0.3　骨組織工程用生物材料

骨組織工程的發(fā)展對(duì)支架的生物功能及其他功能提出了更高的要求。因此，優(yōu)化支架材料和性能成了國(guó)內(nèi)研究者進(jìn)一步追求的目標(biāo)。從目前研究可以看出，在骨組織工程中研究較多的支架材料主要有天然支架材料、人工合成的支架材料以及復(fù)合材料。目前多為兩種或多種復(fù)合材料。天然支架材料和人工合成支架材料間可以達(dá)到互補(bǔ)，但仍然存在著較多的不足，為此，多種材料的復(fù)合支架可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（1）天然支架復(fù)合材料

天然支架材料主要是膠原、藻酸鹽、明膠、殼聚糖等，是較為理想的細(xì)胞外基質(zhì)替代材料，但由于力學(xué)強(qiáng)度差，難滿足骨組織工程對(duì)支架材料的基本要求。天然的異體骨需要經(jīng)過脫脂、脫礦、消毒及凍干等處理獲得脫鈣骨基質(zhì)，保留了骨的多孔結(jié)構(gòu)，具有骨誘導(dǎo)性及骨傳導(dǎo)性^［10］。但經(jīng)過脫礦處理，造成機(jī)械強(qiáng)度下降，免疫原性仍是難以克服的問題。因此，結(jié)合不同類型材料的優(yōu)勢(shì)，形成復(fù)合材料是當(dāng)前制備支架材料的主要方向。清華大學(xué)的崔福齋團(tuán)隊(duì)根據(jù)骨組成及結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生，通過自組裝制備納米晶羥基磷灰石/膠原的骨修復(fù)產(chǎn)品“骼金”，達(dá)到與天然骨成分及骨納米結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)，獲得美國(guó)食品和藥品管理局認(rèn)證并應(yīng)用于臨床，效果良好^［11］。殼聚糖結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)成分糖胺聚糖（GAGs）相似，具有良好的生物相容性和可調(diào)節(jié)的生物降解性能，可形成不同微觀形貌與宏觀形狀，制備成三維多孔支架材料，具有一定力學(xué)強(qiáng)度^{［12，13］}。但單純的殼聚糖支架用于骨組織修復(fù)時(shí)力學(xué)強(qiáng)度差，在液體潮濕環(huán)境中易變形，促進(jìn)成骨細(xì)胞活性的能力和刺激成骨相關(guān)因子表達(dá)較低^{［14，15］}。殼聚糖-同種異體骨粉復(fù)合多孔支架材料具有適宜孔隙率和良好成骨活性，可有效修復(fù)大鼠骨缺損，其成骨量及成骨速度優(yōu)于單純殼聚糖支架^［16］。M.E.Frohbergh等制備出了京尼平交聯(lián)的靜電紡絲殼聚糖-羥基磷灰石支架材料，可以調(diào)控支架材料降解時(shí)間、改善支架材料的物理性能^{［17，18］}。通過仿生礦化的方法在京尼平交聯(lián)的殼聚糖三維多孔支架孔道表面生長(zhǎng)了一層羥基磷灰石納米結(jié)構(gòu)，再用銀離子取代納米羥基磷灰石中的鈣離子，原位形成磷酸銀，磷酸銀可持續(xù)釋放銀離子，起到抗菌作用^［19］。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯（graphene oxide，GO）具有良好的力學(xué)性能，將石墨烯與殼聚糖水凝膠復(fù)合制備的支架材料，提高了支架材料拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍^［20］。以殼聚糖為模板構(gòu)建骨組織工程支架材料前景廣闊，將成為骨修復(fù)的重要材料之一。

（2）人工合成的支架復(fù)合材料

人工合成高分子材料具有降解速度和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，易構(gòu)建高孔隙率三維支架結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。但有的人工合成支架材料生物活性低，有的會(huì)發(fā)生輕微的炎癥反應(yīng)，降解產(chǎn)物呈酸性，不利于骨生長(zhǎng)。將合成的高分子和陶瓷材料復(fù)合制備多孔支架材料可以增強(qiáng)生物活性和強(qiáng)度，并減少高分子材料降解造成的副反應(yīng)。目前應(yīng)用或研究最廣的生物降解性可植入高分子材料種類很多，主要有聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）及其共聚物（PLGA）等。例如，將右旋聚乳酸（PDLA）與碳酸鈣復(fù)合，用于豬橈骨缺損的修復(fù)，發(fā)現(xiàn)骨引導(dǎo)膜沒有引起明顯的炎癥反應(yīng)，并促進(jìn)新骨的形成，而且碳酸鈣的加入并沒有影響聚乳酸膜的力學(xué)強(qiáng)度^［21］。

人工合成支架復(fù)合材料以羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（β-TCP）陶瓷材料應(yīng)用最為廣泛^{［22，23］}。羥基磷灰石作為骨的主要無機(jī)成分，具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，成為骨缺損和牙科修補(bǔ)主要材料之一，但也存在脆性大、降解速率較慢問題。磷酸三鈣存在著機(jī)械強(qiáng)度差、降解速率過快等問題。但將兩者結(jié)合后，通過調(diào)節(jié)HA/β-TCP比例，調(diào)控降解速率，達(dá)到降解吸收與骨生長(zhǎng)速率相匹配，其降解產(chǎn)物不斷釋放鈣、磷離子，利于類骨磷灰石的沉積，促進(jìn)新骨形成。雙相磷酸鈣（BCP）生物陶瓷作為骨組織工程支架已商業(yè)化，產(chǎn)品在美國(guó)、日本及歐洲等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用^［24］。四川大學(xué)生物材料工程研究中心的張興棟院士從20世紀(jì)80年代開始開展磷酸鈣生物陶瓷的研究和開發(fā)，90年代初期發(fā)現(xiàn)具有特定組成和結(jié)構(gòu)的多孔磷酸鈣陶瓷植入非骨部位后，有新骨形成的現(xiàn)象^{［25，26］}。張興棟院士率先提出一定組成和結(jié)構(gòu)的磷酸鈣生物陶瓷具有骨誘導(dǎo)性的觀點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)的“無生命的生物材料不可能具有誘導(dǎo)組織再生的生物功能，只有活性生物物質(zhì)才可能誘導(dǎo)組織形成”的觀點(diǎn)。

（3）多種復(fù)合材料制備支架材料

單一材料已經(jīng)不能滿足骨缺損修復(fù)的需要，各種材料經(jīng)合理設(shè)計(jì)及復(fù)合可實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。目前，常用的復(fù)合材料包括：天然高分子生物材料與無機(jī)非金屬材料復(fù)合，如膠原、絲素與HA復(fù)合，殼聚糖與雙相磷酸鈣復(fù)合；無機(jī)非金屬材料與人工合成高分子相互復(fù)合，如HA、生物活性玻璃與人工合成高分子復(fù)合，HA、TCP人工促成高分子復(fù)合等；無機(jī)非金屬材料、金屬材料與高分子材料復(fù)合，如HA中摻雜Mg、Ag、Zn、Cu后再與高分子材料復(fù)合，所添加的抗菌功能金屬如Ag、Cu、Zn等，不影響支架材料的生物活性。添加中藥提取物可以實(shí)現(xiàn)抗感染和促進(jìn)骨生長(zhǎng)的作用，如添加中藥骨碎補(bǔ)、淫羊藿等；添加具有促進(jìn)骨生長(zhǎng)和抗菌功能的抗菌肽、乳蛋白等。目前的骨組織工程支架已經(jīng)由單一的成分轉(zhuǎn)向多種材料復(fù)合，并可填入一種或多種生長(zhǎng)因子，以此增加種子細(xì)胞的黏附、擴(kuò)增、分化，從而促進(jìn)骨缺損的修復(fù)^［27］。

構(gòu)建理想的骨組織工程支架材料需要多種材料復(fù)合和適當(dāng)配比以及合理的加工工藝。將生物相容性良好的可降解生物材料魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和納米羥基磷灰石復(fù)合，經(jīng)熟化、除堿和冷凍干燥等工藝手段，制備得到魔芋葡甘聚糖-納米羥基磷灰石-殼聚糖復(fù)合多孔支架，使支架材料抗壓強(qiáng)度提高至1.1MPa^［28］。華中科技大學(xué)課題組利用膠原-絲素蛋白雙模板協(xié)同共組裝新策略制備出膠原-絲素-羥基磷灰石復(fù)合仿生骨替代材料，并對(duì)其礦化過程中多種有機(jī)模板成分協(xié)同誘導(dǎo)作用的機(jī)理進(jìn)行了研究^［29］。R.Rajesh等^［30］報(bào)道了一種新型碳納米管道復(fù)合海藻酸鹽及羥基磷灰石的骨組織工程支架，抗壓力測(cè)試在72KPa左右，體外細(xì)胞培養(yǎng)展示出了良好的組織相容性。膠原-羥基磷灰石-硫酸軟骨素-骨形態(tài)發(fā)生蛋白復(fù)合支架^［31］，更能提高骨組織的強(qiáng)度及韌性。研究者構(gòu)建了納米羥基磷灰石-重組類人膠原基-聚乳酸支架進(jìn)行橈骨缺損的修復(fù)，支架具有良好的孔隙率、力學(xué)性能、生物相容性及降解速度^［32］。