李東晨 李忠 馬騰 路遙 黃強(qiáng) 許毅博
骨缺損在臨床上常由于感染、骨質(zhì)疏松、嚴(yán)重創(chuàng)傷、惡性腫瘤或先天性遺傳疾病等所致[1],其病程遷延難愈,復(fù)發(fā)率高,患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重,治療過(guò)程中也往往伴有各種并發(fā)癥和功能障礙,嚴(yán)重影響患者的身心健康和生活質(zhì)量,很多患者因病致貧。研究發(fā)現(xiàn),一般小型楔形的骨缺損可以通過(guò)自身一期或二期愈合來(lái)達(dá)到缺損的愈合,然而當(dāng)缺損較大(超過(guò)4 ~ 6 cm)或有節(jié)段性缺損時(shí),則無(wú)法通過(guò)自身修復(fù)而愈合,往往需要通過(guò)骨移植等手段來(lái)修復(fù)缺損[2]。常用的骨移植材料有自體骨、同種異體骨、異種異體骨及人工骨等。目前,自體骨植骨是修復(fù)骨缺損的“金標(biāo)準(zhǔn)”[3],但常因供區(qū)提供的骨量有限,并且易發(fā)生供區(qū)疼痛、感染、血腫、神經(jīng)損傷及形成新的骨缺損等而導(dǎo)致其治療有著一定的局限性。異體材料(包括同種異體骨、異種異體骨)雖然消除了自體骨移植造成的一系列并發(fā)癥,但也存在著組織相容性差、對(duì)供區(qū)血供要求高等因素[4],使之在臨床上運(yùn)用受到限制。人工骨來(lái)源廣泛、種類多樣、制備簡(jiǎn)易、生物降解性高(部分人工骨材料),可與成骨細(xì)胞、細(xì)胞因子等制備成復(fù)合人工骨材料,在臨床上備受青睞。硫酸鈣(calcium sulfate,CS)作為最常見的一種人工骨材料,在臨床中的使用可以追溯到19 世紀(jì)末,首次被Dreesman 應(yīng)用于治療結(jié)核引起的骨缺損[5]。由于其具有生物相容性好、生物可吸收降解性高、機(jī)械性能好、制備成本相對(duì)低廉、原材料來(lái)源豐富等優(yōu)勢(shì)[6],被廣泛地應(yīng)用于骨科和牙科等領(lǐng)域,本文就近年來(lái)以硫酸鈣為基礎(chǔ)的人工骨植骨材料的研究進(jìn)展作一綜述。
硫酸鈣又稱巴黎石膏[7](poster of Paris,POP),存在3種形式:①二水硫酸鈣(calcium sulfate dihydrate,CSD),又稱作生石膏,是其在自然界中主要的存在形式;②半水硫酸鈣(calcium sulfate hemihydrate,CSH),俗稱熟石膏,因其優(yōu)秀的生物相容性、骨傳導(dǎo)性,以及體內(nèi)降解可吸收性等優(yōu)勢(shì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用到骨修復(fù)中[8];③無(wú)水硫酸鈣(calcium sulfate anhydrite,CSA)也稱之為硬石膏,主要用作建筑、化工原料。二水硫酸鈣在150℃條件下煅燒,會(huì)失去1.5個(gè)水分子,形成半水硫酸鈣,反應(yīng)如下:
半水硫酸鈣存在著α 和β 兩種結(jié)構(gòu),α-半水硫酸鈣(α-calcium sulfate hemihydrate,α-CSH)在結(jié)構(gòu)上為有序的棒狀或棱柱晶體,而β-半水硫酸鈣則是由無(wú)規(guī)則的具有毛細(xì)小孔的晶體聚集而成,并且由于二者不同的顆粒特性,前者相較于后者凝固所需的水更少,并且其形成的二水化合物的抗壓強(qiáng)度更高且更難溶[9],因此,醫(yī)學(xué)上硫酸鈣材料常為α-半水硫酸鈣。半水硫酸鈣與1.5個(gè)水分子結(jié)合水化后,形成二水硫酸鈣并釋放一定的熱量,反應(yīng)如下:
良好的生物相容性是材料作為植入物的必要條件,植入宿主體內(nèi)后不會(huì)引起明顯的宿主反應(yīng)才能后續(xù)考慮此材料的其他方面性能表現(xiàn)。硫酸鈣材料作為一種在臨床應(yīng)用歷史悠久的骨移植材料,其良好的生物相容性與可降解性已在臨床上中被廣泛證實(shí)[10],但其材料自身缺乏骨誘導(dǎo)性,制約了硫酸鈣材料的發(fā)展與臨床應(yīng)用。也有部分研究發(fā)現(xiàn),盡管硫酸鈣自身不具備誘導(dǎo)性,但其在植入宿主局部降解形成的高鈣和低pH環(huán)境中可能會(huì)刺激成骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成骨,同時(shí)硫酸鈣在缺損部位的填充起到了支架作用,進(jìn)一步促進(jìn)骨的礦化過(guò)程,這可能是硫酸鈣促成骨的機(jī)制[11]。
硫酸鈣盡管作為人工骨材料在臨床上應(yīng)用已久,但由于其過(guò)快的降解速率,而導(dǎo)致在新骨形成之前發(fā)生材料實(shí)質(zhì)性的降解[12],使硫酸鈣在臨床上的應(yīng)用受到限制。近些年來(lái),有研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)將硫酸鈣與天然高分子材料復(fù)合,可以調(diào)節(jié)其降解過(guò)快的問(wèn)題。天然高分子材料包括殼聚糖、絲素蛋白及透明質(zhì)酸等。Chen等[13]研究了一種新型的復(fù)合骨替代物,即以摻鍶的α-半水合硫酸鈣為基質(zhì),殼聚糖作為包覆材料制備成微膠囊,結(jié)果表明通過(guò)殼聚糖的包覆,使其具有了獨(dú)特的抗菌性,并且有效調(diào)節(jié)了摻鍶的α-半水合硫酸鈣的降解速率,使其與新骨形成的速率更好地匹配,另外通過(guò)體內(nèi)體外生物相容性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),此膠囊還具有細(xì)胞毒性低、不易誘發(fā)炎癥等特點(diǎn)。Xu等[14]通過(guò)對(duì)硫酸鈣骨水泥引入不同類型的絲素蛋白,與單純硫酸鈣骨水泥組對(duì)照發(fā)現(xiàn),引入絲素蛋白的硫酸鈣骨水泥的機(jī)械性能得到了增強(qiáng),縮短了骨水泥的凝固時(shí)間,其中以納米纖維絲素蛋白(silk fibroin nanofibers,SFF)的改進(jìn)效果最好,由于SFF 可以均勻地分散在水中,使得鈣離子和蠶絲纖維的有機(jī)官能團(tuán)的羧基與羰基末端互相作用、吸引,從而提高了復(fù)合硫酸鈣材料的抗壓強(qiáng)度,并且SFF 中的諸多極性基團(tuán)加快了水分子的結(jié)合,使得骨水泥的凝固時(shí)間得到了加速。同時(shí)通過(guò)在復(fù)合材料上培養(yǎng)小鼠MC3T3細(xì)胞并通過(guò)光密度值評(píng)估細(xì)胞成活數(shù),發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料上的細(xì)胞生長(zhǎng)增殖情況良好,證明了引入SFF 后并未導(dǎo)致硫酸鈣材料的生物相容性發(fā)生明顯降低。
羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)由于其與人體骨骼的無(wú)機(jī)成分相似,具有優(yōu)異的生物學(xué)特性及良好的骨傳導(dǎo)性,在牙科和骨科的骨重建中使用較廣泛[15],當(dāng)以微球的形式制備時(shí)作為骨移植材料效果最佳,HA 的球形顆粒和小尺寸使微球能夠均勻地填充到復(fù)雜形狀的缺損中而不會(huì)發(fā)生顆粒團(tuán)聚[16]。然而通過(guò)HA 微球輸送生長(zhǎng)因子等物質(zhì)時(shí)依舊還是存在著輸送速度過(guò)慢、釋放總量相較于總運(yùn)載量過(guò)低等問(wèn)題[17]。Baek等[18]研究將棒狀硫酸鈣晶體嵌入負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)的HA微球內(nèi),隨著硫酸鈣在生理?xiàng)l件下逐漸溶解,使得HA微球的孔徑和孔隙率得到了增加,從而改善了HA微球材料釋放BMP-2的總量和速率,進(jìn)而提高了運(yùn)載BMP-2的HA微球材料刺激骨再生的能力,與HA 微球材料相比,羥基磷灰石-二水硫酸鈣(hydroxyapatite-calcium sulfate dihydrate,HA-CSD)微球的運(yùn)載、釋放BMP-2 的能力得到了大幅度增強(qiáng)。Chen 等[19]運(yùn)用3D 打印技術(shù)制備均一孔隙率的羥基磷灰石-硫酸鈣(hydroxyapatite-calcium sulfate,HA-CS)生物支架,通過(guò)對(duì)比HA 與HA-CS 支架在模擬體液中的降解情況,發(fā)現(xiàn)HACS 支架在機(jī)械強(qiáng)度和生物降解性方面表現(xiàn)更加優(yōu)異,同時(shí)將運(yùn)載血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的HA-CS 支架用于修復(fù)兔股骨骨缺損,結(jié)果表明HA-CS/VEGF支架相較于HA 支架具有更好的骨誘導(dǎo)特性,能更好地促進(jìn)骨的再生和改建。Xu等[20]將磷酸鈣引入硫酸鈣骨水泥中,制備了一種復(fù)合的硫酸鈣骨水泥,隨著磷酸鈣含量的不斷增加,復(fù)合骨水泥的凝固時(shí)間不斷延長(zhǎng),力學(xué)強(qiáng)度則表現(xiàn)為先上升后下降,過(guò)高含量的磷酸鈣會(huì)影響α-半水硫酸鈣(α-CSH)向二水硫酸鈣(CSD)的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而降低硫酸鈣的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)磷酸鈣的濃度為5%時(shí),硫酸鈣復(fù)合材料的凝固時(shí)間和力學(xué)強(qiáng)度最為適宜,不會(huì)因?yàn)檫^(guò)短的凝固時(shí)間而影響臨床操作或是過(guò)長(zhǎng)的凝固時(shí)間而暴露在空氣中造成感染。
生物活性玻璃(bioactive glass,BG)是一種由特定成分組成的硅酸鹽系統(tǒng),通常含有SiO2、Na2O、CaO和P2O5等。當(dāng)其在體外或體內(nèi)接觸到生物流體時(shí),可在玻璃表面沉積一層類骨磷灰石結(jié)構(gòu),并能與骨穩(wěn)定結(jié)合。有研究表明,生物活性玻璃為成骨細(xì)胞的定植和增殖提供了理想的環(huán)境[21]。Ma等[22]制備一種由硅酸鹽、生物活性玻璃及硫酸鈣組成的復(fù)合骨水泥,由于生物活性玻璃的加入,使骨水泥的凝固時(shí)間得到了調(diào)控,接近于推薦的臨床標(biāo)準(zhǔn)固化時(shí)間(15 min)[23],材料也因?yàn)樯锊AУ募尤胧沟闷淇箟簭?qiáng)度獲得了提升,固化1 h后達(dá)到了10 MPa以上,7 d后逐漸增加到40 MPa,遠(yuǎn)高于人體松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度(2 ~ 12 MPa)。此外,復(fù)合后的骨水泥在較短時(shí)間內(nèi)也具有良好的可注射性,因此這種復(fù)合骨水泥在未來(lái)臨床手術(shù)中的使用可能會(huì)更多地作為一種自固化的材料。
硫酸鈣材料常通過(guò)與不同的金屬材料結(jié)合來(lái)提高其自身的力學(xué)強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)能力,如低劑量銅對(duì)新生血管有促進(jìn)作用,從而促使骨的再生和修復(fù)[24]。Huang 等[25]將銅摻入硫酸鈣材料中,通過(guò)與單純硫酸鈣材料對(duì)比發(fā)現(xiàn),添加有銅的硫酸鈣材料在力學(xué)抗壓強(qiáng)度方面提升了近1 倍,在Sprague-Dawley大鼠體內(nèi)制造脛骨近端直徑3 mm×5 mm長(zhǎng)的缺損,然后將含銅和不含銅的兩種硫酸鈣材料植入大鼠體內(nèi)6 周后,經(jīng)過(guò)顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描(Micro-CT)和脛骨標(biāo)本切片檢測(cè)CD31 分子后發(fā)現(xiàn),含銅的硫酸鈣材料的新生血管能力明顯好于單純硫酸鈣組,骨缺損的范圍也明顯縮小,在一定程度上說(shuō)明了銅與硫酸鈣的結(jié)合改進(jìn)了硫酸鈣材料的物理強(qiáng)度和生物學(xué)性能。
在稀土金屬元素含量中最為豐富的鈰因其豐富的生物學(xué)效應(yīng)而被廣泛研究,根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),金屬鈰元素可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)的增殖、遷移和分化[26]。Xiang等[27]將納米氧化鈰(cerium oxide nanoparticles,nCeO2)與半水硫酸鈣(CSH)進(jìn)行復(fù)合,制得含納米氧化鈰的半水硫酸鈣(Ce-calcium sulfate hemihydrate,Ce-CSH)復(fù)合材料,經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該復(fù)合材料具有激活BMSCs增殖、遷移和成骨分化的能力。此外,將5%CeO2的Ce-CSH復(fù)合材料在大鼠臨界缺損模型體內(nèi)植入4 周后,通過(guò)Micro-CT 和組織學(xué)分析表明,nCeO2的加入延緩了CSH的降解速率,并且其抗壓強(qiáng)度并未受到明顯影響。同時(shí),通過(guò)與Ce 未復(fù)合的單純CSH 組對(duì)比發(fā)現(xiàn)在骨缺損的邊界周圍有著新骨的形成,表明Ce-CSH 材料在體內(nèi)放置的周圍可能也存在著招募BMSCs、促進(jìn)成骨和新骨形成的能力。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),鋅具有促進(jìn)成骨細(xì)胞骨化、抑制破骨細(xì)胞的作用[28],Krell等[29]通過(guò)將鋅引入硫酸鈣載體,延遲了鋅在局部骨缺損部位釋放的速度,降低了其所需的有效劑量。Yang等[30]在硫酸鈣骨水泥中摻入鍶,發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)其材料誘導(dǎo)骨再生的能力,促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和新骨的形成。
金屬銀是一種常見的廣譜抗菌材料[31],有研究發(fā)現(xiàn)銀離子通過(guò)與細(xì)菌重要呼吸代謝酶的巰基結(jié)合使其失活,并且產(chǎn)生活性氧破壞細(xì)菌細(xì)胞膜等機(jī)制達(dá)到無(wú)機(jī)金屬材料少有的抗菌效果[32],而且與其他抗生素藥物對(duì)比,其不會(huì)產(chǎn)生耐藥性[33]。氧化石墨烯(graphene oxide,GO)上具有許多如—OH、—COO等含氧官能團(tuán),它們能使GO在水中均勻分散,另外GO 具有較大的表面積,使其成為一種理想的載體,為其他材料提供諸多附著點(diǎn)[34]。成艷琪[35]通過(guò)制備氧化石墨烯-納米銀(GO-nAg)水溶液,然后將GOnAg 水溶液添加到硫酸鈣骨水泥中,復(fù)合后的硫酸鈣骨水泥與用去離子水水化的骨水泥對(duì)比發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯延長(zhǎng)了骨水泥的可注射時(shí)間,并且復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也得到了增強(qiáng),這既為日后硫酸鈣材料在臨床上的應(yīng)用延長(zhǎng)了可操作的時(shí)間,也為進(jìn)入動(dòng)物或人體內(nèi)材料的抗壓強(qiáng)度提供了力學(xué)支撐保證,納米銀的加入也為材料提供自身不具備的抗菌性能,尤其對(duì)革蘭氏陰性菌的抗菌性能更強(qiáng)。盡管硫酸鈣骨水泥添加了兩種不同的材料,但是通過(guò)XRD、SEM等表征分析表明二者的加入并未影響骨水泥的物理存在形式,同時(shí)還因GO 的加入,調(diào)整了材料在模擬體液中的代謝速度,然而人體內(nèi)部實(shí)際情況與體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境存在一定的差異性,所以還需進(jìn)一步深入探究其在體內(nèi)的結(jié)構(gòu)與性能變化。硫酸鈣通過(guò)與不同的金屬材料相結(jié)合,有助于補(bǔ)充其材料自身所不具備的性能,有望成為具有臨床前途的治療骨缺損的新型復(fù)合骨移植材料。
在應(yīng)用硫酸鈣人工骨植骨治療骨缺損時(shí),針對(duì)骨質(zhì)疏松、感染或嚴(yán)重創(chuàng)傷等不同病因[35],局部植骨區(qū)域的藥物治療也顯得至關(guān)重要,不同于全身用藥,局部治療藥物可隨著材料一同進(jìn)入缺損組織,提高局部區(qū)域的藥物濃度[36]。近來(lái)有許多研究者通過(guò)材料載藥來(lái)提高其性能,負(fù)載抗生素使材料具有抗菌性能,通過(guò)局部抗生素的釋放而有效控制骨缺損部位的感染。通過(guò)運(yùn)載有機(jī)分子,如胰島素樣生長(zhǎng)因子[37]、骨形態(tài)發(fā)生蛋白[18]等骨誘導(dǎo)因子,進(jìn)一步提高了材料的骨誘導(dǎo)能力。負(fù)載無(wú)機(jī)分子,如辛伐他汀[38]、阿司匹林[39]等藥物,促進(jìn)局部成骨細(xì)胞的增殖與分化,加快了缺損部位新骨的形成。傳統(tǒng)上,聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)一直是局部輸送抗生素和骨缺損填充的標(biāo)準(zhǔn)生物材料,但其有著不可降解的性能缺陷,在體內(nèi)無(wú)法吸收降解導(dǎo)致宿主產(chǎn)生異物反應(yīng),造成宿主產(chǎn)生繼發(fā)性的感染[40],并且后續(xù)取出后還需進(jìn)行植骨手術(shù)來(lái)恢復(fù)缺損區(qū)域的力學(xué)穩(wěn)定性。Boyle等[41]對(duì)比了磷酸鈣-硫酸鈣(calcium phosphate-calcium sulfate,CaP-CaS)復(fù)合材料和PMMA材料在大鼠骨缺損感染模型體內(nèi)的預(yù)防和治療效果,先用10%的萬(wàn)古霉素浸泡兩種材料,植入大鼠骨缺損感染模型體內(nèi)6 周后,通過(guò)細(xì)菌培養(yǎng)和組織學(xué)分析檢測(cè),結(jié)果表明CaP-CaS 復(fù)合材料與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)生物材料PMMA抗感染效果表現(xiàn)一致,均未出現(xiàn)感染的情況,同時(shí)經(jīng)過(guò)microCT 圖像計(jì)算得出的骨體積分?jǐn)?shù)(bone volume/total volume,BV/TV)與組織學(xué)切片測(cè)量骨面積和軟骨面積的結(jié)果來(lái)看,CaP-CaS 復(fù)合材料的成骨能力優(yōu)于PMMA材料。綜合比較,CaP-CaS 復(fù)合材料運(yùn)載釋放抗生素并根除感染的能力與傳統(tǒng)生物材料PMMA相當(dāng),但其擁有著更加優(yōu)異的成骨和再吸收降解能力,并且取代了傳統(tǒng)材料根除感染后再重建生物力學(xué)穩(wěn)定所需的漫長(zhǎng)愈合過(guò)程,同時(shí)還減輕了患者精神和經(jīng)濟(jì)的雙重負(fù)擔(dān)。
硫酸鈣材料自身具有良好的生物相容性、可降解性、骨傳導(dǎo)性等特性,再加上其豐富的自然資源,使其在醫(yī)療上應(yīng)用廣泛[8],然而硫酸鈣在治療骨缺損上有諸多限制,如體內(nèi)快速吸收率、較低的骨誘導(dǎo)性等。有學(xué)者制備納米硫酸鈣(nano-calcium sulfate,nCS)作為骨再生的支架,通過(guò)納米技術(shù)原理增強(qiáng)硫酸鈣的物理性能,如增大細(xì)胞生長(zhǎng)因子的可吸附面積、負(fù)載材料的控制釋放速率,以及優(yōu)良的骨傳導(dǎo)性和抗壓機(jī)械強(qiáng)度[42]。Nakagawa等[43]基于膠束介導(dǎo)的相分離原理,在表面活性劑TritonTM X-114 中,成功實(shí)現(xiàn)納米級(jí)硫酸鈣材料尺寸的可控制備,并通過(guò)添加納米銀顆粒,更有效地制備出尺寸更小的納米級(jí)硫酸鈣,與未添加銀的硫酸鈣對(duì)比,尺寸的大小精確了30 ~ 40 倍,而且通過(guò)改變混合物中銀的濃度來(lái)控制納米硫酸鈣的尺寸大小。Liu 等[44]利用納米硫酸鈣-富含血小板血漿凝膠支架負(fù)載BMP-2修飾的BMSCs,納米級(jí)的硫酸鈣有著更大的表面積,使其可以負(fù)載更多的生長(zhǎng)因子和BMSCs,并且原本血小板中許多促進(jìn)骨再生的生長(zhǎng)因子在局部骨缺損處24 h內(nèi)就會(huì)直接耗盡,然而經(jīng)過(guò)納米技術(shù)制備的硫酸鈣支架調(diào)控了其遞送速率,讓更多的生長(zhǎng)因子有足夠的時(shí)間使BMSCs進(jìn)一步得到增殖和成骨分化,促進(jìn)了局部骨的再生。
目前,傳統(tǒng)的治療方法在面對(duì)大段或節(jié)段性骨缺損存在一定的局限性,開發(fā)出性能更好的骨修復(fù)移植材料顯得尤為重要。硫酸鈣由于具有生物耐受性好、生物可吸收降解性高、制備成本相對(duì)低廉、原材料來(lái)源豐富等優(yōu)勢(shì)而被廣泛研究。然而,研究表明,硫酸鈣不具備骨誘導(dǎo)性和成骨特性。另外,在骨缺損區(qū)域,硫酸鈣的降解明顯快于骨生成。因此,提高硫酸鈣的成骨誘導(dǎo)率,延緩其降解,有望使其成為一種較好的骨缺損替代材料。為了提高骨替代物的成骨誘導(dǎo)能力,BMP-2 或VEGF 等分子被用來(lái)顯著增強(qiáng)間充質(zhì)細(xì)胞的募集和成骨分化。但由于其活性保存時(shí)間短,臨床應(yīng)用受到限制。因此,探尋安全有效的分子或者活性物質(zhì)改良硫酸鈣的骨誘導(dǎo)性及骨愈合能力是臨床面臨的亟待解決的問(wèn)題。隨著越來(lái)越多與之相關(guān)的臨床基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的開展,相關(guān)研究人員通過(guò)硫酸鈣與不同的材料或藥物復(fù)合,為新型硫酸鈣骨移植材料的開發(fā)帶來(lái)了無(wú)限可能。