磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用

1、www. CRTER .org中國(guó)組織工程研究 第 20 卷 第 25 期 20160617 出版Chinese Journal of Tissue Engineering ResearchJune 17, 2016 Vol.20, No.25綜述磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用引用本文：陳浩東，姚金鳳，梁志剛. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用 J.中國(guó)組織工程研究， 2016 ，20(25):3785-3792.陳浩東 1，姚金鳳 2，梁志剛 2 (1廣州醫(yī)科大學(xué)，廣東省廣州市510000 ； 2深圳市第二人民醫(yī)院，廣東省深圳市518000)DOI: 10.3969/j.issn.2095-434

2、4.2016.25.021 ORCID: 0000-0002-7124-5561（ 梁志剛 ）文章快速閱讀：磷酸鈣生物材料磷酸鈣生物材料羥基磷灰石 /磷酸三鈣 雙相陶瓷降解能力介于羥基磷灰石和磷酸三鈣之間，既 有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又可經(jīng)降解而被自體骨替代陳浩東， 男，1990 年生， 河北省望都市人，漢族， 廣州醫(yī)科大學(xué)在讀碩士， 主要從事口腔頜面外科 學(xué)研究。通訊作者：梁志剛，主任， 深圳市第二人民醫(yī)院， 廣 東省深圳市 518000中圖分類號(hào) :R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :2095-4344 (2016)25-03785-08 稿件接受： 2016-03-24文題釋義：磷酸鈣： 從

3、 1871 年 Waroneton 制得羥基磷灰石，經(jīng)過(guò)不斷研究探索，磷酸鈣的骨引導(dǎo)性已得到公認(rèn)。 磷酸鈣材料的骨誘導(dǎo)性近幾年也逐漸得到認(rèn)識(shí)， 為磷酸鈣生物陶瓷脫離生長(zhǎng)因子獨(dú)立應(yīng)用于臨床帶來(lái)了 可能性。現(xiàn)階段研究得較透徹也相對(duì)較理想的磷酸鈣材料主要有 4 種：羥基磷灰石、磷酸三鈣、無(wú)定形 磷酸鈣和羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷材料，這些材料的理化性狀和表面物理結(jié)構(gòu)差異對(duì)其成骨能力 有著明顯影響。骨誘導(dǎo)性： 指能誘導(dǎo)周圍間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨或成軟骨細(xì)胞，骨生成性指材料具有不依靠宿主細(xì)胞而自身形成新骨的能力。摘要背景： 磷酸鈣陶瓷作為自體骨的替代物材料，具有良好的生物相容性、骨引導(dǎo)性及可降解性，

4、在經(jīng)過(guò)結(jié) 構(gòu)優(yōu)化后還具備了骨誘導(dǎo)性。目的： 綜述磷酸鈣陶瓷的理化性質(zhì)及骨誘導(dǎo)性。方法： 應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索 PubMed 、 Springer 、ResearchGate 和百度學(xué)術(shù)等數(shù)據(jù)庫(kù) 2000 年 1 月至 2015 年 10 月有關(guān)磷酸鈣陶瓷的文獻(xiàn)及其引文，檢索詞為“ calcium phosphate ， osteoinduction ， tissue engineering ， scaffolds ”。結(jié)果與結(jié)論： 現(xiàn)階段研究較透徹也較理想的磷酸鈣材料主要有 4 種，包括羥基磷灰石、磷酸三鈣、無(wú)定 形磷酸鈣和羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙相陶瓷材料。羥基磷灰石具有較好的強(qiáng)度和細(xì)胞吸附能力，

5、然而其 降解能力較差。磷酸三鈣具有良好的成骨能力和降解能力，但降解速度難以與新骨生成相匹配，強(qiáng)度相 對(duì)較差。無(wú)定形磷酸鈣的溶解度較低、強(qiáng)度不足。雙相磷酸鈣陶瓷材料的降解能力介于羥基磷灰石和磷 酸三鈣之間，既有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又可經(jīng)降解而被自體骨替代，但如何進(jìn)一步改良材料的物理性狀，提 高材料短期內(nèi)的成骨速度尚需長(zhǎng)時(shí)間的探索研究。關(guān)鍵詞：生物材料；骨生物材料；磷酸鈣；骨誘導(dǎo)；生物礦化；人工骨；生物材料；綜述主題詞：磷酸鈣類；綜述；生物醫(yī)學(xué)研究；組織工程ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH3785Chen Hao-dong, Studying for m

6、aster s degree,Osteoinduction of calcium phosphate and its applicationGuangzhou Medical University, Guangzhou 510000, Guangdong Province, China1 2 2 1Chen Hao-dong , Yao Jin-feng , Liang Zhi-gang ( Guangzhou Medical University, Guangzhou 510000, 2Guangdong Province, China; the Second Hospital of She

7、nzhen, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China)AbstractCorresponding author: Liang Zhi-gang, the Second Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518000, Guangdong Province, ChinaBACKGROUND: With good biocompatibility, osteoconduction and biodegradability, calcium phosphate ceramics is considered as a subst

8、itute of autologous bone; furthermore, it also has the potentiel of osteoinduction after structure optimization.OBJECTIVE: To review the physicochemical properties of calcium phosphate ceramic and its osteoinduction.METHODS: A computer-based search of databases such as PubMed, Springer, ResearchGate

9、 and Baidu Academic was performed for articles relevant to calcium phosphate ceramics published from January 2000 to October 2015. And the keywords were “ calcium phosphate, osteoinduction, tissue engineering,scaffolds ” in English.RESULTS AND CONCLUSION:To date, there are four ideal kinds of calciu

10、m phosphate materialsincluding hydroxyapatite, tricalcium phosphate, amorphous calcium phosphate and hydroxyapatite/tricalcium phosphate biphasic ceramic material. Hydroxyapatite has better strength and cell adsorption capacity, but has poor biodegradation. Tricalcium phosphate has good abilities of

11、 osteogenesis and degradation, but its degradation rate is hard to match the new bone formation,and its strength is also relatively poor. Amorphous calcium phosphate has neither strength nor solubility. In contrast, biphasic calcium phosphate ceramics has moderate degradation rate between hydroxyapa

12、tite and tricalcium phosphate, and therefore, it either can be replaced by autologous bone after degradation or exhibits proper strength. While how to further improve the physical properties and promote osteogenesis still need much deeper research.Subject headings:Calcium Phosphates; Review; Biomedi

13、cal Research; Tissue EngineeringCite this article: Chen HD, Yao JF, Liang ZG. Osteoinduction of calcium phosphate and its application. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(25):3785-3792.陳浩東，等. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用www. CRTER .org0 引言 Introduction臨床上自體骨、 同種異體骨及異種骨移植的應(yīng)用 已相當(dāng)成熟，但它們也都有著各自明顯的缺點(diǎn) 1 。人 工生物材料在修復(fù)

14、骨缺損上有著良好的潛力 2，首先 使用人工材料可避免取自體骨時(shí)的額外創(chuàng)傷， 避免異 體或異種骨移植帶來(lái)免疫排斥及潛在傳染疾病的可 能；其次，能簡(jiǎn)化臨床操作，降低成本。理想的人工骨替代材料不會(huì)對(duì)組織和細(xì)胞產(chǎn)生有 害影響，還能支持新骨得生長(zhǎng)，調(diào)動(dòng)自身骨的重建和 再生能力 3。材料的成骨能力主要分為骨引導(dǎo)性、 骨誘 導(dǎo)性及骨生成性 3種。骨引導(dǎo)性指能為形成的新骨或血 管提供支架，骨誘導(dǎo)性指能誘導(dǎo)周圍間充質(zhì)干細(xì)胞分 化為成骨或成軟骨細(xì)胞，骨生成性指材料具有不依靠 宿主細(xì)胞而自身形成新骨的能力。以往一直認(rèn)為，只 有添加生長(zhǎng)因子材料才能被賦予骨誘導(dǎo)性，因而為了 使材料能夠更好地成骨，臨床上使用的生物材料大

15、多 添加了類似骨形態(tài)發(fā)生蛋白等的外源性生長(zhǎng)因子。然 而這些外來(lái)的生長(zhǎng)因子對(duì)人體組織可能具有潛在的危 害4，例如可能促進(jìn)胰腺癌、 結(jié)腸癌和胃癌的進(jìn)展和耐 化療性 5-7，促進(jìn)腫瘤的侵犯和轉(zhuǎn)移 8，并與乳腺癌 9、 卵巢癌 10、肺癌和前列腺癌的發(fā)展有關(guān) 11-12。磷酸鈣作為一種骨移植材料已被廣泛用于骨組 織的修復(fù)與再生 13。從1871 年 Waroneton 制得羥基磷 灰石， 經(jīng)過(guò)不斷研究探索， 磷酸鈣的骨引導(dǎo)性已得到 公認(rèn)。磷酸鈣材料的骨誘導(dǎo)性近幾年也逐漸得到認(rèn) 識(shí)，為磷酸鈣生物陶瓷脫離生長(zhǎng)因子獨(dú)立應(yīng)用于臨床 帶來(lái)了可能性。 現(xiàn)階段研究得較透徹也相對(duì)較理想的 磷酸鈣材料主要有 4 種：羥

16、基磷灰石、磷酸三鈣、無(wú) 定形磷酸鈣和羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷材料， 這些材料的理化性狀和表面物理結(jié)構(gòu)差異對(duì)其成骨 能力有著明顯影響。因此文章對(duì) 4大類磷酸鈣陶瓷材 料骨誘導(dǎo)性方面的理化性能作一綜述。1 資料和方法 Data and methods1.1 資料來(lái)源 用計(jì)算機(jī)檢索 PubMed 、 Springer 、 ResearchGate 和 百度學(xué)術(shù)等數(shù) 據(jù)庫(kù) 2000 年 1 月至 2015 年10月有關(guān)磷酸鈣陶瓷的文獻(xiàn)及其引文，檢索關(guān) 鍵詞分別為“ calcium phosphate ， Osteoinduction ，3786P.O. Box 10002 ,1 1S018h0

17、enwwywa.CRnTgER .orgwww. CRTER .org陳浩東，等. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用tissue engineering, scaffolds ”。1.2 納入排除標(biāo)準(zhǔn)及檢索相關(guān)條件納入標(biāo)準(zhǔn) ：與磷酸鈣陶瓷的結(jié)構(gòu)、生化特性、生 物相容性及在修復(fù)骨缺損中的應(yīng)用特點(diǎn)相關(guān)。排除標(biāo)準(zhǔn) ： 重復(fù)研究或不相關(guān)文獻(xiàn)。1.3 數(shù)據(jù)提取 共檢索到英文文獻(xiàn) 203 篇，排除與研 究目相關(guān)性差及內(nèi)容陳舊、重復(fù)的文獻(xiàn)143 篇，納入60篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。2 結(jié)果 Results2.1 磷酸鈣陶瓷材料的理化性質(zhì)羥基磷灰石 ：羥基磷灰石的分子式為 (Ca 5(PO 4)3) OH，鈣磷

18、比為 1.67 。因其成分與骨相似，曾被廣泛 應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)上 14。在pH值為3.5-9.7的環(huán)境 中，羥基磷灰石的溶度積 Ksp 約為 2.9 10 - 5815 。磷酸三鈣 ：磷酸三鈣的分子式為 Ca 3(PO 4)2，鈣 磷比為 1.5 。磷酸三鈣不是機(jī)體骨組織成分，其化學(xué) 組成與羥基磷灰石相似， 但晶體結(jié)構(gòu)與羥基磷灰石不 同。根據(jù)燒結(jié)溫度可將磷酸三鈣分為 - 磷酸三鈣和 - 磷酸三鈣兩相， 當(dāng)燒結(jié)溫度高于 1 120 -1 180 為- 磷酸三鈣，低于 1 120-1 180 則為-磷酸三鈣 16。 在 25 的 液 體環(huán) 境 中， - 磷 酸 三 鈣 的 Ksp 約為 10 -

19、 25.5 ， -磷酸三鈣的 Ksp約為10 - 28.917 。無(wú)定形磷酸鈣 ：無(wú)定形磷酸鈣是一種原子排列無(wú)序 的磷酸鈣陶瓷，可從鈣及磷酸根離子溶液中沉淀析出 得到，因此它們往往含有多種雜質(zhì)而有著較高的溶解 度18。其鈣磷比往往介于 1.15 - 1.67之間。無(wú)定形磷酸 鈣被報(bào)道在溶液中的 Ksp在10-25-10-23之間19。羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷 ：羥基磷灰石 / 磷酸 三鈣雙向陶瓷是采用羥基磷灰石和- 磷酸三鈣按一定鈣磷比制備而成的雙向磷酸鈣陶瓷20，鈣磷比在1.5 - 1.67之間。它的 Ksp介于羥基磷灰石和 -磷酸三 鈣之間， 通過(guò)調(diào)節(jié)兩者比例來(lái)改變降解速度 21 ，

20、可使 其與新骨的生長(zhǎng)速率相匹配。2.2 磷酸鈣材料固有骨誘導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)歷程1911 年，Wells 最早發(fā)現(xiàn)鈣鹽對(duì)成骨有促進(jìn)作用。1965 年在Urist 的文章中骨誘現(xiàn)象被正式提出 22 。Urist 發(fā)現(xiàn)將 脫鈣皮質(zhì)骨臵入動(dòng)物肌肉中可誘發(fā)異位成骨。 隨后他 又成功從皮質(zhì)骨成功提取出一種具有誘導(dǎo)非骨區(qū)域 細(xì)胞分化成骨的蛋白質(zhì)， 即為骨形態(tài)發(fā)生蛋白 23 。至 今已有大量研究進(jìn)一步證實(shí)骨形態(tài)發(fā)生蛋白具骨誘 導(dǎo)能力， 可誘導(dǎo)異位成骨， 甚至已被部分應(yīng)用于臨床上骨缺損修復(fù)。早期的研究認(rèn)為， 單純磷酸鈣材料僅具有骨傳導(dǎo) 性，而不具備誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力 (即骨誘導(dǎo)性 )24 。然而從發(fā)現(xiàn)

21、骨形態(tài)發(fā)生蛋白骨誘導(dǎo) 能力以來(lái)， 不斷有研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)未添加生長(zhǎng)因子的磷 酸鈣材料也具有異位成骨的能力：Yamasaki 等25 將多孔羥基磷灰石臵入犬皮下，發(fā)現(xiàn)有異位骨形成； Ripamoti 等26 發(fā)現(xiàn)臵入狒狒肌肉的多孔羥基磷灰石 有新骨形成。 因此有研究者提出一種理論， 即通過(guò)優(yōu) 化人工材料的理化性能， 使其可產(chǎn)生 “固有骨誘導(dǎo)性” 或“材料依賴性骨誘導(dǎo)” 27 。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn) 磷酸鈣陶瓷材料的固有骨誘導(dǎo)性受材料組成成分、 孔 隙結(jié)構(gòu)等影響 28 。 Gerber 等29也發(fā)現(xiàn)基于 -磷酸三 鈣和羥基磷灰石的多孔材料在豬體內(nèi)不僅有骨引導(dǎo) 作用，還具有刺激骨生成的作用。Yuan 等

22、30研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷和羥基磷灰 石，能磷酸三鈣材料夠誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)更 多的骨鈣素和骨唾液蛋白 mRNA 。在 2000 年美國(guó)第六 屆世界生物陶瓷大會(huì)上， 磷酸鈣陶瓷固有骨誘導(dǎo)性理 論在國(guó)際上已逐步得到認(rèn)同。2.3 磷酸鈣材料骨誘導(dǎo)過(guò)程和機(jī)制Urist 提出發(fā)生骨誘導(dǎo)的 3個(gè)條件： 存在具備分化成骨能力的前體細(xì)胞； 存在激活前體細(xì)胞分化成骨的生物因子； 存在適合的 成骨環(huán)境。 Bao 等31在多次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，材料臵入?yún)^(qū) 首先形成血凝塊， 然后形成血管及肉芽組織， 接著多 形性細(xì)胞聚集、 成骨細(xì)胞分化和成骨。 他提出了磷酸 鈣材料固有骨誘導(dǎo)性可能的發(fā)生機(jī)制：

23、 臵入?yún)^(qū)材料對(duì) 生長(zhǎng)因子的吸附、 材料降解提供的大量鈣磷離子和材 料與體液的各種化學(xué)反應(yīng)， 共同形成一個(gè)特殊的 “生 物修飾表面”及微環(huán)境，誘使間充質(zhì)干細(xì)胞趨化、遷 移并分化成骨母細(xì)胞。 骨母細(xì)胞通過(guò)自分泌進(jìn)一步提 高如骨形態(tài)發(fā)生蛋白等生長(zhǎng)因子的濃度，最終分化、 增殖并成熟成骨。 近年來(lái)， 對(duì)材料固有骨誘導(dǎo)性機(jī)制 的研究也越來(lái)越多。 Danoux 等 32研究發(fā)現(xiàn)，材料分 解產(chǎn)生的鈣離子可顯著增加人類間充質(zhì)干細(xì)胞產(chǎn)生 堿性磷酸酶，并對(duì)成骨標(biāo)志蛋白的表達(dá)有積極作用。 Davison 等33 將2組具有骨誘導(dǎo)性的材料、 1組無(wú)骨誘 導(dǎo)性的材料分別臵入小鼠皮下，其中1組臵入具骨誘導(dǎo)性材料的小鼠， 通

24、過(guò)脂質(zhì)體氯膦酸鹽抑制其破骨細(xì) 胞。12周后發(fā)現(xiàn)抑制組和無(wú)骨誘導(dǎo)性組小鼠內(nèi)無(wú)成骨 現(xiàn)象， 而骨誘導(dǎo)性無(wú)抑制組有新骨形成， 證明破骨細(xì) 胞在新骨 ,形成中具有積極作用。還有許多研究者認(rèn)3787ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAHwww. CRTER .org陳浩東，等. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用為材料分解產(chǎn)生的鈣離子能激活細(xì)胞膜鈣敏感受體， 促進(jìn)血管生成，為骨修復(fù)和再生創(chuàng)造良好的環(huán)境34 ?？偠灾?， 磷酸鈣材料的骨誘導(dǎo)性是由多因素綜合產(chǎn) 生的，其中如溶液中的鈣磷離子、生長(zhǎng)因子的吸附、 間充質(zhì)干細(xì)胞的分化和增殖及破骨細(xì)胞的參與都對(duì) 骨誘導(dǎo)產(chǎn)生了積極

25、作用。2.4 磷酸鈣陶瓷材料的 表面結(jié)構(gòu) Davison 等35 發(fā)現(xiàn) 相對(duì)于宏觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)， 磷酸鈣材料的表面 微結(jié)構(gòu)對(duì)異位骨形成和破骨影響更為重要?？讖匠叽?：有研究發(fā)現(xiàn)， 材料孔徑在 150- 500 m 范圍內(nèi)有利于骨組織的生長(zhǎng) 36。Hulbert 等 37發(fā)現(xiàn)當(dāng)材 料孔徑在 100 m 以上時(shí)，成骨細(xì)胞能更好地遷移；當(dāng) 材 料孔徑 150 m 時(shí)，甚 至能啟 動(dòng)骨的形 成。 Papenburg 等38-39 發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料孔徑在 200 m左右時(shí)， 有利于血管的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。 Yao等40在犬背 部肌肉內(nèi)臵入孔徑 200 - 400 m、600-800 m和 1 000

26、 -1 200 m的多孔磷酸鈣材料，發(fā)現(xiàn) 200400 m孔徑材料的成骨率、成骨時(shí)間和成骨量表現(xiàn) 最佳。 Wang 等41將顆粒大小為212 - 300 m、 106-212 m、 45 - 106 m和小于 45 m的羥基磷灰 石 /磷酸三鈣雙向陶瓷材料臵入犬脊旁肌。12 周后發(fā)現(xiàn)除了顆粒小于 45 m的材料以外，其余顆粒都有豐 富的新骨形成。 綜合多數(shù)文獻(xiàn)， 可能保持材料的孔徑 在200 m 左右是比較適宜的。微孔尺寸 ：Zhu 等42研究發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)材料表面含有 更多直徑大于 20 nm 的微孔時(shí)，羥基磷灰石和羥基 磷灰石 / 磷酸三鈣雙向陶瓷對(duì)胰島素和纖維蛋白原 的吸附作用明顯提高，而對(duì)

27、型膠原的吸附作用卻 無(wú)明顯影響。 Zhang 等 43 分別研制兩種不同顆粒和 微孔大小的磷酸三鈣材料做體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)相對(duì)于顆粒尺寸為 (0.99 0.20) m、微孔大小為 (0.65 0.25) m的 磷 酸 三 鈣 材 料 ， 顆 粒 尺 寸 為 (3.08 0.52) m、微孔大小為 (1.58 0.65) m的磷酸 三鈣材料在體外實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖 分化更加顯著，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)成骨更加明顯。 Davison 等35將表面孔徑為 1 m、2-4 m和有鈦涂層 無(wú)多孔結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷 (80% 羥 基磷灰石 +20% 磷酸三鈣 )臵入犬體內(nèi)

28、12周，發(fā)現(xiàn)在孔 徑1 m和無(wú)多孔結(jié)構(gòu)的對(duì)照組中發(fā)現(xiàn)較多破骨細(xì)胞樣 細(xì)胞，而孔徑 2-4 m的材料中則很少見(jiàn)到破骨細(xì)胞樣 細(xì)胞?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)骨誘導(dǎo)性的人工材料大多具有微孔結(jié) 構(gòu)，微孔的骨誘導(dǎo)特性已有大量的文獻(xiàn)支持，然而微孔直徑大小與骨誘導(dǎo)能力的關(guān)系還尚未有明確報(bào)道。表面粗糙程度 ：Webster 等 44用不同制作工藝制 作出表面粗糙度介于 17-32 nm 的氧化鋁、二氧化鈦 和羥基磷灰石做蛋白質(zhì)和細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)。 他們?cè)趯?shí)驗(yàn) 中發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的增加伴隨著材料粒度的變小、 孔 徑變小和孔隙率的增加， 最終造成材料對(duì)玻連蛋白和 膠原蛋白吸附的顯著提高， 并進(jìn)一步顯著提高材料對(duì) 成骨細(xì)胞的黏附， 降低

29、對(duì)纖維母細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的黏 附。 Vlacic-Zischke 等 45發(fā)現(xiàn)，在表面噴砂和酸性處 理后鈦材料表面的人類成骨細(xì)胞分化能力增強(qiáng)。 總體 來(lái)說(shuō)， 多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為隨著材料表面粗糙度的增加，材料的骨誘導(dǎo)能力也隨之提高 46 。比表面積 ：Li等 47的研究顯示， 材料表面積越大， 材料吸附的蛋白分子數(shù)量越多。 Hanseler 等 48通過(guò)動(dòng) 物實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 材料表面積的減小和骨形態(tài) 發(fā)生蛋白 2在材料里釋放速度的增加呈線性關(guān)系：表 面積越大， 材料對(duì)蛋白分子吸附能力越強(qiáng)。 Habibovic 等49將磷酸鈣材料臵入山羊體內(nèi)并分析材料表面特 性和骨誘導(dǎo)量發(fā)現(xiàn)， 材料表面活性會(huì)隨材料

30、比表面積 增加而增大。 由此推測(cè)較大的比表面積可能是骨誘導(dǎo) 性人工材料必不可少的要素。表面電荷 ：Feng 等 50發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞在表面涂層為 鈣的鈦種植體上吸附得比在表面涂層為磷酸的鈦種 植體好。 Bodhak 等 51用極化后的羥基磷灰石材料進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人類胚胎成骨細(xì)胞在帶負(fù)極的羥基磷灰 石上吸附增殖得要比在帶正極的羥基磷灰石上要好。 Hanseler 等 45通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過(guò)處理具有親水性表 面鈦材料的骨結(jié)合能力得到了提高。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)， 極化后的材料表面對(duì)植入體的骨結(jié)合和細(xì)胞黏附作 用有幫助， 可能由于極化表面親水性增加， 提高了材 料對(duì)體內(nèi)低分子蛋白質(zhì)的吸附作用。2.5 磷酸鈣

31、材料對(duì)細(xì)胞的附著能力Hu等52 研究發(fā)現(xiàn)，兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在羥基磷灰石上吸附的數(shù)量 要比在無(wú)定形磷酸鈣上多。 Berube 等 53的研究也發(fā) 現(xiàn)，羥基磷灰石吸附的鼠顱骨成骨細(xì)胞的數(shù)量多于無(wú) 定形磷酸鈣。 Knabe 等54 發(fā)現(xiàn)，-磷酸三鈣吸附鼠骨 髓間充質(zhì)干細(xì)胞比 CaKPO 4 多，他們認(rèn)為釋放等量 Ca 的情況下， CaKPO 4將釋放更多的離子，影響細(xì)胞的 吸附。 Webster 等55發(fā)現(xiàn)，隨著羥基磷灰石材料孔徑 和表面粒度的減小、表面粗糙程度和孔隙率的增加， 纖維母細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的黏附率有所降低， 但成骨細(xì) 胞黏附卻顯著增加。 Poulsson 等 56用經(jīng)紫外 / 臭氧表37

32、88P.O. Box 10002 ,1 1S018h0 enwwywa.CRnTgER .orgwww. CRTER .org陳浩東，等. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用面處理過(guò)的超高分子量聚乙烯與人類成骨樣細(xì)胞培 養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)成骨樣細(xì)胞的附著和功能得到了增強(qiáng)， 證明 了增加材料表面含氧量也能提高成骨細(xì)胞的附著。 綜 合以上研究可以推測(cè)， 增加材料的表面粗糙程度和含 氧量， 選擇較低溶解度的材料， 選擇較高結(jié)晶度的材 料都可能有利于成骨細(xì)胞的吸附和增殖。2.6 磷酸鈣材料對(duì)蛋白質(zhì)分子的吸附能力 Zhu等 42 通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石/磷酸三鈣雙向陶瓷對(duì)胰島素、 纖維蛋白原和型膠原的吸附作用比羥

33、基 磷灰石更強(qiáng)。 Hanseler 等48 將重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白 2分別與羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷和脫蛋白牛 骨結(jié)合并在兔體內(nèi)和試管內(nèi)培養(yǎng)， 發(fā)現(xiàn)脫蛋白牛骨 15 d后只釋放了一半骨形態(tài)發(fā)生蛋白 2，而羥基磷灰石 / 磷酸三鈣雙向陶瓷在 24 h 內(nèi)就已釋放了全部骨形態(tài) 發(fā)生蛋白 2 。他們檢測(cè)出脫蛋白牛骨表面積為 67 m2/g ，而羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷只有 0.009 m2/g 。表面積的減小和骨形態(tài)發(fā)生蛋白 2 釋放速度的 增加呈線性關(guān)系，因此推測(cè)影響骨形態(tài)發(fā)生蛋白2釋放速度的主要因素是材料表面積。 Webster 等55 也得 出了隨著羥基磷灰石表面粗糙程度的增加，

34、其對(duì)玻連 蛋白和膠原蛋白的吸附能力明顯提高， 對(duì)白蛋白、 層 粘連蛋白和纖連蛋白的吸附卻有所下降。由此推測(cè)， 增加材料的表面積可提高材料對(duì)周圍組織中蛋白質(zhì) 的吸附。然而決定蛋白質(zhì)吸附程度的因素還有很多， 并且對(duì)于不同種類的蛋白質(zhì)其效果也不盡相同， 其原 理并不明確，仍然需要更加深入的研究探索。2.7 磷酸鈣材料誘導(dǎo)微血管生成的能力 在骨修復(fù)和 再生中，新血管的形成發(fā)揮著重要作用。Chen 等57通過(guò)比較羥基磷灰石 /-磷酸三鈣比例分別為 100/0 、 70/30 、30/70和2/98 的材料做體內(nèi)和體外血管誘導(dǎo)生 成實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)磷酸鈣材料能促進(jìn)微血管生成， 且比例 為30/70和2/98兩

35、組誘導(dǎo)血管更為顯著。 Casta? o等34 認(rèn)為是材料中釋放的鈣離子刺激細(xì)胞膜鈣敏感受體 產(chǎn)生誘導(dǎo)血管形成能力， 并成功通過(guò)控制材料中鈣離 子釋放來(lái)調(diào)節(jié)血管生成。 Zhang 等58 用凝膠復(fù)合 - 磷酸三鈣纖維支架行誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成 骨和修復(fù)鼠骨缺損實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)添加 - 磷酸三鈣的支架 材料誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞膜鈣敏感受體 顯著上升， 并誘導(dǎo)更多的新骨和新生血管。 綜上所述， 釋放鈣離子較多的多孔磷酸鈣陶瓷具有更強(qiáng)的誘導(dǎo) 微血管生成作用。2.8 磷酸鈣材料的降解度 磷酸鈣陶瓷材料的降解方 式分為材料自身溶解及破骨細(xì)胞介導(dǎo)的吸收。 材料的 化學(xué)組成、晶相構(gòu)成、表面積、環(huán)境酸

36、堿度等都可影 響材料的吸收。 Yang 等59 研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單純的 多孔脂肪族聚氨酯， 結(jié)合了羥基磷灰石的多孔脂肪族 聚氨酯生物支架在模擬體液中的生物礦化能力顯著 增強(qiáng)了。他們認(rèn)為可能是羥基磷灰石顆粒溶解產(chǎn)生大 量鈣離子， 增強(qiáng)了材料的生物礦化能力 59 。因此磷酸 鈣材料的低溶解度降有助于成骨細(xì)胞的附著 52-53 ，增 加材料的強(qiáng)度， 卻不利于機(jī)體新骨的形成。 而溶解度 增高有助于新骨形成， 釋放更多的鈣離子促進(jìn)血管新 生34，57-58 ，但卻犧牲了材料強(qiáng)度及穩(wěn)定性。 4種材料 的降解能力：無(wú)定形磷酸鈣 磷酸三鈣 羥基磷灰石 / 磷酸三鈣雙向陶瓷 羥基磷灰石。理想的植骨材料既需 要高

37、的細(xì)胞附著性能， 較強(qiáng)的機(jī)械性能， 又盡量減少對(duì) 新骨形成的影響。 當(dāng)材料的溶解度位于羥基磷灰石與磷 酸三鈣之間，既能促進(jìn)新骨形成又能及時(shí)降解為新骨。2.9 磷酸鈣材料的置入環(huán)境 Yang 等59 在檢測(cè)材料 生物礦化能力的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 材料在模擬體液和裸鼠 皮下所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不一致， 他們認(rèn)為可能是材料 所處的環(huán)境影響了它的成骨能力。 Danoux 等 60也發(fā) 現(xiàn)， 含磷酸鈣成分的復(fù)合材料在模擬體液、 生理鹽水 和犬肌肉中的骨誘導(dǎo)表現(xiàn)并不一致。 有研究用羥基磷 灰石和磷酸三鈣 （60% 羥基磷灰石和 40% 磷酸三鈣 ）植 入犬、 兔和大鼠肌肉中， 發(fā)現(xiàn)在狗肌肉中的 BCP 成骨 效果最

38、佳， 而在兔和大鼠肌肉中的材料一律只有類骨 質(zhì)形成。 很多研究發(fā)現(xiàn)同種植入材料在不同動(dòng)物種屬 內(nèi)表現(xiàn)出不同骨誘導(dǎo)能力。且動(dòng)物種系越接近于人， 所表現(xiàn)的骨誘導(dǎo)能力越明顯。 有研究將磷酸鈣材料分 別埋入犬肌肉與皮下脂肪， 發(fā)現(xiàn)皮下脂肪雖然也可成 骨，但誘導(dǎo)的骨量與在肌肉中誘導(dǎo)的骨量還是有明顯 的差距。 Habibovic 等49 將人工材料分別臵入山羊肌 肉和皮下， 發(fā)現(xiàn)臵入肌肉中的材料產(chǎn)生異位成骨， 而 臵入皮下的材料則沒(méi)有。 因此臵入環(huán)境對(duì)材料的骨誘 導(dǎo)性能有著顯著影響。 其機(jī)制可能是不同環(huán)境下， 其 溶液中鈣磷離子和生物因子濃度有所不同， 對(duì)成骨細(xì) 胞的刺激程度不同， 甚至材料周圍的間充質(zhì)細(xì)

39、胞數(shù)量 也不同 59 。2.10 磷酸鈣材料的不足和尚待研究方向 盡管磷酸 鈣材料作為骨替代材料具有許多其他材料所不具備 的優(yōu)點(diǎn)， 但也有研究者發(fā)現(xiàn)， 若單純依靠其固有骨誘 導(dǎo)性， 存在短期內(nèi)成骨能力較弱的缺點(diǎn)。 有研究分別 用結(jié)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的多孔磷酸鈣組織工程骨、3789ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAHwww. CRTER .org陳浩東，等. 磷酸鈣的固有骨誘導(dǎo)性及其應(yīng)用單純多孔磷酸鈣和自體骨分別修復(fù)狗牙槽突裂， 20 周后觀察到組織工程骨誘導(dǎo)生成的骨量比單獨(dú)用磷 酸鈣材料誘導(dǎo)的量多， 而與自體骨誘導(dǎo)形成的骨量無(wú) 明顯差異。 后來(lái)有學(xué)

40、者等改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)方法， 用 結(jié)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的多孔磷酸鈣支架材料和單 純多孔磷酸鈣分別修復(fù)比格犬下頜骨缺損，在植骨 4 周和 8周后發(fā)現(xiàn)都有新骨生成，但前者誘導(dǎo)生成的骨 量較多， 殘留的材料較少。 有研究分別用單純多孔羥 基磷灰石 / 磷酸三鈣雙向陶瓷材料和結(jié)合了重組人骨 形態(tài)發(fā)生蛋白 2 的多孔羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶 瓷材料修復(fù)小鼠頭蓋骨缺損， 發(fā)現(xiàn)結(jié)合了人骨形態(tài)發(fā) 生蛋白 2 的多孔羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷材料 無(wú)論在成骨速度和生成新骨厚度上都要比單純多孔 羥基磷灰石 /磷酸三鈣雙向陶瓷材料效果佳。雖然許 多研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合生長(zhǎng)因子或細(xì)胞的磷酸鈣材料在短 時(shí)間內(nèi)可明顯提升成

41、骨速度和成骨骨量， 但隨著恢復(fù) 時(shí)間的延長(zhǎng)， 其與單純多孔磷酸鈣材料最終成骨的差 異越來(lái)越小。 因此，如何進(jìn)一步改良材料的物理性狀， 提高短期內(nèi)的成骨速度是需要探索的方向。3 展望 Prospects 羥基磷灰石本身就存在于人體組織中， 具有較好 的強(qiáng)度和細(xì)胞吸附能力， 然而其較差的降解能力不利 于材料的吸收和自體骨的長(zhǎng)入。 磷酸三鈣具有良好的 成骨能力和降解能力， 但其降解速度過(guò)快， 難以和新 骨生成相匹配， 材料的強(qiáng)度相對(duì)較差。 無(wú)定形磷酸鈣 因含有不同的雜質(zhì)而具有不同的性能， 但較低的溶解 度也帶來(lái)的強(qiáng)度上的不足和新生骨替代困難。 具有固 有骨誘導(dǎo)性的雙相磷酸鈣陶瓷材料具有介于羥基磷 灰

42、石磷酸三鈣之間的降解能力， 使其既有一定的結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度又可經(jīng)降解而被自體骨替代， 同時(shí)降解所產(chǎn)生的 鈣離子亦能促進(jìn)新骨的形成； 其材料固有的骨誘導(dǎo)性 又避免了因添加外來(lái)生長(zhǎng)因子所帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)， 同 時(shí)降低了材料的生產(chǎn)成本， 使其更適用于臨床。 雙相 磷酸鈣陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)可在牙槽骨組織替代上發(fā)揮 很大的作用。臨床上具有大量因外傷、先天性畸形、 拔牙及增齡性吸收導(dǎo)致的牙槽骨缺損或骨量不足， 需 要修復(fù)。 現(xiàn)國(guó)內(nèi)外主要治療方式為自體骨移植， 不但 會(huì)給患者帶來(lái)額外的痛苦， 還可能發(fā)生供區(qū)的繼發(fā)性 損傷及相關(guān)并發(fā)癥。 利用固有骨誘導(dǎo)性雙相磷酸鈣陶 瓷材料修復(fù)牙槽骨缺損， 不但能減少手術(shù)創(chuàng)傷， 更有 利

43、于將來(lái)自體骨替代后正畸時(shí)牙根在牙槽骨內(nèi)的移動(dòng)， 且材料均為人體自身固有的成分， 避免了外源性 物質(zhì)帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。 因此雙相磷酸鈣陶瓷材料在臨 床中的應(yīng)用具有很高的價(jià)值與潛力， 可將研究重點(diǎn)臵 于提高骨誘導(dǎo)性磷酸鈣材料的誘導(dǎo)成骨能力和探索 其骨缺損原位修復(fù)效果上。作者貢獻(xiàn) ：姚金鳳、梁志剛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)實(shí)施 為陳浩東；實(shí)驗(yàn)評(píng)估為姚金鳳、梁志剛；資料收集為陳浩 東、姚金鳳；陳浩東成文，姚金鳳審校。利益沖突 ：所有作者共同認(rèn)可文章無(wú)相關(guān)利益沖突。倫理問(wèn)題 ：未涉及倫理沖突內(nèi)容。文章查重 ：文章出版前已經(jīng)過(guò) CNKI反剽竊文獻(xiàn)檢測(cè)系 統(tǒng)進(jìn)行 3 次查重。文章外審 ：文章經(jīng)國(guó)內(nèi)小同行外審專家雙盲審

44、核，符 合本刊發(fā)稿宗旨。作者聲明 ：第一作者對(duì)于研究和撰寫的論文中出現(xiàn)的 不端行為承擔(dān)責(zé)任。 論文中涉及的原始圖片、 數(shù)據(jù)（ 包括計(jì) 算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù) ） 記錄及樣本已按照有關(guān)規(guī)定保存、分享和銷 毀，可接受核查。文章版權(quán) ：文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署 了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。4 參考文獻(xiàn) References1 Giannoudis PV ,Dinopoulos H,T siridis E.Bone substitutes: an update.Injury.2005;36 Suppl 3:S20-S27.2 Habibovic P ,de Groot K.Osteoinductive bioma

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