羥基磷灰石在骨科中應用的研究進展

周育巧，郭闐廷，許 強，劉 通，姬廣林

（1.贛南醫(yī)學院2018級碩士研究生；2.贛南醫(yī)學院2019級碩士研究生；3.贛南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院骨科，江西 贛州 341000）

骨骼在生命活動中起著重要的作用，主要承擔身體結構框架和運動功能，骨骼功能會因疾病而受影響，尤其是現(xiàn)如今人口老齡化的骨質(zhì)疏松、機械外傷所致的骨缺損以及術中骨量的丟失的問題增多，超過了骨的自我修復能力。自此骨丟失已成為世界衛(wèi)生保健主要問題之一，無論是急性的（例如骨折）還是慢性的（即骨質(zhì)疏松癥、腫瘤和感染），都需要進行治療［1］。

其中取自體骨移植植骨，是迄今最好的內(nèi)固定骨來源。但會增加手術風險、術后痛苦、及其他如感染等并發(fā)癥風險，因此應用較為限制。同種異體骨來源雖然廣泛，但存在免疫排斥、潛在傳染病、術區(qū)滲液等風險。為此，醫(yī)學界掀起了一股可替代骨材料的研究熱潮。其研究重點是在生物活性材料維持骨的完整性及功能性，同時誘導骨生長。早期植入物可為病灶起力學支撐，中期為新長入的骨組織提供“腳手架”作用，加速組織修復，后期使至成為自身骨參與機體活動［2］。

羥基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）2，HA］是一種無機仿生材料，廣泛存在于哺乳動物骨骼（牛、羊、馬）、水生動物（魚骨、魚鱗）、貝殼（蛋殼、蛤、貝殼）、甚至在植物及藻類也含有，通過干法（灼燒法和仿生合成法）和濕法（化學沉淀，水解，水熱等）提純，其具有良好的可塑性、無毒性、誘導成骨及生物降解性特點，迅速成為研究骨再生材料的熱點［3］。但因HA促成骨效率低、脆性大，并不能很好的適配臨床醫(yī)用，需要混合調(diào)整才能滿足臨床需求。

1 羥基磷灰石促進骨生長條件

1.1 孔隙率孔隙率的重要性不言而喻，研究普遍認為，雖然成骨細胞可以通過直徑約為20μm 的孔，但只有空隙大于50μm能構建骨單位，過小的孔忽視了體液流動和血管長入的條件，無法為成骨細胞提供營養(yǎng)支持，以至于出現(xiàn)植入物無活力的“中空”地帶［4-5］。MATSUO［6］通過不同孔隙羥基磷灰石培養(yǎng)成骨細胞觀察，得出直徑大于150μm的孔隙可以為骨組織的生長提供理想的空間，并能誘導骨骼基質(zhì)的爬行長入，但過大的孔隙率，將降低骨板的密度，增加骨板的脆性，致使強度不足，無法起到初期支撐作用?，F(xiàn)研究認為孔徑大約為250μm，不僅具有良好的生長效果，而且可以維持骨架結構的穩(wěn)定性［7］。

1.2 納米級羥基磷灰石OKADA［8］通過普通煅燒的HA，發(fā)現(xiàn)其表面積與體積之比小，密度分布不均，空間結構紊亂，植入機體內(nèi)，幾乎不吸收，成骨效果甚微。值得一提的是，人自然骨的羥基磷灰石為納米級（nHA），常規(guī)尺寸的HA 與nHA 材料相比，nHA 擁有更高的生物活性和機械效能［9］。宋華［10］團隊通過高壓水熱處理法制備的nHA，在大鼠體內(nèi)實驗研究中，表現(xiàn)出nHA 溶解與新骨生長的時間匹配，對植入?yún)^(qū)框架穩(wěn)定有重要意義。并且在骨髓間充質(zhì)干細胞（bone marrow stomal cells，BMSCs）分化成骨實驗研究中，提示nHA 有很強的誘導分化和增殖細胞能力，更有利于小血管和微血管的生長，促使骨骼肌的爬行，超過傳統(tǒng)的羥基磷灰石支架材料。

1.3 植入物體表面情況羥基磷灰石也是一種可塑性較強的材料，可以通過不同的制造工藝加以改變。與光滑的表面相比，粗糙表面的羥基磷灰石擁有更大接觸面［11］。另一方面ANDERUD 等［12］發(fā)現(xiàn)，促進成骨的因素不僅與空隙大小有關，還包括空隙表面形狀，高粗糙表面有利于吸附蛋白。同時他提出材料親疏水性變化與表面粗糙度密切相關，一般而言除靜電作用外，材料的親疏水性也對其蛋白吸附能力有較大影響，疏水表面更有利于蛋白吸附。ALBERTINI［13］研究也證實了，表面高粗糙度相對于低表面粗糙度的nHA，更能促使蛋白質(zhì)粘附到表面。雖然阻礙了細胞與生物材料的直接接觸，實際上其表面與血液接觸后，吸附的纖連蛋白更有助于促進骨重塑。劉丹［14］在設計了不同粗糙度的nHA材料對成骨進程的影響時，發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石表面粗糙度變化不影響間充質(zhì)干細胞的生長形態(tài)，其中納米尺度的低表面粗糙度具有良好促進間充質(zhì)干細胞增殖能力，其最佳的表面粗糙度仍在探索。

1.4 促進骨生長相關活性因子作用nHA 具有骨誘導能力，很大的原因在于其自身是骨組成的部分之一，通過體內(nèi)溶解羥基磷灰石，使局部增加Ca2+濃度，為骨的生長留出空間的同時局部Ca2+濃度的增加，能激活成骨細胞的增殖，又能促進間充質(zhì)干細胞的分化［15］。BAYER［16］指出對于缺損部位大、血供差或周圍組織破損多的體內(nèi)中，高純的nHA 要完成成骨及修復缺損還是有所欠缺。伴隨水凝膠具有使生物分子吸附與釋放功能被揭開，人們加速復合水凝膠的羥基磷灰石材料研發(fā)，為促進植入物在骨生長打下夯實的基礎［17］。眾所周知，維生素K（VitK）是一種脂溶性化合物，在凝血系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，它也被認為通過調(diào)節(jié)骨基質(zhì)蛋白的啟動而在骨代謝中起著至關重要的作用，另外VitK 可以延緩骨丟失，提高骨強度［18］。戴志鵬［19］將以納米復合（nHA 和VitK）材料與nHA 為對照組在成骨細胞培養(yǎng)中進行對比，驗證VitK 具有促進成骨細胞增殖和粘附。另外摻雜微量元素的HA 也可以提高骨誘導能力，這些摻雜劑的添加量一般很小，并且需要符合生物必要元素條件，如鍶、鎂、硅和鋅［20］，其中鋅被認為是重要的促骨細胞元素，可以抑制破骨細胞對骨吸收，誘導成骨細胞發(fā)生分化和礦化［21］。復合型nHA 中也有添加生物活性材料，如血管內(nèi)皮生長因子，可以增加骨折端血流量，促進骨斷端軟組織、軟骨細胞以及骨細胞的生長，有利于骨的礦化，增加骨密度［22］；骨誘導形態(tài)蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）作為一種存在于骨基質(zhì)中的酸性多肽類物質(zhì)，可以誘導BMSCs 及未分化的間充質(zhì)細胞向成軟骨細胞轉(zhuǎn)化，從而改變體內(nèi)生理成骨進程［23］。

2 羥基磷灰石在骨外科的運用

伴隨HA 的表面電荷、疏水性及水凝膠特性被揭開，HA 不僅可以將所需的物質(zhì)與羥基磷灰石表面結合，而且nHA 可作為載體，直接將病灶所需的藥物包裹或混合于nHA 顆粒中，其釋放藥物機制不是藥物的自身脫附，而是羥基磷灰石體內(nèi)溶解［24］。為此，人們利用這一特性，從而達到治愈疾病所需的條件。

2.1 抗感染對于骨科手術而言，手術災難性后果就是植入物感染，往往是當細菌附著在植入物表面時，容易誘導生物膜的產(chǎn)生，生物膜是一個可持續(xù)釋放的感染源，另外非生物型材料往往沒有良好的血運，全身運用抗生素難以抵達病灶，致使多數(shù)抗生素在病灶的濃度低于正常殺菌濃度，長期的慢性刺激，使得在生物膜內(nèi)的微生物對抗生素的抗藥性比自然界中游離的同類微生物高出一千倍［25］。

而加配抗生素的nHA 可以達到良好的抗感染效果。從載有環(huán)丙沙星到摻有銀等微量元素的羥基磷灰石均可以獲得長期持久地局部高濃度抗菌效果［26］。另外，糖尿病足和慢性化膿性骨髓炎的患者也能使用含有羥基磷灰石重構骨架，獲取良好的預后。

2.2 腫瘤原發(fā)性惡性骨腫瘤及其他轉(zhuǎn)移瘤患者而言，最佳的治療方案往往是手術病灶切除，視情況配合化療或放療，然而因藥物嚴重的毒副作用，可致肝、腎等重要臟器損害，負載抗腫瘤藥物的人工骨可以解決上述問題的同時，加大局部化療濃度，使其更利于殺滅腫瘤細胞，并且在維持肢體功能的同時不會像金屬內(nèi)植物一樣，對后期放療產(chǎn)生射線“遮擋”效果［27］。趙慧等發(fā)現(xiàn)HA 可通過負反饋系統(tǒng)直接調(diào)控細胞凋亡及激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B 通道，提示羥基磷灰石本身也具有一定的抗腫瘤效應［28］。

另外，AOKI 等將HA 納米顆粒作為一種載體吸附多柔比星（ADM）、絲裂霉素C、氟尿嘧啶等抗腫瘤藥物，在體內(nèi)、外抗腫瘤實驗中提示能達到增強對腫瘤細胞增殖的抑制作用［29］。

2.3 負重支撐作用眾所周知，早期骨組織工程中使用鋼板加螺釘?shù)慕饘俳M合，其近期內(nèi)固定效果明顯，獲得普遍推廣，但隨著后期臨床數(shù)據(jù)表明，長期內(nèi)植物在體內(nèi)，將不可避免觸發(fā)免疫炎癥反應，加速局部骨質(zhì)疏松及應力不勻，有可能發(fā)生再骨折的風險［30］。納米級羥基磷灰石材料的空間結構非常接近天然骨基質(zhì)，然而缺乏膠原蛋白的支撐，將存在抗彎強度低、脆性大、骨誘導活性差、力學性能不穩(wěn)等缺陷，而且為了保障正常成骨需求，材料還將增加其孔隙，從而進一步增大其脆性［31］。事實上，正常人體內(nèi)的羥基磷灰石其抗壓強度也低，作為補償，除礦物成分外，骨中還有I 型膠原參與，以維持結構上的韌性及穩(wěn)定性。另一方面對膠原的研究發(fā)現(xiàn)，膠原通過激活BMSCs 細胞內(nèi)信號通路，達到促骨細胞生殖能力。從仿生學角度出發(fā)，nHA與膠原復合能很好的模擬自然骨的狀態(tài)，促進成骨干細胞的分化和細胞外基質(zhì)產(chǎn)生［32］。殼聚糖（chitosan，CS）是通過有殼動物（蝦、蟹、貝殼等）分離所提純幾丁質(zhì)，然后脫乙酰后所制成。其來源廣泛、具有組織相容性、可降解性及牢固的穩(wěn)定性，打開了廣闊的仿生材料前景。更有吸引力的點來至于其具有抗微生物、抗氧化劑和抗腫瘤活性特征［33］。聚酰胺66（polyamide66，PA66）以其優(yōu)異的力學性能現(xiàn)已成為我國骨組織工程常用的混合材料之一，研究人員將PA66 涂成于羥基磷灰石表面，具有涂成的羥基磷灰石可達到（13.7±0.2）MPa，可以滿足大部分外科對植入物硬度的要求，同時通過調(diào)節(jié)混合條件來控制涂層微觀結構、厚度和結合強度，進而適配高延展性與生物活性。顯然復合涂層比未涂層的PA66 基質(zhì)具有更好的細胞相容性，可以作為細胞附著、擴散和增殖的良好模板［34］。

2.4 骨質(zhì)疏松骨質(zhì)疏松癥是一種骨骼衰弱的疾病，特征為骨微觀結構改變致骨脆性增加。尤其是好發(fā)于絕經(jīng)后婦女。骨質(zhì)疏松患病較為隱匿，直到第一次骨折發(fā)生，骨質(zhì)疏松癥才表現(xiàn)出特定的臨床表現(xiàn)?，F(xiàn)如今最常用的治療方案為補充維生素D3、鈣劑、雙膦酸鹽及生物靶向藥物（雷洛昔芬、地諾單抗）［35］。骨質(zhì)疏松癥作為全身多發(fā)性疾病，單靠羥基磷灰石去填充全身骨組織是很難實現(xiàn)的，眾所周知nHA 顆粒的凝膠特性，可以讓抗骨質(zhì)疏松藥物與其具有高親和力［36］。為此KETTENBERGER［37］將雙膦酸鹽和足夠小的nHA 顆粒結合，在人體內(nèi)環(huán)境下被巨噬細胞分泌水解酶所分解，增加局部鈣離子溶度同時又釋放雙膦酸鹽，達到靶向抗骨質(zhì)疏松目的。

目前，越來越多的復合型nHA 被應用于臨床，如羥基磷灰石-殼聚糖制作成納米顆粒包裹塞來昔布，可用于止痛，在羥基磷灰石-殼聚糖鍵的作用下，延緩了藥物釋放過程，24 小時后，只有不到15%的藥物通過“爆裂效應”釋放。另外負載利福平的nHA治療結核性骨髓炎也有報道［38］。

羥基磷灰石發(fā)現(xiàn)迄今已有40余年，早期用于口腔科，作為牙齒修補材料，隨著技術的開發(fā)，使羥基磷灰石擁有支撐負重、抗感染、抗腫瘤等特性，在骨科領域得到迅速推廣；另一方面3D 打印技術的興起，可以獲得理想需求的個性化植入物，進一步促使骨科、牙科、整形等發(fā)展，但其并發(fā)癥如肌肉或重力引發(fā)的成骨畸形生長、內(nèi)植物過敏、骨折不愈合、異物反應等并未擁有很好的解決方案［39］，以致于復合羥基磷灰石的肌肉運動屬性與人自身骨骼有一定差距［40］。盡管上述研究是重大挑戰(zhàn)，但值得肯定的是，這項研究領域的開發(fā)具有超越潛在風險的長期效益。