磷酸钙生物陶瓷的固有骨诱导性

磷酸钙生物陶瓷的固有骨诱导性学院材料科学与工程专业高分子材料与工程学生姓名DH指导教师古菊提交日期2012年5月 13 日磷酸钙生物陶瓷的固有骨诱导性高分子材料科学与工程 DH摘要：磷酸钙材料与骨的无机相组成相近，具有良好的生物相容性和骨传导性，植入体内物抗原性，但学界一直认为磷酸钙陶瓷是一类只有骨传导性而无骨诱导性的生物活性材料。

本文综述了磷酸钙生物陶瓷材料在骨诱导性方面的表现，就磷酸钙陶瓷骨诱导性的发现和确认、磷酸钙陶瓷骨诱导的过程和机制以及影响磷酸钙陶瓷骨诱导性的因素进行展开，简要的分析了骨诱导过程中间充质细胞的来源的可能途径，对骨诱导过程的的生物因子BMP的作用机制做了必要的介绍，详细地叙述了磷酸钙陶瓷骨诱导性的材料学影响因素，并对磷酸钙生物陶瓷材料的的研究和应用作了展望。

关键词：磷酸钙生物陶瓷；骨诱导性；机理；影响因素1、引言由疾病、外伤、骨质疏松等各种原因带来的骨缺损在临床上十分常见，据不完全统计，2000年美国就有120万病人接受骨修复治疗，其中有45万是骨移植，耗资接近1200亿。

一旦发生骨缺损，难以完全靠自身移植进行修复重建，往往是依靠具有良好生物活性并且能够应用于人体的骨替代材料。

目前，临床应用的骨替代物局限于自体骨,同种异体骨、异种骨及各种人造骨生物材料【1】。

自体骨是最好的替代物，但采用自体骨修复需开辟第二术区增加患者痛苦，无异于“挖肉补疮”，而且供骨有限，难经获得所需的良好外形；异体或异种骨移植存在免疫排斥及潜在传染疾病的可能，且成功率较低；各种人造骨生物材料应用仍是骨缺损修复的重要手段，包括有机高分子、金属、陶瓷及复合材料。

磷酸钙陶瓷因具有良好生物相容性和骨传导性，与骨的无机相组成相似，且无抗原性，大量应用于骨缺损修复材料中，目前己广泛应用于临床的人工合成的骨替换材料中60%是磷酸钙陶瓷。

当今生物材料设计和发展的原则是充分调动机体的自我修复、愈合能力，特别是赋予材料诱导机体骨再生的生物功能。

因而，关于磷酸钙生物陶瓷诱导骨形成的研究和探索具有极其重要的意义。

2、磷酸钙生物陶瓷的骨诱导性2.1磷酸钙生物陶瓷作为一类常见的生物陶瓷，磷酸钙被广泛应用于生物医学领域的各个方面，在临床中只要用作硬组织（骨和牙齿）的修复或替换。

目前比较常见的有羟基磷灰石（Hydroxyapatitc ,HA）、磷酸三钙（Tricalcium phosphate, TCP）以及它们的复合物双相磷酸钙陶瓷(CBiphasic calcium phosphate, BCP)。

羟基磷灰石是磷酸钙盐在水溶液中的一种稳定相，在正常的生理环境下降解性能较差，组成与人体硬组织无机成分相同，且晶体围观结构类似。

磷酸三钙是磷酸钙盐的高温相，相转变温度为1120~1180℃【2】，相转变温度以上为α-TCP，以下为β-TCP。

TCP在模拟体液（SBF）中易溶解，溶解度大约为HA的10~20倍【3】，被认为是一类较好的可降解生物陶瓷，但降解速率较差，难于与骨生长速率相匹配。

双相磷酸钙陶瓷由羟基磷灰石和磷酸三钙两相复合而成，其降解速率界于二者之间，因此可通过调节两相的比例来获得降解速率适当的陶瓷，以满足骨替换材料的需要。

2.2 磷酸钙骨诱导性现象的发现和确认虽然早在1911年，Wells在其著作《内科学文库》中提出一种理论：钙盐对成骨活性具有激活作用【4】。

大量的实验及临床应用证明：HA具有优良的生物相容性.可与骨组织发生化学性结合，具有骨传导性，即材料植入骨环境中，骨组织能沿着植入体表面或内部孔隙攀附生长。

然而当时多数文献报道磷酸钙陶瓷仅有骨传导性，并无骨诱导性，即诱导间充细胞向成骨细胞分化的能力。

1988年Heughebeart【5】等研究发现，没有添加任何生长因子或活体细胞的磷酸钙陶瓷植入动物非骨部位后，其表面形成骨样沉积物，但未出示组织学的证据。

1990年Yamasaki【6】首次报道了多孔HA植入狗皮下，观测到有骨组织的形成。

1991年，我国学者张兴栋【7】等和南非的Ripamonti【8】分别报道植入狗2月和拂拂3，6，9月非骨部位的多孔HA中有新骨形成，证明一定结构的磷酸钙生物陶瓷骨诱导性的存在。

1992年国内外又报道了羟基磷灰石陶瓷植入猴中异位成骨。

随后国内外学者陆续报道了多孔羟基磷灰石和磷酸三钙双相陶瓷、多孔β-磷酸三钙陶瓷以及磷酸钙骨水泥中的异位成骨，并通过早期细胞分化和骨组织细胞形成的组织学细胞形成学的研究，证实了磷酸钙生物材料诱导骨形成的过程是正常的骨发生和形成过程，属膜内成骨，而不是病理性钙化，进一步提出骨诱导性可能是钙磷生物材料在一定条件下的固有特性的观点。

2.3 磷酸钙生物陶瓷诱导成骨作用的机理2.31 磷酸钙诱导成骨的过程和机制按照Urist的观点，发生骨诱导必须满足三个条件：①存在可分化成骨的间充质细胞（即靶细胞）；②存在引导间充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信号，如骨生成因子；③适当的成骨环境。

大量实验【9,10】观察到磷酸钙陶瓷植入机体后会存在如下现象：①材料植入区有血凝块形成；②血管长入和形成肉芽组织；③多形性细胞聚集于植入区；④成骨细胞分化和骨形成。

结合Urist观点及实验现象的证实，并在大量前期研究的基础上，国内学者张兴栋对磷酸钙（Ca-P）陶瓷诱导骨发生过程及机制提出了如下假说【11】。

磷酸钙陶瓷诱导骨发生过程：Ca-P 植入机体非骨部位，吸附内源性生长因子，如骨形态发生蛋白（BMPs）等，诱使间充质细胞向CA-P材料表面迁移、趋化；聚集浓度达到一定程度的骨生长因子作用于间充质细胞相应受体，经相关信号作用，引起级联放大效应，相关基因得以表达，使间充质细胞定向分化为骨母细胞，并分泌骨细胞间特异性的粘连分子（骨粘连素等）；形成的骨母细胞将具有类似自然骨无机组成和三维结晶结构的CA-P陶瓷错位识别为自然骨，黏附于材料内表面，分泌BMP等骨生长因子，引起自身以及相应细胞分化、增殖、成熟为骨。

在诱导成骨过程中，磷酸钙材料植入机体后，与体液中各种物质相互识别，吸附水、离子、蛋白等生物分子，发生系列生物化学反应，并形成一个特殊的“生物修饰表面”。

磷酸钙陶瓷生物材料的作用机制可能为：①材料对骨生长因子的吸附，使生长因子的局部浓度达到能引发间充质细胞分化所需的浓度；②材料提供骨形成的支架和空间，为间充质细胞、成骨因子、骨母细胞等提供附着的场所；③诱导过程中伴随着骨形成的过程材料逐渐降解，为骨成熟提供所需的Ca、P离子等。

骨诱导过程及机制有一定的理论基础，相关的实验也对各过程进行了一些确认。

但诱导机理还存在很多尚未解答之处，特别是对诱导过程中BMP的表达，间充质细胞的来源及分化等机制的阐述还不够充分。

2.32 磷酸钙骨诱导过程中的间充质细胞如前所述诱导成骨必须首先在成骨部位存在可向成骨细胞分化的间充质细胞。

但对于间充质细胞的来源问题，一直没有很明确的理论能够说明。

下面就一些间充质细胞可能的来源途径进行简单的介绍。

大量研究表明，磷酸钙陶瓷植入动物非骨部位后有间充质细胞在与大孔孔隙内表面紧密结合的纤维结缔组织和毛细血管周围聚集。

由此推测对于磷酸钙陶瓷而言，骨诱导所需的间充质细胞可来自于生入其内部孔洞中的毛细血管和纤维结缔组织中。

但进一步研究发现骨髓基质干细胞在诱导过程中也可能出现在磷酸钙陶瓷孔隙中，而对于骨髓基质干细胞是否也是可以被材料诱导成骨的间充质细胞却缺乏实验数据和证明。

间充质细胞是多能的，在特定转录因子的诱导作用下可向成骨细胞分化，因此，在磷酸钙材料的骨诱导过程中，处于未分化的间充质干细胞、定向的基质干细胞、早期骨祖细胞、后期骨祖细胞、前成骨细胞到成骨细胞等，都可能是磷酸钙陶瓷材料诱导的靶向细胞【12】。

Friedenstein【13】等在20世纪70年代首次报道了骨髓标本中小部分贴附细胞在培养过程中能够分化形成类似骨或软骨的集落。

后来的研究表明Friedenstein 粗糙分离所得的细胞是多能的，可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和成脂细胞。

因此，骨髓基质中的这种多能细胞，由于能够分化成为多种中胚层来源的间质细胞，而被称为间质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)。

骨髓间充质干细胞具有极强的分化功能。

Kadiyala【14】等在大鼠股骨的骨干做了8mm的缺损后，用多孔轻基磷灰石/磷酸三钙圆柱体、圆柱体+新鲜骨髓或者圆柱体+同源大鼠的MSCs填充。

结果表明，装载MSCs的样本，细胞分泌骨基质，成骨分化很快。

MSCs主要用于进行细胞治疗和基因治疗。

首先，可以用体外培养扩增的MSCs 作为组织工程的种子细胞，修复各种组织。

在体外培养过程中，MSCs可以保持未分化状态表型不断增殖，达到所需的数目，然后经过诱导定性分化为所需表型。

另外，MSCs可以很方便地通过抽取骨髓来得到，而不必通过手术从病人身上得到自身成熟细胞，避免了对病人造成不必要的二次创伤。

这些优点，使得MSCs 比利用已经分化的细胞作为体外培养的原料显得更具优势，在将来的实际应用中更具潜能。

2.33 骨诱导过程中的成骨因子间充质细胞是多能的，但需要在特定转录因子的诱导下才可以向不同的方向分化。

到目前为止，人们已分离到多种有成骨作用的因子或蛋白成份，如骨形态发生蛋白、骨骼生长因子、骨连接蛋白、骨源性生长因子、软骨源性生长因子和软骨诱导因子等【15】。

现将上述成骨因子的只要作用综述如下。

骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein, BMP)，又名骨诱导蛋白，是从脱钙骨基质中提取到的一种酸性复合蛋白。

BMP能使骨骼外组织中的间充质细胞经过趋化、迁移、有丝分裂，分化成为骨母细胞，进而分化为软骨细胞、骨母细胞和骨细胞，在局部形成具有骨包膜、骨髓组织的典型骨结构。

1965年，美国学者Urist【16】预言在在脱钙骨基质中含有一种特殊蛋质，经过近20年的研究和探索，Urist【17】于1982年首次从牛骨中成功提纯出BMP，并制定了一整套BMP 的提取方法。

1988年，Wocney【18】报道了BMP1,BMP2a,BMP2b和BMP3的cDNA 结构及其在真核细胞和原核细胞中的表达，揭开了BMPn的基因克隆化研究。

迄今为止，人们已经获得16种BMPcDNA的人工克隆，包括BMP1~13、BMP3b、BMP8b和软骨来源的骨形态蛋白CDMP1，极大地拓宽了BMP的理论研究和应用领域。

BMP对靶细胞有促分化和促分裂的双重作用，能促进靶细胞的DNA合成【19】，从而决定骨骼的形态和类型。

BMP对骨缺损的修复有明显的促进作用，免疫组织化学研究发现，骨折后骨重新连接至愈合的整个生理修复过程中，局部BMP 的浓度都显著提高。

在骨折早期，骨折区仅在少许细胞中出现BMP；随软骨骨化进程,BMP2BMP4大量增加，特别是间充质细胞和软骨细胞中BMP含量增高，当骨痴成熟时软骨成份减少，BMP含量也减少；当成骨细胞在软骨基质上形成骨质时，成骨细胞中富含BMP；当骨痴经历骨膜内化骨时。