人工骨

在骨科領域,由於嚴重創傷、骨腫瘤、骨髓炎等多種原因所致的骨缺損十分常見。目前常用的骨修復材料包括自體骨和金屬假體。自體骨增加了患者的創傷和痛苦；金屬假體存在鬆動、斷裂等問題。因此,人工骨替代材料移植修復骨缺損成為醫學重點。人工骨 (Artificail Bone) 是指可以替代人體骨或者修復骨組織缺損的人工生物材料。當需替換關節或治療骨斷裂時，最理想的方式是通過組織再生功能實現骨的自身修復。然而在許多情形下，人體骨並不能實現自身修復，例如骨組織壞死，骨關節創傷，這時就需要人工骨的幫助，理想人工骨材料的研製是醫學和生物材料科學領域的一個重要課題。

基本介紹

• 中文名：人工骨
• 外文名：Artificail Bone

人工骨材料的基本要求

許多人工骨材料已被套用於骨重建，複合有成骨潛能的細胞或生長因子後效果較好，但其植入後的長期可靠性是一個問題。人工骨材料須滿足以下幾個基本要求：

1) 具有良好的生物相容性

2) 具有合適的力學性能

3) 有微孔結構，使新生骨組織得以長入

4) 其吸收速度與新骨生長速度大致保持同步

5) 易於加工成所需的大小和形狀

人工骨的作用機理

人工骨材料通過單獨使用或幾種材料符合複合使用來促進骨癒合，其作用原理包括三個方面：

1) 骨生成作用：骨生成材料中包含了具有分化成骨潛能的活細胞，具有骨形成作用；

2) 骨傳導：植入材料通過促進宿主骨與移植材料表面的結合，引導骨形成；

3) 骨誘導：其材料通過提供一種生物刺激，誘導局部細胞或移植的細胞分化形成成熟的成骨細胞。

人工骨的發展歷程

骨由有機質和無機鹽結合而構成。有機物質主要是骨膠蛋白，使骨具有一定的韌性。無機鹽即堅硬的礦物質（羥基磷灰石結晶，即磷酸鈣和氫氧化鈣的複合物）使得骨堅硬不屈、傲然挺立，是影響骨硬度的因素。有機成分和無機兩種成分有著恆定的比例，一般而言，前者占成人骨幹重的34%，後者占65%，兩者的結合使骨具有很大的韌性和堅固性。羥基磷灰石具有良好化學穩定性、骨傳導性與骨誘導性，因此被廣泛套用於人工骨的製造。

自1971年人們發現海珊瑚具有與人骨相類似的孔隙結構，開始套用原始珊瑚碳酸鈣作為植骨材料。一隻150～200磅的珊瑚就可以提供數百個人工骨原料，但珊瑚骨質地脆，吸收快，在骨缺損處只具有支架和骨引導作用，而無骨誘導能力，單純珊瑚植入機體後有一定的體積喪失，對於較大的骨質缺損，僅用珊瑚難以達到完全修復。

由仿生思想的啟示，1986年，美國齒科協會科學家L. C. Chow 和W. E. Brown發明了磷酸鈣骨水泥，1996年FDA批准CPC可以用於非承重骨的骨缺陷治療。但羥基磷灰石因其強度和韌性較低，使其使用範圍受到限制，如何提高其性能便成了研究的熱點，羥基磷灰石/膠原類骨仿生複合材料登上舞台，膠原的加入使人工骨更加貼近人體天然骨成分。

近年來，除了套用於骨修復和替代的人工骨，套用於骨髓炎、骨缺損和預防人工關節感染等方面人工骨的開發不斷展開，載藥人工骨具有藥物載體和修復骨缺損的雙重作用，主要分為羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥、生物玻璃等，前兩者已逐步套用於臨床研究及治療中，生物玻璃是最近比較新的材料，關於其特性、具體套用還要進一步研究。

人工骨的種類和生物學特點

人工骨按材料的結構和性能大致可分為無機材料、有機材料和複合材料。

無機材料

使用較多的材料有磷酸鈣生物陶瓷、氧化矽生物玻璃、羥基磷灰石等。這些作為植入物能滿足人工骨的一般要求，其優點是生物相容性好，缺點是機械性能較差，硬而脆，易斷裂。根據植入物與受體骨組織界面所發生組織反應的類型，可以將生物陶瓷分為四類：

1) 近乎惰性的晶體生物陶瓷：無生物活性，植入後與骨組織之間形成纖維膜，易鬆動脫落。臨床上得到廣泛套用的是氧化鋁，可用作人工髖關節假體部件；

2) 多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化鋁和羥基磷灰石塗層的金屬，其特點為呈生物惰性，但在骨組織長入其縫隙時卻形成高度迂曲的曲面，從而提供了機械穩定性；

3) 表面活性陶瓷：生物活性玻璃、玻璃陶瓷和羥基磷灰石，其化學組成與人體骨組織相近，可藉助化學鍵直接與骨結合，即具有生物活性。有一種稱為ceravital的玻璃陶瓷，與骨結合性能甚好，已成功地套用於脊柱外科和製造人工骨盆。HA陶瓷多與其他材料複合使用，如HA與自體骨、自體紅骨髓、膠原、BMP、同種骨(脫鈣骨基質或去抗原自溶脫鈣同種骨)、煅石膏、聚合物和氧化鋁陶瓷等複合，可克服HA缺乏骨誘導性和顆粒性材料成形困難的缺點。HA植入後不吸收；

4) 可吸收的陶瓷：在宿主體內逐漸吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三鈣（TCP）為其代表。TCP之生物學特性與HA大致相同，其優於HA之處為植入後在體內緩慢降解吸收。現多用TCP作為載體複合各種生物活性因子使用，如TCP複合BMP．可發揮骨傳導與骨誘導之雙重作用。

有機材料

這種材料是從動物結締組織或皮膚中提取的，是進過特殊化學處理的蛋白質物質。由於其中含有某些成骨因子，因而具有較好的誘導成骨能力。此類材料包括膠原、骨形態發生蛋白以及各種成骨因子等。

1) 膠原

Nehrers 等用UV交聯膠原海綿進行軟骨組織工程的研究，顯示支架支持細胞生長的效果良好。其中Ⅱ型膠原支架上的細胞保持較好表型,併合成較多的糖氨聚糖等胞外基質，Ⅰ型膠原支架上的細胞能很好擴增,但多數呈纖維細胞狀的形態，且僅有少量的細胞外基質合成。Stone 等將牛跟腱經純化得到膠原Ⅰ，然後將膠原—軟骨細胞移植物植入9 例半月板撕裂或缺損患者的膝關節中，術後3～6 個月後，二期關節鏡檢證明膠原支架被吸收，替代以新形成的軟骨組織，36 個月後，9 例患者症狀減輕，未發現免疫反應。MRI 證實,形成的半月板中存在進行性的軟骨成熟信號。實驗證明,膠原支架是一種可移植的、安全且能夠支持軟骨細胞生長的基質材料。

2) α- 聚酯

α- 聚酯為人工合成的有機高分子材料,其中研究較多且結果較理想的材料主要有聚乳酸(polylacticacid ,PLA) 、聚乙醇酸(polygiycolic acid ,PGA) 、聚乳酸- 乙醇酸共聚物( PL GA) 。PLA、PGA 已被美國FDA批准廣泛用於臨床。Mikos等利用層壓技術製造有精確解剖形狀的三維生物降解聚合物泡沫。該技術包括空隙率為90 %的多孔膜的層壓。這種模板為植入細胞提供附著，並成為移植複合物的內在結構，控制和調節植入細胞的環境和生長。Vacanti 等首先將PGA、PLA 用作軟骨細胞體外培養基質材料，通過組織工程方法獲得新生軟骨成功。人工合成的聚合物可以準確地控制其分子量、降解時間以及其它性能。但人工合成材料沒有天然材料所包含的許多生物信息(如某些特定的胺基酸序列)，使其不能與細胞發揮理想的相互作用。目前已有研究將天然材料的某些重要胺基酸序列接在合成聚合物的表面，以克服兩種材料的缺陷。

3) 骨生長因子

骨生長因子是由骨細胞產生，分泌到骨基質中的一些多肽，它們在骨組織的修復和形成過程中起著重要的調控作用。隨著基因工程技術的發展，許多骨生長因子如BMP、bFGF 等已能通過人工基因重組產生。現在急需解決的問題主要有:

(1) 弄清各種生長因子各自的生物學特性以及多種生長因子聯合套用時的成骨效應、釋放順序等;

(2) 選擇出最理想的骨生長因子的釋放方式;

(3) 對其套用的安全性、功效及可靠性建立明確的定義及期望, 以便儘早套用於臨床。

複合材料

由於無機材料不易被吸收，尤其是經高溫灼燒的無機材料，植入後與周圍組織的界面長期存在；而有機材料雖然誘導成骨性能較好，但植入早期缺乏足夠的力學強度，且提取量較少；因而人工骨的研究趨向有向複合材料發展，即使材料含有有機和無機兩種成分，使之兼具二者的優點。

1) 磷酸鈣複合人工骨　主要包括TCP 及HA 與膠原、骨生長因子等複合人工骨。肖建德等通過透射電鏡和掃描電鏡觀察了膠原羥基磷灰石(collagehydroxyapatite ,CHA) 誘導成骨的基本過程，觀察認為，在成骨過程中，膠原對間質細胞具有趨化作用和促分化作用，HA 起“核心作用”，並參與基質鈣化，促進新骨形成。王丹等報導了可降解多孔β- TCP/rhBMP - 2 人工骨的誘導成骨能力，結果證實，實驗組有大量新生軟骨和骨形成，對照組無軟骨和骨生成。認為β- TCP/ rhBMP - 2 具有良好的骨誘導作用，是一種較理想的骨移植替代材料。

2) 聚合物複合人工骨　生物降解聚合物是近年生物材料研究領域中的一個熱點，通過技術加工可合成各種結構形態，一定的生物降解特性的各種聚合物。但它們無骨誘導活性，需與其它骨誘導因子複合套用才能取得良好效果。Isobe 等用含3ug/ rhBMP - 2的PL GA 膠囊修復5mm 大的鼠股骨缺損，術後4 周及8 周取標本作X 線檢查及組織學檢查，結果顯示:PL GA - BMP 組已形成骨癒合，而對照組無骨連線。有人認為rhBMP - 2/ PL GA 膠囊是一種有前途的骨再生釋放系統。Hollinger 等用人的脫抗原自身消化骨(即AA 骨) 和PLA/ PGA 的複合材料修復直徑24mm 的猴顱骨缺損。術後6 周時，複合材料組形成的新骨相互融合，並出現內、外骨板和中間發育良好的骨髓腔。

3) 紅骨髓複合人工骨 骨髓(Bone marrow ,BM)由造血系統和基質系統 兩部分組成。人和動物健康紅骨髓的基質細胞中含有定向性骨祖細胞( determined osteogenic precursor cells ,DOPC) 和可誘導性骨祖細胞( inducible ostegenic precursor cells , IOPC) 。DOPC 具有定向分化為骨組織的 能力，IOPC 在誘導因子(如BMP) 作用下才能分化成骨。Grundel 等採用TCP(占40 %) 和HA (占60 %) 合成雙相磷酸鈣陶瓷與BM 複合後植入治療骨缺損,術後24 周發現骨髓與塊狀陶瓷複合物組6 例中，有3 例呈現骨性連線，3 例有纖維連線;骨髓與顆粒狀陶瓷複合物組6 例中有5 例獲骨性連線，1 例纖維連線，單純骨髓植入的5 例均獲骨性連線;空白對照組3 例無1 例連線。東中川將骨髓細胞與HA 結合,並分別加入bFGF 和/ 或成骨蛋白- 1 (osteyenic protein - 1 ,OP - 1)，通過測定胸腺嘧啶摻入到DNA 中的量、AL P 的活性及新生骨的形成，來了解它們的生物活性。結果表明，bFGF 能刺激骨髓細胞的增殖，OP - 1 能增加AL P 的活性及刺激新生骨形成，並能促進骨髓細胞的分化。

4) 其它種類的複合人工骨　主要包括兩種以上材料組成的人工骨(如陶瓷、膠原與生長因子或有關細胞的複合人工骨) 及與多種生長因子複合的人工骨等。馬秦等報導了複合骨預製髂骨瓣的實驗研究。熊建義將一定形狀的rhBMP - 2 、膠原、珊瑚複合骨植入狗髂骨區，顯示，複合骨術後3 個月時，已轉變成骨組織，髂骨形狀改變，4 個半月時新生骨改建為成熟骨。認為rhBMP - 2 、膠原、珊瑚複合骨適用於體內預製具有一定形狀和結構的骨組織瓣。

人工骨的發展方向

隨著組織工程學的發展，人們對人工骨的研製將主要解決以下幾個問題：①生物活性物質的來源及其快速穩定的體外培養增殖；②基質材料的生物力學強度，降解率及其與生物活性物質的親和力；③通過生物工程研究者和統計學家的共同努力，在人工骨的3類組成中選擇出一種最佳組合，並確定其比例關係；④將控釋系統引入基質材料，使基質材料負載的各種生長因子向生物活性細胞定量，持續釋放，利於細胞的生長和分化。將BMP基因或bFGF轉染骨髓基質細胞後能夠顯示出強大的成骨能力。對感染或腫瘤截骨術後所致的骨缺損，如基質材料能定量，持續釋放相應的抗生素或殺腫瘤藥，則臨床療效更佳。綜上所述，人工骨的製備應考慮到生物活性物質和基質材料的優缺點，引入一種合適的生長因子，通過合理的方法組合成複合材料，模擬天然骨基質成分，並含有最佳的生長因子控釋系統，促進生物活性物質的黏附、增殖和分化，發揮其最佳的成骨能力。

擴展閱讀

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