科普中國-人工骨

在骨科領域,由于嚴重創(chuàng)傷、骨腫瘤、骨髓炎等多種原因所致的骨缺損十分常見。常用的骨修復材料包括自體骨和金屬假體。自體骨增加了患者的創(chuàng)傷和痛苦；金屬假體存在松動、斷裂等問題。因此,人工骨替代材料移植修復骨缺損成為醫(yī)學重點。人工骨 (Artificail Bone) 是指可以替代人體骨或者修復骨組織缺損的人工生物材料。當需替換關節(jié)或治療骨斷裂時，最理想的方式是通過組織再生功能實現(xiàn)骨的自身修復。然而在許多情形下，人體骨并不能實現(xiàn)自身修復，例如骨組織壞死，骨關節(jié)創(chuàng)傷，這時就需要人工骨的幫助，理想人工骨材料的研制是醫(yī)學和生物材料科學領域的一個重要課題。

人工骨材料的基本要求

許多人工骨材料已被應用于骨重建，復合有成骨潛能的細胞或生長因子后效果較好，但其植入后的長期可靠性是一個問題。人工骨材料須滿足以下幾個基本要求：

1) 具有良好的生物相容性

2) 具有合適的力學性能

3) 有微孔結(jié)構，使新生骨組織得以長入

4) 其吸收速度與新骨生長速度大致保持同步

5) 易于加工成所需的大小和形狀

人工骨的作用機理

人工骨材料通過單獨使用或幾種材料符合復合使用來促進骨愈合，其作用原理包括三個方面：

1) 骨生成作用：骨生成材料中包含了具有分化成骨潛能的活細胞，具有骨形成作用；

2) 骨傳導：植入材料通過促進宿主骨與移植材料表面的結(jié)合，引導骨形成；

3) 骨誘導：其材料通過提供一種生物刺激，誘導局部細胞或移植的細胞分化形成成熟的成骨細胞。

人工骨的發(fā)展歷程

骨由有機質(zhì)和無機鹽結(jié)合而構成。有機物質(zhì)主要是骨膠蛋白，使骨具有一定的韌性。無機鹽即堅硬的礦物質(zhì)（羥基磷灰石結(jié)晶，即磷酸鈣和氫氧化鈣的復合物）使得骨堅硬不屈、傲然挺立，是影響骨硬度的因素。有機成分和無機兩種成分有著恒定的比例，一般而言，前者占成人骨干重的34%，后者占65%，兩者的結(jié)合使骨具有很大的韌性和堅固性。羥基磷灰石具有良好化學穩(wěn)定性、骨傳導性與骨誘導性，因此被廣泛應用于人工骨的制造。

早在公元前，人類就開始嘗試利用外界天然材料（如象牙）來替換修補缺損的骨組織；在16世紀，人們使用狗的顱骨來修補人的顱骨缺損，但是由于存在強烈的排異反應而失敗，隨后植入的各種異體骨均由于存在抗原性而不被宿主接受。到了19世紀，金屬冶煉技術和陶瓷燒結(jié)技術發(fā)展較快，人們開始嘗試使用這類材料發(fā)展硬組織替代物，但由于醫(yī)學技術、材料加工工藝及材料本身的局限性，這些嘗試多以失敗告終。

隨著科學技術的迅速發(fā)展，鈷鉻合金和鈦合金在20世紀30年代相繼研制成功；60年代初期，新型高分子材料問世：70年代以來，生物活性玻璃、玻璃陶瓷、羥基磷灰石也相繼應用到硬組織生物材料領域并開始臨床應用，硬組織生物材料的研究也隨之開始了新的發(fā)展階段。2

人工骨的種類和生物學特點

人工骨按材料的結(jié)構和性能大致可分為無機材料、有機材料和復合材料。

無機材料

使用較多的材料有磷酸鈣生物陶瓷、氧化硅生物玻璃、羥基磷灰石等。這些作為植入物能滿足人工骨的一般要求，其優(yōu)點是生物相容性好，缺點是機械性能較差，硬而脆，易斷裂。根據(jù)植入物與受體骨組織界面所發(fā)生組織反應的類型，可以將生物陶瓷分為四類：

1) 近乎惰性的晶體生物陶瓷：無生物活性，植入后與骨組織之間形成纖維膜，易松動脫落。臨床上得到廣泛應用的是氧化鋁，可用作人工髖關節(jié)假體部件；

2) 多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化鋁和羥基磷灰石涂層的金屬，其特點為呈生物惰性，但在骨組織長入其縫隙時卻形成高度迂曲的曲面，從而提供了機械穩(wěn)定性；

3) 表面活性陶瓷：生物活性玻璃、玻璃陶瓷和羥基磷灰石，其化學組成與人體骨組織相近，可借助化學鍵直接與骨結(jié)合，即具有生物活性。有一種稱為ceravital的玻璃陶瓷，與骨結(jié)合性能甚好，已成功地應用于脊柱外科和制造人工骨盆。HA陶瓷多與其他材料復合使用，如HA與自體骨、自體紅骨髓、膠原、BMP、同種骨(脫鈣骨基質(zhì)或去抗原自溶脫鈣同種骨)、煅石膏、聚合物和氧化鋁陶瓷等復合，可克服HA缺乏骨誘導性和顆粒性材料成形困難的缺點。HA植入后不吸收；

4) 可吸收的陶瓷：在宿主體內(nèi)逐漸吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三鈣（TCP）為其代表。TCP之生物學特性與HA大致相同，其優(yōu)于HA之處為植入后在體內(nèi)緩慢降解吸收?，F(xiàn)多用TCP作為載體復合各種生物活性因子使用，如TCP復合BMP．可發(fā)揮骨傳導與骨誘導之雙重作用。

有機材料

這種材料是從動物結(jié)締組織或皮膚中提取的，是進過特殊化學處理的蛋白質(zhì)物質(zhì)。由于其中含有某些成骨因子，因而具有較好的誘導成骨能力。此類材料包括膠原、骨形態(tài)發(fā)生蛋白以及各種成骨因子等。

1) 膠原

Nehrers 等用UV交聯(lián)膠原海綿進行軟骨組織工程的研究，顯示支架支持細胞生長的效果良好。其中Ⅱ型膠原支架上的細胞保持較好表型,并合成較多的糖氨聚糖等胞外基質(zhì)，Ⅰ型膠原支架上的細胞能很好擴增,但多數(shù)呈纖維細胞狀的形態(tài)，且僅有少量的細胞外基質(zhì)合成。Stone 等將牛跟腱經(jīng)純化得到膠原Ⅰ，然后將膠原—軟骨細胞移植物植入9 例半月板撕裂或缺損患者的膝關節(jié)中，術后3～6 個月后，二期關節(jié)鏡檢證明膠原支架被吸收，替代以新形成的軟骨組織，36 個月后，9 例患者癥狀減輕，未發(fā)現(xiàn)免疫反應。MRI 證實,形成的半月板中存在進行性的軟骨成熟信號。實驗證明,膠原支架是一種可移植的、安全且能夠支持軟骨細胞生長的基質(zhì)材料。

2) α- 聚酯

α- 聚酯為人工合成的有機高分子材料,其中研究較多且結(jié)果較理想的材料主要有聚乳酸(polylacticacid ,PLA) 、聚乙醇酸(polygiycolic acid ,PGA) 、聚乳酸- 乙醇酸共聚物( PL GA) 。PLA、PGA 已被美國FDA批準廣泛用于臨床。Mikos等利用層壓技術制造有精確解剖形狀的三維生物降解聚合物泡沫。該技術包括空隙率為90 %的多孔膜的層壓。這種模板為植入細胞提供附著，并成為移植復合物的內(nèi)在結(jié)構，控制和調(diào)節(jié)植入細胞的環(huán)境和生長。Vacanti 等首先將PGA、PLA 用作軟骨細胞體外培養(yǎng)基質(zhì)材料，通過組織工程方法獲得新生軟骨成功。人工合成的聚合物可以準確地控制其分子量、降解時間以及其它性能。但人工合成材料沒有天然材料所包含的許多生物信息(如某些特定的氨基酸序列)，使其不能與細胞發(fā)揮理想的相互作用。目前已有研究將天然材料的某些重要氨基酸序列接在合成聚合物的表面，以克服兩種材料的缺陷。

3) 骨生長因子

骨生長因子是由骨細胞產(chǎn)生，分泌到骨基質(zhì)中的一些多肽，它們在骨組織的修復和形成過程中起著重要的調(diào)控作用。隨著基因工程技術的發(fā)展，許多骨生長因子如BMP、bFGF 等已能通過人工基因重組產(chǎn)生。現(xiàn)在急需解決的問題主要有:

(1) 弄清各種生長因子各自的生物學特性以及多種生長因子聯(lián)合應用時的成骨效應、釋放順序等;

(2) 選擇出最理想的骨生長因子的釋放方式;

(3) 對其應用的安全性、功效及可靠性建立明確的定義及期望, 以便盡早應用于臨床。

復合材料

由于無機材料不易被吸收，尤其是經(jīng)高溫灼燒的無機材料，植入后與周圍組織的界面長期存在；而有機材料雖然誘導成骨性能較好，但植入早期缺乏足夠的力學強度，且提取量較少；因而人工骨的研究趨向有向復合材料發(fā)展，即使材料含有有機和無機兩種成分，使之兼具二者的優(yōu)點。

1) 磷酸鈣復合人工骨 主要包括TCP 及HA 與膠原、骨生長因子等復合人工骨。肖建德等通過透射電鏡和掃描電鏡觀察了膠原羥基磷灰石(collagehydroxyapatite ,CHA) 誘導成骨的基本過程，觀察認為，在成骨過程中，膠原對間質(zhì)細胞具有趨化作用和促分化作用，HA 起“核心作用”，并參與基質(zhì)鈣化，促進新骨形成。王丹等報道了可降解多孔β- TCP/rhBMP - 2 人工骨的誘導成骨能力，結(jié)果證實，實驗組有大量新生軟骨和骨形成，對照組無軟骨和骨生成。認為β- TCP/ rhBMP - 2 具有良好的骨誘導作用，是一種較理想的骨移植替代材料。

2) 聚合物復合人工骨 生物降解聚合物是近年生物材料研究領域中的一個熱點，通過技術加工可合成各種結(jié)構形態(tài)，一定的生物降解特性的各種聚合物。但它們無骨誘導活性，需與其它骨誘導因子復合應用才能取得良好效果。Isobe 等用含3ug/ rhBMP - 2的PL GA 膠囊修復5mm 大的鼠股骨缺損，術后4 周及8 周取標本作X 線檢查及組織學檢查，結(jié)果顯示:PL GA - BMP 組已形成骨愈合，而對照組無骨連接。有人認為rhBMP - 2/ PL GA 膠囊是一種有前途的骨再生釋放系統(tǒng)。Hollinger 等用人的脫抗原自身消化骨(即AA 骨) 和PLA/ PGA 的復合材料修復直徑24mm 的猴顱骨缺損。術后6 周時，復合材料組形成的新骨相互融合，并出現(xiàn)內(nèi)、外骨板和中間發(fā)育良好的骨髓腔。

3) 紅骨髓復合人工骨 骨髓(Bone marrow ,BM)由造血系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng) 兩部分組成。人和動物健康紅骨髓的基質(zhì)細胞中含有定向性骨祖細胞( determined osteogenic precursor cells ,DOPC) 和可誘導性骨祖細胞( inducible ostegenic precursor cells , IOPC) 。DOPC 具有定向分化為骨組織的 能力，IOPC 在誘導因子(如BMP) 作用下才能分化成骨。Grundel 等采用TCP(占40 %) 和HA (占60 %) 合成雙相磷酸鈣陶瓷與BM 復合后植入治療骨缺損,術后24 周發(fā)現(xiàn)骨髓與塊狀陶瓷復合物組6 例中，有3 例呈現(xiàn)骨性連接，3 例有纖維連接;骨髓與顆粒狀陶瓷復合物組6 例中有5 例獲骨性連接，1 例纖維連接，單純骨髓植入的5 例均獲骨性連接;空白對照組3 例無1 例連接。東中川將骨髓細胞與HA 結(jié)合,并分別加入bFGF 和/ 或成骨蛋白- 1 (osteyenic protein - 1 ,OP - 1)，通過測定胸腺嘧啶摻入到DNA 中的量、AL P 的活性及新生骨的形成，來了解它們的生物活性。結(jié)果表明，bFGF 能刺激骨髓細胞的增殖，OP - 1 能增加AL P 的活性及刺激新生骨形成，并能促進骨髓細胞的分化。

4) 其它種類的復合人工骨 主要包括兩種以上材料組成的人工骨(如陶瓷、膠原與生長因子或有關細胞的復合人工骨) 及與多種生長因子復合的人工骨等。馬秦等報道了復合骨預制髂骨瓣的實驗研究。熊建義將一定形狀的rhBMP - 2 、膠原、珊瑚復合骨植入狗髂骨區(qū)，顯示，復合骨術后3 個月時，已轉(zhuǎn)變成骨組織，髂骨形狀改變，4 個半月時新生骨改建為成熟骨。認為rhBMP - 2 、膠原、珊瑚復合骨適用于體內(nèi)預制具有一定形狀和結(jié)構的骨組織瓣。

人工骨的發(fā)展方向

隨著組織工程學的發(fā)展，人們對人工骨的研制將主要解決以下幾個問題：①生物活性物質(zhì)的來源及其快速穩(wěn)定的體外培養(yǎng)增殖；②基質(zhì)材料的生物力學強度，降解率及其與生物活性物質(zhì)的親和力；③通過生物工程研究者和統(tǒng)計學家的共同努力，在人工骨的3類組成中選擇出一種最佳組合，并確定其比例關系；④將控釋系統(tǒng)引入基質(zhì)材料，使基質(zhì)材料負載的各種生長因子向生物活性細胞定量，持續(xù)釋放，利于細胞的生長和分化。將BMP基因或bFGF轉(zhuǎn)染骨髓基質(zhì)細胞后能夠顯示出強大的成骨能力。對感染或腫瘤截骨術后所致的骨缺損，如基質(zhì)材料能定量，持續(xù)釋放相應的抗生素或殺腫瘤藥，則臨床療效更佳。綜上所述，人工骨的制備應考慮到生物活性物質(zhì)和基質(zhì)材料的優(yōu)缺點，引入一種合適的生長因子，通過合理的方法組合成復合材料，模擬天然骨基質(zhì)成分，并含有最佳的生長因子控釋系統(tǒng)，促進生物活性物質(zhì)的黏附、增殖和分化，發(fā)揮其最佳的成骨能力。

國內(nèi)發(fā)展

2023年，深圳立心科學 GAIABONE?可塑形吸收性骨修復材料（簡稱“可吸收再生骨”）獲美國 FDA 510 (K) 批準上市，注冊號為 K220337，該產(chǎn)品是全球首個同時滿足可塑形、抗液相潰散和高效誘導再生的人工骨。

擴展閱讀

[1] Bauer TW, Muschler GF. Bone graft materials J. Clin Orthop and Rel Res, 2000, 371: 10～27

[2] 肖建德. 人工骨研究概況. 中華骨科雜質(zhì). 1990，(10)6：454

[3] 劉尚禮，勘武生，莊洪. 骨科學總論[M]. 上海：上海第二軍醫(yī)大學出版社. 2009

[4] 陳實. 移植學[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社. 2011

[5] 王心迎.實用骨科臨床技術[M]. 赤峰：內(nèi)蒙古科學技術出版社. 2008

[6] Nunes CK, Simske SJ, Sachdeva R et al.Long-term ingrowth and apposition of porous hydroxya patite implants [J]. Bioned Mater Res , 1997,36 :560

[7] Stallmann HP, Faber C, Bronckers AL, et al. Osteomyelitis, prevention in rabbits using antimicrobial peptide hLF-11 orgentamicin-containing calcium phosphate cement. [ J ]Antimicrob Chemother. 2004;54(2):472-476.

[8] Sánchez E, Baro M, Soriano I, et al.In vivo-in vitro study of biodegradable and osteointegrable gentamicin bone implants．Eur J Pharm Biopharm.2001, 52(2): 151-158.

[9] Ruhe PQ, Hedberg EL, Padron NT, et al. rhBMP-2 release from injectable poly(DL-lactic-co-glycolic acid)/calcium-phosphatecement composites [J]. Bone Joint Surg Am. 2003, 85-A Suppl 3: 75-82.