硫酸鈣人工骨修復(fù)骨缺損的研究進(jìn)展*

李東晨 李忠 馬騰 路遙 黃強(qiáng) 許毅博

骨缺損在臨床上常由于感染、骨質(zhì)疏松、嚴(yán)重創(chuàng)傷、惡性腫瘤或先天性遺傳疾病等所致[1]，其病程遷延難愈，復(fù)發(fā)率高，患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，治療過程中也往往伴有各種并發(fā)癥和功能障礙，嚴(yán)重影響患者的身心健康和生活質(zhì)量，很多患者因病致貧。研究發(fā)現(xiàn)，一般小型楔形的骨缺損可以通過自身一期或二期愈合來達(dá)到缺損的愈合，然而當(dāng)缺損較大（超過4 ～ 6 cm）或有節(jié)段性缺損時，則無法通過自身修復(fù)而愈合，往往需要通過骨移植等手段來修復(fù)缺損[2]。常用的骨移植材料有自體骨、同種異體骨、異種異體骨及人工骨等。目前，自體骨植骨是修復(fù)骨缺損的“金標(biāo)準(zhǔn)”[3]，但常因供區(qū)提供的骨量有限，并且易發(fā)生供區(qū)疼痛、感染、血腫、神經(jīng)損傷及形成新的骨缺損等而導(dǎo)致其治療有著一定的局限性。異體材料（包括同種異體骨、異種異體骨）雖然消除了自體骨移植造成的一系列并發(fā)癥，但也存在著組織相容性差、對供區(qū)血供要求高等因素[4]，使之在臨床上運用受到限制。人工骨來源廣泛、種類多樣、制備簡易、生物降解性高（部分人工骨材料），可與成骨細(xì)胞、細(xì)胞因子等制備成復(fù)合人工骨材料，在臨床上備受青睞。硫酸鈣（calcium sulfate，CS）作為最常見的一種人工骨材料，在臨床中的使用可以追溯到19 世紀(jì)末，首次被Dreesman 應(yīng)用于治療結(jié)核引起的骨缺損[5]。由于其具有生物相容性好、生物可吸收降解性高、機(jī)械性能好、制備成本相對低廉、原材料來源豐富等優(yōu)勢[6]，被廣泛地應(yīng)用于骨科和牙科等領(lǐng)域，本文就近年來以硫酸鈣為基礎(chǔ)的人工骨植骨材料的研究進(jìn)展作一綜述。

1 硫酸鈣人工骨的基本特性

硫酸鈣又稱巴黎石膏[7]（poster of Paris，POP），存在3種形式：①二水硫酸鈣（calcium sulfate dihydrate，CSD），又稱作生石膏，是其在自然界中主要的存在形式；②半水硫酸鈣（calcium sulfate hemihydrate，CSH），俗稱熟石膏，因其優(yōu)秀的生物相容性、骨傳導(dǎo)性，以及體內(nèi)降解可吸收性等優(yōu)勢在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛運用到骨修復(fù)中[8]；③無水硫酸鈣（calcium sulfate anhydrite，CSA）也稱之為硬石膏，主要用作建筑、化工原料。二水硫酸鈣在150℃條件下煅燒，會失去1.5個水分子，形成半水硫酸鈣，反應(yīng)如下：

半水硫酸鈣存在著α 和β 兩種結(jié)構(gòu)，α-半水硫酸鈣（α-calcium sulfate hemihydrate，α-CSH）在結(jié)構(gòu)上為有序的棒狀或棱柱晶體，而β-半水硫酸鈣則是由無規(guī)則的具有毛細(xì)小孔的晶體聚集而成，并且由于二者不同的顆粒特性，前者相較于后者凝固所需的水更少，并且其形成的二水化合物的抗壓強(qiáng)度更高且更難溶[9]，因此，醫(yī)學(xué)上硫酸鈣材料常為α-半水硫酸鈣。半水硫酸鈣與1.5個水分子結(jié)合水化后，形成二水硫酸鈣并釋放一定的熱量，反應(yīng)如下：

良好的生物相容性是材料作為植入物的必要條件，植入宿主體內(nèi)后不會引起明顯的宿主反應(yīng)才能后續(xù)考慮此材料的其他方面性能表現(xiàn)。硫酸鈣材料作為一種在臨床應(yīng)用歷史悠久的骨移植材料，其良好的生物相容性與可降解性已在臨床上中被廣泛證實[10]，但其材料自身缺乏骨誘導(dǎo)性，制約了硫酸鈣材料的發(fā)展與臨床應(yīng)用。也有部分研究發(fā)現(xiàn)，盡管硫酸鈣自身不具備誘導(dǎo)性，但其在植入宿主局部降解形成的高鈣和低pH環(huán)境中可能會刺激成骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成骨，同時硫酸鈣在缺損部位的填充起到了支架作用，進(jìn)一步促進(jìn)骨的礦化過程，這可能是硫酸鈣促成骨的機(jī)制[11]。

2 硫酸鈣人工骨的應(yīng)用

2.1 與天然高分子材料復(fù)合的硫酸鈣材料

硫酸鈣盡管作為人工骨材料在臨床上應(yīng)用已久，但由于其過快的降解速率，而導(dǎo)致在新骨形成之前發(fā)生材料實質(zhì)性的降解[12]，使硫酸鈣在臨床上的應(yīng)用受到限制。近些年來，有研究發(fā)現(xiàn)，通過將硫酸鈣與天然高分子材料復(fù)合，可以調(diào)節(jié)其降解過快的問題。天然高分子材料包括殼聚糖、絲素蛋白及透明質(zhì)酸等。Chen等[13]研究了一種新型的復(fù)合骨替代物，即以摻鍶的α-半水合硫酸鈣為基質(zhì)，殼聚糖作為包覆材料制備成微膠囊，結(jié)果表明通過殼聚糖的包覆，使其具有了獨特的抗菌性，并且有效調(diào)節(jié)了摻鍶的α-半水合硫酸鈣的降解速率，使其與新骨形成的速率更好地匹配，另外通過體內(nèi)體外生物相容性實驗評價，此膠囊還具有細(xì)胞毒性低、不易誘發(fā)炎癥等特點。Xu等[14]通過對硫酸鈣骨水泥引入不同類型的絲素蛋白，與單純硫酸鈣骨水泥組對照發(fā)現(xiàn)，引入絲素蛋白的硫酸鈣骨水泥的機(jī)械性能得到了增強(qiáng)，縮短了骨水泥的凝固時間，其中以納米纖維絲素蛋白（silk fibroin nanofibers，SFF）的改進(jìn)效果最好，由于SFF 可以均勻地分散在水中，使得鈣離子和蠶絲纖維的有機(jī)官能團(tuán)的羧基與羰基末端互相作用、吸引，從而提高了復(fù)合硫酸鈣材料的抗壓強(qiáng)度，并且SFF 中的諸多極性基團(tuán)加快了水分子的結(jié)合，使得骨水泥的凝固時間得到了加速。同時通過在復(fù)合材料上培養(yǎng)小鼠MC3T3細(xì)胞并通過光密度值評估細(xì)胞成活數(shù)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料上的細(xì)胞生長增殖情況良好，證明了引入SFF 后并未導(dǎo)致硫酸鈣材料的生物相容性發(fā)生明顯降低。

2.2 與無機(jī)分子材料復(fù)合的硫酸鈣材料

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）由于其與人體骨骼的無機(jī)成分相似，具有優(yōu)異的生物學(xué)特性及良好的骨傳導(dǎo)性，在牙科和骨科的骨重建中使用較廣泛[15]，當(dāng)以微球的形式制備時作為骨移植材料效果最佳，HA 的球形顆粒和小尺寸使微球能夠均勻地填充到復(fù)雜形狀的缺損中而不會發(fā)生顆粒團(tuán)聚[16]。然而通過HA 微球輸送生長因子等物質(zhì)時依舊還是存在著輸送速度過慢、釋放總量相較于總運載量過低等問題[17]。Baek等[18]研究將棒狀硫酸鈣晶體嵌入負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）的HA微球內(nèi)，隨著硫酸鈣在生理條件下逐漸溶解，使得HA微球的孔徑和孔隙率得到了增加，從而改善了HA微球材料釋放BMP-2的總量和速率，進(jìn)而提高了運載BMP-2的HA微球材料刺激骨再生的能力，與HA 微球材料相比，羥基磷灰石-二水硫酸鈣（hydroxyapatite-calcium sulfate dihydrate，HA-CSD）微球的運載、釋放BMP-2 的能力得到了大幅度增強(qiáng)。Chen 等[19]運用3D 打印技術(shù)制備均一孔隙率的羥基磷灰石-硫酸鈣（hydroxyapatite-calcium sulfate，HA-CS）生物支架，通過對比HA 與HA-CS 支架在模擬體液中的降解情況，發(fā)現(xiàn)HACS 支架在機(jī)械強(qiáng)度和生物降解性方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，同時將運載血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的HA-CS 支架用于修復(fù)兔股骨骨缺損，結(jié)果表明HA-CS/VEGF支架相較于HA 支架具有更好的骨誘導(dǎo)特性，能更好地促進(jìn)骨的再生和改建。Xu等[20]將磷酸鈣引入硫酸鈣骨水泥中，制備了一種復(fù)合的硫酸鈣骨水泥，隨著磷酸鈣含量的不斷增加，復(fù)合骨水泥的凝固時間不斷延長，力學(xué)強(qiáng)度則表現(xiàn)為先上升后下降，過高含量的磷酸鈣會影響α-半水硫酸鈣（α-CSH）向二水硫酸鈣（CSD）的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低硫酸鈣的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)磷酸鈣的濃度為5%時，硫酸鈣復(fù)合材料的凝固時間和力學(xué)強(qiáng)度最為適宜，不會因為過短的凝固時間而影響臨床操作或是過長的凝固時間而暴露在空氣中造成感染。

生物活性玻璃（bioactive glass，BG）是一種由特定成分組成的硅酸鹽系統(tǒng)，通常含有SiO2、Na2O、CaO和P2O5等。當(dāng)其在體外或體內(nèi)接觸到生物流體時，可在玻璃表面沉積一層類骨磷灰石結(jié)構(gòu)，并能與骨穩(wěn)定結(jié)合。有研究表明，生物活性玻璃為成骨細(xì)胞的定植和增殖提供了理想的環(huán)境[21]。Ma等[22]制備一種由硅酸鹽、生物活性玻璃及硫酸鈣組成的復(fù)合骨水泥，由于生物活性玻璃的加入，使骨水泥的凝固時間得到了調(diào)控，接近于推薦的臨床標(biāo)準(zhǔn)固化時間（15 min）[23]，材料也因為生物玻璃的加入使得其抗壓強(qiáng)度獲得了提升，固化1 h后達(dá)到了10 MPa以上，7 d后逐漸增加到40 MPa，遠(yuǎn)高于人體松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度（2 ～ 12 MPa）。此外，復(fù)合后的骨水泥在較短時間內(nèi)也具有良好的可注射性，因此這種復(fù)合骨水泥在未來臨床手術(shù)中的使用可能會更多地作為一種自固化的材料。

2.3 添加金屬材料的硫酸鈣材料

硫酸鈣材料常通過與不同的金屬材料結(jié)合來提高其自身的力學(xué)強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)能力，如低劑量銅對新生血管有促進(jìn)作用，從而促使骨的再生和修復(fù)[24]。Huang 等[25]將銅摻入硫酸鈣材料中，通過與單純硫酸鈣材料對比發(fā)現(xiàn)，添加有銅的硫酸鈣材料在力學(xué)抗壓強(qiáng)度方面提升了近1 倍，在Sprague-Dawley大鼠體內(nèi)制造脛骨近端直徑3 mm×5 mm長的缺損，然后將含銅和不含銅的兩種硫酸鈣材料植入大鼠體內(nèi)6 周后，經(jīng)過顯微計算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）和脛骨標(biāo)本切片檢測CD31 分子后發(fā)現(xiàn)，含銅的硫酸鈣材料的新生血管能力明顯好于單純硫酸鈣組，骨缺損的范圍也明顯縮小，在一定程度上說明了銅與硫酸鈣的結(jié)合改進(jìn)了硫酸鈣材料的物理強(qiáng)度和生物學(xué)性能。

在稀土金屬元素含量中最為豐富的鈰因其豐富的生物學(xué)效應(yīng)而被廣泛研究，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，金屬鈰元素可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow stromal cells，BMSCs）的增殖、遷移和分化[26]。Xiang等[27]將納米氧化鈰（cerium oxide nanoparticles，nCeO2）與半水硫酸鈣（CSH）進(jìn)行復(fù)合，制得含納米氧化鈰的半水硫酸鈣（Ce-calcium sulfate hemihydrate，Ce-CSH）復(fù)合材料，經(jīng)體外實驗發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料具有激活BMSCs增殖、遷移和成骨分化的能力。此外，將5%CeO2的Ce-CSH復(fù)合材料在大鼠臨界缺損模型體內(nèi)植入4 周后，通過Micro-CT 和組織學(xué)分析表明，nCeO2的加入延緩了CSH的降解速率，并且其抗壓強(qiáng)度并未受到明顯影響。同時，通過與Ce 未復(fù)合的單純CSH 組對比發(fā)現(xiàn)在骨缺損的邊界周圍有著新骨的形成，表明Ce-CSH 材料在體內(nèi)放置的周圍可能也存在著招募BMSCs、促進(jìn)成骨和新骨形成的能力。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鋅具有促進(jìn)成骨細(xì)胞骨化、抑制破骨細(xì)胞的作用[28]，Krell等[29]通過將鋅引入硫酸鈣載體，延遲了鋅在局部骨缺損部位釋放的速度，降低了其所需的有效劑量。Yang等[30]在硫酸鈣骨水泥中摻入鍶，發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)其材料誘導(dǎo)骨再生的能力，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和新骨的形成。

金屬銀是一種常見的廣譜抗菌材料[31]，有研究發(fā)現(xiàn)銀離子通過與細(xì)菌重要呼吸代謝酶的巰基結(jié)合使其失活，并且產(chǎn)生活性氧破壞細(xì)菌細(xì)胞膜等機(jī)制達(dá)到無機(jī)金屬材料少有的抗菌效果[32]，而且與其他抗生素藥物對比，其不會產(chǎn)生耐藥性[33]。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）上具有許多如—OH、—COO等含氧官能團(tuán)，它們能使GO在水中均勻分散，另外GO 具有較大的表面積，使其成為一種理想的載體，為其他材料提供諸多附著點[34]。成艷琪[35]通過制備氧化石墨烯-納米銀（GO-nAg）水溶液，然后將GOnAg 水溶液添加到硫酸鈣骨水泥中，復(fù)合后的硫酸鈣骨水泥與用去離子水水化的骨水泥對比發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯延長了骨水泥的可注射時間，并且復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也得到了增強(qiáng)，這既為日后硫酸鈣材料在臨床上的應(yīng)用延長了可操作的時間，也為進(jìn)入動物或人體內(nèi)材料的抗壓強(qiáng)度提供了力學(xué)支撐保證，納米銀的加入也為材料提供自身不具備的抗菌性能，尤其對革蘭氏陰性菌的抗菌性能更強(qiáng)。盡管硫酸鈣骨水泥添加了兩種不同的材料，但是通過XRD、SEM等表征分析表明二者的加入并未影響骨水泥的物理存在形式，同時還因GO 的加入，調(diào)整了材料在模擬體液中的代謝速度，然而人體內(nèi)部實際情況與體外實驗?zāi)M環(huán)境存在一定的差異性，所以還需進(jìn)一步深入探究其在體內(nèi)的結(jié)構(gòu)與性能變化。硫酸鈣通過與不同的金屬材料相結(jié)合，有助于補(bǔ)充其材料自身所不具備的性能，有望成為具有臨床前途的治療骨缺損的新型復(fù)合骨移植材料。

2.4 負(fù)載藥物的硫酸鈣材料

在應(yīng)用硫酸鈣人工骨植骨治療骨缺損時，針對骨質(zhì)疏松、感染或嚴(yán)重創(chuàng)傷等不同病因[35]，局部植骨區(qū)域的藥物治療也顯得至關(guān)重要，不同于全身用藥，局部治療藥物可隨著材料一同進(jìn)入缺損組織，提高局部區(qū)域的藥物濃度[36]。近來有許多研究者通過材料載藥來提高其性能，負(fù)載抗生素使材料具有抗菌性能，通過局部抗生素的釋放而有效控制骨缺損部位的感染。通過運載有機(jī)分子，如胰島素樣生長因子[37]、骨形態(tài)發(fā)生蛋白[18]等骨誘導(dǎo)因子，進(jìn)一步提高了材料的骨誘導(dǎo)能力。負(fù)載無機(jī)分子，如辛伐他汀[38]、阿司匹林[39]等藥物，促進(jìn)局部成骨細(xì)胞的增殖與分化，加快了缺損部位新骨的形成。傳統(tǒng)上，聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）一直是局部輸送抗生素和骨缺損填充的標(biāo)準(zhǔn)生物材料，但其有著不可降解的性能缺陷，在體內(nèi)無法吸收降解導(dǎo)致宿主產(chǎn)生異物反應(yīng)，造成宿主產(chǎn)生繼發(fā)性的感染[40]，并且后續(xù)取出后還需進(jìn)行植骨手術(shù)來恢復(fù)缺損區(qū)域的力學(xué)穩(wěn)定性。Boyle等[41]對比了磷酸鈣-硫酸鈣（calcium phosphate-calcium sulfate，CaP-CaS)復(fù)合材料和PMMA材料在大鼠骨缺損感染模型體內(nèi)的預(yù)防和治療效果，先用10%的萬古霉素浸泡兩種材料，植入大鼠骨缺損感染模型體內(nèi)6 周后，通過細(xì)菌培養(yǎng)和組織學(xué)分析檢測，結(jié)果表明CaP-CaS 復(fù)合材料與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)生物材料PMMA抗感染效果表現(xiàn)一致，均未出現(xiàn)感染的情況，同時經(jīng)過microCT 圖像計算得出的骨體積分?jǐn)?shù)（bone volume/total volume，BV/TV）與組織學(xué)切片測量骨面積和軟骨面積的結(jié)果來看，CaP-CaS 復(fù)合材料的成骨能力優(yōu)于PMMA材料。綜合比較，CaP-CaS 復(fù)合材料運載釋放抗生素并根除感染的能力與傳統(tǒng)生物材料PMMA相當(dāng)，但其擁有著更加優(yōu)異的成骨和再吸收降解能力，并且取代了傳統(tǒng)材料根除感染后再重建生物力學(xué)穩(wěn)定所需的漫長愈合過程，同時還減輕了患者精神和經(jīng)濟(jì)的雙重負(fù)擔(dān)。

2.5 納米級硫酸鈣材料的應(yīng)用

硫酸鈣材料自身具有良好的生物相容性、可降解性、骨傳導(dǎo)性等特性，再加上其豐富的自然資源，使其在醫(yī)療上應(yīng)用廣泛[8]，然而硫酸鈣在治療骨缺損上有諸多限制，如體內(nèi)快速吸收率、較低的骨誘導(dǎo)性等。有學(xué)者制備納米硫酸鈣（nano-calcium sulfate，nCS）作為骨再生的支架，通過納米技術(shù)原理增強(qiáng)硫酸鈣的物理性能，如增大細(xì)胞生長因子的可吸附面積、負(fù)載材料的控制釋放速率，以及優(yōu)良的骨傳導(dǎo)性和抗壓機(jī)械強(qiáng)度[42]。Nakagawa等[43]基于膠束介導(dǎo)的相分離原理，在表面活性劑TritonTM X-114 中，成功實現(xiàn)納米級硫酸鈣材料尺寸的可控制備，并通過添加納米銀顆粒，更有效地制備出尺寸更小的納米級硫酸鈣，與未添加銀的硫酸鈣對比，尺寸的大小精確了30 ～ 40 倍，而且通過改變混合物中銀的濃度來控制納米硫酸鈣的尺寸大小。Liu 等[44]利用納米硫酸鈣-富含血小板血漿凝膠支架負(fù)載BMP-2修飾的BMSCs，納米級的硫酸鈣有著更大的表面積，使其可以負(fù)載更多的生長因子和BMSCs，并且原本血小板中許多促進(jìn)骨再生的生長因子在局部骨缺損處24 h內(nèi)就會直接耗盡，然而經(jīng)過納米技術(shù)制備的硫酸鈣支架調(diào)控了其遞送速率，讓更多的生長因子有足夠的時間使BMSCs進(jìn)一步得到增殖和成骨分化，促進(jìn)了局部骨的再生。

3 小結(jié)與展望

目前，傳統(tǒng)的治療方法在面對大段或節(jié)段性骨缺損存在一定的局限性，開發(fā)出性能更好的骨修復(fù)移植材料顯得尤為重要。硫酸鈣由于具有生物耐受性好、生物可吸收降解性高、制備成本相對低廉、原材料來源豐富等優(yōu)勢而被廣泛研究。然而，研究表明，硫酸鈣不具備骨誘導(dǎo)性和成骨特性。另外，在骨缺損區(qū)域，硫酸鈣的降解明顯快于骨生成。因此，提高硫酸鈣的成骨誘導(dǎo)率，延緩其降解，有望使其成為一種較好的骨缺損替代材料。為了提高骨替代物的成骨誘導(dǎo)能力，BMP-2 或VEGF 等分子被用來顯著增強(qiáng)間充質(zhì)細(xì)胞的募集和成骨分化。但由于其活性保存時間短，臨床應(yīng)用受到限制。因此，探尋安全有效的分子或者活性物質(zhì)改良硫酸鈣的骨誘導(dǎo)性及骨愈合能力是臨床面臨的亟待解決的問題。隨著越來越多與之相關(guān)的臨床基礎(chǔ)實驗的開展，相關(guān)研究人員通過硫酸鈣與不同的材料或藥物復(fù)合，為新型硫酸鈣骨移植材料的開發(fā)帶來了無限可能。