?

骨替代材料的研究方法及進(jìn)展

倪卓1，楊莎1，王應(yīng)2，劉士德2

1)深圳大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，深圳518060; 2)深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，深圳518060

摘要:評(píng)述了骨替代材料的生物相容性．骨替代材料分為自體骨、異體骨和人工骨替代材料．指出成骨細(xì)胞MG-63、成纖維細(xì)胞3T3和骨髓瘤細(xì)胞U2OS是骨替代材料的主要生物環(huán)境，可作為研究骨替代材料生物相容性的常用細(xì)胞．骨替代材料生物相容性的評(píng)價(jià)方法主要有體內(nèi)生物學(xué)研究和體外生物學(xué)研究．骨替代材料對(duì)所處的體內(nèi)環(huán)境有重要影響，包括對(duì)細(xì)胞形態(tài)和對(duì)細(xì)胞功能的影響等．根據(jù)細(xì)胞形態(tài)特點(diǎn)(如細(xì)胞自溶變化、膜破裂和核聚變)，可以判斷材料的毒性程度，根據(jù)細(xì)胞功能(跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞黏附、細(xì)胞增殖、周期、凋亡、氧化應(yīng)激作用以及調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo))，可以判斷生物材料的生物相容性．

關(guān)鍵詞:生物材料;復(fù)合材料;骨替代材料;生物相容性;人工骨材料;修復(fù)材料

Received: 2015-03-19; Accepted: 2015-05-08

Foundation: Science and Technology Innovation Project of Guangdong Provincial Educational Department(2013KJCX0163) ; Applied Technology Development Project of Shenzhen University(201223)

Corresponding author: Professor Ni Zhuo．E-mail: royzhuoni@ hotmail.com

生物醫(yī)用材料一般指用于修復(fù)人體組織或器官的材料．從材料技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展來看，現(xiàn)代意義上用于臨床的生物醫(yī)用材料大致經(jīng)歷了3個(gè)階段［1］．第1階段: 1960—1980年，生物惰性材料，其特征是在人體環(huán)境中保持相對(duì)穩(wěn)定，不易分解，力學(xué)強(qiáng)度和理化性質(zhì)能較好與人體環(huán)境匹配，如聚乙烯、碳基材料等．第2階段: 1980—1990年，生物活性或可降解吸收材料，具有生物活性，材料植入體內(nèi)可以和所處環(huán)境發(fā)生良性相互作用，如活性陶瓷和生物玻璃等．第3階段: 1990年至今，具有生物活性和降解性的組織工程材料，將生物活性和降解吸收結(jié)合起來，本身又具有較好的生物活性，在生物體內(nèi)能被內(nèi)環(huán)境降解，并最終參與機(jī)體代謝反應(yīng)被吸收．近年來，將生物材料與藥物結(jié)合形成載藥生物材料，是該領(lǐng)域新的研究方向之一．

自1862年Jobi Meekren利用犬顱骨為一名顱骨缺失的士兵進(jìn)行移植修復(fù)至今，骨及骨替代移植技術(shù)成為臨床上治療骨缺損的重要手段，骨替代材料的應(yīng)用亦逐漸增加．骨替代材料與生物體相互影響，決定了骨替代材料在人體中的應(yīng)用能否成功．成骨細(xì)胞MG-63(osteoblast)、成纖維細(xì)胞3T3(fibroblast)和骨髓瘤細(xì)胞U2OS(myeloma)是骨替代材料的主要生物環(huán)境．生物材料對(duì)生物體的影響表現(xiàn)在細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，通過觀察細(xì)胞形態(tài)的變化或數(shù)量的增減可以直觀地判斷材料對(duì)細(xì)胞的毒性作用．根據(jù)細(xì)胞在光學(xué)顯微鏡或者電鏡中的形態(tài)特點(diǎn)(如細(xì)胞自溶變化、膜破裂和核聚變)，可以判斷材料的毒性程度．生物材料對(duì)生物體的影響還表現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞功能的影響，包括骨替代材料的跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞黏附、細(xì)胞增殖、周期、凋亡以及調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo)［1-3］．

1　骨結(jié)構(gòu)

骨骼是一種致密的結(jié)締組織，由不同比例的有機(jī)物和無機(jī)物組成．從材料學(xué)看，骨可以被理解為一種納米羥基磷灰石顆粒填充膠原基質(zhì)的復(fù)合材料，其構(gòu)造和綜合性能都優(yōu)于人工合成的納米羥基磷灰石-膠原復(fù)合材料［2-3］，因?yàn)楣鞘且环N多層次的、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，骨多級(jí)結(jié)構(gòu)由低向高發(fā)育成熟，包括編織骨(woven bone)、初級(jí)骨(primary bone)和哈佛氏系統(tǒng)(Haversian system)，如圖1［3］．

圖1　骨的結(jié)構(gòu)［3］Fig.1 Bone structure［3］

2　骨替代及修復(fù)材料

根據(jù)骨替代與修復(fù)材料的來源和性質(zhì)，目前臨床使用的醫(yī)用材料包括自體骨、異體骨和人工骨材料．它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前還沒有一種理想的骨移植替代材料可以完全滿足臨床需求．它們的特點(diǎn)為:①自體骨．這是目前最接近理想標(biāo)準(zhǔn)的骨替代修復(fù)材料．它具有骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性以及成骨性能，同時(shí)不存在免疫排斥反應(yīng)、疾病傳播或高醫(yī)療費(fèi)用等問題．這種材料數(shù)量有限，不能滿足大段骨缺損和各類翻修手術(shù)的需要，取骨易發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥等．②異體骨．包括同種異體骨和異種異體骨．同種異體骨來源于其他人的骨，大多數(shù)都是從尸體中獲取或者募捐獲得;異種異體骨大多來源于動(dòng)物的骨組織．這種材料取材廣泛，來源廣，與人骨結(jié)構(gòu)相似，但是植入體內(nèi)后可能存在排斥反應(yīng)、被機(jī)體降解吸收導(dǎo)致不愈合的情況．③人工骨替代材料．包括金屬替代材料、高分子植入材料、陶瓷替代修復(fù)材料和復(fù)合生物材料等．醫(yī)用金屬材料具有高強(qiáng)度、耐疲勞、延展性和重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，因此成為骨材料應(yīng)用中常用的替代材料，該類材料缺點(diǎn)是通常易腐蝕，引起有害離子的釋放產(chǎn)生毒性，不能作為長(zhǎng)期植入材料．高分子材料近年來迅速發(fā)展，成為生物醫(yī)用機(jī)械領(lǐng)域的主要材料，包括天然高分子材料和合成高分子材料．高分子生物材料有較好的延展性、輕量化和易成型等特點(diǎn)［2］．陶瓷骨替代修復(fù)材料包括生物活性玻璃陶瓷、磷酸三鈣和羥基磷灰石等．生物活性玻璃陶瓷在臨床上主要用于牙種植體材料和骨填充材料，具有較高的強(qiáng)度，但由于其韌性比自然骨差、彈性模量過高、脆性大和抗疲勞性能較差等特點(diǎn)，不能直接用于承力較大的人工骨．磷酸三鈣是目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷，具有良好生物相容性和生物可降解性，但也存在低抗疲勞強(qiáng)度等缺陷．羥基磷灰石具有良好的生物活性，但具有脆性大、塑形差和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)［4］．納米級(jí)羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)具有更高的表面活性，比普通磷灰石更容易被人體降解和吸收，HA納米粒子高分子復(fù)合材料通過模擬天然骨組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［5］，可以綜合各組分材料的性能，有效解決在生理環(huán)境下強(qiáng)度低、抗疲勞性差的缺點(diǎn)，該材料在硬組織修復(fù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景．根據(jù)生物復(fù)合材料中組分材料性質(zhì)不同，通過設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料，融合各組分材料的性能，獲得單組分材料中不具備的新性能，從而研制出理化性質(zhì)與人體骨組織類似的復(fù)合生物材料．

3　骨替代高分子復(fù)合材料

理想的人工骨替代修復(fù)材料應(yīng)該具有以下特點(diǎn):①具有良好的生物相容性，材料利于細(xì)胞的黏附增殖或分化;②具有必要的機(jī)械性能，材料的降解性可控;③具有與骨組織相似的多孔三維結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)樾鹿窃诓牧媳砻鏀U(kuò)展生長(zhǎng)提供支持(骨傳導(dǎo)性)，能夠誘導(dǎo)骨組織周圍的多能干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化(骨誘導(dǎo)性) ;④材料來源充足，易成型［4］．

經(jīng)過改性的聚合物復(fù)合材料作為修復(fù)和替換人體硬組織的材料，將具有以下優(yōu)點(diǎn):彈性模量通過調(diào)整可以達(dá)到自然骨水平;材料繁多、品種多樣，可以滿足人體不同部位需要的植入體;易成型，密度低，韌性高．缺點(diǎn)是作為負(fù)載材料時(shí)有強(qiáng)度差和易變形等局限性，同時(shí)聚合物——碳纖維復(fù)合材料的表面沒有生物活性［1］．Bonfield等［5］首先向高密度聚乙烯中摻入了羥基磷酸鈣填料，使得聚合物的彈性模量調(diào)整到自然骨水平，具有較高的生物活性，植入體內(nèi)后能與自然骨形成化學(xué)鍵結(jié)合，達(dá)到很好的固定效果．目前這種材料已臨床應(yīng)用于頰骨和中耳骨的植入．這類材料的機(jī)械強(qiáng)度較低，只能用于承力小的部位．復(fù)合材料中的羥基磷酸鈣粉體尺寸大、含量高、團(tuán)聚嚴(yán)重，聚合物基體的結(jié)合不良，導(dǎo)致該類聚合物復(fù)合材料的微孔隙較多，所以在含水環(huán)境中性能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定．

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)適合用作新型生物復(fù)合材料的基體［6］．具有高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度比聚乙烯高5倍)、高韌性、高耐磨性、抗疲勞性和抗沖擊性好;它是一類半結(jié)晶熱塑性聚合物，無需任何添加劑即可成型，這避免了由于加入其他的化合物可能帶來的對(duì)人體有害的污染;它對(duì)水解與輻射有很強(qiáng)的抵抗力，因此在材料經(jīng)過高溫高壓或輻射消毒后，其力學(xué)性能不會(huì)劣化，這種材料在生理環(huán)境中力學(xué)性能十分穩(wěn)定［7］．為了使聚醚醚酮表面具有生物活性，Bakar［8］曾嘗試將羥基磷酸鈣填料加入其中，羥基磷酸鈣粉體粗大和用量高，嚴(yán)重減低了聚醚醚酮材料的機(jī)械強(qiáng)度，通過熔融共混的方法將平均粒徑為25～30 μm的HA加入到PEEK中制備出復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，認(rèn)為該復(fù)合材料對(duì)于骨骼移植具有較大的應(yīng)用價(jià)值．蔡衛(wèi)全等［9］采用原位聚合合成PEEK-HA復(fù)合材料，研究HA加入對(duì)PEEK力學(xué)性能的影響，由于HA的加入，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度減小，硬度增加，紅外光譜顯示HA與PEEK基體之間并未形成真正的化學(xué)結(jié)合，只是物理上結(jié)合，故易造成復(fù)合材料斷裂．使PEEK與HA形成有效化學(xué)連接或提高2種物質(zhì)之間的增容，可能是今后研究方向．馮惺等［10］以HA和PEEK為基本原料，添加碳纖維(carbon fiber，CF)，在分子間形成交聯(lián)，制成HAPEEK-CF三元復(fù)合材料．CF的引入，可以顯著提高PEEK-HA-CF復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能，其強(qiáng)度和模量隨CF含量的增加得到提高，比PEEK-HA復(fù)合材料的力學(xué)性能更加優(yōu)異，強(qiáng)度和模量接近人體骨骼;體外活性試驗(yàn)顯示該材料具有一定的生物相容性［9］．

4　骨替代材料在體內(nèi)的細(xì)胞環(huán)境

不同組織來源的細(xì)胞對(duì)材料的敏感性是有差異的，因此只用軟組織來源的細(xì)胞來檢測(cè)材料的細(xì)胞毒性，并不能全面反映生物材料的相容性．在骨缺損或疾病的患者體內(nèi)，骨替代材料必須和原有骨骼匹配并穩(wěn)定結(jié)合(圖2)，其結(jié)合有3種形式:①形態(tài)結(jié)合．早期生物材料與骨組織或細(xì)胞的表面機(jī)械結(jié)合，這種方式的結(jié)合下應(yīng)力傳遞是不連續(xù)的．②生物結(jié)合．生物材料與骨組織或細(xì)胞形成嵌合與交聯(lián)，應(yīng)力傳遞不連續(xù)．③骨鍵結(jié)合或活性結(jié)合．生物材料與骨組織或細(xì)胞形成分子水平上的化學(xué)鍵(結(jié)合緊密、完全相容和應(yīng)力傳遞連續(xù))，是長(zhǎng)期植入材料的最佳結(jié)合方式［11］．采用生物學(xué)方法評(píng)價(jià)植入體所接觸的骨細(xì)胞環(huán)境，骨替代材料應(yīng)選擇骨組織來源的細(xì)胞，其中最重要的是成骨細(xì)胞．成骨細(xì)胞主要功能是分泌骨基質(zhì)并礦化，形成新骨，維持正常骨量．當(dāng)骨材料對(duì)成骨細(xì)胞造成損傷時(shí)，影響成骨細(xì)胞正常功能，會(huì)引起原有正常骨骼的病變，導(dǎo)致結(jié)合不牢并引發(fā)炎癥反應(yīng)等排斥現(xiàn)象，影響骨骼正常功能．因此，體外選擇成骨細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，能更好地模擬骨骼材料與骨組織在體內(nèi)的相互作用．MG-63細(xì)胞來源人成骨細(xì)胞系，是骨替代材料生物相容性研究的常用細(xì)胞．

骨替代材料在體內(nèi)除了與成骨細(xì)胞接觸外，還直接接觸軟組織來源的細(xì)胞，例如一些纖維性細(xì)胞等［12］．骨替代材料植入人體必須與周圍纖維性組織(肌肉)形成連接和結(jié)合，否則會(huì)發(fā)生肌肉組織萎縮、植入體脫落等，導(dǎo)致骨骼運(yùn)動(dòng)功能喪失．小鼠成纖維細(xì)胞3T3是一種重要的細(xì)胞材料，通常用于由致癌劑等所引起的體外毒性研究．

圖2　骨替代材料在體內(nèi)接觸的細(xì)胞環(huán)境［12］Fig.2 In vivo cellular environment of bone substitute material［12］

生物相容性、生物力學(xué)適應(yīng)性和抗腫瘤，是載藥生物材料(或材料本身具有抗腫瘤能力)不可缺少的基本因素［13-14］．單一組分的生物材料由于其本身的結(jié)構(gòu)，難以滿足人體環(huán)境的要求，復(fù)合材料通常具有復(fù)合體系中各個(gè)材料的優(yōu)良性能，故復(fù)合型載藥生物材料成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［15］．因此可以將具有抗病的活性分子作為填充修復(fù)材料與PEEK基體復(fù)合，制備出力學(xué)性能和生物相容性優(yōu)良，同時(shí)具備一定抗腫瘤特性的載藥生物骨科材料［16］．骨髓瘤細(xì)胞U2OS是常用作研究載藥骨骼材料的重要細(xì)胞，通過分析抗骨髓腫瘤特性，為其進(jìn)一步研究生物材料作為載藥骨骼材料提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)．

5　細(xì)胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)與材料毒性的關(guān)系

細(xì)胞的各種生命活動(dòng)是建立在細(xì)胞形態(tài)與結(jié)構(gòu)完整的基礎(chǔ)之上的，破壞了細(xì)胞完整性，細(xì)胞的生命活動(dòng)也就不存在，當(dāng)細(xì)胞形態(tài)與結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，細(xì)胞生命活動(dòng)也將改變［17-18］．通過觀察細(xì)胞形態(tài)的變化或數(shù)量的增減，可以比較直觀地判斷材料對(duì)細(xì)胞毒性的作用，材料毒性成分對(duì)細(xì)胞的損傷，通常會(huì)引起生物分子結(jié)構(gòu)的改變，出現(xiàn)代謝和機(jī)能的改變，如線粒體氧化代謝障礙、蛋白質(zhì)表達(dá)異常［19］、細(xì)胞膜選擇性通透屏障作用消失和細(xì)胞器發(fā)生形變等，這種變化可以通過形態(tài)學(xué)觀察到．在光學(xué)顯微鏡或電鏡下根據(jù)鏡下形態(tài)特點(diǎn)［20］，通過細(xì)胞自溶性變化、膜破裂和核聚縮等，可以判斷材料的細(xì)胞毒性程度．圖3為細(xì)胞形態(tài)異常圖．用掃描電鏡可以觀察到細(xì)胞表面形貌和生長(zhǎng)黏附情況，用透射電鏡可以觀察生物材料對(duì)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響．扈盛［21］將人肝癌細(xì)胞(Bel-7402)與TiO2納米粒子共同孵育后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度腫脹，出現(xiàn)線粒體腫脹崩解、峭結(jié)構(gòu)紊亂、核膜周間隙擴(kuò)大和核固縮等現(xiàn)象．將TiO2和HA兩種無機(jī)納米粒子與Bel-7402細(xì)胞共同孵育后發(fā)現(xiàn)，TiO2納米粒子進(jìn)入癌細(xì)胞后，在細(xì)胞內(nèi)呈團(tuán)聚狀態(tài)并濃縮，不能被細(xì)胞代謝分解．隨著HA納米粒子的尺寸逐漸變小，顆粒邊緣變模糊圓鈍，晶體逐漸被破壞，說明它被細(xì)胞降解，證明納米HA材料可作為理想的生物材料．

圖3　細(xì)胞形態(tài)異常［20］(顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂，質(zhì)膜破裂，內(nèi)含物泄露)Fig.3 Abnormal cell morphology［20］(featured by structural disorder，membrane rupture and contents leak)

6　骨替代材料的跨膜運(yùn)輸

骨替代材料進(jìn)入體液環(huán)境，無法直接被細(xì)胞攝取，通常會(huì)釋放化學(xué)基團(tuán)或小顆粒物質(zhì)，作為載體與細(xì)胞發(fā)生作用，這些小顆粒物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞必須通過細(xì)胞膜這層天然屏障［22］．Aoki等［23］發(fā)現(xiàn)，納米顆粒共同孵育后，在癌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有大量小顆粒物質(zhì)聚集在一起，包裹在一種特殊的空泡中，在未加入納米粒子的對(duì)照組未發(fā)現(xiàn)這種含有顆粒的空泡，而且這些空泡中的顆粒物質(zhì)的形狀、大小與加入的納米粒子較為相似，證明了納米顆粒進(jìn)入了細(xì)胞內(nèi)部．扈盛［21］研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石納米粒子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)需要微絲參與并形成囊泡．圖4為HA粒子進(jìn)入細(xì)胞的電鏡圖片，電鏡觀察到納米粒子被肝癌細(xì)胞伸出的偽足分成若干小團(tuán)塊，然后被其偽足包圍、包埋/吞噬泡形成、內(nèi)陷，進(jìn)入肝癌細(xì)胞質(zhì)后脫離細(xì)胞膜，納米粒子被包裹在有膜結(jié)構(gòu)的空泡，是一個(gè)完整的吞噬過程，證明了吞噬是納米粒子進(jìn)入細(xì)胞的主要方式．

圖4　HAP粒子進(jìn)入細(xì)胞的TEM圖［21］Fig.4 TEM image of HAP particles into cells［21］

7　細(xì)胞黏附與材料表面化學(xué)的關(guān)系

生物材料植入體內(nèi)后，首先與細(xì)胞或組織直接接觸的是材料的表面，因此生物材料表面性質(zhì)對(duì)成骨細(xì)胞的黏附起非常重要的作用．成骨細(xì)胞在生物材料界面上的早期黏附程度和特性，一般決定了骨替代植入材料能否和骨形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的骨整合，這對(duì)植入材料發(fā)揮正常生物學(xué)和機(jī)械功能具有重要意義［24］．目前分子醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)認(rèn)為成骨細(xì)胞在種植體表面的黏附過程包括早期的熱力學(xué)黏附以及晚期的生物學(xué)黏附．在離子力、疏水鍵和范德華力等弱作用力的影響下，熱力學(xué)上的黏附發(fā)生在細(xì)胞黏附過程的早期階段，發(fā)生迅速、持續(xù)時(shí)間短，使得細(xì)胞與基體暫時(shí)貼附．生物學(xué)黏附一般按血漿蛋白吸附—細(xì)胞接觸—附著—伸展4個(gè)過程進(jìn)行，需要多種黏附大分子蛋白的參與，主要有細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix，ECM)、細(xì)胞骨架蛋白和細(xì)胞膜蛋白的共同作用，晚期生物學(xué)黏附作用不僅有利于材料與組織形成良性結(jié)合，而且可以將材料和細(xì)胞界面的相互作用信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)，從而調(diào)控細(xì)胞基因的表達(dá)［25］．

陶鳳娟等［25］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)納米化改性的鈦板可以調(diào)整合素(β亞基)的表達(dá)，從而促進(jìn)細(xì)胞黏附．細(xì)胞外基質(zhì)蛋白主要包括纖維連接蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)、I型膠原蛋白(I collagen)和骨橋蛋白(osteopontin)等，上述細(xì)胞外基質(zhì)蛋白為細(xì)胞黏附過程提供錨定、黏附位點(diǎn)以及信號(hào)傳遞基礎(chǔ)，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生早期黏附，起黏附信號(hào)傳遞和級(jí)聯(lián)放大作用，形成“生物材料材料—ECM—整合素—細(xì)胞骨架”雙向信號(hào)通路，開始調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架蛋白的運(yùn)動(dòng)，并形成應(yīng)力纖維，改變細(xì)胞形態(tài)，包括細(xì)胞偽足的形成、伸展和變平等，使得更多細(xì)胞黏附在材料表面，見圖5．根據(jù)“生物材料材料—ECM—整合素—細(xì)胞骨架”黏附模式可知，材料的黏附特性主要取決于對(duì)ECM的吸附作用，吸附得越多，越利于材料黏附細(xì)胞．影響材料吸附ECM的因素包括材料表面疏水性、電荷和粗糙程度等．其中材料表面的粗糙程度對(duì)細(xì)胞黏附有重要影響，越粗糙越容易黏附．采用等離子體改性羥基磷灰石表面，發(fā)現(xiàn)其不僅可以改變?cè)摬牧系牧W(xué)性能如張力，而且可以通過提高表面粗糙度，增加活性基團(tuán)含量如羥基，這種經(jīng)改性后的微結(jié)構(gòu)能夠使細(xì)胞更好發(fā)生黏附，提高細(xì)胞黏附率，促進(jìn)增殖，從而改善骨結(jié)合能力．

圖5　細(xì)胞黏附過程［25］Fig.5 Schematic of the cell adhesion process［25］

8　細(xì)胞增殖、周期和凋亡

細(xì)胞增殖是細(xì)胞生命活動(dòng)的基本特征．測(cè)定細(xì)胞增殖活性能直接評(píng)估材料對(duì)細(xì)胞的毒性［20］．Wang等［26］將來源于兔骨的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSC)置于n-HA/PA支架材料上孵育，采用MTT法測(cè)定細(xì)胞增殖活性，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間延長(zhǎng)，n-HA/PA支架材料上細(xì)胞增殖加快，2周之后，骨細(xì)胞量明顯增加，表明該材料對(duì)MSCs細(xì)胞無毒性，生物相容性良好．細(xì)胞增殖的調(diào)節(jié)發(fā)生在細(xì)胞周期水平上．細(xì)胞周期的長(zhǎng)短反映了細(xì)胞所處的狀態(tài)，是細(xì)胞物質(zhì)積累與細(xì)胞分裂的循環(huán)過程．材料或有毒物質(zhì)通過改變周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependentkinases，CDK)或周期蛋白的表達(dá)影響細(xì)胞周期．王智琴等［27］研究表明，苯并芘能誘導(dǎo)DNA損傷，導(dǎo)致S期的周期蛋白cyclin A轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平下調(diào)，使得細(xì)胞周期進(jìn)程阻滯于S期，減緩細(xì)胞周期，抑制了增殖．近年來有關(guān)細(xì)胞凋亡的研究被逐漸應(yīng)用于材料的細(xì)胞相容性的研究．曲秋蓮［28］采用AnnexinV FITC/PI雙染法檢測(cè)活性炭和二氧化硅對(duì)胃癌細(xì)胞BGC-823凋亡率影響發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和濃度的增加，這2種材料均能促進(jìn)該細(xì)胞發(fā)生凋亡，有一定抗胃癌功能．細(xì)胞凋亡主要受2條信號(hào)通路調(diào)節(jié)［20］:一是死亡受體介導(dǎo)的信號(hào)通路，死亡受體相應(yīng)的配體結(jié)合后，將細(xì)胞外凋亡信號(hào)向細(xì)胞內(nèi)部傳遞，引起細(xì)胞凋亡的執(zhí)行者caspase蛋白酶家族的活化，活化后的caspase剪切相應(yīng)的底物，啟動(dòng)并執(zhí)行細(xì)胞凋亡過程．二是內(nèi)源性線粒體通路．線粒體信號(hào)通路激活凋亡，設(shè)計(jì)多種非受體調(diào)節(jié)信號(hào)，包括胞內(nèi)激活信號(hào)和胞外信號(hào)．這些信號(hào)使線粒體內(nèi)膜電位和通透性改變，釋放促凋亡蛋白進(jìn)入胞質(zhì)，如圖6．王學(xué)等［29］研究了硅藻土陶瓷作為牙科材料對(duì)L929細(xì)胞致凋亡作用，硅藻土陶瓷組Bcl-2和Bax表達(dá)水平與陰性組間無顯著差異，對(duì)細(xì)胞凋亡無明顯影響，認(rèn)為該材料無明顯細(xì)胞毒性，符合臨床應(yīng)用要求．

圖6　線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑［20］Fig.6 Endogenous apoptosis pathway mediated by mitochondria［20］

9　氧化應(yīng)激作用

生物材料誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)，發(fā)生氧化應(yīng)激，被認(rèn)為是許多材料最主要的生物學(xué)效應(yīng)，以及產(chǎn)生細(xì)胞毒性的一個(gè)重要機(jī)制［30-31］．超大顆粒物質(zhì)通常不能直接進(jìn)入細(xì)胞，會(huì)間接釋放Fe3+(Fento反應(yīng))、其他有害物質(zhì)如多環(huán)芳烴等，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生ROS，從而激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK) 和NF-κB信號(hào)通路，調(diào)節(jié)基因表達(dá)，決定細(xì)胞增殖或凋亡，納米顆粒通過吞噬進(jìn)入細(xì)胞，被溶酶體消化后或通過還原氫途徑產(chǎn)生ROS，引起細(xì)胞凋亡等．細(xì)胞狀態(tài)根據(jù)氧化應(yīng)激程度表現(xiàn)為3級(jí)，即細(xì)胞初期防御狀態(tài)、促炎性反應(yīng)和凋亡［32］，見圖7．當(dāng)機(jī)體產(chǎn)生的ROS超出機(jī)體清除能力時(shí)，過量的ROS就會(huì)將細(xì)胞膜上的磷脂以及酶和膜受體上的不飽和脂肪酸側(cè)鏈氧化，形成丙二醛(malondialdehyde，MDA)，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性改變，繼而破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，造成組織損傷和器官病變，因此測(cè)試MDA的量常?？梢苑从臣?xì)胞氧化程度和損傷程度．生物膜系統(tǒng)如細(xì)胞質(zhì)膜、線粒體膜及膜蛋白結(jié)構(gòu)容易受到活性氧的氧化作用而失活，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:①活性氧與生物膜上的酶或跨膜受體蛋白共價(jià)結(jié)合，影響膜結(jié)構(gòu)、成分和活性，從而導(dǎo)致功能異常;②生物膜的脂質(zhì)成分被自由基氧化成脂質(zhì)過氧化物，引起膜結(jié)構(gòu)變化(蛋白和脂質(zhì)比例失衡)，導(dǎo)致膜功能改變，從而影響細(xì)胞正常物質(zhì)運(yùn)輸和信息傳遞;③攻擊核酸分子，包括線粒體DNA和核DNA，造成DNA損傷，引起基因異常表達(dá)，細(xì)胞發(fā)生凋亡或壞死;④線粒體膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、電位改變，激活內(nèi)源性凋亡途徑，從而引起細(xì)胞凋亡［33］．

圖7　ROS介導(dǎo)材料顆粒產(chǎn)生細(xì)胞毒性的分子機(jī)制［32］Fig.7 Molecular mechanism of cytotoxicity produced by material particles mediated by ROS［32］

10　調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

正常情況下成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞數(shù)量和功能通過各種細(xì)胞因子和信號(hào)通路維持一個(gè)穩(wěn)定的水平，從而使它們所介導(dǎo)的骨形成與骨吸收處于平衡狀態(tài)．當(dāng)骨替代材料與這些細(xì)胞接觸時(shí)，可能會(huì)擾亂這一平衡，導(dǎo)致正常骨骼結(jié)構(gòu)和功能的異常［34-35］．一方面，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞數(shù)量和功能的穩(wěn)定主要是通過OPG/RANKL/RANK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路維持的，成骨細(xì)胞表達(dá)分泌核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)，破骨細(xì)胞的表面具有核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor κB，RANK)，兩者結(jié)合后激活核因子κB通路(nuclear factor-kappa κB，NF-κB)，細(xì)胞核內(nèi)上調(diào)c-Fos基因的表達(dá)，c-Fos與NFATc1蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，激活破骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、功能活化并抑制其凋亡，加快骨吸收過程［36］．另一方面，成骨細(xì)胞可以表達(dá)誘騙受體骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)，競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合RANKL，阻止RANKL與RANK結(jié)合，從而使核因子κB通路失活，抑制破骨細(xì)胞功能活化．因此，RANKL和OPG比例對(duì)于骨吸收和重建具有重要意義，它可以反映骨重建和吸收的速率，當(dāng)RANKL和OPG的比例上升時(shí)骨吸收較快，RANKL和OPG的比例下降時(shí)骨吸收減慢，見圖8．Abhiram等［37］設(shè)計(jì)一種能放出長(zhǎng)波長(zhǎng)的超聲裝置，刺激成骨細(xì)胞，研究NF-κB信號(hào)通路中RANKL和OPG比例的變化，發(fā)現(xiàn)在3～24 h時(shí)，OPG表達(dá)量顯著升高，而RANKL表達(dá)量極低，RANKL和OPG的比例明顯降低，表明該超聲裝置可以使成骨細(xì)胞保持較高活性，維持成骨功能．生物材料調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分化，能夠反映材料對(duì)細(xì)胞特異性功能的影響．

圖8　RANKL和OPG的比例調(diào)節(jié)骨的重建［36］Fig.8 Bone reconstruction by regulating proportions of RANKL/OPG regulate［36］

11　骨替代材料的生物相容性評(píng)價(jià)方法

生物相容性的評(píng)價(jià)方式有很多，主要分為體內(nèi)生物學(xué)及體外生物學(xué)評(píng)價(jià)．當(dāng)材料植入體內(nèi)與器官組織直接接觸時(shí)，材料對(duì)人體組織將產(chǎn)生多種作用;同時(shí)人體具有極其復(fù)雜的生理環(huán)境，也會(huì)對(duì)材料造成理化性質(zhì)的改變，這些影響反過來又會(huì)產(chǎn)生新的生物學(xué)反應(yīng)．這種材料與生物體之間動(dòng)態(tài)的相互作用使各自的性質(zhì)和功能都會(huì)受到不同程度的影

響［38］，見圖9．

圖9　材料與生物體之間相互影響［38］Fig.9 Interaction between the bone substitute material and the organism［38］

生物材料的細(xì)胞相容性除了滿足ISO(international organization for stardardization)系列標(biāo)準(zhǔn)所推薦的原則和方法外，近年來還發(fā)展出了體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)，從形態(tài)學(xué)方法檢測(cè)細(xì)胞損傷、細(xì)胞生長(zhǎng)測(cè)定和細(xì)胞代謝測(cè)定等角度提出了不少實(shí)驗(yàn)方法，并從定性體外評(píng)價(jià)逐漸向定量測(cè)定發(fā)展［37，39］．通過這些體外研究，可以綜合判斷材料對(duì)細(xì)胞的影響及其機(jī)理，評(píng)價(jià)材料的生物相容性．隨著組學(xué)的深入發(fā)展，一些學(xué)者認(rèn)為還需從基因組和蛋白質(zhì)組水平去評(píng)價(jià)材料的生物相容性［40］，見圖10．從分子、細(xì)胞和整體生物學(xué)3個(gè)水平評(píng)價(jià)生物材料的生物相容性，確保生物材料安全有效地應(yīng)用于人體．

圖10　生物材料的體外研究［40］Fig.10 In vitro studies of biological materials［40］

結(jié)語

介紹骨替代材料的生物相容性評(píng)價(jià)方法，從不同角度研究和評(píng)價(jià)生物材料對(duì)細(xì)胞的作用與影響．按照生物功能性原則，細(xì)胞相容性還應(yīng)包括材料對(duì)細(xì)胞生物功能的影響評(píng)價(jià)，體外方法主要集中在細(xì)胞黏附、周期、凋亡測(cè)定、分化、細(xì)胞生理、氧化應(yīng)激、信號(hào)通路調(diào)節(jié)和生物合成功能等方面．通過生物材料的體外研究和體內(nèi)研究，可以保障生物材料應(yīng)用的安全有效．

引 文:倪 卓，楊 莎，王 應(yīng)，等．骨替代材料的研究方法及進(jìn)展［J］．深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2015，32(4) : 331-342．

參考文獻(xiàn)/References:

［1］Ni Zhuo，Wang Ying，Liu Shide，et al．Study on MG-63 cells proliferation for PEEK/HA composite［J］．Orihopaedic Biomechanics Materials and Clinical Study，2013，10(3) : 46-49．(in Chinese) 倪 卓，王 應(yīng)，劉士德，等．聚醚醚酮/納米羥基磷灰石生物材料對(duì)MG-63細(xì)胞增殖作用［J］．生物骨科材料與臨床研究，2013，10(3) : 46-49．

［2］Ni Zhuo，Hua Wenyu，Wang Ying，et al．Crystallization kinetics of PEEK/HA composite［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2013，29(2) : 74-77．(in Chinese) 倪 卓，華文語，王 應(yīng)，等．PEEK/HA生物復(fù)合材料的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2013，29(2) : 74-77．

［3］Landis W J，Song M J，Leith A，et al．Mineral and organic matrix interaction in normally calcifying tendon visualized in three dimensions by high-voltage electron microscopic tomography and graphic image reconstruction ［J］．Journal of Structure Biology，1993，110(1) : 39-54．

［4］Cypher T J，Grossman J P．Biological principles of bone graft healing［J］．The Journal of Food and Ankle Surgery，1996，35(5) : 413-741．

［5］Bonfield W，Wang M．Interfaces in analogue biomaterials ［J］．Acta Materialia，1998，46(7) : 2509-2518．

［6］Lin T，Corvelli A，F(xiàn)rondoza C J，et al．Glass PEEK composite promotes proliferation and osteocalcin production of human osteoblastic cells［J］．Journal of Biomedical Materials Research，1997，36: 137-144．

［7］Godara A，Raabe D，Green S，et al．The influence of sterilization processes on the micromechanical properties of carbon fiber-reinforced PEEK composites for bone implant applications［J］．Acta Biomater，2007，3(2) : 209-220．

［8］Bakar C K．Mechanical properties of injection molded hydroxyapatite/polyetheretherketone biomaterials［J］．Composites Science and Techology，2003，63(12) : 421-425．

［9］Cai Weiquan，Weng Lvqian，Ni Zhuo，et al．In situ polymerization of hydroxyapatite/poly(ether-ether ketone) composites［J］．New Chemical Materials，2010，38(6) : 37-38．(in Chinese)蔡衛(wèi)全，翁履謙，倪 卓，等．原位聚合羥基磷灰石/聚醚醚酮復(fù)合材料［J］．化工新型材料，2010，38(6) : 37-38．

［10］Feng Xing，Sui Guoxin，Yang Rui，et al．Mechanical properties and in vitro bioactive of polyetheretherketonehydroxyapatite(PEEK-HA) carbon fiber-reinforced composites for biomedical applications［J］．Journal of Materials Research，2008，22(1) : 18-25．(in Chinese) 馮 惺，隋國(guó)鑫，楊 銳，等．PEEK-HA-CF復(fù)合材料的力學(xué)性能和體外生物活性［J］．材料研究學(xué)報(bào)，2008，22(1) : 18-25．

［11］Hu Yunyu．A research on osteogenic potential the fibroblast ［J］．Journal of the Fourth Military Medical University，2001，22(11) : 961-963．(in Chinese)胡蘊(yùn)玉．成纖維細(xì)胞成骨能力的研究［J］．第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(11) : 961-963．

［12］Vacanti C A，Upton J．Tissue-engineered morphogenesis of cartilage and bone by means of cell transplantation using synthetic biodegradable polymer matrices［J］．Clinics in Plastic Surgery，1994，21(3) : 445-462．

［13］Liu Jingting，Han Yingchao，Li Shipu，et al．Research advances of anti-osteosarcoma nano drag carriers［J］．Orthopaedic Biomechanics Materials and Clinical Study，2006，3(3) : 44-46．(in Chinese)劉靜霆，韓穎超，李世普，等．抗骨肉瘤藥物納米載體的研究進(jìn)展［J］．生物骨科材料與臨床研究，2006，3(3) : 44-46．

［14］Kubo T，Sugita T．Acetabular osteosarcoma treated by irradiation-vascularized hybrid bone graft［J］．Anticancer Research，2004，24(3b) : 1889-1892．

［15］Feng Xin．Controlled released drug carrier material used in the field or department of orthopedics［J］．Tianjin Phamacy，2009，21(1) : 63-68．(in Chinese) 馮 鑫．應(yīng)用于骨科領(lǐng)域的緩控釋藥物載體材料［J］．天津藥學(xué)，2009，21(1) : 63-68．

［16］Pan Guoliang，Guo Qiang，Tong Juying，et al．Effect of solvens on properties of SPEEK proten exchange membranes prepared with the solution method［J］．Materials Science and Techology，2008，16(5) : 642-645．(in Chinese)潘國(guó)梁，郭 強(qiáng)，童菊英，等．溶劑對(duì)溶液法制備的SPEEK質(zhì)子交換膜性能的影響［J］．材料科學(xué)與工藝，2008，16(5) : 642-645．

［17］Andre N，Tian Xia，Lutz M，et al．Toxic potential of materials at the nanolevel［J］．Science，2006，311(3) : 622-627．

［18］Yang Xiaoming，Yin Huishui，Zhang Yu，et al．Biocompatibity of silicon containing micro-arc oxidation coatend magnesium alloy ZK60 with osteoblasts cultured in vitro ［J］．Chinese Journal of Reconstructive Surgery，2013，27(5) : 612-618．(in Chinese)楊小明，尹惠水，張 余，等．表面含硅微弧氧化涂層鎂合金ZK60體外與成骨細(xì)胞生物相容性的研究［J］．中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2013，27(5) : 612-618．

［19］Tao Fengjuan，Yu Youcheng，Chen Wantao，et al．The effects of nanostructed titanium fabricated via surface plastic deformation on MC3T3 cell adhesion［J］．Fudan University Journal Medicion Science，2006，36(2) : 206-211．(in Chinese)陶鳳娟，余優(yōu)成，陳萬濤，等．鈦表面塑性變形納米化對(duì)MC3T3細(xì)胞黏附的影響［J］．復(fù)旦學(xué)報(bào)醫(yī)學(xué)版，2006，36(2) : 206-211．

［20］Chen Yuanxiao，Chen Junxia．Medical cell biology［M］．Beijing: Science Press，2013: 145-201．(in Chinese)陳元曉，陳俊霞．醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，2013: 145-201．

［21］Hu Sheng．The process of hepatoma cells absorbing inorganic nanoparticles and the change of cells［D］．Wuhan: Wuhan University of Techology，2005．(in Chinese) 扈 盛．無機(jī)納米粒子進(jìn)入肝癌細(xì)胞的過程及肝癌細(xì)胞的變化［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2005．

［22］John D，Hood M B，Ricardo F，et al．Tumor regression by targeted gene delivery to the neovasculature［J］．Science，2002，296(5577) : 2404-2407．

［23］Aoki H，Masaru A，Seisuke K，et al．Effects of hydroxyapatite-sol cell growth［J］．Report of the Institute for Medical and Dental Engineering，1992，26: 15-21．

［24］Webster T J，Ergun C，Doremus R H，et al．Enhanced osteoclast-like cell functions on nanophase ceramics［J］．Biomaterials，2001，22(11) : 1327-1333．

［25］Tao Fengjuan．The effects of nanostructured titanium fabricated via surface plastic deformation on biolology behavour of MC3T3 cell［D］．Shanghai: Fudan University，2009．(in Chinese)陶鳳娟．純鈦表面塑性變形納米化對(duì)MC3T3細(xì)胞生物學(xué)行為的影響［D］．上海:復(fù)旦大學(xué)，2009．

［26］Wang Huanan，Li Yubao，Yi Zuo，et al．Biocompatibility and osteogenesis of biomimetic nano-hydroxyapatite/polyamide composite scaffolds for bone tissue engineering ［J］．Biomaterials，2007，28: 3338-3348．

［27］Wang Zhiqin，Qi Yitao，Yang Di，et al．The effect of benzo pyrene exposure on cell cycle and related genes in HELF cells［J］．Carcinogenesis，Teratogenesis，Mutagenesis，2009，21(1) : 42-45．(in Chinese)王智琴，齊以濤，楊 迪，等．苯并芘對(duì)HELF細(xì)胞周期及相關(guān)基因表達(dá)的影響［J］．癌變·畸變·突變，2009，21(1) : 42-45．

［28］Qu Qiulian．Biological effects of four kinds of nanoparticles on human gastric carcinoma cell line BGC-823［D］．Beijing: Institute of Pharmacology and Toxicology of AMMS，2009．(in Chinese)曲秋蓮．4種納米顆粒對(duì)人胃癌BGC-823細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)［D］．北京:軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所，2009．

［29］Wang Xue，Zhang Feimin，Liu Mei，et al．Introduction of apoptosis and ralated genes by five kinds of dental materials on L929 cell［J］．West China Journal Stomatology，2010，28(3) : 250-253．(in Chinese) 王 學(xué)，章非敏，劉 梅，等．5種牙體修復(fù)材料對(duì)L929細(xì)胞凋亡及相關(guān)基因的影響［J］．華西口腔醫(yī)學(xué)雜，2010，28(3) : 250-253．

［30］DeCoursey T E，Ligeti E．Regulation and termination of NADPH oxidase activity［J］．Cellular and Molecular Life Science，2005，62: 2173-2193．

［31］Sayre L M，Perry G，Smith M A，et al．Oxidative stress and neurotoxicity［J］．Chemical Research in Toxicology，2008，21(1) : 172-188．

［32］Li Ning，Tian Xia，Andre E N，et al．The role of oxidative stress in ambient particulate matter-induced lung diseases and its implications in the toxicity of engineered nanoparticles［J］．Free Radical Biology and Medicine，2008，44(9) : 1689-1699．

［33］Zhao Jingxia．Influences of nanoparticle zinc oxide in the eletrophysiological properties of hippocampal neurons and the mechanism of the biological effects on PC12 cells ［D］．Tianjin: Nankai University，2010．(in Chinese)趙景霞．納米氧化鋅對(duì)海馬神經(jīng)元電生理特性的影響及對(duì)PCI2細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制研究［D］．天津:南開大學(xué)，2010．

［34］Li Shuyu，Wang Zhigang．Progress in focal adhesion kinase singaling pathway［J］．Biotechology Bulletin，2009，12(2) : 6-10．(in Chinese)李樹裕，王志鋼．黏附斑激酶(FAK)及其信號(hào)通路研究進(jìn)展［J］．生物技術(shù)通報(bào)，2009，12(2) : 6-10．

［35］Keselowsky B G，Collard D M，Garcia A J，et al．Surface chemistry modulates focal adhesion composition and signaling through changes in integrin binding［J］．Biomaterials，2004，25(28) : 5947-5954．

［36］Aido R，Gersldine I，Imad N，et al．Effect of particle size on hydroxyapatite crystal-induced tumor necrosis factor alpha secretion by macrophages［J］．Atherosclerosis，2008，196(1) : 98-115．

［37］Abhiram M，HoKee H，Siew-Tin O，et al．Long wave ultrasound may enhance bone regeneration by altering OPG/RANKL ratio in human osteoblast-like cells［J］．Bone，2006，39: 283-288．

［38］Li Shipu．Introduction of biomedical materials［M］．Wuhan: Wuhan University of Technology Press，2000．(in Chinese)李世普．生物醫(yī)用材料導(dǎo)論［M］．武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000．

［39］Song J H，Kim J H，Park S，et al．Signaling responses of osteoblast cells to hydroxyapatite: the activation of ERK and SOX9［J］．Journal of Seoul National University，2008，26(2) : 138-142．

［40］Lyu(Lü) Xiaoying，Huang Yan，Yu Yadong，et al．Application of genomics/proteomics technologies in the research of biocompatibility of biomaterials［J］．Journal of Inorganic Materials，2013，28(1) : 21-28．(in Chinese)呂曉迎，黃 炎，俞亞東，等．基因/蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在生物材料生物相容性研究中的應(yīng)用［J］．無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2013，28(1) : 21-28．

【中文責(zé)編:坪 梓;英文責(zé)編:遠(yuǎn) 鵬】

【材料科學(xué)/Materials Science】

Citation: Ni Zhuo，Yang Sha，Wang Ying，et al．Research methods and advances on bone substitute materials［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 331-342．(in Chinese)

Research methods and advances on bone substitute materials

Ni Zhuo1，Yang Sha1，Wang Ying2，and Liu Shide2

1) College of Chemistry and Chemical Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

2) College of Life Science，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

Abstract:This paper reviews the biocompatibility of bone substitute materials classified as autologous bone，allograft bone and artificial bone substitutes．Osteoblasts MG-63，fibroblast 3T3，myeloma cells U2OS are the main biological environments of these biological materials．Therefore，these three kinds of cells are common cells for the biocompatibility research of bone substitute materials．The evaluations of the biocompatibility of bone substitute materials include in vitro and in vivo biologics．The artificial bone substitute materials have important effects on the in vivo environment．These effects include the impacts on cell morphology and cell function．The characteristics of the cell morphology such as cell autolysis changes，rupture of membranes，nuclear fusion can determine the toxicological grade of biomaterials．The cell functions including membrane transport，cell adhesion，cell proliferation，cell cycle，apoptosis，oxidative stress and regulating signal transduction can determine the biocompatibility．

Key words:biomaterials; composite materials; bone substitute materials; biocompatibility; artificial bone material; repair materials

作者簡(jiǎn)介:倪 卓(1963—)，男(漢族)，吉林省通化市人，深圳大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師．E-mail: royzhuoni@ hotmail.com

基金項(xiàng)目:廣東省教育廳科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2013KJCX0163) ;深圳大學(xué)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)資助項(xiàng)目(201223)

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TB 332