天然高分子衍生材料在骨组织修复领域的研究进展

天然高分子衍生材料在骨组织修复领域的研究进展冯星龙，王晓岚，张余，夏虹

【摘要】天然高分子衍生材料具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨诱导能力，是骨替代材料的潜在发展方向之一。本文主要介绍胶原蛋白及明胶等胶原材料、丝蛋白、甲壳素及其衍生物、海藻酸盐等天然高分子衍生材料的特点、功能及其在骨组织修复领域的研究成果，同时对其应用前景进行展望。

【关键词】胶原；丝蛋白；壳多糖；藻酸盐；骨代用品；生物相容性材料

中图分类号：R68，R318.17文献标识码：A文章编号：1674-666X(2017)01-045-05

Research progress of natural polymer derived materials in bone tissue repair

FENG Xinglong*,WANG Xiaolan,ZHANG Yu,XIA Hong.*Department of Traumatology&Burn,Central Hospital of Panyu District,Guangzhou,Guangdong511400,China

Corresponding author:XIA Hong,E-mail:gzxiahong2@

【Abstract】With good biocompatibility,degradability and certain osteogenic induction ability,natural polymer derived material has become one of the potential development directions in the field of bone substitute materials.In this paper,we mainly introduced the characteristics and functions of natural macromolecule materials such as collagen materials(collagen protein,gelatin,etc.),silk protein,chintin and its derivatives,as well as alginates,more importantly,we discussed the current progresses and the application prospects of these new materials in bone tissue repair.

【Key words】Collagen;Silk protein;Chitin;Alginates;Bone substitutes;Biocompatible materials

较大骨缺损或创伤后并发症导致的缺损需要通过骨移植来进行修复和重建，以尽可能达到迅速有效恢复其结构和功能的目的，但目前临床上面临着自体骨和异体骨来源不足、异种骨及人工骨等材料生物相容性差等难题。随着材料科学和再生医学的迅速发展，研究者们逐渐将目光投向能够与机体形成良性互动的天然高分子衍生材料，它们具有良好的生物相容性、可降解性和一定的成骨诱导能力，被认为是骨组织修复的良好替代材料[1]。现有的天然高分子衍生骨组织修复材料主要有蛋白（胶原、纤维蛋白胶、丝蛋白等）和多糖类（淀粉、藻酸盐、几丁质/壳聚糖、透明质酸衍生物等）[2]。本文围绕几种典型的天然高分子衍生材料，就其在骨组织修复领域的研究进展进行综述。

DOI：10.3969/j.issn.1674-666X.2017.01.008

基金项目：国家自然科学基金（21620102004）

作者单位：511400广州市番禺区中心医院创伤烧伤科（冯星龙）；510010广州军区广州总医院骨科医院广东省骨科矫形技术与植入材料重点实验室（王晓岚，张余，夏虹）

通信作者：夏虹，E-mail:gzxiahong2@ 综述

1胶原材料

胶原蛋白及其衍生产物明胶是组织工程最常用的细胞外基质蛋白之一，其自带的官能团具有增强成骨细胞黏附和迁移的作用。与胶原蛋白相比，尽管明胶的生物活性较低，但生物相容性好，理化性能优异，溶解度高，价格低廉，因而在临床上具有更广泛的应用潜能。

近年来胶原蛋白或明胶与其他材料共混制备而成的复合材料也受到研究者们的普遍关注。Nguyen等[3]制备明胶钙磷酸盐纳米复合材料，其生物力学强度明显高于纯胶原蛋白，这种特性被认为是加入钙磷酸盐纳米粒子后，增加了材料刚度以及聚合物大分子与其表面的钙离子结合强度而形成的；Azami等[4]设计一种明胶羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）纳米粒子支架，具有与松质骨不相上下的机械强度，孔隙结构也呈现出较好的细胞黏附、迁移和渗透能力；Kikuchi[5]将运用滴定法制备的多孔HAP/明胶纳米复合材料应用于骨组织工程和骨组织修复，骨髓干细胞与MG63成骨细胞在纳米复合材料上的共培养结果表现出向破骨细胞分化的趋势；对胶原支架的骨传导结果则证实，阴离子型胶原基质能促进新骨形成，进而加速骨缺损修复过程[6]。但目前在研的胶原材料尚不能达到皮质骨的生物力学强度，可能在其临床运用时受到一定的限制。

2丝蛋白

丝蛋白是一种生物相容性良好的天然高分子纤维蛋白。蚕丝蛋白具有可控的生物降解性能、显著的抗疲劳性及其与钢材相似的张力强度等，这些特性使其成为骨组织修复候选材料之一。Perrone等[7]和Rockwood等[8]已分别建立了从蚕茧中提纯丝蛋白的方法。

与其他材料复合可明显增强丝蛋白支架的理化性质，这已被组织工程学研究所证实，如将HAP 微粒掺入丝蛋白海绵中，可显著增强支架的骨传导和机械性能[9-10]；体外研究结果亦表明，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）、成纤维细胞和成骨细胞在丝蛋白混合支架材料上共培养时会向纤维软骨方向分化[11]。然而，大多数体外研究聚焦于二维支架材料上间充质干细胞（MSCs）的成骨分化和矿化能力，而对于创建类似于骨的动态组织的三维支架培养系统，则需要今后更为深入的研究。

近年来许多学者对丝蛋白植入物进行在体骨再生研究，结果表明，其可结合其他生物材料模拟天然骨环境，增加成骨的潜力。Fini等[12]以骨小梁的厚度、间隙、数量等作为评价依据，对丝蛋白凝胶修复兔大腿骨缺损的实验结果进行分析，结果显示，与传统材料相比，丝蛋白凝胶更有利于骨缺损的恢复，兔大腿骨成骨细胞也能很好地与丝蛋白材料结合。Perrone等[7]将蚕丝蛋白加工成长2.5cm、直径0.4cm的可吸收螺钉，置入大鼠股骨以修复骨折，术后4、8周的检测结果表明，丝蛋白螺钉生物相容性优异，能够促进骨重塑，同时表现出与聚乳酸螺钉相当的剪切性能。Shi等[13]将纯蚕丝蛋白制作成长1cm、直径0.3cm的可吸收螺钉，测验结果提示其具有良好的生物力学性能，置于兔股骨髁间后也表现出良好的生物相容性。上述动物在体实验结果均表明，丝蛋白材料具有优异的成骨性能，然而，相关的临床试验目前尚未开展，其在人体内的生物相容性、生物力学性能、成骨能力、可降解性及其所产生的毒副作用等，均有待进一步研究。

3甲壳素及其衍生物

甲壳素及其衍生物是一类可降解的高分子物质，目前广泛应用于医药、化工环保、食品等方面，发展前景良好。

3.1甲壳素

甲壳素提取自海绵动物门，是一种含量极为丰富的天然高分子材料，具有生物可降解性、生物相容性、可吸附性、抑菌性、抗肿瘤性及促进伤口愈合等功能[14-15]，在生物医用领域引起广泛关注。美国和日本对甲壳素类产品的研发较早，也处于领先地位，但由于提取成本较高、环境污染较大等