用于人工骨的材料

用于人工骨的材料 Revised by Jack on December 14,2020
用于人工骨的材料
目前用于骨修复的生物材料分为以下几种:医用生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料、纳米人工骨
一．医用生物陶瓷材料
生物活性陶瓷, 主要指磷灰石(AP) ,包括羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙( TCP)等。

目前应用最多的是HAP。

人骨无机质的主要成分是HAP,它赋予骨抗压强度,是骨组织的主要承力者,人工合成的HAP是十分重要的骨修复材料,这是由于它的组成性质与生物硬组织的HAP极为相似,并具有良好的生物相容性,可与自然骨形成强的骨键合,一旦细胞附着、伸展,即可产生骨基质胶原,以后进一步矿化,形成骨组织。

α2磷酸三钙(α2TCP)骨水泥具有水合硬化特性,可作为一种任意塑型的新型人工骨用于骨缺损填充。

它在动物体内形成蜂窝状结构,动物组织可逐渐长入此蜂窝状结构中,形成牢固的骨性键合[ 3 ]。

β2TCP[ 4 ]属可吸收生物陶瓷,在体内要被逐渐降解和吸收,但其强度较低,主要用于骨修复或矫正小的骨缺损或骨缺陷, 如骨缺损腔填充。

尽管β
2TCP植入体内可被降解和吸收,新骨将逐渐替换植入体,但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致,所以不宜作为人体承力部件。

目前磷酸钙陶瓷要用于作小的承力部件、涂层、低负载的植入体。

二．医用生物高分子材料
高分子聚合物已被广泛用作骨修复材料,可降解聚乳酸( PLA)用于口腔外
科,聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA)骨水泥用于骨填充,聚乙醇酸( PGA)作为可吸收螺钉用于骨固定。

生物降解材料制作的接骨材料,其弹性模量较金属更接近骨组织的弹性模量,有利于骨折愈合,且随着骨折的愈合,材料逐渐在体内降解,不需二次手术取出。

PLA[ 5 ]是一类有应用价值的生物材料,它的降解速度取决于它的分子量、分子取向、结晶度、物理及化学结构,但其降解的机制主要是因为酯键的水解。

目前PLA主要用于骨外科部件,例如骨针、骨板。

Minori et al[ 7 ]用不同分子量的PLA 和聚乙二醇( PEG)制成PLA2PEG 共聚物作为骨形成蛋白(BMP ) 的载体, 其中PLA 6 5002PEG3 000共聚物具有一定的弹性,是较好的BMP载体。

三．医用复合材料
复合人工骨[ 13 ]的研究近年来取得了很大进展,其基本原理是将具有骨传
导能力的材料与具有骨诱导能力的物质如骨生长因子、骨髓组织等复合制备成复合人工骨,使它们既具有骨传导作用,又具有骨诱导作用。

3. 1 磷酸钙复合人工骨主要包括TCP及HAP与胶原、骨生长因子等复合人工骨。

原位自体骨与磷酸钙人工骨混合植骨应用在脊柱侧凸畸形矫正术中, 是一种实用、简易、可靠的植骨方法。

3. 2 聚合物复合人工骨生物降解聚合物是近年生物材料研究领域中的一个
热点,通过技术工可合成各种结构形态,一定的生物降解特性的各种聚合物。

但
它们无骨诱导活性,需与其它骨诱导因子复合应用才能取得良好效果。

3. 3 红骨髓复合人工骨骨髓由造血系统和基质系统两部分组成。

健康红骨
髓的基质细胞中含有定向性骨祖细胞(DOPC)和可诱导性骨祖细胞( IOPC) 。

DOPC具有定向分化为骨组织的能力,IOPC在诱导因子(如BMP)作用下才能分化成骨。

Zakrzewska et al[ 17 ]将骨髓细胞与HAP结合,并分别加入成纤维细胞生长因子( bFGF) 和(或) 成骨蛋白21(OP21) ,通过测定胸腺嘧啶掺入到DNA中的量、ALP的活性及新生骨的形成,来了
解它们的生物活性。

结果表明, bFGF能刺激骨髓细胞的增殖, OP21 能增加ALP的活性及刺激新生骨形成,并能促进骨髓细胞的分化。

四．纳米人工骨
纳米级骨材料就是一类由人工合成、具有多种优良理化特性(能自固化成型、机械
强度高、使用方便等)和生物学特性(无毒副作用、可以吸收和降解、生物相容性好、能诱导骨细胞和血管生长等) 的新型骨修复材料,其主要用途是修复骨缺损时作为细胞外
支架材料和骨折的固定材料。

下面将近年来纳米级骨修复材料的研究进展介绍如下。

4. 1 纳米羟基磷灰石( nHAP)国外已制备出含有二氧化锆的nHAP材料,其硬度、韧
性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼相应性能。

通过调节二氧化锆含量,可使该纳米
人工骨材料具有优良的生物相容性。

4. 2 TCP合成纳米松质骨Clarke etal用聚氨酯海绵方法编织出具有三维网络结构的新型多孔聚磷酸钙骨架材料(CPP) ,并进行了离体、在体研究, 发现多孔的CPP骨架能促进骨生长。

多孔TCP合成松质骨与人体松质骨的结构和化学成份相似, Yuan et al[ 20 ]合成Vitoss无填料纳米松质骨,该松质骨具有广泛的孔隙, 孔径相通,利于营养连续供给和更多的细胞、组织长入、使骨修复更快、更完全。

4. 3 氧化锆/氧化铝Uchida et al[ 21 ]将氧化锆/氧化铝晶体纳米化合物团块浸
在与生物体液相似的溶液中,其表面可生成骨样磷灰石层,提示在活体内可能形成生物陶瓷如HAP、TCP等。

Luke et al[ 22 ]将大鼠颅骨的成骨细胞粘附在23 nm氧化铝上, 发现细胞形态具
有很好的伸展性,且成骨细胞的黏附能力比在硼硅酸盐玻璃上增46% , 表明氧化铝纳米
颗粒增强了细胞间的相互作用;细胞形态分析和材料毒性评价也表明:纳米复合陶瓷材料有良好的生物相容性。

4. 4 纳米复合材料由于单一类型材料难以满足骨组织工程细胞外基质材料的要求, 研究者将几种单一材料进行适当组合,结合有机材料与无机材料的优缺点,合成有机/无机、HA /多聚体复合材料,在实际应用中取得良好效果。

4. 4. 1 nHAP /聚左旋乳酸( PLLA )
Saeed et al[ 23 ]对合成的HAP纳米棒表面进行修饰, 然后与PLLA聚合成nHAP /
PLLA纳米化合物。

OMS和OTS化合物有较高的弹力系数,在HAP /PLLA纳米化合物中加入1%的OTS, 它的弹力系数上升40% ,使HAP /PLLA的负载传导性得到明显改善。

4. 2 HAP /聚砜、HAP /聚乙烯复合物
多聚体生物瓷性增强研究发现:聚砜是具有一定机械力学特性的多聚体,高密度聚乙烯是一种具有韧性的热塑性多聚体,两者均被证明具有良好的生物相容性。

HAP与这两种多聚体聚合为新化合物,通过两轴疲劳试验表明:该化合物有良好的力学性能。

4. 4. 3 纳米AP /聚酰胺( PA)复合材料
苏勤等用共沉淀法制成了纳米磷灰石/聚酰胺复合材料,通过常压共溶法直接用纳米磷灰石浆液制备了纳米HAP晶体/聚酰胺生物活性材料。

都获得了高nHAP含量和分散均匀的复合材料。

测试表明: 约65%的HAP以纳米级均匀地分散在PA 基体中,在复合材料的两相界面间有化学键形成;此复合材料的抗压、抗弯强度和弹性模量与人体皮质骨类似。

硫酸钙/ 纳米羟基磷灰石复合材料
羟基磷灰石（HA）是一种可靠的骨修复材料，而HA的塑型性能很差，体内降解也比
较慢。

半水硫酸钙（CSH）也是一种良好的骨诱导材料，其塑型性能颇为理想，目前国
外已开发出CSH的新型骨诱导材料，并在创伤、脊柱外科等领域获得了广泛的应用和良
好的临床效果
4. 5 纳米仿生骨天然骨是胶原纤维贯穿于HAP形成的复合材料、HAP占骨的7% ,胶原纤维为交联的螺旋状多肽链,赋予骨很好的强度,且使骨受应力时可弯曲。

骨内部保持成
骨细胞和破骨细胞的生理平衡,工程化骨就是利用支架培养细胞使骨组织再生。

常用多孔陶(孔径200～400μm)作为支架,在体外培养细胞,使其扩增,形成骨组织再植入体内。

HAP能吸收各种蛋白质,其中包括骨形成与骨吸收相关细胞因子、生长因子及细胞黏附蛋质。

4. 5. 1 多孔仿珊瑚人工骨杨加峰等[ 28 ]用HAP为原料,采用湿化学法合成粉料,该粉料微粒呈细针状和类晶须结构, 15～50 nm,用粉料制成的块料具有天然骨类似结构。

实验证明,这种梯度结构多孔体的力学性能较普通珊瑚人工骨有较大提高,其抗压缩强度大于人松质骨的压缩强度,可满足大多数临床需要。

4. 5. 2 纳米磷酸钙/胶原材料Wei etal[ 29 ]在研究大段骨的细胞载体材料时,根据仿生矿化原理,采用纳米自组装技术研制出成分和结构都与天然骨组织高度相似的纳米磷酸钙/胶原基骨材料,其磷酸钙/胶原层间距为1117 nm,与天然骨组织里的711 nm十分接近,即均为倾斜的层状结构。

实验证明,成骨细胞在该支架上能生长并分泌骨基质。

4. 5. 3 脱钙骨基质/胶原材料胶原表面含有沉积矿物的位点,当与非胶原基质蛋白特别是生长因子结合,可有效地引发和控制矿化过程,促进骨形成并诱导至植入物中。

L i et al[ 30 ]发现,在胶原中加入HAP和TCP制得复合物,其骨再生能力得到明显提高。

脱钙骨基质中含有BMP,具有骨诱导作用,试验证明:用脱钙骨基质治疗骨不连、骨肿瘤和纤维损伤等骨科难症获得良好疗效。