骨组织工程的发展趋势

综述Review收稿日期：2010-01-04作者简介：崔福斋，教授，博士生导师0 引言在世界范围内，由于创伤，肿瘤 和感染等原因造成的骨缺损每年都在折磨着众多的患者。

自19世纪以来，人们一直采用骨移植术，通过植入自体骨，异体骨和人工骨替代材料来修复大范围骨缺损。

然而这些材料都各自存在着不可忽视的缺陷。

这些骨移植材料，分别有来源有限，排异反应，与宿主骨的力学性能不匹配，以及使用寿命等方面的问题，导致它难以达到令人满意的骨修复效果。

骨组织工程在这种背景下应运而生，给骨修复带来新的期盼。

1985年生物力学专家Y.C. Fung 向美国科学基金会(NSF)申请建立一个工程研究中心，名称为“活组织工程中心”(Center for Engineering of Living Tissues)[1]，然而当局并没有批准他的申请。

1993年，Langer 和 Vacanti 在Science 上首次发表了题为“TissueEngineering ”[2]的论文，并提出了组织工程的基本含义：应用工程学和生命科学的基本原理和技术，在体外构建具有生物功能的人工替代物，用于修复组织缺损，替代失去功能或衰竭的组织、器官的部分或全部功能。

而骨组织工程就是利用细胞生物学和工程学原理，研究开发修复和改善损伤骨组织形态和功能的生物替代物的一门科学，其发展速度在组织工程领域中是最快的。

骨组织工程基于种子细胞+生长因子+支架材料的概念，其中支架材料一方面作为种子细胞和生长因子的载体将其运送至缺损部位，另一方面还给新骨生长提供支撑的作用，是骨组织工程的关键，同时也是全世界研究力量投入最多的地方。

由于组织工程细胞相关标准需长期的论证和安全性验证，近年用自体细胞的组织工程策略备受关注[5]。

综述Review1 支架材料需满足的条件Scott在最近的综述[3]中提出了支架设计的4F准则：形状诉求(Form)、性能诉求(Function)、功能诉求(Formation)和可植入性(Fixation)。

形状诉求是指支架材料必须能够完全填充复杂的三维缺陷，并且可以诱导再生组织填充整个缺陷；性能诉求是指支架材料必需拥有相应的性能(主要是力学性能)，可以在缺失组织得到修复之前暂时起到缺失组织的作用来满足日常活动的需求；功能诉求是指支架材料能够通过释放生长因子和提供合适的环境来促进组织再生；可植入性指的是支架材料可以在外科手术中植入人体，并起到预期的功效。

其中形状诉求是一个三维的几何学问题，可以通过CT(Computed tomography)和MRI(Magnetic resonance)等方法来实现；而可植入性同时是一个几何学和力学要求，支架材料必须可以固定在骨缺陷中，并且提供和适的表面以满足缝合以及固定的需要。

这两个要求相对简单，而性能诉求和功能诉求就要复杂得多。

对于骨组织工程中的支架材料来说，性能诉求主要指的是力学性能要求，即支架的力学性能必须与环境组织的力学性能相匹配：太软的支架不足以支撑人体的日常活动需求，而太硬的材料也会带来负面的影响，如骨组织的吸收等。

虽然与周围环境中组织的力学性能相匹配可以作为衡量支架材料力学性能是否合格的标准，然而组织的力学性能是相当复杂的。

由于天然骨组织的特性，其力学性能并不能简单的定义为强度或模量，因为首先对于不同的骨组织来说模型是截然不同的，包括线性弹性、非线性弹性、粘弹性等；其次即使对于某种特定的骨组织来说通常也需要同时采用许多不同的模型来进行模拟。

因此，为了满足力学性能匹配的要求，支架材料必须满足一系列相当复杂的力学要求，同时也必须满足骨的各向异性[4]。

除此以外，考虑到支架材料的力学性能会随着降解而缓慢的丧失，一个在植入时满足要求的支架很有可能会在植入一段时间后丧失其应有的支撑能力，从而导致手术的失败。

另一方面支架材料的功能诉求要求其必须能够促的影响：(1)材料表面的性状与细胞的相互作用；(2)支架材料对生长因子释放的调控；(3)支架的物质传导作用。

20世纪90年代Robert Langer等人就已经研究了调节材料与细胞的相互作用对促进组织再生的效果[6]，特别是最近20年来该领域取得了诸多进展。

在这段期间，人们通过研究发现磷酸钙表面是具有骨传导功能的，有利于骨沉积[7]，此外，Kokubo，Murphy等人也在金属钛和聚合物表面通过生物矿化地方法制备出了骨传导涂层[8~12]。

支架的物质传导作用主要是指自体组织在支架内的渗透和扩散作用，以及氧气在支架中的渗透和扩散作用。

在自体组织的渗透方面，目前已经有Hollister等人的计算，他们的计算主要针对的是骨组织在支架中的扩散和渗透常数[13~15]。

相比较而言，关于支架中氧的传导研究就更加丰富一些，Domm[16]和Malda[17]等人的研究证明环境中较低的氧分压有利于软骨细胞的生存和软骨组织的再生，反之，Utting[18]等人证明较高的氧分压有利于成骨细胞的繁殖。

此外，骨髓基质干细胞也受到环境中氧分压的影响，Robins[19]等人发现低的氧分压有利于骨髓基质干细胞分化为软骨细胞，同时D’Ippolito[20]发现低的氧分压对成骨细胞有抑制作用。

尽管人们对合格的骨组织工程支架材料提出了一系列要求，却无法说清楚一个具体的支架需要满足什么样具体的性能指标，这是一个需要将来研究以填补的空白。

而要弄清楚这些具体的问题一方面需要弄清楚复杂的天然骨组织的分子水平结构和性能，另一方面需要研究现有支架材料在大型动物模型中的作用。

脱细胞技术处理好了，细胞外基质(ECM)支架也是国内外努力的一个重要方向[4]。

人工支架材料从其制造工艺上看可以分为两种：预设计支架(Designed Controlled Scaffold)和非预设计支架(Non-Designed Controlled Scaffold)[3]，在本文中将详细介绍这两种支架材料。

2 预设计支架材料预设计支架顾名思义就是支架的结构和性能在设计阶段决定。

而一个满足4F准则的支架通常是有着多综述Review常往往需要经过复杂的计算才能完成。

支架的外形设计相对比较容易，可以由CAD[21~24] (Computer-Aided Design)或者IBD[25~27](Image-Based Design)来进行，但是微观结构的设计就十分复杂。

因为支架微观结构的改变必然会同时带来力学性能，渗透性/扩散性的变化，而且一者的增强必然会带来另外一者的减弱[28]，于是要达到要求的性能就必须仔细寻找微观结构设计的平衡点。

于是如何在这两者之间找到平衡就成了该领域研究的焦点课题。

有众多的研究人员通过均一化理论对其进行了计算和模拟[29~33]。

Scott[34~37]等人通过求解局域方程得到局域的特征变量，将特征变量与微观结构整合进而得出支架材料的有效性能指标。

与此同时，另外一部分学者采用了非均一化方法对固定微观结构下材料的有效性能指标进行了计算。

Anderson和Knoth-Tate[38]采用计算流体力学在软件Fluent的帮助下求解了支架微观孔道内的流体速率。

Adachi等人[39]把支架材料的降解和骨组织的再生放在同一个模型中进行考量，得出了预测支架力学性能随时间变化的模型。

通过上述的支架结构设计的方法，Lin等人[37]设计并制造出多孔的钛腰椎融合器，该融合器可以承受正常人体脊柱所承担的应力，并且其性能的各向异性与人体实际情况相吻合(图1)。

对于预设计支架来说，为了保证设计的结构和功能在实际产品中得到完全的体现，只能采取一种制造工艺——喷涂成型，又叫做非固态成型(SFF，Solid Free-Form Fabrication)。

所谓喷涂成型是指通过喷涂法一层一层将事先已经设计好的整个三维外形以及内部结构堆积出来，然后通过其他的手段将刚刚成型的支架形状和结构固定，这一过程涉及到喷涂沉积技术、激光聚合技术、激光烧结技术和结构印刷技术等等技术领域。

由于喷涂技术对材料的制约，现在SFF法所使用的材料主要是聚合物，陶瓷，还有聚合物/陶瓷的复合材料。

目前已经有很多相关的工作了，例如Langer 小组通过甘油和癸二酸缩聚制备出聚甘油癸二酸(PGS，poly(glycerol-sebacate))[40,41]，拉伸强度超过0.5MPa，切变模量为0.282MPa，可以承受200%的弹性形变。

该支架具有不错的生物相容性，植入体内仅仅会引起微弱的炎症反应，通过表面腐蚀可以再35天的时间内完全降解。

无论是力学性能还是降解性能都可以通过调节材料的合成条件来控制。

Hutmacher，Teoh[42,44]等人通过熔融沉积成型的方法合成出了PCL和PCL/磷酸三钙(TCP)陶瓷的复合材料。

Zein等人制造出PCL的支架材料，空隙率可以在48%和77%之间调节，模量可以在4MPa到77MPa之间调节，屈服强度强度在0.4MPa到3.6MPa之间。

Liu[45]等人发明了一种低温喷涂的方法制备出了PLLA/TCP和PLGA/TCP复合材料的支架，孔隙率为74~81%，模量为17~23MPa，屈服强度在0.75MPa到1.4MPa之间。

SFF法制备出的支架的孔道直径往往有数百个微米，如Lee等人[46]利用光固化制备的PPF支架具有直径为500~900μm的孔道，孔隙率为30~63%，模量为15~40MPa。

另外一个小组中，Lee等人[47]制备出具有300μm直径孔道的PPF 支架，模量在200MPa到588MPa之间，极限强度为27~129MPa。

3 非预设计支架材料同预设计支架材料不同，非预设计支架材料在制备以前并没有一个具体的性能和结构上的设计，它制备的准则是仿生。

人们都试图通过研究天然组织本身来模拟构建适宜的支架结构，Curry在上世纪70年代广泛研究了矿化的生物材料，出版了权威著作图1 通过多元拓扑优化过程同时设计支架的外型和内部三维孔道结构a)在两个脊椎体之间建立一个宏观的设计区域；b)在设计区域内通过宏观拓扑优化得到满足生理载荷的材料密度分布；c)在满足宏观优化预测的孔隙率基础上进行微观拓扑优化得到具有特定微观多孔结构的坚硬材料；d)通过Boolean 交叉算法将宏观外型和微观孔道结构结合在一起得到最终的产物；e)以金属钛为原综述Review组通过自组装方法制备出的纳米晶羟基磷灰石/胶原(nHAC)在成分和结构上都与天然骨组织十分接近[49]。

Nature Materials曾发表评论说：他给出实验证明了骨矿化胶原的分级结构理论，开辟了用仿生自组装制造生物材料的新途径[50]。

在前人工作的基础上，人们认识到适合骨组织工程的支架材料必须具有良好的生物相容性，适中的力学性能，降解速率与自体骨组织再生速率相匹配，还要有合适的空隙率和孔径。