β-TCP 材料改性研究進展及在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用*

侯丹# 陳曉事# 毛茵茵 張晴

由創(chuàng)傷、感染、腫瘤和畸形所導(dǎo)致的骨缺損是目前骨科所面臨的世界性難題之一[1]，給患者的生理和心理帶來極大的創(chuàng)傷。若想實現(xiàn)有效的修復(fù)，選取適當(dāng)?shù)牟牧鲜顷P(guān)鍵。目前，臨床上最常用的骨移植材料主要來源為自體骨、異體骨、組織工程骨[2]。自體骨移植存在供體來源有限容易造成二次傷害，增加患者的痛苦；異體骨移植存在傳播疾病及免疫排斥反應(yīng)的風(fēng)險；組織工程骨具有來源廣泛、無免疫原性、重復(fù)性高及利用3D打印技術(shù)可實現(xiàn)個性化修復(fù)的臨床要求等優(yōu)勢，而成為理想的骨再生修復(fù)材料[3]。組織工程骨的主要來源有天然支架材料、人工合成支架材料及復(fù)合支架材料，其中人工合成的無機非金屬材料，以羥基磷灰石和磷酸三鈣（TCP）陶瓷材料應(yīng)用最為廣泛。-磷酸三鈣（-TCP）材料具有與天然骨相似的成分，而成為目前最具前景的骨替代材料。為了促進其臨床應(yīng)用，近年來，聯(lián)合其他材料改性-TCP 支架降解速率、提高力學(xué)性能、提高骨誘導(dǎo)能力研究成為骨缺損再生修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。本文就-TCP 材料聯(lián)合其他材料改性以及骨缺損再生修復(fù)應(yīng)用等方面的研究進展進行綜述，以期為-TCP 材料的研究與應(yīng)用提供參考及新思路。

1 -TCP 材料的生物學(xué)特性

迄今為止，-TCP 在臨床中作為骨移植物已有百余年歷史。-TCP 是指低溫型的磷酸三鈣，是一種短暫的、易降解吸收型的生物陶瓷。體內(nèi)外實驗及臨床研究表明，-TCP 具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、成骨性[4]，植入體內(nèi)對局部軟、硬組織及全身無毒副作用，無炎性細胞浸潤等炎癥反應(yīng)和異物反應(yīng)，且能與原骨直接結(jié)合，故已在臨床安全使用[5]。雖然-TCP 材料具有上述優(yōu)異的性能，但是離理想的骨組織工程支架材料還有一定的距離[6]，主要存在以下問題需要解決：①由于-TCP材料本身的化學(xué)性質(zhì)及自身內(nèi)在結(jié)構(gòu)的限制，降解速度并非完全可控，而臨床上成骨速率與替代物在人體內(nèi)的代謝速率密不可分，過快、過慢都會限制骨生成[7]。②-TCP 作為一種生物陶瓷，力學(xué)強度仍不能完全與活體骨組織相媲美，而且-TCP 的脆性很大，很容易在外力過大的情況下發(fā)生脆性斷裂[8]。③骨的生長不僅需要鈣、磷等無機成分，同時還需要骨誘導(dǎo)因子及骨生成細胞等生物學(xué)因素的作用，但單純的-TCP 缺乏骨誘導(dǎo)和生成能力[9]。④成骨細胞、干細胞等如何快速在-TCP材料的表面黏附生長是影響骨再生性能的關(guān)鍵，直接使用-TCP 材料的細胞黏附性能缺乏[10]。

綜上，-TCP 材料生物學(xué)性能受其自身化學(xué)性質(zhì)、表面性能及自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的影響。基于此，目前國內(nèi)外學(xué)者圍繞-TCP 的改性進行了大量研究，從而提高了其力學(xué)和生物學(xué)性能，以此來滿足臨床應(yīng)用的要求。

2 -TCP 材料改性研究

2.1 -TCP 材料力學(xué)性能改性研究

組織的正常長入與材料的孔隙率有關(guān)，而材料的孔隙率又影響材料的力學(xué)強度，孔隙率增大，會使材料的抗壓強度降低，如何才能實現(xiàn)孔隙率與力學(xué)強度兼得的材料？目前研究者主要通過結(jié)合仿生學(xué)來進行研究。

張航等[11]從-TCP 的制備工藝出發(fā)，利用數(shù)字光處理（digital light procession，DLP）打印技術(shù)制備出孔隙率為56.42%～64.79%的-TCP 支架材料，力學(xué)強度檢測顯示其壓縮強度落在人體松質(zhì)骨壓縮強度范圍（2～12 MPa）內(nèi)，且孔隙率越大，壓縮強度越小，它們之間是負相關(guān)的關(guān)系。楊明明等[12]分別選用磷酸和聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，將-TCP與HA 以一定比例制備出復(fù)合支架，結(jié)果顯示HA:-TCP為3∶2 時，能獲得力學(xué)強度接近于松質(zhì)骨的支架，且細胞相容性好，更利于細胞的增殖。另外，通過-TCP 與鎂、鍶等骨天然組分的微量金屬元素結(jié)合，也可提高了-TCP 的力學(xué)性能，不僅如此，部分材料還獲得了抑菌等特性。Zhao等[13]研究發(fā)現(xiàn)，摻雜有Li 的-TCP 支架的力學(xué)強度是單純的-TCP 支架材料的3 倍，體外實驗發(fā)現(xiàn)其具有更優(yōu)良的生物相容性及降解能力。范雪瑩[14]制備的Sr、Ag 改性的-TCP粉末，研究顯示-TCP 的力學(xué)強度比未加金屬離子的-TCP材料更強，且銀離子的加入也賦予材料抗菌的特性。Ates 等[15]將錳或鎳摻雜到-TCP 中，獲得很好的力學(xué)強度，該復(fù)合材料體內(nèi)外實驗均獲得很好的成骨性能，金屬鎳還賦予材料抑菌功能。劉嘉昱[16]制備的鈰摻雜-磷酸三鈣磁性殼聚糖支架，不僅獲得了與人體松質(zhì)骨相似力學(xué)強度的支架，還發(fā)現(xiàn)一定濃度范圍的鈰能促進細胞的增殖分化。

目前，大多數(shù)金屬離子與-TCP 復(fù)合仍處于制備方法更新與探索最佳配比的階段，是否能滿足臨床需求，還有待進一步的臨床研究。

2.2 -TCP 材料降解速率改性

過慢或過快的降解速度均會抑制新骨的形成與長入，替代物在體內(nèi)的代謝速率只有與成骨速度相匹配，才能展現(xiàn)出良好的骨修復(fù)能力。謝璐和于海洋[17]通過對比-TCP、-TCP、/ -TCP在模擬體液環(huán)境的體外降解過程，表明可通過調(diào)節(jié)/ -TCP 的比例獲得可控的降解速率和優(yōu)異的生物相容性。尹俊景[18]將降解速率較慢的透明質(zhì)酸（HA）與-TCP 結(jié)合，獲得了降解速率較為理想的復(fù)合材料。將酸性的聚乳酸-乙交酯（PLGA）與堿性的-TCP 聯(lián)合使用后，一定程度上促進了骨的改建和修復(fù)。Yu 等[19]三維打印鎂粉/PLGA/ -TCP 復(fù)合支架與無鎂粉的PLGA/ -TCP 復(fù)合支架在兔骨缺損的效果對比，結(jié)果顯示前者具有更強的降解性能，成骨性更好。還有學(xué)者通過摻雜金屬來延緩降解速度，如Nandi 等[20]采用3D打印制備的SiO2/ZnO/ -TCP 復(fù)合支架與純的-TCP 在兔脛骨缺損模型中進行比較，結(jié)果顯示前者的降解速率慢于后者，且金屬離子的加入改善了材料的骨生成能力。

2.3 -TCP 材料骨誘導(dǎo)性改性研究

骨誘導(dǎo)性是指骨替代物能直接誘導(dǎo)骨髓干細胞分化為成骨細胞，實現(xiàn)骨再生。目前，添加微量元素或高分子材料是增強-TCP 骨誘導(dǎo)性的可行方法。

Rony 等[21]對比-TCP、透明質(zhì)酸/ -TCP 復(fù)合材料在幼年/老年母羊骨整合的作用，結(jié)果顯示后者的成新骨能力更強，可增強成骨細胞的活性。Gu[22]和Deng 等[23]在體外實驗研究發(fā)現(xiàn)，摻雜有硅酸鈣或Mg 的-TCP 支架能顯著增強細胞的增殖率，促進成骨細胞的表達、血管形成和骨生成，顯著提高新骨的生成能力。

Vahabzadeh 和Bose[24]研究摻雜不同濃度鐵的-TCP 支架，發(fā)現(xiàn)鐵的加入會抑制-TCP 轉(zhuǎn)變?yōu)?TCP，且在體外細胞培養(yǎng)中與單純的-TCP 支架相比，支架中的鐵明顯增強成骨細胞的增殖和分化能力，摻雜0.5wt.%Fe 的-TCP 支架的成骨活性最高。Gu 等[25]用3D打印技術(shù)制作含不同Mg2+的-TCP 支架，體外培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細胞（hBMSC）和人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC），發(fā)現(xiàn)細胞在一定濃度的Mg2+具有高的增殖性和成骨表達能力，證明Mg2+的加入增強了細胞成骨誘導(dǎo)和成血管的能力，從而使-TCP 支架在骨再生和重建中更加優(yōu)異。Ke 等[26]分別將鎂、硅、鍶、鋅摻雜到TCP 支架中，發(fā)現(xiàn)鎂元素和硅元素的加入明顯地提高了骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein2，BMP2）的表達，提高了-TCP 支架的骨誘導(dǎo)性，同時也增強了支架內(nèi)細胞的活性。

2.4 -TCP 材料黏附性能改性研究

缺損區(qū)的骨再生的關(guān)鍵在于大多數(shù)細胞能附著在替代物上進行增殖與代謝，最終長出新組織完全取代替代物，而材料表面結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了細胞的黏附性，表面粗糙程度越大，細胞的附著率越高[27]。血管內(nèi)皮細胞的滲入、附著、增殖對骨血管化及促進骨組織再生至關(guān)重要，而目前多孔支架中的血管化形成受限[10]。目前，主要通過改變-TCP 的表面結(jié)構(gòu)、建立通道及增加材料總體表面積來解決此問題。

Ruiz-Aguilar 等[28]在體外細胞培養(yǎng)模型中發(fā)現(xiàn)添加氧化鋯的-TCP 支架比單純的-TCP 支架的細胞黏附性更強，細胞增殖顯著，也進一步說明了氧化鋯能夠修飾支架表面，提高細胞的附著力。Wang 等[29]比較3 種類型的帶/不帶通道的多孔互連-TCP 支架的血管生成，體外實驗顯示帶有通道的多孔-TCP 能顯著促進營養(yǎng)物質(zhì)的擴散、人臍靜脈內(nèi)皮細胞的附著及誘導(dǎo)細胞遷移、增殖，最終血管生成，而且抗壓強度與不帶通道的-TCP 相近，有望成為一種有效的修復(fù)材料。Diao 等[30]橫向?qū)Ρ攘瞬捎?D 繪圖的3 種不同孔徑（400 m、250 m、100 m）的-TCP 支架材料及自體骨材料，在大鼠的顱骨缺損修復(fù)中，100 m 孔徑的-TCP 的骨生成能力最強、力學(xué)性能極佳；且這3 種支架材料在體外細胞培養(yǎng)中，由于100 m 孔徑的支架相比于另外2 種支架明顯增加其表面積，提供了更多的細胞附著位點，提高了細胞的黏附性并促進了細胞的增殖分化。

3 -TCP 在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用最新進展

-TCP 與天然骨的無機成分相似，已被廣泛應(yīng)用于骨科及口腔科（如頜骨缺損修復(fù)、種植區(qū)內(nèi)骨增量、牙槽骨缺損修復(fù)等）的臨床治療。在頜骨囊腫空腔性缺損修復(fù)中，-TCP與傳統(tǒng)填塞物碘仿紗填塞明膠海綿相比，1～3 個月隨訪的23例患者成骨速率較快，可作為一種理想的骨缺損填充材料[31]。在上頜竇提升的臨床研究中，60%HA 與40% -TCP復(fù)合物填充6 個月后組織學(xué)和影像學(xué)顯示新骨形成且骨量充足，可支持種植體植入，成骨效果理想[18]。Lorenz 等[32]在拔牙窩填充修復(fù)的研究中，-TCP/透明質(zhì)酸組成的可注射骨替代物（IBS）注入21例患者拔牙窩4 個月顯示新骨生成及IBS 降解情況較好，能滿足臨床填充修復(fù)的需求。王艷玲等[33]通過對-TCP 與自體骨混合后修復(fù)種植牙骨缺損與自體骨直接修復(fù)種植牙缺損臨床效果比較，結(jié)果顯示-TCP 復(fù)合自體骨引起的不良事件遠低于自體骨直接修復(fù)，這說明-TCP 復(fù)合自體骨可以充分發(fā)揮兩者的功能，最大化提升種植修復(fù)效果，-TCP 復(fù)合自體骨可以大大提升成骨的能力。有學(xué)者在無牙的牙槽體積保持研究中，發(fā)現(xiàn)-TCP/PLGA 植入能維持牙槽體積且阻止牙齦萎縮，組織學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)長出更成熟的骨骼系統(tǒng)[34]。Trujillo 等[35]通過比較BMPs-2/ -TCP、髂骨、下頜骨分別用于治療牙槽嵴裂患者的療效的研究中，發(fā)現(xiàn)BMPs-2/ -TCP 新生骨形成率與自體骨組相當(dāng)，說明應(yīng)用BMPs-2/ -TCP 治療牙槽嵴裂是一種可行的方法。在距骨巨細胞瘤重建中，低孔隙率的-TCP 具有強大的抗壓能力，修復(fù)效果理想[36]。

4 小結(jié)與展望

-TCP 材料存在力學(xué)性能、降解速率、骨生成與誘導(dǎo)性及細胞附著性等方面的缺陷而阻礙其臨床應(yīng)用，聯(lián)合其他材料改性-TCP 材料的成骨性能得到以下幾點結(jié)論：①改變-TCP 材料制備支架的孔隙率及摻雜金屬元素可提高力學(xué)性能；②聯(lián)合其他晶向的TCP 材料、摻雜Mg粉或二氧化硅粉末改善-TCP材料的降解速率；③摻雜硅酸鈣和Mg、Fe、Si 等，以及復(fù)合膠原等手段提高-TCP 材料的骨誘導(dǎo)和骨生成能力；④添加氧化鋯、表面修飾多肽及細胞因子等方式增加細胞在材料的表面黏附性能。目前，改性的-TCP 材料已有在臨床工作中應(yīng)用，如頜骨囊腫填充、上頜竇提升、拔牙窩填充修復(fù)、距骨巨細胞瘤重建等。然而，機體不同部位、組織的環(huán)境是有差異性的，探討針對不同部位骨缺損修復(fù)的最佳治療策略，仍需要進一步提高-TCP 材料的優(yōu)異性能以及可控性，這將成為-TCP 臨床應(yīng)用于大段骨缺損再生修復(fù)的關(guān)鍵突破點。