骨移植材料研究进展_胡志琦

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异体骨是欧洲 最 常 用 的 骨 移 植 替 代 材 料 之 一,因 为 欧洲有运 作 良 好 的 骨 组 织 库 及 较 为 明 晰 完 善 的 法 律 体 制。异体骨通常由尸体或关节置换术中取出的新鲜骨制 备而来。异体骨移植 物 可 提 供 骨 传 导 支 架,并 保 留 大 部 分骨诱导蛋白成分,兼具骨传导及骨诱导能力,但免疫排 异反应可使 移 植 骨 中 供 体 来 源 的 细 胞 被 杀 死,故 缺 乏 成 骨能力[7]。异体骨移植物应用的安全性一直受到关注,疾 病传播 仍 是 最 大 风 险 之 一。因 此,美 国 食 品 药 品 管 理 局
疗,平均随访15个月后16例患者达到临床治愈,提示异 体骨移植对此类病例是可信赖的选择。
去矿物质骨基质(DBM)由异体骨经不同的脱矿物工 序处理后获得,不仅能填充骨缺损,也有潜在的骨传导及 骨诱导作用[11,12]。可制备为粉剂、膏剂或者油剂等,以适 应不同受植部 位 的 需 要,也 可 用 作 自 体 骨 移 植 时 的 扩 增
骨胶原可以促进钙沉积、血管内向性生长及生长因 子聚集,促进 骨 愈 合,是 良 好 的 细 胞 支 架,也 常 作 为 黏 合
剂与具备骨传导能力的载体如羟基磷灰石或磷酸三钙等 合用,发挥 各 组 分 的 优 势。Stone等[14]报 道 将 骨 胶 原-软 骨细胞复合移植物植入9例半月板撕裂或缺损患者膝关 节中,术后3~6 个 月 经 关 节 镜 检 证 明 胶 原 支 架 被 吸 收, 替代以新形成的软骨组织,36个月后9例患者症状减轻, 未发现免疫反应;MRI检查证实,形成的半月板中存在进 行性软骨成熟信号。王浩等[15]报道将鼠间充质干细胞种
是骨科医师面对的难题。自体骨具备促进新骨形成需要的所有特性,临床应用最为广泛,但其使用受诸 多条件限制。骨移植替代材料种类繁多,在骨传导性、骨诱导性和成骨能力上各有所长,但目前尚无一种 骨移植替代材料具备所有特性并完全替代自体骨。该文依据材料来源和主要原料将骨移植材料分为5 类,就其基本特性、应用情况及近期研究进展作一综述,并对骨移植材料未来可能的发展方向进行展望。
国 际 骨 科 学 杂 志 2012 年 5 月 第 33 卷 第 3 期 Int J Orthop,May 25,2012,Vol.33,No.3
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骨移植材料研究进展
胡志琦百度文库杨兴海 肖建如
摘要 骨移植手术已成为临床上仅次于输血的最常见组织移植术,各种原因所致骨缺损修复始终
植在骨胶原-羟基磷灰石-硫酸软骨素复合材料上,并在体 外培养增殖,再将该复合物植入大鼠肌肉内,结果显示该
复合材料的三 维 微 孔 结 构 可 促 进 细 胞 向 内 生 长 ,其 在 大
鼠肌肉内逐步 降 解 的 同 时 伴 有 新 骨 形 成,提 示 该 复 合 物
在细胞附着与诱导分化上有着良好表现。
磷酸三钙的分子式为 Ca3(PO4)2,可溶性及降解吸收 速度均较羟基 磷 灰 石 高,其 小 颗 粒 和 海 绵 样 多 孔 结 构 有 助于快速血管化作用以及成骨细胞和营养物质的运输, 被认为能提高骨传导能力并加快吸收和重建过程[29]。磷 酸三钙有低温相(α-TCP)和高温相(β-TCP)两种结构,其 中α-TCP抗压强度较β-TCP 高,降解速率快,但生物活 性不如β-TCP。β-TCP作为骨填充物单独或与自体骨混 合植入 血 供 丰 富 的 受 殖 区,可 获 得 良 好 的 成 骨 效 果。 Dai等[30]前瞻性随机对照研究局部椎板减压时所咬除的 骨-β-TCP多孔生物陶瓷复合物与自体髂骨在腰椎后外侧 融合术中的作用,结果显示两组在影像学、临床症状及生 活质量方面的差异无统计学意义,这与以往动物实验研 究结果类似。
4 生物陶瓷 绝大多数生物陶瓷类骨移植替代材料有着硬而脆的
多孔结构,其骨传导能力及降解速度在很大程度上与这 种多孔结构相关。生 物 陶 瓷 具 备 骨 传 导 能 力,容 易 生 产 保存,没有传 播 疾 病 的 风 险,且 可 制 备 为 各 种 形 状,在 临 床上有着广泛的使 用。 但 也 存 在 诸 多 缺 陷,如 诱 发 免 疫 反应与皮肤黏膜损害,生物力学性能不足,不具备骨诱导 及成骨能力等[23-25]。
骨移植材料有多种分类方法,通常依据不同材质、来 源及不同获取途径进行分类。本文参考 Laurencin等[1] 报道的分类标 准 并 结 合 临 床 实 际,将 骨 移 植 材 料 分 为 天 然骨移植物 及 替 代 物、生 长 因 子、细 胞、生 物 陶 瓷 和 高 分 子聚合物等5类,就其基本特性及发展现状作一回顾,并 展望未来研究方向。 1 天然骨移植物及替代物
干细胞是具有 多 向 分 化 能 力 的 细 胞,主 要 来 源 于 成 体或胚胎。成体干细胞包括造血干细胞、间充质干细胞、 神经干细胞、皮肤干细胞等。骨移植物最好的选择,一是 造血干细胞,二 是 能 分 化 为 骨 和 软 骨 等 组 织 的 间 充 质 干 细胞。尽管存在伦理上的争议,在干细胞界定、分离和增 殖上仍有挑战,但 干 细 胞 在 组 织 再 生 方 面 的 临 床 价 值 毋 庸置疑。Arinzeh等[19]研 究 以 多 孔 陶 瓷 为 载 体 将 新 鲜 骨 髓或培养的间 充 质 干 细 胞 种 植 在 犬 节 段 性 骨 缺 损 处,显 示出良好的 成 骨 能 力。Koga等[20]研 究 将 培 养 的 间 充 质 干细胞种植在成年兔股骨内侧髁大面积骨软骨缺损处, 发现间充质干细胞产生的软骨细胞重新覆盖了关节面。
剂。DBM 能促进血管再生,并诱导宿主干细胞分化为成 骨细胞,推测其 生 物 活 性 与 脱 矿 物 处 理 后 残 存 的 基 质 蛋
白及生长因子有关。DBM 的骨诱导能力受到储存、加工 和灭 菌 方 法 的 影 响,在 不 同 供 者 之 间 也 存 在 差 异。 Zhukauskas等[13]研究对比 DBM 与羟基磷灰石在植入14 例兔胫骨近端干骺区骨缺损部位后的表现,12周后 X 线 片显示10例植入 DBM 的骨缺损部位达到骨性愈合,而 羟基磷灰石植入达到骨性愈合仅1例。
但临床背景下干细胞定殖于所需部位及定向分化的具体
机制,仍需更深一步研究。
基因治疗即通过基因转移或基因转染等手段将遗传
物质转运进细 胞,再 利 用 该 细 胞 合 成 这 个 基 因 编 码 的 蛋 白而发挥治疗作用。基因治疗是一种短期和局部治疗, 治疗中可直接 将 治 疗 基 因 及 载 体 投 放 到 目 标 部 位,或 将 患者的特定细 胞 采 集 增 殖 后 进 行 转 基 因 处 理,再 植 入 患 者体内。通常情况下,直接注射方法在技术上要求较低, 而体外转基因操作可更好地控制实验条件,安全性更高。 Tomita 等[21]报道首次成功地通过大鼠膝关节内注入含 SVT 基因的日本凝血病毒(HVJ,仙台病毒)脂质体混悬 液,将基因转运至关节软骨内。Rubery[22]研究发现,将鼠骨 髓源性细胞进行转基因处理,使其能表达 BMP-2、血管内皮 生长因子等,再以异体骨为载体植入鼠骨缺损部位,结果骨 缺损处修复较单纯异体骨植入更快、更彻底、更牢固。
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2 生长因子 生长因子是由特定细胞产生,在不同生理过程中发
挥效用的一些 多 肽,它 们 在 骨 组 织 修 复 过 程 中 起 着 重 要 调控作用。胰岛素样生长因子(IGF)-1和转化生长因子 (TGF)-β主要 调 节 软 骨 基 质 合 成;碱 性 成 纤 维 细 胞 生 长 因子(bFGF)则为强力有丝分裂因子,能促进软骨细胞分 化。血小板衍生生 长 因 子 (PDGF)在 兔 单 侧 胫 骨 截 骨 实 验中表现出促进骨折愈合的作用[16]。Maus等[17]报道以 绵羊为动物模 型,通 过 对 照 实 验 发 现 重 组 人 骨 形 态 发 生 蛋白(rhBMP)-2和磷酸三钙复合物在骨缺损修复中较单 纯磷酸三钙为佳,新 骨 形 成 量 与 自 体 骨 无 明 显 差 异。 为 了获得满意效 果,这 些 生 物 分 子 需 要 载 体 送 至 所 需 部 位 并在适当时候 释 放,还 需 要 一 些 辅 助 因 子 以 最 大 程 度 地 发挥效用。这些要求在很大程度上限制了生长因子的临 床使用,同时亦需要更多研究证明生长因子的临床功效、 可靠性及安全性。Carragee等[18]近期通过系统回顾由企 业资助发表的13篇研究论著、FDA 数据等,比较不同信 息来源中rhBMP-2用于脊柱融合术的安全性与有效性, 研究结果 发 现 由 企 业 资 助 的 13 项 研 究 中 未 发 现 一 起 rhBMP-2相关不良事件,这一结果与 FDA 数据不符。 3 细胞
作者单位:200003, 上海长征医院骨肿瘤科
(FDA)要求监测供体人类免疫缺陷病毒(HIV-1、HIV-2) 和丙型肝炎病 毒 抗 体,美 国 组 织 库 协 会 要 求 另 加 检 测 人
类 T 淋 巴 细 胞 白 血 病 病 毒 (HTLV-Ⅰ、HTLV-Ⅱ)等 抗 体[8]。异 体 骨 多 被 制 备 为 新 鲜 冷 冻 骨 及 冻 干 骨。Xu 等[9]报道显示,7~10 mm 直径颗粒状新鲜冷冻异体骨移 植物用于治疗美国骨科医师学会(AAOS)Ⅱ型和Ⅲ型髋臼 缺损的 疗 效 满 意。Riggenbach 等[10]报 道 对 19 例 锁 骨 骨 折骨不愈合患者采用切开复位内固定结合异体骨移植治
羟基磷灰石的分子式为 Ca10(PO4)6(OH)2,几乎不 溶于水,需要数年时间才能被吸收。可通过3种途径,即 化学合成、动物骨烧 结 及 珊 瑚 热 液 转 化 途 径 获 得。 这 种 骨移植替代材 料 的 抗 压 强 度 好,但 抗 剪 切 及 扭 曲 能 力 较 弱。由于与骨中矿物 质 成 分 相 似,植 入 后 与 骨 组 织 直 接 连接,无纤维组织界面,故有良好的组织相容性和骨传导 性[26,27]。羟基磷灰石已被确定为骨诱导性生长因子和成 骨细胞的极好载体。Wang等[28]报道将蚕丝蛋白-羟基磷 灰石-骨髓基质细胞复合物植入兔桡骨节段性骨缺损中, 4、8、12周后分 别 处 死 实 验 兔 并 行 目 视、影 像 学 及 组 织 学 检查,结果显示实验组成骨效果明显优于蚕丝蛋白-羟基 磷灰石复合物组及空白对照组。
关键词 骨缺损;骨移植;生物材料;植骨材料;生物工程 DOI:10.3969/j.issn.1673-7083.2012.03.013
修复因创伤、感染、肿瘤等原因造成的骨缺损是骨科 领域的一个重要课 题。 除 了 复 位 和 内、外 固 定 器 材 固 定 外,骨移植也是极为 重 要 的 治 疗 手 段。 骨 移 植 材 料 通 常 包含一个或多个功能成分,如骨传导基质,为新骨生长提 供支架;骨诱 导 蛋 白,诱 导 干 细 胞 分 化 为 成 骨 细 胞;成 骨 细胞,在适当环境下 生 成 新 的 骨 组 织。 自 体 骨 仍 是 骨 移 植的金标 准,但 其 取 骨 量 有 限 且 可 能 引 发 相 关 并 发 症。 这些限制催生并促进了骨移植替代材料的研究。
自体骨仍是其他骨移植物参照比较的金标准。自体 骨通常取自髂骨,有时也会取于股骨远端或胫骨近端,主 要优点在于兼具骨传导性、骨诱导性和成骨作用[2];缺点 包括取骨区并发症(取骨区疼痛及其他潜在的切口感染、 血肿、骨折等)[3]、取骨量有限、出血量增加及手术时间延 长等[4]。自体松质骨较皮质骨移植物拥有更好的成骨能 力,能与周围 组 织 快 速 整 合,这 归 功 于 其 多 孔 结 构,利 于 营养物质 播 散 及 微 血 管 吻 合 重 建[5,6]。 自 体 皮 质 骨 移 植 物在植骨早期 能 提 供 良 好 的 力 学 支 撑,基 本 无 骨 诱 导 及 骨传导能力,但 其 上 存 活 的 成 骨 细 胞 能 提 供 一 定 的 成 骨 能力。
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