骨修复纳米生物材料及其发展前景

济问题。目前国际医疗器械产业的年销售额 好的生物稳定性或可控的降解吸收性能，与
已达１８００亿美元，其中近一半为生物医用材 组织形成生物性键合的生物活性，足够的强
料所占据。骨修复生物材料已成为医疗器械 度和韧性或与组织匹配的力学性能，以及良
的重要市场，目前全世界骨科修复器材市场 好的加工、灭菌和临床操作性能等。
生物功能性的具体要求。植入体内的生物材
人体硬组织修复材料的研究起步较早。
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公元前人们就已经尝试用柳条、象牙、石头等 来修复骨骼及牙的缺损。｛‘九世纪巾叶开始 应用金属板针来固定骨折，这一方法沿用至 今。迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料 依然以金属为主。第一次世界大战的严重伤 亡，确市了用不锈钢和其它金属作为矫形植 入材料的地位；第二次世界大战后高分子Ｉ＿Ｉ＿＝ 业的发展，促进了医用合成聚合物材料的使 用。随后些惰性陶瓷材料也开始应用于临 床，包括氧化铝陶瓷，碳素材料等。１９６９年，Ｔ。
２．纳米磷灰和合成聚合物复合生物材料
合成高分子有良好的力学性能和加工性 能，可将其与纳米ＨＡ复合制备纳米复合生 物材料用于骨组织的修复。羟基磷灰石（ＨＡ）／ 高分子复合材料是当前硬组织修复材料研究 ｔ”的重要方向。理想的骨替代材料，应该具有 高的生物相容性和生物活性，机械性能与天 然骨相当或优于天然骨。国际上于２０世纪９０ 年代开始兴起对纳米生物复合材料的研究， 主要集中在纳米磷灰石的合成及其与高分子 复合材料方面。目前报道的一般合成方法还 很难获得一种分散均匀、高磷灰石含量（高生 物活性）的复合生物材料。
当前国产骨修复生物材料存在数量少、品种 过于坚硬，其弹性模量较人体骨过高，常常造
规格不全、难于满足临床手术需要等不足。
成对骨的应力刺激或对正常应力传递的屏
生物医用材料要应用于人体，必须与人 蔽，引起骨吸收和修复失败。陶瓷类材料主要
体组织相接触，由此引起活体组织、细胞、蛋 存在质脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏
Ｌ．Ｈｅｎｃｈ研制出生物活性玻璃，并提州７生物
活性”这一核心概念。Ｊａｒｃｈｏ在１９７６年研究了 羟基磷灰石（ＨＡ）陶瓷，Ｃｏｒｉｅｌｌｏ研究了Ｂ一 磷酸ｉ钙（ｐ—ＴＣＰ）陶瓷，１９８４年Ｋ．ｄｅ Ｇｒｏｏｔ 研究了在金属基体上制备ＨＡ涂层的工艺， １９９０年后磷酸钙骨水泥的出现进一步拓展了 磷酸钙生物材料的使用方法，随后磷酸钙陶 瓷、涂层及骨水泥成为各国学者研究的重点 之‘。２０世纪八十年代以来，人们开始研究材 料与细胞或活性生物大分子的复合，如多孔 ＨＡ陶瓷与骨形态发生蛋白（ＢＭＰ）的复合以 及ＨＡ陶瓷与细胞结合的组织工程材料的研 究等。
｝Ｉ等对材料产生响应。任何材料。无论其在体 等不足，凶而一般用于非承力的骨修复场合。
内是生物惰性的、生物活性的还是可被降解 聚合物可以具有与人骨相近的模量，但不具
或吸收，都存在与生物体之间的相互作用，进 备与骨组织形成生物键合的活性，凶而通常
而引发出对材料生物相容性、生物安全性和 用于对骨折或金属植入体的机械固定场合。
配的一些问题。纳米磷酸钙饺原基材料的多
孔结构与天然松质骨微观结构相同，有利于 细胞的长人和营养物质的交换，使得该材料 具有优良的生物相容性和可降解性。Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｄ．Ｈａｒｔｇｅｒｉｎｋ等将分子自组装技术同模拟牛 物矿化结合起来，制备出复合仿生骨结构，与 天然骨组织相比，不但成分相似，而且在多级 微结构上具有很高的仿生程度。这项研究刊 登在最近出版的Ｓｃｉｅｎｃｅ上，对制备仿生骨材
成熟骨主要是由纳米ＨＡ晶体与胶原基 体构成的，因此可被看作在基体中含有纳米 晶体的双相复合材料，其中纳米ＨＡ晶体对 胶原起增强作用，胶原对纳米ＨＡ晶体起增 韧作用，由此赋予骨良好的力学性能。骨的无 机矿物组成主要是弱结晶、非化学计鼍的纳 米ＨＡ晶体，尺寸在几个纳米至１００纳米范 围，在骨中约占６０一６５ｗｔ％，牙釉质中约ｒ与 ９５ｗｔ％以上，其钙磷摩尔比介于１ ６０—１ ６７之 间。因此模仿自然骨的组成结构和功能，将纳 米ＨＡ与高分子复合，将二者性能充分结合 起来，可望得到力学性能好（强度高、韧性好）， 弹性模量与人骨匹配且具有良好生物相容性 和生物活性的骨修复材料。
人Ｔ磷灰石晶体若与天然骨的羟基磷灰 石晶体有相近的尺寸，则有助于人体细胞及 大分子对其的识别，从而可提高材料的生物 活性。现有的复合人工骨，不是无机ＨＡ颗粒
子进入共聚比为７０：３０的ＰＥＣｃＰＢＴ干态嵌段
共聚物中时，ｎ－ＨＡ对共聚物有明显的钙化作 用，提高了星体的物理机械性能，而当共聚物 为湿态时，ｎ－［ｔＡ对共聚物物理机械性能的提 高不明显，包覆在ｎ－ＨＡ外面的聚丙烯酸则 无论共聚物处在下态还是湿态情况下对复台 材料机械性能的影响都很小。Ｗ Ｂｏｎｆｉｅｌｄ和 Ｍ．Ｗａｎｇ等人将高分子量聚乙烯（ＰＥ）和纳 米羟基磷灰石复合，其方法是将ＴＩ－－ＨＡ与熔 融的高分了量聚乙烯存高速搅拌卜混合研 究表明尽管ＨＡ在复合材料中分布比较均 匀，但曲相之间无化学键形成，而且力学性能 较差。荷兰学者也进行了ｎ—ｌ－ｔＡ晶体与 Ｐｏｌｙａｅｔｉｖｅ聚合物复合材料的探索研究 Ｔｈｏｍａｓ Ｊ．Ｗｅｂｓｔｅｒ等用聚乳酸（ＰＬＡ）溶液和 纳米级粉末（羟基磷灰石，氧化锚，■氧化 钛）共混、ｌ：燥、热压，并对复合材料进行力学 和生物学性能评价。复合中采用的是干燥后 的纳米级粉末，由于高的表面活性，纳米粉末 干燥后已团聚成微米颗粒，影响了在复合材 料中的含量和均匀分散性。国内中科院成都 有机所等单位也开展了ＨＡ与聚乳酸的复合 研究。
英国Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍａｒｓｈ Ｒｉｓｈ大学研究了纳 米磷灰石粉聚合物复合材料的机械特性和 物理化学性能。将针状的纳米磷灰石（ｎ—ＨＡ） 粉作为一种填料加入到聚乙二醇（ＰＥＧ）聚 对苯二甲酸丁二酯（ＰＢＤ嵌段共聚物中。共聚 比为ＰＥＧ：ＰＢＴ＝７０：３０，ｎ—ＨＡ的颗粒直径为 ９＂２５ｎｍ，长为８０＂２００ｎｍ。研究发现，当无机粒
加速骨创愈合的原凼之一。这种Ｈ枷变原复
合材料其力学强度较低，一般用于不承重的 骨缺损修复，如骨缺损腔的填充。
在ｔｌＡ与天然高分子材料复合巾， ·类 是Ｉ‘面提到的将胶原等物质与ＨＡ形成两相 复合材料，另一类是依据一些生物活性物质 （如骨形成蛋白ＢＭＰ）在体内能促进骨生长 的原理，将ＨＡ与这些生物活性物质复合以 提高材料的骨诱导性。ＨＡ与生物活性物质 ＢＭＰ等复合后，初期有较快的成骨速度，但由 于往复合过程中，ＨＡ陶瓷的机械性能并没有 得到改善，因而ＨＡ／生．物活性物质复合体系 应用较多的仍是埘无负荷或低负荷骨的修 复，一般应用于对应力、应变要求较低的场 合。
上述ＨＡ—ＰＬＡ、ＨＡ—ＰＥ和ＨＡ—Ｐｏｌｙａｃｔｉｖｅ 等复合材料的研究，材料的性能优化往往只 限于聚合物的结晶化，复合材料两相间缺乏 化学键的结合，ＨＡ在复合材料中的比例不 高，因而限制了复合材料生物活性和力学性 能的发挥，影响了修复效果。ＰＥ与人体胶原 组织缺乏相似性，这在相当程度上影响了该 种材料的生物学性能。聚乳酸具有良好的生 物相容性和可降解性，但缺乏与骨的结合能 力，对ｘ光具有穿透性，不便于临床上显影 观察。而且，大量Ｉｌ蠡床观察发现，聚乳酸材料 在体内降解速率无法控制，降解产物有时会 造成无菌性感染或四肢乏力。
已超过１５０亿美元。我国是一个拥有１３亿人
自体骨和异体骨是当前骨损伤修复广泛
ｌＩ的大国，也是一个骨组织修复材料的需求 采用的材料。自体骨易被患者接受，但会给患
大国。我国有６０００万残疾人，其中肢残者约 者带来新的创伤和痛苦；异体骨取材简便，但
８００万人；由风湿和类风湿引发的大骨节病患 是存生物安全性上存在免疫排斥和疾病传播
整形、美容的人数也在千万人以上。对肢骨、 骨组织修复的生物材料主要有金属、陶瓷和
脊柱、颌骨、颅骨等硬组织的修复一直是临床 聚合物几大类。金属材料已成功应用于关节
上的一个难点，此类骨缺损和骨折已成为影 修复，具有强度好、加工方便等优点。但金属
响人们健康和生活的一种严重的社会问题。 材料缺乏与人体组织结合的生物活性，加之
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２００４中国国际新材料产业研讨会
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目㈠
料具有１分重要的指导作用。
｝｛Ａ假原仿生骨材料能有效促进骨组织
的冉生、促进和加快骨创愈合的作用明显，是 一剥ｒ有前途的骨缺损充填修复材料。实验中 观察到废材料可同时诱发膜内成骨和软骨内 成骨两种成骨机制，可能也是促进新骨生长、
铀晶体鼐酰胺仿生复合生物材料，其结果是
非常令人鼓舞的，复合材料的生物学性能、力 学性能、加丁性能和使用拌能得到很大提高。
３．纳米磷灰石类骨晶俸曝酰胺复合生物
材料新体系 对于纳米ＨＡ／高分子复合生物材料而
者，ｔｔＡ含量越高，复合材料的生物活性就越
好。通常，在无机倚分子复合材料体系中，当
无机材料颗粒尺寸较大时，难于获得高的无 机台譬。闲此，无机材料的颗粒越小，在高分 子基体中的分布越均匀，无机材料存高分子 中的含量就越高。然而，如果缺乏牢同的两相 界而化学键合，过高的含量会造成复合材料 力学性能的下降。为了保证复合材料的事物 活性和ＨＬ械力学性能，纳米ＨＡ和极性高分 子的复合就成为选择的方向之一。
理想的无机有机复合骨生物材料的结构
和性质应该与人体组织相类似。但已报道的 一般制备方法很难获得一种分散均匀、高ＨＡ 含量的生物活性复合材料。复合材料的性能， 特别是反映生物活性的ＨＡ含量，以及抗压、 抗弯强度和弹性模量等与人体自然骨还相差 较大。最近无ｔｒｔ／６－机仿生复合材料研究取得
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ｒ～螳新进展．蜘１四ＪｉＩ大学提ｍ的纳米磷灰
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骨修复纳米生物材料
及其发展前景
李玉宝 （四川大学）
ＮｏｏＡ
一、引言
料在人体复杂的生理环境中长期受物理、化 学、生物等因素的影响，同时各组织以及器官
牛物医用材料及其产业发展是我国全面 间普遍存存着许多动态的相互作州，岗此医
建设小康社会必须面对和解决的重大社会经 硐生物材料必须具有良好的生物相容性，良
１．纳米磷灰捌控原复合生物材料
Βιβλιοθήκη Baidu天然骨中纳米ＨＡ晶体与胶原蛋白两者 极为均匀、有序地结合在一起，因而，制备纳 米ＨＡ与胶原复合材料是仿生人工骨材料研 究中的热点之一。
根据仿生矿化原理，美国、欧洲以及我国 学者采用纳米自组装化学途径研制不仅成分
而且结构仿天然骨组织的纳米磷酸镑胶原复
合骨组织工程框架材料，并将其与生长凶子 复合。通过体外细胞培养、小动物和大动物植 入实验，探讨了框架结构降解与成骨过程匹
二、纳米复合骨修复材料研究
单一材料，无论陶瓷、金属还是高分子一 般都不能满足临床对硬组织修复和重建的要 求，复合材料可综合各类现存生物材料的优 势。复合材料不仅兼具组分材料的性质，而且 可以得到单组分材料不具备的新性能，在众
多的骨修复材料中，羟基磷灰石（ＨＡ）倩分
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对承力硬组织的修复一直是临床上的一 个难点，迄今仍没有比较理想的材料可以使 用，临床上迫切需要提供一类具有优异生物 学和力学性能的骨组织修复材料和制品。制 备生物相容性和力学相容性好，以及有生物 活性的类人体组织替代和修复材料是当今生 物材料研究领域中的前沿性课题，磷酸钙与 天然和合成高分子复合生物材料的研究向此 类材料开发迈出了重要一步。新材料和纳米 技术的飞速发展为实现这一需求提供了可 能。
子复合生物材料由于能够兼具ＨＡ的生物活 性和高分子的韧性而备受瞩同。特别是纳米 ＨＡ和灭然或合成高分子形成的复合材料，它 模仿了自然骨无机一有机相的组成或结构。这 种纳米复合骨生物材料的出现和发展，为获 得组成和性质类似于人体组织的仿生生物材 料开辟了一条新途径，为人丁骨修复材料的 开发与应用带来了新的希望。
者有数百万人；有７０００万伴随人口老龄化的 的隐患。所以，临床上越来越多地采用人１：制
ｎ雹ＩＮ≯主叫唧ＲＩＡＬ∽中国．北京
骨质疏松症患者；每年由于疾病、交通事故和 备的材料作为硬组织修复材料。硬组织修复
运动创伤等造成的骨缺损、骨折和骨缺失患 材料是生物医用材料中发展最重要的一个方
者人数超过７００万人；需要行颅颌面和肢体 向，也是市场需求最大的一个领域；、目前用于