王哲，李毅，趙旭，倪世磊，盧金金，楊亞蘭

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院兒童口腔科,長春 130021； 2.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130021)

羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAp)，化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，是一種天然礦物質(zhì)，是脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分[1]。HAp微球因具有優(yōu)良的孔隙度、較大的比表面積、穩(wěn)定的機(jī)械性能而被廣泛用于細(xì)胞學(xué)、免疫學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)等眾多領(lǐng)域的診斷和治療。由于HAp具有骨誘導(dǎo)性，常用于骨組織再生工程，是較為理想的替代牙齒或骨骼的新素材。HAp納米顆粒的生物降解時(shí)間較長，這一特性對控制藥物釋放動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。HAp控制的局部給藥通過降低血液中藥物的濃度，降低藥物對其他器官的毒性，且可將藥物濃度控制在既不達(dá)到毒性水平，又不低于最低有效濃度的范圍，避免重復(fù)用藥。故HAp可作為支架材料負(fù)載藥物分子、蛋白、生物活性因子，廣泛應(yīng)用于緩釋系統(tǒng)。但因HAp自身力學(xué)性能的制約存在強(qiáng)度低、韌性差和不易成型等缺點(diǎn)，為改進(jìn)HAp弱點(diǎn)，解決HAp微球在應(yīng)用過程中存在的問題，可采用表面改性或包覆、摻雜以及將HAp分散在其他基體中等措施對HAp微球進(jìn)行功能化修飾，可優(yōu)化其性能、擴(kuò)大應(yīng)用范圍[2]。

目前能與HAp復(fù)合的材料包括金屬、非金屬、稀土元素、無機(jī)化合物、天然高分子材料以及人工高分子材料等幾大類?，F(xiàn)就近年來與HAp微球復(fù)合及改性材料的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，為制備出更符合臨床需求的HAp復(fù)合微球提供理論依據(jù)，使其能更好地應(yīng)用于骨組織及牙再生工程。

1 HAp微球摻雜金屬元素

摻雜是材料改性的重要手段之一，通過在某種材料或基質(zhì)中摻入少量其他元素，從而改善材料或物質(zhì)的性能，使其具有特定的價(jià)值或用途。通過摻雜對HAp微球進(jìn)行改性，可以克服單一組分的HAp作為植入材料的不足，如抗菌性能、骨誘導(dǎo)能力等，進(jìn)而增強(qiáng)抑菌功能，促進(jìn)骨組織修復(fù)，減少抗炎藥物的使用，提高新生骨的形成速度等。

1.1HAp摻鋅 鋅是人體內(nèi)的一種金屬元素，對骨骼結(jié)構(gòu)和新陳代謝至關(guān)重要。鋅對骨生長和礦化有刺激作用，通過抑制破骨細(xì)胞的活性和刺激堿性磷酸酯酶的活性減少骨再吸收。鋅通過促進(jìn)細(xì)胞增殖、成骨相關(guān)基因表達(dá)以及細(xì)胞外基質(zhì)合成，促進(jìn)骨形成和成骨反應(yīng)[3]。Yu等[4]以磷酸鹽作為有機(jī)磷源，通過微波-水熱法合成鋅摻雜介孔HAp微球。由結(jié)構(gòu)單元為HAp納米片組成的鋅摻雜介孔HAp微球顯示出分級的中孔空心結(jié)構(gòu)和高比表面積，其保持了HAp的特性，有利于遞送藥物，同時(shí)又在HAp支架中引入微量元素提高了骨誘導(dǎo)潛力，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、成骨相關(guān)基因表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)骨再生，摻鋅的復(fù)合微球可應(yīng)用于骨組織工程[4]。

1.2HAp摻鍶 生物材料摻入鍶可提高骨再生潛能。Henriques Louren?o等[5]制備了直徑為500 μm的摻雜鍶的HAp微球用于大鼠干骺端股骨臨界尺寸缺損的治療，結(jié)果顯示干骺端股骨中心和邊緣骨形成增加，且鍶可刺激更多的細(xì)胞定植，缺損中心厚膠原纖維沉積增加。鍶離子的持續(xù)釋放支持人間充質(zhì)干細(xì)胞黏附、存活和成骨分化，并抑制破骨細(xì)胞分化和活性。鍶的加入改善了骨誘導(dǎo)性能，提高了骨再生[5]。應(yīng)用摻雜鍶的材料是一種通過微創(chuàng)手術(shù)實(shí)現(xiàn)骨再生的有效方法。

1.3HAp摻鐵 選擇性摻雜二價(jià)和三價(jià)鐵離子(Fe2+/Fe3+)可賦予納米HAp(FeHAp)固有的超順磁性，并增強(qiáng)成骨特性[6]。生物活性磁性材料通過按需釋放生物活性因子或直接磁刺激指導(dǎo)骨再生過程。磁性生物材料的主要優(yōu)勢是增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞的黏附和分化，通過磁場促進(jìn)骨組織再生[7-8]。Fernandes Patrício等[9]制備了有功能化表面的新型雜化超順磁性微球，其骨樣組合物具有細(xì)胞相容性和成骨特性，此磁性雜化微球可作為生物活性藥物遞送系統(tǒng)。

2 HAp-非金屬元素復(fù)合微球

2.1碳HAp 碳HAp是天然骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分，相應(yīng)的合成材料由于具有良好的生物相容性、生物活性和無毒性而被作為骨和牙齒的填充材料。Wang等[10]利用天冬氨酸和十二烷基硫酸鈉作為空心模板，在大氣壓和相對低溫(50 ℃)下采用一步仿生法合成中空碳HAp微球。中空碳HAp微球直徑為2～4 μm，具有中空結(jié)構(gòu)，由短針納米顆粒構(gòu)成，具有高載藥量和緩釋性的特點(diǎn)[10]。與碳HAp相比，中空碳HAp載辛伐他汀的緩釋時(shí)間可達(dá)1 100 h，具有很強(qiáng)的藥物遞送應(yīng)用潛力[10]。

2.2氟HAp 天然牙齒中HAp的存在形式為氟取代的HAp。氟HAp的熱力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于純HAp，在預(yù)防齲齒方面有重要作用。除了高穩(wěn)定性外，氟HAp還具有優(yōu)異的生物相容性[11]。氟HAp可作為骨和牙齒替代材料。在口腔環(huán)境中，牙齒不斷被細(xì)菌代謝的酸性產(chǎn)物或酸性食物侵蝕，因此牙齒替代材料的低溶解度和良好的耐酸性非常重要，以保護(hù)其不被腐蝕。岳雪濤等[11]采用納米HAp粉體為原料，在醋酸鈉緩沖液中制備氟HAp微球，通過調(diào)節(jié)緩沖液的pH值，改變微球樣貌，得到氟HAp的空心結(jié)構(gòu)、空心有核結(jié)構(gòu)以及實(shí)心球結(jié)構(gòu)。制備的氟HAp微球大小較為均勻，結(jié)構(gòu)可控，可作為藥物緩釋載體材料及牙齒替代材料。

2.3硅HAp 硅是骨骼和軟骨形成的基本元素，存在于骨骼生長過程中成骨活性最高的區(qū)域。該元素對于細(xì)胞外基質(zhì)中糖胺聚糖的正常合成必不可少。具有生物活性的硅酸鹽會上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)，兩者均參與血管和骨骼的形成。現(xiàn)已證明，硅在HAp中進(jìn)行少量的離子取代對熱穩(wěn)定性、溶解度、破骨和成骨反應(yīng)有顯著影響[12]。因此，硅取代的HAp的生物活性高于HAp，可延緩破骨細(xì)胞樣細(xì)胞的分化，降低其吸收活性而不影響細(xì)胞活力[12]。Casarrubios等[13]證明，硅取代的HAp的納米結(jié)晶度會影響骨細(xì)胞/生物材料界面，通過失去細(xì)胞錨定，延遲早期破骨細(xì)胞樣細(xì)胞分化，并降低這種細(xì)胞類型的吸收活性，誘導(dǎo)骨細(xì)胞凋亡。破骨細(xì)胞作為主要的骨吸收細(xì)胞參與了骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病。

2.4硒HAp 硒是一種具有多種生物學(xué)效應(yīng)的微量元素，尤其是在骨骼重塑和生長方面，其對多種類型的腫瘤也具有很強(qiáng)的抗癌活性。王艷華等[14]利用碳酸鈣作為處理模板，通過共沉淀聯(lián)合水熱法，制備了硒元素?fù)诫sHAp微球。硒HAp給藥系統(tǒng)具有高載荷效率、可持續(xù)釋放、低血毒和抑制腫瘤細(xì)胞生長等特點(diǎn)[14]，其作為新型微載體可應(yīng)用于骨再生工程，也可用于骨關(guān)節(jié)炎和骨肉瘤的治療。

3 天然高分子聚合物復(fù)合HAp微球

針對HAp微球本身脆性、剛度限制以及降解速率慢、釋藥突釋等缺陷，將HAp分散在可降解聚合物的基體中，形成HAp/生物聚合物復(fù)合微球，既改善了HAp微球的機(jī)械性、加速HAp在體內(nèi)的降解，還可以延緩單純HAp微球作為載體時(shí)的藥物突釋現(xiàn)象[15-17]。因此，一種能將HAp和生物聚合物結(jié)合起來模擬真實(shí)骨結(jié)構(gòu)的復(fù)合體系在骨組織工程中具有一定的應(yīng)用前景。

3.1殼聚糖HAp 由于殼聚糖具有生物相容性、生物降解性、骨傳導(dǎo)能力、較小的異物反應(yīng)和固有抗菌性質(zhì)等特點(diǎn)，基于殼聚糖的生物材料被應(yīng)用于骨組織工程中。Yao等[18]制備了由中空HAp和殼聚糖組成的復(fù)合支架治療兔橈骨臨界尺寸缺損，評價(jià)殼聚糖HAp作為控制釋放重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2載體的能力。殼聚糖不僅能像黏合劑一樣將HAp微球結(jié)合在一起，使其保持在植入位置，而且能有效改善重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的釋放行為。體外釋放曲線證實(shí)，此復(fù)合支架顯著減少了重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的初始突釋，延長釋放時(shí)間達(dá)60 d[18]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，負(fù)載重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的中空殼聚糖HAp支架組的新骨形成速率高于陰性對照組和負(fù)載重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的CS組[18]。

3.2膠原蛋白HAp 天然骨組織主要由HAp和膠原蛋白組成，膠原蛋白HAp復(fù)合材料是前景良好的骨植入物的替代材料，其適用性和功效在很大程度上取決于材料的結(jié)構(gòu)特征，如孔隙率、孔徑、表面積、材料強(qiáng)度、降解性質(zhì)和生物相容性[19]。膠原蛋白由于具有生物相容性、膠原支架的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的可控性、細(xì)胞附著配體的天然存在、通過交聯(lián)反應(yīng)可改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和降解性能等優(yōu)點(diǎn)，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20]。膠原蛋白本身不具有天然的骨誘導(dǎo)作用，抗壓強(qiáng)度較低。膠原蛋白復(fù)合HAp改善了膠原蛋白的機(jī)械性能，并提供了骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)作用，可應(yīng)用于骨再生[21]。Cholas等[19]采用噴霧干燥法制備了HAp微球，并通過控制凍干法制備了由膠原蛋白和HAp微球組成的多孔復(fù)合支架。膠原蛋白HAp復(fù)合材料通過促進(jìn)細(xì)胞黏附、遷移和血管化以及成骨細(xì)胞分化，為骨再生提供了合適的細(xì)胞微環(huán)境。具有介孔結(jié)構(gòu)的微球?yàn)榈鞍踪|(zhì)吸附和細(xì)胞附著提供了較高的比表面積，當(dāng)與具有可調(diào)節(jié)大孔的聚合物支架結(jié)合時(shí)，可為細(xì)胞浸潤、分化和骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成提供理想環(huán)境。

4 合成高分子聚合物復(fù)合HAp微球

4.1聚氨酯HAp 聚氨酯是一種合成的多功能聚合物，因其優(yōu)異的機(jī)械性能、高生物相容性而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中。聚氨酯支架在皮下、心血管和骨組織工程中支持細(xì)胞浸潤和新組織形成，且最終可生物降解為無細(xì)胞毒性的產(chǎn)物[22]。賴欣等[23]采用自乳化法制備了陰、陽離子聚氨酯/HAp復(fù)合微球，在靜電力作用下進(jìn)行自組裝，微球成球性好，粒度分布均勻，分散性良好，組裝材料的彈性模量增強(qiáng)，并具有良好的黏彈性和一定的可注射性。該自組裝凝膠體系具有優(yōu)良的細(xì)胞相容性，可應(yīng)用于骨缺損微創(chuàng)治療領(lǐng)域。

4.2聚乳酸HAp 聚乳酸不僅具有良好的細(xì)胞相容性和生物降解性，且具有相對優(yōu)異的力學(xué)性能，是骨組織工程材料的理想選擇[24]。Xiao等[25]先采用火焰干燥法制備了中空HAp微球，然后采用熱誘導(dǎo)相分離技術(shù)，采用不同比例的聚乳酸/HAp制備多孔復(fù)合支架，HAp微球被隨機(jī)地結(jié)合到聚乳酸多孔支架中。聚乳酸/HAp復(fù)合支架的抗壓強(qiáng)度也隨支架中HAp的增加而提高。此外，聚乳酸/HAp復(fù)合支架能改善成骨細(xì)胞的黏附、遷移和分化[25]。聚乳酸和HAp復(fù)合支架具有良好的性能，適合應(yīng)用于骨組織工程。

4.3聚己內(nèi)酯HAp 聚己內(nèi)酯是一種半結(jié)晶脂族聚酯，生物相容好且可生物降解，并具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，其已被用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的藥物釋放系統(tǒng)[26]。Du等[27]應(yīng)用聚己內(nèi)酯和HAp合成均勻的微球，再通過激光燒結(jié)構(gòu)建具有均勻多尺度孔隙度、中等機(jī)械性能以及良好生物相容性的三維骨支架。基于微球的三維支架不僅可以操縱多種干細(xì)胞行為，包括促進(jìn)細(xì)胞黏附、支持細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)體外細(xì)胞分化，而且還具有優(yōu)異的組織相容性并誘導(dǎo)新血管形成，可作為仿生骨材料應(yīng)用于骨再生工程[27]。

4.4聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp 聚乳酸羥基乙酸共聚物作為載體和組織工程的支架在藥物遞送中具有巨大潛力，其突出特征包括：①生物相容性和生物降解性；②可作為藥物輸送系統(tǒng)；③可控的持續(xù)釋放性能；④可進(jìn)行表面改性；⑤保護(hù)藥物免于降解；⑦根據(jù)藥物的不同類型，如親水性或疏水性，有不同的制備和合成方法；⑧可靶向特定器官或細(xì)胞[28]。

Lin等[29]采用水包油單乳劑制備了載5-氟尿嘧啶的聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球。通過加入高特性黏度的聚乳酸羥基乙酸共聚物，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合微球中5-氟尿嘧啶的高包封率。聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球中的HAp限制了初始釋藥，5-氟尿嘧啶的線性緩釋曲線長達(dá)35 d[29]。聚乳酸羥基乙酸共聚物HAp微球作為藥物遞送系統(tǒng)中的載體通過控制5-氟尿嘧啶的釋放，抑制細(xì)胞生長，可用于癌癥的治療[29]。

5 三種及以上復(fù)合型HAp微球

為使復(fù)合微球獲得更佳的生物學(xué)性能，有時(shí)一種物質(zhì)無法滿足臨床需求，常摻雜兩種或多種物質(zhì)。Bi等[30]用乳液交聯(lián)技術(shù)制備了HAp/海藻酸鈉/殼聚糖復(fù)合微球，由于HAp/海藻酸鈉/殼聚糖復(fù)合微球的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和粗糙表面改善了負(fù)載藥物的數(shù)量，其載藥量和包封率高于HAp納米粒子。此外，制備的復(fù)合微球因殼聚糖的加入而較HAp納米顆粒和HAp/海藻酸鈉復(fù)合微球顯示出更佳的細(xì)胞黏附和促增殖能力[30]。

由于HAp和Ⅰ型膠原蛋白是天然骨的主要成分，為模擬骨小梁的結(jié)構(gòu)，Yu等[4]通過將鋅HAp結(jié)合到膠原基質(zhì)中構(gòu)建新型仿生鋅HAp/膠原蛋白復(fù)合支架。而鋅賦予了該支架成骨能力，改善了骨誘導(dǎo)潛力，與膠原蛋白和HAp/膠原蛋白支架比較，鋅HAp/膠原蛋白支架增強(qiáng)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，加快了骨的形成和愈合。兩種材料的加入使該復(fù)合支架獲得更多的性能。良好的機(jī)械性能和高的骨傳導(dǎo)性能使HAp在骨再生的早期階段就能很好地與周圍骨融合，并引導(dǎo)組織在支架內(nèi)生長。膠原蛋白具有生物網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，其有利于細(xì)胞攀附。兩者的結(jié)合對于刺激形成人體天然骨骼非常重要[31]。

6 結(jié) 語

HAp微球的應(yīng)用雖已取得較大進(jìn)展，但微球本身不具備多功能特性，需要額外對其進(jìn)行改性或修飾處理。功能化途徑：①HAp微球摻雜金屬或非金屬單質(zhì)，使其獲得摻雜元素所具備的特定功效；②對HAp微球進(jìn)行表面修飾或包裹，延長藥物緩釋時(shí)間；③將HAp微球分散在其他材料中改進(jìn)HAp微球的應(yīng)用途徑等。為了滿足生物學(xué)應(yīng)用需求，使HAp微球作為載體或支架材料用于構(gòu)建緩釋系統(tǒng)，今后研究的重點(diǎn)是對HAp微球進(jìn)行功能化修飾，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。HAp微球與各種材料復(fù)合在骨組織再生工程以及牙再生工程中有潛在的應(yīng)用價(jià)值，將對人類骨骼以及牙齒的健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。