金屬元素?fù)诫s羥基磷灰石的研究及應(yīng)用進(jìn)展

於可達(dá) 郭曉東*

在骨移植領(lǐng)域，超過60%案例被報(bào)告涉及鈣磷酸鹽，尤其是羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）[1]，因其被認(rèn)為是人天然骨骼主要的無機(jī)成分，以及其良好的生物相容性和生物活性，從而得到了廣泛的研究和應(yīng)用[2]。然而，單純的HA的生物學(xué)功能依然是有很大限制的。因此，對其在生物學(xué)功能等方面進(jìn)行優(yōu)化依然受到很多研究者的重視。不少研究發(fā)現(xiàn)，活性元素的摻雜，如鍶、鐵、銅、硅、氟等，能夠?qū)窃偕鸬搅己玫拇龠M(jìn)作用[3-4]。其中本文敘述的金屬陽離子摻雜即為取代HA中的鈣離子，而不同離子的摻雜濃度也有相應(yīng)的研究進(jìn)行了評估。除單一元素?fù)诫s外，研究者也已經(jīng)注意到多種元素共同摻雜的方式，實(shí)現(xiàn)多種有益元素的功能互補(bǔ)，也是一種有效的策略[5-6]。即使是經(jīng)過改性的HA，依然擁有與其他生物材料（如天然細(xì)胞外基質(zhì)等）進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用的潛力，這使得其在骨移植材料領(lǐng)域擁有較廣的應(yīng)用前景。本文就金屬元素?fù)诫sHA的改性及其相關(guān)生物學(xué)功能的研究進(jìn)展做一綜述。表1為本文所述主要不同元素（單一或共摻雜）摻雜HA改性后生物學(xué)效應(yīng)及其優(yōu)缺點(diǎn)的對比。

表1 不同元素（單一或共摻雜）摻雜HA改性后的對比

1 單一元素?fù)诫s改性羥基磷灰石在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用

近年來，不斷有學(xué)者利用金屬的離子或者氧化物形式，使其對HA的理化性能、生物學(xué)功能進(jìn)行改性，并且取得了相當(dāng)顯著的進(jìn)展，諸如鍶、鐵、銅等得到了廣泛的研究。

1.1 鍶摻雜羥基磷灰石

鍶是一種在骨修復(fù)過程中起到重要作用的微量元素，與鈣的功能近似。Hu等[7]利用放電等離子燒結(jié)法（SPS）制備了含鍶的HA支架，通過家兔雙側(cè)脛骨骨缺損模型證明鍶-HA支架具備顯著的促進(jìn)成骨修復(fù)的效果。Li等[8]采用濕法合成鍶-HA并制備成聚富馬酸丙烯納米復(fù)合支架，通過體外實(shí)驗(yàn)證明其對成骨分化有促進(jìn)作用，其中鍶取代濃度在10%時(shí)效果最為明顯。Wei等[9]利用鍶-HA對HA支架進(jìn)行表面修飾，并通過體外實(shí)驗(yàn)表明在1%、4%及8%的取代濃度中，8%鍶取代具有最為顯著的促進(jìn)成骨作用。由此可見，鍶在促進(jìn)骨再生的過程中，有著至關(guān)重要的作用，但單獨(dú)的鍶摻雜仍舊存在一定的局限性。

1.2 鐵摻雜羥基磷灰石

鐵是人體內(nèi)含量最多的微量元素，參與多種重要的生理過程，是體內(nèi)不可或缺的元素之一。Shi等[10]研究合成鐵摻雜磷酸八鈣發(fā)現(xiàn)，其通過鐵離子的釋放，能夠?qū)崿F(xiàn)促進(jìn)血管生成的作用，而血管形成是骨缺損修復(fù)過程中極為重要的一部分，這也為鐵應(yīng)用于HA改性提供了支持。國外學(xué)者Fernandes Patrício等[11]的研究表明，通過仿生組裝/礦化過程制備的鐵摻雜HA微球能夠作為骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）的可調(diào)載體，實(shí)現(xiàn)緩釋的功能，并且同時(shí)擁有順磁性，最終對骨缺損的修復(fù)起到正向調(diào)控作用。然而，也有研究表明，過高濃度的鐵摻雜量反而具有一定的細(xì)胞毒性[12]。因此，如何控制材料釋放的離子濃度，也成為目前還未完全解決的問題之一。

1.3 銅摻雜羥基磷灰石

銅因其擁有較為顯著的抗菌作用[13]以及成血管誘導(dǎo)[14]作用，在骨缺損植入物中有著廣泛的應(yīng)用，常被用于制備合金植入物或者用于植入材料表面涂層。Simon等[15]研究發(fā)現(xiàn)，摻雜銅納米團(tuán)簇的HA同樣具備抗菌能力。Chi等[16]通過合成摻銅HA微球發(fā)現(xiàn)，高濃度的銅摻雜擁有更為顯著的抗菌作用，同時(shí)降解性也有一定提升。但需要注意的是，雖然抗菌在骨缺損材料植入方面非常重要，但過高濃度的銅離子釋放同時(shí)也會帶來更高的細(xì)胞毒性。Mou等[17]制備了摻銅納米HA/多（氨基酸）共聚物復(fù)合支架，使其具有較為合適的降解性、力學(xué)強(qiáng)度和孔隙率，通過體內(nèi)外成骨、成血管的實(shí)驗(yàn)證明在銅含量達(dá)到1%時(shí)，復(fù)合材料具有較佳的成骨、成血管誘導(dǎo)能力。

可見，銅摻雜入HA后，其能夠發(fā)揮較好的抗菌、成骨誘導(dǎo)和成血管誘導(dǎo)能力，這使其在骨移植領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景，但其釋放離子濃度的控制同樣也是亟待解決的研究問題。

1.4 其他元素?fù)诫s羥基磷灰石

除常見的鐵、銅、鋅、鎂、鍶等元素外，也有多種其他元素被用于HA的改性。Luo等[18]通過對鋰摻雜HA多孔支架體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的評估，發(fā)現(xiàn)其在成骨誘導(dǎo)能力上相較HA及空白對照組均有顯著提升。Li等[19]研究表明，鋰摻雜HA支架具備接受骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞預(yù)植入并應(yīng)用于骨組織再生的潛力。而與銅相似的，Riaz等[20]通過將銀摻入HA從而實(shí)現(xiàn)了較為理想的抗菌效果。

除此之外，需要注意的是，不單單是金屬元素能夠?qū)A產(chǎn)生改性作用，如硅[21]、硼[22]、硒[23]等也能夠通過對HA的優(yōu)化而達(dá)到促進(jìn)骨組織再生的效果。

2 多種元素?fù)诫s改性羥基磷灰石在骨缺損植入中的應(yīng)用

相較于單一元素?fù)诫s，多種元素如金屬—金屬、金屬—非金屬[24]聯(lián)合應(yīng)用摻雜改性HA的研究近年來越來越受到研究者的重視，如鍶—鐵共摻雜、鋅—鎂共摻雜乃至三元素共摻雜[25]等，也得到了進(jìn)一步的研究與報(bào)道。

2.1 鍶—鐵共摻雜羥基磷灰石

鍶、鐵在骨修復(fù)領(lǐng)域均有著極為廣泛的應(yīng)用，也是用于HA改性的常用元素。Basu等[26]用鍶-鐵共摻雜的方式制備雙相磷酸鈣，證明了其對成骨效應(yīng)的促進(jìn)作用，并且通過改變摻雜濃度及配比，實(shí)現(xiàn)了對成骨誘導(dǎo)能力的調(diào)控。Ullah等[27-28]將鍶—鐵共摻雜的方案應(yīng)用于HA的改性，抗菌實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)及成骨分化實(shí)驗(yàn)等證明改性后的HA具備更好的抗菌能力、生物相容性以及成骨誘導(dǎo)能力，這為其在骨缺損植入領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供了支持。Yang等[29]利用低溫3D打印技術(shù)，制備了鍶—鐵HA/聚己內(nèi)酯（PCL）復(fù)合支架，并通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明，含有鍶、鐵的復(fù)合支架相較于單一含鍶或含鐵的支架，具備更強(qiáng)的成骨誘導(dǎo)能力以及成血管誘導(dǎo)能力。更為重要的是，鍶—鐵共摻雜HA支架表現(xiàn)出了較好的免疫調(diào)節(jié)功能，使巨噬細(xì)胞能夠向M2型細(xì)胞轉(zhuǎn)化，并且通過條件培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)胞的方式發(fā)現(xiàn)，這些對免疫細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用對于成骨以及成血管過程均是有益的。綜上，鍶—鐵共摻雜HA在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 鋅—X共摻雜羥基磷灰石的研究

鋅常以合金形式被應(yīng)用于骨移植領(lǐng)域，在鋅摻雜HA方面同樣有著較深的研究，其較好的抗菌以及成骨誘導(dǎo)能力是使其受到青睞的因素。然而鋅本身的生物相容性是有限的，因此引入新的元素對其進(jìn)行優(yōu)化則成了可行的辦法。Alioui等[30]對比不同比例摻入鋅、鎂的材料的抗菌性能，發(fā)現(xiàn)高濃度的鋅摻入具有顯著的抗菌作用，而總濃度相同的鋅—鎂共摻雜同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌能力。但若是過高濃度的鋅，則顯著降低了材料的生物相容性。Kazimierczak等[31]合成殼聚糖/瓊脂糖/納米HA復(fù)合支架，通過對鋅、鎂以及共摻雜HA的對比，證明摻入鎂元素對鋅—HA的生物相容性有著顯著的提升，同樣的，共摻雜HA的成骨誘導(dǎo)能力同樣優(yōu)于鋅的單獨(dú)摻入。

另一方面，Wu等[32]通過對鋅—鈰共摻雜HA的研究，并制備了殼聚糖/明膠/HA復(fù)合支架發(fā)現(xiàn)，共摻雜HA的支架在堿性磷酸酶染色以及茜素紅染色中均有更好的表現(xiàn)，且同時(shí)具備更強(qiáng)的抗菌能力。

3 小結(jié)與展望

本文明確說明，利用金屬元素?fù)诫sHA或者與其他金屬、非金屬聯(lián)合應(yīng)用，能夠顯著提升HA的生物相容性、降解能力、骨誘導(dǎo)能力以及抗菌能力等。區(qū)別于早期研究相對聚焦于理化性質(zhì)等，近年來研究者進(jìn)行了更多的生物學(xué)評估，包括體內(nèi)、體外對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，以及生物相容性、成骨能力、成血管能力、免疫調(diào)節(jié)能力等多方面生物學(xué)功能的評價(jià)，使摻雜改性HA的研究得到進(jìn)一步完善。

然而，如何使植入材料釋放的離子達(dá)到最佳比例，從而實(shí)現(xiàn)降解性能、力學(xué)性能達(dá)到生物學(xué)功能的最佳平衡，以及如何解決植入物易引起的免疫原性反應(yīng)等，依然沒有一個(gè)最優(yōu)的解決方案，距離在臨床上得到實(shí)際有效的應(yīng)用仍有較大的距離。而越來越多的研究表明，在摻雜其他元素改性HA的基礎(chǔ)上，利用其他技術(shù)及工藝，能夠使材料的性能更加優(yōu)化以及全面。對此，有以下可能的解決方案：①利用多種新型生物材料（如天然細(xì)胞外基質(zhì)）所具備的低免疫原性、較好的降解性、優(yōu)異的生物相容性和成骨成血管誘導(dǎo)能力，與HA形成復(fù)合支架，從而改善其性能。②通過新型工藝如靜電紡絲技術(shù)，將HA/天然細(xì)胞外基質(zhì)制備成具有序定向結(jié)構(gòu)的生物誘導(dǎo)膜，從而進(jìn)一步優(yōu)化其誘導(dǎo)血管、神經(jīng)長入骨缺損部位的能力。③通過摻入磁性元素如鐵等，通過磁性3D打印技術(shù)制得具有順磁性的生物復(fù)合支架，利用外加磁場改善其生物學(xué)功能。④在應(yīng)用功能元素?fù)诫s的同時(shí)，引入微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，達(dá)到協(xié)同促進(jìn)成骨效應(yīng)的目的，也是未來材料設(shè)計(jì)極具前景的方向之一。隨著研究的不斷深入，新工藝、新材料的不斷研發(fā)，相信最終會有多種合適的生物材料能夠應(yīng)用于骨缺損的臨床治療應(yīng)用。