蔡佩玲，程麗佳

(成都大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與護(hù)理學(xué)院，四川 成都 610106)

磷酸鈣生物陶瓷骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究進(jìn)展

蔡佩玲，程麗佳

(成都大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與護(hù)理學(xué)院，四川 成都 610106)

磷酸鈣生物陶瓷主要包括羥基磷灰石、α/β-磷酸三鈣和兩者按不同比例組成的混合物.近年來，磷酸鈣生物陶瓷已經(jīng)被大量應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上，其在牙科、整形外科和骨科等領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用價(jià)值，而其骨誘導(dǎo)機(jī)制也是研究者們一直在探索的難題.對(duì)磷酸鈣生物陶瓷骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)全面地評(píng)價(jià)，并對(duì)其下一步的研究方向進(jìn)行了討論.

生物陶瓷;羥基磷灰石;α/β－磷酸三鈣;骨誘導(dǎo)機(jī)制

0 引言

近年來，由于骨折、骨腫瘤，以及先天性骨缺損等病癥所引起的患者骨缺損情況大量發(fā)生，因此在醫(yī)學(xué)臨床上，骨移植物被大量需求，而有限的人體骨供不應(yīng)求，人工合成骨替代材料則應(yīng)運(yùn)而生，磷酸鈣(Calcium phosphate，Ca-P)生物陶瓷就是其中的代表.Ca-P生物陶瓷是一類由羥基磷灰石［HA，Ca10(PO4)6(OH)2］和 α/β-磷酸三鈣［α/β-TCP，Ca3(PO4)2］按不同比例組成的生物材料，因其綜合了HA良好的生物相容性和磷酸三鈣(TCP)優(yōu)異的生物降解性，加上其化學(xué)成分與人體硬組織的無機(jī)成分基本一致，而成為了替換或修復(fù)人體硬組織的理想材料.

關(guān)于Ca-P生物陶瓷，根據(jù)文獻(xiàn)記載，早在1920年Albee就將TCP用于修復(fù)兔子的骨缺損，隨后50多年間，Ca-P陶瓷的應(yīng)用越來越廣泛.1972年，“生物陶瓷”這個(gè)概念首次在文獻(xiàn)中被提到，而雙相磷酸鈣(Biphasic calcium phosphate，BCP)陶瓷這一術(shù)語則在1990年由Nery提出.到上世紀(jì)80年代初，Jarcho等將Ca-P陶瓷作為骨替換材料應(yīng)用于牙科臨床中，并取得了滿意效果.自此以后，關(guān)于Ca-P陶瓷或BCP陶瓷的應(yīng)用和報(bào)道層出不窮.1987年，Wilson-Hench將骨誘導(dǎo)定義為新骨組織在非骨位點(diǎn)形成的過程.隨后，在上世紀(jì)90年代，關(guān)于Ca-P生物陶瓷在動(dòng)物體內(nèi)異位成骨的現(xiàn)象先后被報(bào)道:Ripamonti等將來源于珊瑚的多孔HA植入狒狒肌肉內(nèi)，發(fā)現(xiàn)可以誘導(dǎo)骨組織形成;Zhang等同樣發(fā)現(xiàn)HA可以在狗肌肉內(nèi)誘導(dǎo)異位骨形成;同期，Yamasaki等將多孔HA植入狗的皮下，同樣也發(fā)現(xiàn)了骨誘導(dǎo)現(xiàn)象;Vagervick在猴子肌肉中也發(fā)現(xiàn)了骨誘導(dǎo)現(xiàn)象.Ca-P陶瓷骨誘導(dǎo)現(xiàn)象的機(jī)制經(jīng)過20多年的研究，特別是Zhang、Ripamonti和De Groot分別帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)做了大量工作，人們逐漸對(duì)這一奇特的現(xiàn)象有了深入認(rèn)識(shí)［1－4］.對(duì)此，本研究擬對(duì) Ca-P生物陶瓷的骨誘導(dǎo)機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)、全面地評(píng)價(jià)，并對(duì)其下一步的研究方向進(jìn)行了討論.

1 影響骨誘導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生的因素

1.1 材料性質(zhì)

研究發(fā)現(xiàn)，Ca-P陶瓷的化學(xué)成分是骨誘導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵，因?yàn)槠涑煞趾蜋C(jī)體骨組織相似.Cheng等［5］的研究表明，只要存在Ca元素，骨誘導(dǎo)現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生.但是也有研究發(fā)現(xiàn)，金屬鈦同樣能在動(dòng)物體內(nèi)誘導(dǎo)出異位骨組織［6］.由此可推測(cè)，Ca元素只是骨誘導(dǎo)發(fā)生的充分條件，而非必要條件.此外，Ca元素與P元素的比率，即HA與TCP的所占的比例不同，也會(huì)影響骨誘導(dǎo)的發(fā)生.Yuan等［7］發(fā)現(xiàn)，利用TCP修復(fù)綿羊髂骨的效果明顯較HA和BCP顯著，而Arinzeh等也發(fā)現(xiàn)，20HA/80TCP較 100HA、76HA/24TCP、63HA/37TCP、56HA/44TCP 和100TCP 能誘導(dǎo)更多的骨組織形成.另外，Ca-P陶瓷的大孔和微孔結(jié)構(gòu)對(duì)骨誘導(dǎo)的發(fā)生有重要的影響.Holmes建議最佳的大孔直徑應(yīng)在200～400 μm，而Tsurga也認(rèn)為支持異位骨形成的最佳孔徑應(yīng)為300～400 μm.研究還發(fā)現(xiàn)，小于10 μm的微孔對(duì)骨誘導(dǎo)的發(fā)生起至關(guān)重要作用，這主要是因?yàn)槲⒖卓梢栽黾硬牧系谋砻娣e以及Ca、P離子的溶解度.同時(shí)，微孔在材料內(nèi)必需是內(nèi)部連通的，這可以為血管生成提供充足的空間，從而為新生骨的營養(yǎng)輸送和廢物的排放提供通道.

1.2 制備材料工藝

目前，Ca-P陶瓷的制備工藝主要有3種:先通過濕法制備缺鈣磷灰石，再經(jīng)燒結(jié)而得;固相反應(yīng)法，即利用磷酸二氫鈣［Ca(H2PO4)2·H2O］和碳酸鈣(CaCO3)為原料，加水混合，再經(jīng)燒結(jié)來制備;直接將HA和TCP按一定比例混合而得，根據(jù)原料比例的不同，制得的陶瓷所含HA與TCP的比例也有所不同，這個(gè)比例將直接影響骨誘導(dǎo)的發(fā)生.同時(shí)，Ca-P陶瓷的孔結(jié)構(gòu)也由材料制備過程中的原料、制備方法、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間決定.其中，燒結(jié)溫度是一個(gè)較關(guān)鍵的因素，通常情況下，Ca-P陶瓷的燒結(jié)溫度在1 100℃到1 300℃之間.低于1 100℃，HA會(huì)聚集，從而丟失大量表面積和孔隙，而高于1 300℃，HA 又會(huì)變得不穩(wěn)定.Yuan等［7］研究發(fā)現(xiàn)，1 150℃高溫下煅燒的BCP較1 300℃條件下煅燒的BCP在綿羊肌肉內(nèi)能誘導(dǎo)更多的骨組織形成.研究表明，雖然Ca-P陶瓷制備工藝有所不同，但都必需滿足以下4個(gè)條件:無毒性，良好的生物相容性;高孔隙率，能為細(xì)胞生長、養(yǎng)分交換和代謝產(chǎn)物的排出提供足夠的空間;生物降解性，且其降解速率要和細(xì)胞的生長速率相匹配;機(jī)械強(qiáng)度，能夠在體內(nèi)承重.

1.3 動(dòng)物種屬

研究表明，動(dòng)物種屬是骨誘導(dǎo)發(fā)生中一個(gè)重要的因素，在常用的動(dòng)物模型中，異位骨組織通常在狒狒、猴子、綿羊、豬與狗等大動(dòng)物體內(nèi)形成，而在小動(dòng)物如兔子、大鼠或小鼠體內(nèi)很少發(fā)現(xiàn).同時(shí)，Ca-P陶瓷應(yīng)用到人體體內(nèi)修復(fù)骨缺損或牙缺損均表現(xiàn)出良好的效果［8－13］.骨誘導(dǎo)現(xiàn)象是指生物材料移植到動(dòng)物非骨位點(diǎn)誘導(dǎo)異位骨組織形成的現(xiàn)象，移植位點(diǎn)通常在肌肉內(nèi)或皮下，至今還沒有材料移植到實(shí)體器官或組織的報(bào)道.肌肉內(nèi)由于毛細(xì)血管和營養(yǎng)物質(zhì)較皮下位點(diǎn)豐富，因此異位骨組織形成的概率較皮下位點(diǎn)大［13］.此外，Klein等比較了 Ca-P陶瓷移植到狗和大鼠軟組織中的組織學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)骨組織只在狗軟組織內(nèi)形成，而在大鼠體內(nèi)沒有觀察到此現(xiàn)象;Ripamonti等將HA陶瓷植入狒狒、狗和兔子肌肉內(nèi)，比較了3種動(dòng)物體內(nèi)材料的新生骨組織量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大量的骨組織在狒狒體內(nèi)形成，少量的骨組織也在狗體內(nèi)形成.然而，卻沒有任何骨組織在兔子體內(nèi)被發(fā)現(xiàn).Yang等也比較了BCP陶瓷植入狗、豬、羊、兔子和大鼠肌肉后的新生骨組織形成情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新生骨組織只在狗和豬肌肉內(nèi)形成，而在羊、兔子和大鼠肌肉內(nèi)卻未被發(fā)現(xiàn).這些現(xiàn)象表明，骨誘導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生與動(dòng)物種屬密切相關(guān).

2 骨誘導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)制

2.1 成骨途徑

骨誘導(dǎo)現(xiàn)象是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，其發(fā)生的機(jī)制雖然至今仍不完全清楚，但研究者們正在慢慢還原骨誘導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生的細(xì)節(jié)過程.Ca-P生物材料異位骨形成方式分為軟骨內(nèi)成骨和膜內(nèi)成骨.軟骨內(nèi)成骨是指未分化的間充質(zhì)細(xì)胞受移植材料的趨化作用分化為成軟骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)形成，接著軟骨成熟、肥大、鈣化，然后血管和骨祖細(xì)胞浸入，軟骨溶解，類骨質(zhì)沉積，從而產(chǎn)生骨基質(zhì)，最終導(dǎo)致異位骨形成［14］.膜內(nèi)成骨則是移植的材料直接募集周圍組織中的間充質(zhì)細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞，從而使骨基質(zhì)沉積，促使新生骨組織形成.通常情況下，添加BMP-2等外源性因子的成骨途徑是軟骨內(nèi)成骨［15］，而未添加任何成骨因子只由材料誘導(dǎo)的成骨途徑是膜內(nèi)成骨［16］.

2.2 成骨因子

研究發(fā)現(xiàn)，Ca-P生物陶瓷在體內(nèi)外均能吸附大量成骨因子，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)、骨保護(hù)素(Osteoprotegerin，OPG)、生長分化因子(Growth differentiation factor，GDF)、腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor，TNF)、白介素(Interleukin，IL)、核因子 κB受體活化因子配體(Receptoractivatorfornuclearfactor-κB ligand，RANKL)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(Macrophage colony stimulating factor，M-CSF)、血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管生成素(Angiopoietin，Ang)、血小板衍生生長因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)、胰島素生長因子(Insulin growth factor，IGF)和成纖維細(xì)胞生長因子(Fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)等［17－21］.當(dāng) Ca-P陶瓷植入到動(dòng)物體內(nèi)后，材料吸附周圍組織中的各種成骨因子，這些成骨因子分階段地在成骨過程中發(fā)揮不同作用，最終促進(jìn)新骨組織的形成.

2.3 成骨細(xì)胞

1996年，Yang等［22］發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)血管旁的多態(tài)細(xì)胞被生物材料牽引進(jìn)而分化為成骨細(xì)胞，據(jù)此推測(cè)這些多態(tài)細(xì)胞為周細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞.其后，Yuan等［7］發(fā)現(xiàn)，骨誘導(dǎo)的發(fā)生是由生物材料表面的周細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)共同作用的結(jié)果，Ripamonti等［23］通過研究推測(cè)肌內(nèi)皮細(xì)胞可能分化為成骨細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)異位骨組織形成，Le Nihouannen等［24］研究表明生物材料移植到體內(nèi)后會(huì)釋放微小顆粒，進(jìn)而引起炎癥反應(yīng)，釋放炎癥因子促使體液循環(huán)中的干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞.此外，有研究則認(rèn)為，Ca-P陶瓷能募集周圍組織中的MSCs，并吸附BMP-2等成骨因子促使MSCs分化為成骨細(xì)胞，最終誘導(dǎo)新生骨組織形成［25］.例如，Song等［3］把雄犬的骨髓MSCs移植到雌犬骨髓中，并將BCP植入到犬背部，用熒光原位雜交(FISH)檢測(cè)植入BCP中Y染色體的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)骨髓MSCs能歸巢到非骨位點(diǎn)促進(jìn)異位骨的形成.

3 展望

Ca-P生物陶瓷骨誘導(dǎo)的發(fā)生和材料性質(zhì)、材料制備、動(dòng)物種屬、移植時(shí)間、成骨細(xì)胞及成骨環(huán)境等因素密切相關(guān).圍繞這些關(guān)鍵因素已有多種細(xì)胞起源學(xué)說被推測(cè)，但仍沒有直接證據(jù)證明骨誘導(dǎo)中成骨細(xì)胞的來源.因此，在今后的研究中，可以利用細(xì)胞標(biāo)記示蹤等方法來探討骨誘導(dǎo)的發(fā)生機(jī)制.只有在完全了解骨誘導(dǎo)機(jī)制的前提下，才能更好地將Ca-P生物陶瓷應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上，進(jìn)而治療因炎癥、創(chuàng)傷、骨腫瘤等病癥造成的骨缺損.

［1］Wang J，Zhang H，Zhu X，et al.Dynamic competitive adsorption of bone-related proteins on calcium phosphate ceramic particles with different phase composition and microstructure［J］.J Biomed Mater Res B Appl Biomater，2013，101(6):1069 －1077.

［2］Moroni L，Nandakumar A，de Groot F B，et al.Plug and play:combining materials and technologies to improve bone regenerative strategies［J］.J Tissue Eng Regen Med，2013(14):1762.

［3］Song G，Habibovic P，Bao C，et al.The homing of bone marrow MSCs to non-osseous sites for ectopic bone formation induced by osteoinductive calcium phosphate［J］.Biomaterials，2013，34(9):2167 －2176.

［4］Barradas A M，Yuan H，van Blitterswijk C A，et al.Osteoinductive biomaterials:current knowledge of properties，experimental models and biological mechanisms［J］.Eur Cell Mate，2011(21):407 －429.

［5］Cheng L，Shi Y，Ye F，et al.Osteoinduction of calcium phosphate biomaterials in small animals［J］.Mate Sci Eng C Mater Bio Appl，2013，33(3):1254 －1260.

［6］de Wild M，Schumacher R，Mayer K，et al.Bone regeneration by the osteoconductivity of porous titanium implants manufactured by selective laser melting:a histological and micro computed tomography study in the rabbit［J］.Tissue Eng，2013，19(23－24):2645－2654.

［7］Yuan H，F(xiàn)ernandes H，Habibovic P，et al.Osteoinductive ceramics as a synthetic alternative to autologous bone grafting［J］.Proc Nati Acad Sci USA，2010，107(31):13614 －13619.

［8］Geuze R E，Theyse L F，Kempen D H，et al.A differential effect of bone morphogenetic protein-2 and vascular endothelial growth factor release timing on osteogenesis at ectopic and orthotopic sites in a large-animal model［J］.Tissue Eng，2012，18(19 －20):2052 －2062.

［9］Barbieri D，Yuan H，de Groot F，et al.Influence of different polymeric gels on the ectopic bone forming ability of an osteoinductive biphasic calcium phosphate ceramic［J］.Acta Biomaterialia，2011，7(5):2007 －2014.

［10］Zhang J，Luo X，Barbieri D，et al.The size of surface microstructures as an osteogenic factor in calcium phosphate ceramics［J］.Acta Biomater，2014，10(7):3254 －3263.

［11］Metzler P，von Wilmowsky C，Zimmermann R，et al.The effect of current used bone substitution materials and platelet-rich plasma on periosteal cells by ectopic site implantation:an in-vivo pilot study［J］.J Cranio maxillo fac Surg，2012，40(5):409 －415.

［12］Wang H，Zhi W，Lu X，et al.Comparative studies on ectopic bone formation in porous hydroxyapatite scaffolds with complementary pore structures［J］.Acta Biomater，2013，9(9):8413－8421.

［13］Cheng L，Ye F，Yang R，et al.Osteoinduction of hydroxyapatite/beta-tricalcium phosphate bioceramics in mice with a fractured fibula［J］.Acta Biomater，2010，6(4):1569 －1574.

［14］Staines K A，Pollard A S，McGonnell I M，et al.Cartilage to bone transitions in health and disease［J］.J Endocrinol，2013，219(1):R1 － R12.

［15］Jung Y K，Kim G W，Park H R，et al.Role of interleukin-10 in endochondral bone formation in mice:Anabolic effect via the bone morphogenetic protein/smad pathway［J］.Arthritis Rheum，2013，65(12):3153 －3164.

［16］Percival C J，Richtsmeier J T.Angiogenesis and intramembranous osteogenesis［J］.Deve Dyn，2013，242(8):909 －922.

［17］Cui Q，Dighe A S，Irvine J N Jr.Combined angiogenic and osteogenic factor delivery for bone regenerative engineering［J］.Curr Pharm Des，2013，19(19):3374 － 3383.

［18］Xu H H，Liu S H，Guo Q F，et al.Osteogenesis induced in goat bone marrow progenitor cells by recombinant adenovirus coexpressing bone morphogenetic protein 2 and basic fibroblast growth factor［J］.Braz J Med Biol Res，2013，46(9):809－814.

［19］Wu X，Hou T，Luo F，et al.Vascular endothelial growth factor and physiological compressive loading synergistically promote bone formation of tissue-engineered bone［J］.Tissue Eng，2013，19(21 －22):2486 －2494.

［20］Al-Kharobi H，El-Gendy R，Devine D A，et al.The role of the insulin-like growth factor(IGF)axis in osteogenic and odontogenic differentiation ［J］.Cell Mol Life Sci，2014，71(8):1469－1476.

［21］Furuya Y，Inagaki A，Khan M，et al.Stimulation of bone formation in cortical bone of mice treated with a receptor activator of nuclear factor-κB ligand(RANKL)-binding peptide that possesses osteoclastogenesis inhibitory activity［J］.J Biol Chem，2013，288(8):5562 －5571.

［22］Yang Z，Yuan H，Tong W，et al.Osteogenesis in extraskeletally implanted porous calcium phosphate ceramics:Variability among different kinds of animals［J］.Biomaterials，1996，17(22):2131 －2137.

［23］Ripamonti U，Klar R M，Renton L F，et al.Synergistic induction of bone formation by Hop-1，HTG-beta3 and inhibition by zoledronate in macroporous coral-derived hydroxyapatites［J］.Biomaterials，2010，31(25):6400 －6410.

［24］Le Nihouannen D，Saffarzadeh A，Gauthier O，et al.Bone tissue formation in sheep muscles induced by a biphasic calcium phosphate ceramic and fibrin glue composite［J］.J Mater Sci Mater Med，2008，19(2):667 －675.

［25］Cheng L，Duan X，Xiang Z，et al.Ectopic bone formation cannot occur by hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate bioceramics in green fluorescent protein chimeric mice［J］.Appl Surf Sci，2012，262(1):200 －206.

Research Progress of Mechanism of Osteoinduction Induced by Calcium Phosphate Bioceramics

CAI Peiling，CHENG Lijia
(School of Basic Medical Sciences and Nursing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Calcium phosphate(Ca-P)bioceramics are mainly composed of hydroxyapatite(HA)and α/β-tricalcium phosphate(α/β-TCP)with different ratios.In recent years，Ca-P bioceramics have been widely used in clinic，which play important roles in dentistry，plastic surgery and orthopedics.The osteoinduction mechanism of Ca-P ceramics has been extensively studied.In this study，we systematically and comprehensively evaluate the research progress of osteoinduction mechanism，and discuss the directions for future research.

bioceramic;hydroxyapatite;α/β-Tricalcium phosphate;osteoinduction mechanism

R318.08;TQ174.759

A

1004－5422(2015)01－0016－04

2014－12－15.

國家自然科學(xué)基金(51402027)、四川省教育廳自然科學(xué)基金(14ZB0376)資助項(xiàng)目.

蔡佩玲(1979—)，女，博士，講師，從事鈣磷生物材料骨誘導(dǎo)機(jī)制研究.