎo)結(jié)果則證實(shí)，陰離子型膠原基質(zhì)能促進(jìn)新骨形成，進(jìn)而加速骨缺損修復(fù)過程[6]。但目前在研的膠原材料尚不能達(dá)到皮質(zhì)骨的生物力學(xué)強(qiáng)度，可能在其臨床運(yùn)用時(shí)受到一定的限制。

2 絲蛋白

絲蛋白是一種生物相容性良好的天然高分子纖維蛋白。蠶絲蛋白具有可控的生物降解性能、顯著的抗疲勞性及其與鋼材相似的張力強(qiáng)度等，這些特性使其成為骨組織修復(fù)候選材料之一。Perrone等[7]和Rockwood等[8]已分別建立了從蠶繭中提純絲蛋白的方法。

與其他材料復(fù)合可明顯增強(qiáng)絲蛋白支架的理化性質(zhì)，這已被組織工程學(xué)研究所證實(shí)，如將HAP微粒摻入絲蛋白海綿中，可顯著增強(qiáng)支架的骨傳導(dǎo)和機(jī)械性能[9-10]；體外研究結(jié)果亦表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells， BMSCs）、成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞在絲蛋白混合支架材料上共培養(yǎng)時(shí)會(huì)向纖維軟骨方向分化[11]。然而，大多數(shù)體外研究聚焦于二維支架材料上間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）的成骨分化和礦化能力，而對(duì)于創(chuàng)建類似于骨的動(dòng)態(tài)組織的三維支架培養(yǎng)系統(tǒng)，則需要今后更為深入的研究。

近年來許多學(xué)者對(duì)絲蛋白植入物進(jìn)行在體骨再生研究，結(jié)果表明，其可結(jié)合其他生物材料模擬天然骨環(huán)境，增加成骨的潛力。Fini等[12]以骨小梁的厚度、間隙、數(shù)量等作為評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)絲蛋白凝膠修復(fù)兔大腿骨缺損的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)材料相比，絲蛋白凝膠更有利于骨缺損的恢復(fù)，兔大腿骨成骨細(xì)胞也能很好地與絲蛋白材料結(jié)合。Perrone等[7]將蠶絲蛋白加工成長2.5 cm、直徑0.4 cm的可吸收螺釘，置入大鼠股骨以修復(fù)骨折，術(shù)后4、8周的檢測(cè)結(jié)果表明，絲蛋白螺釘生物相容性優(yōu)異，能夠促進(jìn)骨重塑，同時(shí)表現(xiàn)出與聚乳酸螺釘相當(dāng)?shù)募羟行阅?。Shi等[13]將純蠶絲蛋白制作成長1 cm、直徑0.3 cm的可吸收螺釘，測(cè)驗(yàn)結(jié)果提示其具有良好的生物力學(xué)性能，置于兔股骨髁間后也表現(xiàn)出良好的生物相容性。上述動(dòng)物在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，絲蛋白材料具有優(yōu)異的成骨性能，然而，相關(guān)的臨床試驗(yàn)?zāi)壳吧形撮_展，其在人體內(nèi)的生物相容性、生物力學(xué)性能、成骨能力、可降解性及其所產(chǎn)生的毒副作用等，均有待進(jìn)一步研究。

3 甲殼素及其衍生物

甲殼素及其衍生物是一類可降解的高分子物質(zhì)，目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工環(huán)保、食品等方面，發(fā)展前景良好。

3.1 甲殼素

甲殼素提取自海綿動(dòng)物門，是一種含量極為豐富的天然高分子材料，具有生物可降解性、生物相容性、可吸附性、抑菌性、抗腫瘤性及促進(jìn)傷口愈合等功能[14-15]，在生物醫(yī)用領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。美國和日本對(duì)甲殼素類產(chǎn)品的研發(fā)較早，也處于領(lǐng)先地位，但由于提取成本較高、環(huán)境污染較大等缺陷，甲殼素類產(chǎn)品一直難有大規(guī)模的應(yīng)用。我國對(duì)該材料的研究雖起步較晚，但發(fā)展迅速，尤其是Chang等[16]運(yùn)用NaOH-尿素水溶液低溫溶解纖維素及甲殼素的方法，提取純天然甲殼素，完美地解決了上述難題。利用這種方式得到的甲殼素能夠保留甲殼素分子的天然生物結(jié)構(gòu)，不需表面修飾即可達(dá)到良好的生物相容性和抗菌性能，因此從理論上講，具備了更為出色的骨組織生物材料性能。

體外實(shí)驗(yàn)研究表明，海藻酸鈉-甲殼素晶體復(fù)合凝膠具有良好的生物相容性，成骨細(xì)胞在其表面黏附、伸展良好[17]；同時(shí)甲殼素還具有促進(jìn)成骨細(xì)胞生長和富含礦物質(zhì)基質(zhì)沉積的特性。進(jìn)一步研究甲殼素的化學(xué)改性，以及制備新的甲殼素復(fù)合材料，可使其在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域大有可為。

3.2 殼聚糖

殼聚糖是一種從天然甲殼素中提取的聚陽離子型線性多糖，具有生物降解性可控、生物相容性好、變應(yīng)原性低等性質(zhì)，是一種很有前途的組織工程高分子材料，目前廣泛應(yīng)用于縫合線、傷口敷料、骨組織工程、藥品及基因遞送載體等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[15,18-21]。有研究表明，殼聚糖-磷酸鹽復(fù)合材料與多種骨髓基質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)表現(xiàn)出良好的生物相容性，對(duì)細(xì)胞生長和增殖無不良影響[22]。其在修復(fù)骨缺損的同時(shí)，還與MSCs協(xié)同促進(jìn)骨生成和血管化[23]。Ezoddini-Ardakani等[24]用殼聚糖粉末填充15只成年雄性大鼠右側(cè)脛骨骨缺損，以未行處理的左下肢作為對(duì)照，結(jié)果顯示，殼聚糖具有明顯促進(jìn)大鼠脛骨再生的作用，進(jìn)一步證實(shí)了其優(yōu)異的生物相容性和骨誘導(dǎo)性。

在骨組織工程研究中，殼聚糖主要被用來作為骨缺損修復(fù)及軟骨修復(fù)支架材料，為組織修復(fù)的正常運(yùn)行提供一定的機(jī)械和結(jié)構(gòu)屬性。Ariani等[25]采用冷凍干燥技術(shù)制備碳酸磷灰石殼聚糖支架（carbonate apatite-chitosan scaffolds，CA-ChSs），該支架具有相互連接的三維多孔結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)成骨細(xì)胞的增殖和分化能力。而鈣磷酸鹽與殼聚糖結(jié)合則可制備出具有更強(qiáng)生物學(xué)特性的骨組織工程支架材料，如脫乙酰殼多糖/磷酸鈣支架，生物力學(xué)測(cè)驗(yàn)提示其與人骨小梁具有相當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)則表明MG63細(xì)胞在該支架上的增殖、分化結(jié)果良好[26]。同樣，與單純殼聚糖相比，人骨髓MSCs與殼聚糖/HAP復(fù)合支架共培養(yǎng)表現(xiàn)出更高的增殖水平；Zhang等[27]制備具有三維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的多孔殼聚糖/HAP復(fù)合支架，MC3T3-E1細(xì)胞系在其表面具有較高的增殖力、黏附力和堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性。雖然體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)均已證明殼聚糖具有促進(jìn)骨修復(fù)的作用，應(yīng)用前景良好，但純天然殼聚糖生物力學(xué)性能較差，提取過程會(huì)產(chǎn)生大量的高濃度堿廢液，嚴(yán)重污染環(huán)境。如能進(jìn)一步提高殼聚糖骨修復(fù)材料的生物力學(xué)性能并改進(jìn)其制備方法，將大大拓寬其在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

4 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種可從褐藻中獲得的天然聚合物，具有生物相容性好、毒性低、無免疫原性和可控凝膠化等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海藻酸鹽、明膠和雙相鈣磷酸鹽復(fù)合物具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和良好的生物相容性，其凝膠化程度和降解時(shí)間均可調(diào)控[28-29]；而成骨細(xì)胞在磷酸鈣骨水泥和海藻酸鈉支架上共培養(yǎng)時(shí)則呈現(xiàn)出活躍的增殖潛能和成骨分化能力[30]；此外，含人臍血BMSCs的磷酸鈣骨水泥/海藻酸鈉復(fù)合糊狀物已被證實(shí)具有與骨松質(zhì)相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，其所包含的BMSCs仍然具有增殖和成骨分化的能力，并產(chǎn)生高水平的ALP、骨鈣蛋白和Ⅰ型膠原，促進(jìn)成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Osterix的基因表達(dá)等。Florczyk等[31]報(bào)道的體內(nèi)試驗(yàn)用殼聚糖-藻酸鹽支架填充Sprague-Dawley大鼠骨缺損，分別在4、16周進(jìn)行micro-CT掃描，組織學(xué)和免疫組化染色結(jié)果表明，經(jīng)該支架混合骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2處理的大鼠16周時(shí)最大的缺損封堵高達(dá)70%。

5 展望

天然高分子衍生材料和骨組織工程的發(fā)展為骨缺損修復(fù)帶來新的思路和方法。然而，天然高分子衍生材料單獨(dú)應(yīng)用于大段骨缺損并不能完全滿足修復(fù)所需，與其他生物材料（鈣磷無機(jī)材料等）復(fù)合后將具備更好的生物學(xué)特性和機(jī)械性能，使其在骨組織修復(fù)中的應(yīng)用潛能大為提高。除以上介紹的材料之外，還有葡糖氨基葡聚糖、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、結(jié)冷膠及其衍生物等具有較大骨缺損修復(fù)潛力的高分子材料。目前的相關(guān)研究主要聚焦于以天然高分子衍生物材料來模仿骨的層次結(jié)構(gòu)和形態(tài)功能，但這些研究仍處于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、生物力學(xué)測(cè)試及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，缺乏臨床應(yīng)用證據(jù)。未來的研究方向?qū)⒅赜趦?yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)、提高材料的機(jī)械性能和生物學(xué)性能等方面，并致力于深入認(rèn)識(shí)天然復(fù)合材料與組織之間的相互作用，最終走向臨床。隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)研究和材料技術(shù)的發(fā)展，具有多種優(yōu)良生物學(xué)特性的天然高分子衍生材料將會(huì)在骨組織工程的臨床應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

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Research progress of natural polymer derived materials in bone tissue repair

FENG Xinglong*,WANG Xiaolan,ZHANG Yu,XIA Hong.*Department of Traumatology&Burn,Central Hospital of Panyu District,Guangzhou,Guangdong 511400,China

XIA Hong,E-mail:gzxiahong2@126.com

With good biocompatibility,degradability and certain osteogenic induction ability,natural polymer derived material has become one of the potential development directions in the field of bone substitute materials.In this paper,we mainly introduced the characteristics and functions of natural macromolecule materials such as collagen materials(collagen protein,gelatin,etc.),silk protein,chintin and its derivatives,as well as alginates,more importantly,we discussed the current progresses and the application prospects of these new materials in bone tissue repair.

Collagen;Silk protein;Chitin;Alginates;Bone substitutes;Biocompatible materials

R68，R318.17

：A

：1674-666X(2017)01-045-05

2017-01-05；

2017-01-30）

（本文編輯：白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.008

國家自然科學(xué)基金（21620102004）

511400廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院創(chuàng)傷燒傷科（馮星龍）；510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院廣東省骨科矯形技術(shù)與植入材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（王曉嵐，張余，夏虹）

夏虹，E-mail:gzxiahong2@126.com