袁冰 韋卓

由于某種因素如外傷、感染、腫瘤等使骨喪失了一些骨質(zhì)，形成較大的間隙，稱(chēng)為骨缺損 (Bone defect)。全世界每年因嚴(yán)重的創(chuàng)傷、骨折合并感染、骨折后治療不當(dāng)、骨腫瘤或伴有其他合并癥造成的骨缺損患者數(shù)以千萬(wàn)，雖然近年來(lái)骨折治療早期多采取積極的治療手段，已使骨不連及骨缺損發(fā)病率明顯下降，但仍是骨科醫(yī)生需要面對(duì)的一個(gè)難題，目前修復(fù)骨缺損的方法主要有骨移植、人工骨(包括骨組織工程技術(shù))、膜技術(shù)、基因療法等，本文就骨缺損修復(fù)材料和方法進(jìn)行文獻(xiàn)復(fù)習(xí)和綜述。

1 骨移植

1.1 自體骨移植

自體骨移植安全性高，有良好的骨誘導(dǎo)性，因而被認(rèn)為是治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)[1,2]，自體骨移植骨材料生物來(lái)源與宿主是一致的，所以不用考慮組織相容性和移植后的排異反應(yīng)，是目前臨床最常用的治療骨缺損的材料，與其他骨移植材料相比，自體骨具有生物相容性好，成骨能力強(qiáng)，骨誘導(dǎo)活性高等優(yōu)點(diǎn)。自體骨移植材料可選擇皮質(zhì)骨移植、松質(zhì)骨移植、帶肌蒂骨瓣移植、吻合血管骨移植、自體骨復(fù)合骨髓移植、自體骨復(fù)合骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (BMP)、自體骨復(fù)合血管生成因子 (VEGF)等。自體骨的供體部位主要是髂骨和腓骨，但隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步，自體骨的取材部位和移植形式越來(lái)越多樣化。自體骨移植由于具有諸多優(yōu)勢(shì)，所以在臨床上應(yīng)用較廣泛，但進(jìn)行自體骨移植取骨時(shí)將會(huì)增加新的創(chuàng)傷，且術(shù)后供骨區(qū)有可能出現(xiàn)供骨區(qū)感染、失血、血腫、神經(jīng)損傷、畸形、慢性持續(xù)性疼痛等一系列并發(fā)癥，同時(shí)受到供“量”不足影響[3]。盡管自體骨移植亦存在缺陷與不足，目前臨床上仍以自體骨移植包括游離骨移植和帶血運(yùn)的骨移植等自體骨移植方式修復(fù)骨缺損效果最佳。

1.2 同種異體骨移植

與自體骨移植相比，異體骨移植具有使用方便，來(lái)源相對(duì)豐富，骨細(xì)胞經(jīng)處理后已被滅活，免疫原性低，可以提供結(jié)構(gòu)支持[4]等諸多優(yōu)點(diǎn)。臨床上多采用凍干、輻照或化學(xué)處理降低免疫原性，少見(jiàn)明顯的排斥反應(yīng)，Karaoglu等[5]用游離的自體骨膜包裹同種異體深凍骨修復(fù)兔尺骨段缺損，效果接近自體骨。左健等[6]指出同種異體骨移植作為臨床上修復(fù)骨缺損的一種常用方法，廣泛用于骨折、骨腫瘤切除后導(dǎo)致骨缺損的修復(fù)、脊柱和關(guān)節(jié)疾患的治療。雖然同種異體骨移植植入后，無(wú)誘導(dǎo)作用，容易吸收，而且存在可能引起血源性疾病的傳播及引起免疫反應(yīng)干擾骨愈合等缺點(diǎn)，但是由于它在修復(fù)骨缺損時(shí)具有的一些優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)類(lèi)似于自體骨，排斥反應(yīng)較異種骨輕，而且不存在自體骨移植引起的供區(qū)損傷、延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間等問(wèn)題；與此同時(shí)，其來(lái)源廣泛，作為支架材料具有良好的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，故仍不失為骨缺損修復(fù)的有效方法之一。

2 人工骨應(yīng)用

研究各類(lèi)人工植骨替代材料的關(guān)鍵是克服自體或異體骨固有的缺點(diǎn)，而這正是臨床迫切需要解決的問(wèn)題。理想植骨材料應(yīng)該具有以下特點(diǎn)[6]：良好的生物相容性；生物可吸收性；骨傳導(dǎo)性；骨誘導(dǎo)性；結(jié)構(gòu)與骨相似并且性?xún)r(jià)比高、易于操作使用。臨床現(xiàn)常用的人工骨材料有各種類(lèi)型的骨水泥、生物陶瓷、組織工程骨等。骨水泥類(lèi)材料主要有磷酸鈣骨水泥、丙烯酸酯類(lèi)骨水泥等。生物陶瓷主要包括羥基磷灰石、生物活性玻璃等。組織工程骨則是利用組織工程技術(shù)研制出來(lái)的新型人工骨材料。人工骨材料還包括納米晶膠原基骨材料、硫酸鈣Osteo set顆粒骨移植替代品、鍶羥基磷灰石骨水泥、納米碳酸鈣/聚左旋乳酸復(fù)合材料等。

2.1 骨水泥

2.1.1 磷酸鈣骨水泥

磷酸鈣骨水泥 (CPC)天然理化性質(zhì)與人體骨骼成分相似，生物兼容性好，無(wú)細(xì)胞毒性，能在低溫固化和塑形，并且具有骨傳導(dǎo)能力，1991年FDA批準(zhǔn)CPC可作為臨床修復(fù)骨缺損的骨組織替代材料，然而CPC由于脆性大、抗水溶性 (血溶性)差、力學(xué)性能不足、降解速度與固化時(shí)間難以控制等缺點(diǎn)，其臨床應(yīng)用受到一定限制[7]。目前CPC在骨組織修復(fù)中應(yīng)用有以下幾種探索：復(fù)合無(wú)機(jī)物 CPC，如鍶、鋅離子；復(fù)合有機(jī)物CPC，如復(fù)合藻脘酸鹽CPC、復(fù)合殼聚糖CPC、復(fù)合殼聚糖纖維CPC、聚乳酸（PLGA）復(fù)合骨水泥；復(fù)合生物活性因子磷酸鈣骨水泥，如自固化磷酸鈣含有骨形態(tài)發(fā)生蛋白等生長(zhǎng)因子。盡管大量的改良研究提升了磷酸鈣骨水泥的理化性能，但距臨床醫(yī)療需求仍有一定距離，尤其是機(jī)械性能和成骨作用方面仍是限制其臨床應(yīng)用的最大難題。骨水泥的發(fā)展方向是使CPC具有優(yōu)良的成骨活性，更為堅(jiān)強(qiáng)的機(jī)械性能，從而具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

2.1.2 丙烯酸酯類(lèi)骨水泥

丙烯酸樹(shù)脂類(lèi)骨水泥材料通常由固、液相雙組份構(gòu)成，能夠及時(shí)塑形，并有較好的力學(xué)性能，在臨床可作為人體硬組織的置換、修復(fù)材料。雖然國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出了很多的品種，但或多或少都存在一些問(wèn)題和缺陷。例如力學(xué)強(qiáng)度不足、部分產(chǎn)品聚合熱過(guò)高及單體釋放、有的生物活性較差，為此，人們做了許多改進(jìn)研究。Duran N等[8]將聚甲基丙烯酸丁酯微球與脆性聚甲基丙烯酸甲酯共混制成低模量聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，改良了其性狀，更有利于臨床應(yīng)用。除了對(duì)樹(shù)脂基質(zhì)的化學(xué)改性之外，還可考慮通過(guò)與纖維(如碳纖維、納米管、鈦酸鉀晶須等)復(fù)合的途徑改善材料的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性，擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和延長(zhǎng)使用壽命。在提高生物學(xué)活性方面，可考慮采用更勝一籌的鍶磷灰石來(lái)替代羥磷灰石作為粉劑主要原料。

2.2 生物陶瓷

生物陶瓷是由金屬離子及非金屬離子兩部分以離子鍵結(jié)合的晶體材料。金屬離子包括Ca、P、K、Mg、Na、Al、Ti等；非金屬離子部分包括諸如氧化物、氮化物、硼化物以及磷酸鹽、硅酸鹽等。生物陶瓷可根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性而分為四類(lèi)：惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、可吸收生物陶瓷及復(fù)合生物陶瓷。生物陶瓷是生物相容性很好的骨修復(fù)材料，其修復(fù)作用主要體現(xiàn)在骨傳導(dǎo)性方面，可以為新骨的形成提供支架。其主要成分為鈣、磷離子，與骨的無(wú)機(jī)成分相似。生物陶瓷主要包括羥基磷灰石 (HA)、生物活性玻璃 (Bioglass,BG)三磷酸鈣 (TCP)等[9]。

2.2.1 羥基磷灰石

羥基磷灰石 (hydroxyapatite)簡(jiǎn)稱(chēng)HAp，屬表面活性材料，由于生物體硬組織 (牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱(chēng)之為人工骨。其具有化學(xué)穩(wěn)定性、生物活性和生物相容性好、無(wú)毒、無(wú)排斥反應(yīng)、不致癌、可與骨直接結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，是一種臨床應(yīng)用價(jià)值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關(guān)注。同時(shí)其抗壓強(qiáng)度和彈性模量都比較高，較適合作為骨組織替代物[9]。羥基磷灰石的主要缺點(diǎn)在于本身的力學(xué)性能較差、強(qiáng)度低、脆性大，這一缺點(diǎn)影響了它在醫(yī)學(xué)臨床的廣泛應(yīng)用。有研究將羥基磷灰石與金屬、惰性生物陶瓷材料、有機(jī)物相復(fù)合，以期獲得力學(xué)性能優(yōu)良、生物活性好的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料得到更為優(yōu)良的作為修復(fù)骨缺損的組織工程支架。

2.2.2 生物活性玻璃

生物活性玻璃具有玻璃的結(jié)構(gòu)，這種物質(zhì)的代表是生物活性玻璃45S5。生物活性玻璃具有良好的骨傳導(dǎo)性、誘導(dǎo)性，能加速骨細(xì)胞的增殖，使成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓墓羌?xì)胞[10]。生物活性玻璃除了具有組織相容性好，可降解等優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的骨傳導(dǎo)性及黏附止血作用[11]。另外生物活性玻璃還具有良好的機(jī)械性能，彈性模量大，抗壓強(qiáng)度高是其顯著的特點(diǎn)，因此可為骨提供足夠的強(qiáng)度，可應(yīng)用于承重部位的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、脊髓等[12]。需要指出的是生物活性玻璃易在很大的表面范圍形成一層多孔滲水的硅酸凝膠。在臨床應(yīng)用上，殷浩等[13]指出生物活性玻璃治療骨不連、修復(fù)骨缺損安全可靠、方便有效，可在一定程度上代替自體骨移植。

有研究[14]表明生物活性玻璃是目前世界上惟一通過(guò)離子交換釋放生物活性的材料，也是惟一既對(duì)骨組織又對(duì)軟組織有良好鍵合性的高科技生物活性材料。還可使成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓墓羌?xì)胞。Wheeler等[14]比較了生物活性玻璃和自體骨對(duì)骨缺損的治療，結(jié)果證實(shí)兩者促進(jìn)成骨以及成骨后的生物力學(xué)性能方面差異無(wú)顯著性意義。

2.3 組織工程骨

骨組織工程技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，骨組織工程被譽(yù)為修復(fù)骨缺損的完美技術(shù)。組織工程學(xué)是將細(xì)胞活體組織移植與生物材料結(jié)合，用以合成人工組織和器官。組織工程技術(shù)主要包括種子細(xì)胞、激活因子和支架材料3部分。組織工程學(xué)構(gòu)建的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是選擇能夠提供種子細(xì)胞生長(zhǎng)及能聯(lián)合細(xì)胞因子發(fā)揮作用的支架材料[15]。胡金龍等[16]認(rèn)為理想的骨修復(fù)生物學(xué)材料應(yīng)具有的性能：骨傳導(dǎo)作用、成骨作用、骨誘導(dǎo)作用。組織工程骨具有可修復(fù)大面積骨缺損、無(wú)免疫排斥反應(yīng)、無(wú)致病性等一系列優(yōu)點(diǎn)，是最為理想的骨移植材料。由于種子細(xì)胞具有費(fèi)用高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，單純的復(fù)合材料植入治療骨缺損同樣有一定效果。劉陽(yáng)等[17]證明了新型可注射性納米羥基磷灰石 (nHA)/殼聚糖 (CS)骨修復(fù)材料具有確切的骨缺損修復(fù)能力，有良好的的應(yīng)用前景。王巖松等[18]研究nHA/聚酰胺66骨填充材料與自體骨修復(fù)良性骨腫瘤術(shù)后骨缺損的臨床效果相當(dāng)。

早期的研究表明一些細(xì)胞因子，如骨形態(tài) BMP-2、堿性成纖維因子bFGF、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF、胰島素樣生長(zhǎng)因子 IGF-1等有利于骨組織的生長(zhǎng)[19]，含細(xì)胞因子復(fù)合材料植入治療骨缺損取得了很好的效果。組織工程學(xué)技術(shù)修復(fù)骨缺損正在由傳統(tǒng)的單一材料到復(fù)合材料轉(zhuǎn)變，細(xì)胞因子、載藥緩釋系統(tǒng)等載入到復(fù)合材料中，為加快修復(fù)骨缺損提供了良好的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)依據(jù)。費(fèi)志強(qiáng)等[20]認(rèn)為BBP能顯著增強(qiáng)rhBMP-2的骨形成活性，BBP復(fù)合rhBMP-2來(lái)修復(fù)骨缺損和促進(jìn)骨折愈合具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。研究[21]已證實(shí)：植入感覺(jué)神經(jīng)束的組織工程骨在體內(nèi)的成骨效應(yīng)顯著高于未植入感覺(jué)神經(jīng)束的組織工程骨。但上述方法存在的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是需要犧牲自體神經(jīng)，對(duì)研究對(duì)象造成新的創(chuàng)傷，同時(shí)也增加了手術(shù)的難度。李亮等[22]通過(guò)在 B-TCP/BDOP組織工程骨上預(yù)種植SCs發(fā)現(xiàn)其在體內(nèi)的成骨效果明顯優(yōu)于未預(yù)種植的組織工程骨，這可能是一種新的構(gòu)建神經(jīng)化組織工程骨的方法。Zhu C等[23]運(yùn)用小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞聯(lián)合構(gòu)建的新型組織工程骨對(duì)小鼠頭蓋骨缺損模型進(jìn)行修復(fù)，取得了較好的效果。預(yù)示未來(lái)可以將干細(xì)胞技術(shù)運(yùn)用于組織工程骨進(jìn)行大面積骨缺損修復(fù)骨組織替代材料研究。

大段骨缺損的修復(fù)是目前臨床骨科治療面臨的棘手問(wèn)題之一，組織工程骨是一種人工制備的含有活體細(xì)胞的骨替代材料，它能形成新的功能性骨組織，修復(fù)大塊骨缺損，并可按需塑形及大量制備，是理想的骨修復(fù)材料，但其在體內(nèi)的成骨效率還需進(jìn)一步提高。雖然目前的組織工程學(xué)技術(shù)治療骨缺損大多仍停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，很多缺陷還有待考究，進(jìn)一步應(yīng)用于臨床還需深層次的實(shí)驗(yàn)研究，但其應(yīng)用前景是非常值得期待的。

3 膜引導(dǎo)組織再生技術(shù)

2000年Masquelet等[24]提出誘導(dǎo)膜技術(shù)是治療長(zhǎng)管狀骨節(jié)段性缺損的一種新策略，該方法分為兩個(gè)節(jié)段：先將聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥間隔植入骨缺損部位，待誘導(dǎo)膜形成后取出骨水泥并在假膜內(nèi)植骨，最終達(dá)到骨愈合[25]。Masquelet技術(shù)是通過(guò)誘導(dǎo)膜內(nèi)松質(zhì)骨較快成骨，并塑形皮質(zhì)化來(lái)修復(fù)長(zhǎng)段皮質(zhì)骨缺損，其關(guān)鍵技術(shù)在于誘導(dǎo)膜提供物理、生物性作用，同時(shí)，植入的自體松質(zhì)骨本身具有良好的骨誘導(dǎo)和成骨屬性。已有很多文獻(xiàn)報(bào)道了誘導(dǎo)膜技術(shù)修復(fù)骨缺損的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為其特別適合于大范圍缺骨、骨缺損伴嚴(yán)重感染及骨腫瘤術(shù)后骨缺損患者。其優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)便、并發(fā)癥少、骨愈合較快、易于被患者接受和在臨床上推廣[26]；感染率低，移植成功率高，負(fù)重時(shí)間早[27]。此外，聶鵬飛等[28]認(rèn)為在基層、邊遠(yuǎn)地區(qū)，面臨骨移植材料嚴(yán)重不足，應(yīng)用誘導(dǎo)膜技術(shù)可早期對(duì)外科植入灶進(jìn)行處理，消除不利的病理因素，有利于二期手術(shù)，最終啟動(dòng)成骨修復(fù)骨缺損。

Masquelet技術(shù)缺點(diǎn)是需要二次手術(shù)，而自體松質(zhì)骨難以滿(mǎn)足大段骨缺損植骨量[29]。迄今為止，誘導(dǎo)膜技術(shù)的并發(fā)癥有深部感染、骨斷端不愈合、骨連接不正、關(guān)節(jié)僵硬及應(yīng)力性骨折等，但其發(fā)生率均較低。需要指出的是，誘導(dǎo)膜技術(shù)的生物性屬性、植骨材料、如何選擇最佳隔離體在更短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)出自體膜等問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。

4 其它特殊方法

基因治療是修復(fù)骨缺損一個(gè)重要的研究方向。當(dāng)前對(duì)骨缺損基因治療的研究熱點(diǎn)主要在于對(duì)骨誘導(dǎo)因子目的基因、各種載體及靶細(xì)胞的研究，將目的基因通過(guò)體內(nèi)或體外途徑轉(zhuǎn)入靶細(xì)胞，維持骨誘導(dǎo)因子在局部持續(xù)有效地表達(dá)，從而修復(fù)骨缺損。李廣恒等[30]將 AAV-BMP-4置于小鼠股肌袋中可誘導(dǎo)大量的位骨組織取出，新鮮的植入到另外一只小鼠的顱骨缺損處，6個(gè)月后，移植的骨組織成功的修復(fù)了顱骨缺損且并沒(méi)有移植骨組織的過(guò)度生長(zhǎng)。這種犧牲部分宿主骨骼肌來(lái)產(chǎn)生骨組織，待骨組織成熟后修復(fù)異位骨缺損是修復(fù)骨缺損一種很新穎的思考方向。該方法與傳統(tǒng)的體外骨組織工程的方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要干細(xì)胞分選，沒(méi)有骨組織過(guò)度生長(zhǎng)的并發(fā)癥，比較適用于臨床上需要大量骨量的患者。與此同時(shí)，一些治療骨缺損的方法如 Ilizarov技術(shù)、體內(nèi)負(fù)壓技術(shù)、低頻振動(dòng)、電磁刺激治療、局部自體骨髓移植等也在不斷發(fā)展和完善。雖然有些方法僅僅處于起步階段，但是都是值得繼續(xù)探索的研究方向。

5 結(jié)論與展望

骨缺損在骨科臨床中屬常見(jiàn)病，現(xiàn)有的骨重建技術(shù)普遍存在操作復(fù)雜、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、骨愈合時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)重時(shí)間晚、愈合率低、耐受性差及并發(fā)癥多等問(wèn)題。對(duì)于較大范圍骨缺損，骨搬運(yùn)技術(shù)治療康復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，可能出現(xiàn)關(guān)節(jié)僵硬等問(wèn)題[31]，大段骨缺損的重建仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，選擇合適的骨替代物成為必然。在以上方法中，自體骨移植是傳統(tǒng)的也是最常用的治療手段，臨床效果確實(shí)可靠，但應(yīng)用受到了諸多限制；異種骨移植中植骨免疫與成骨誘導(dǎo)的相互關(guān)系等問(wèn)題需要繼續(xù)深入探索和研究；雖然各種人工骨未能完全達(dá)到理想骨材料的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，而且和自體骨相比仍有一定的不足和缺陷，人工骨依然具有良好的治療效果，而且隨著各種高科技高工藝與迅猛發(fā)展的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)相結(jié)合，人工骨會(huì)凸顯更大的優(yōu)點(diǎn)，尤其是利用組織工程技術(shù)研制出的組織化人工骨所具有的諸多優(yōu)勢(shì)是移植骨所無(wú)法比擬的。骨組織工程的興起為骨缺損，特別是大段骨缺損的治療帶來(lái)新希望。目前使用組織工程技術(shù)修復(fù)骨缺損在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和部分臨床研究中均獲得了較滿(mǎn)意的效果，但距臨床上推廣應(yīng)用尚有一定距離。因此，現(xiàn)今的研究重點(diǎn)將是不斷的研制各種理想骨材料并不斷的發(fā)展骨組織工程，探索綜合運(yùn)用各種新技術(shù)新方法修復(fù)骨缺損，這也必將為今后骨缺損的修復(fù)開(kāi)辟?gòu)V闊的發(fā)展前景。

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