尤琦，張贏心，李佳樂(lè)，劉敏，王梓霖，韓冰

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科1、急診科2，吉林 長(zhǎng)春 130021)

雙相磷酸鈣陶瓷化學(xué)組成對(duì)其材料性能的影響

尤琦1，張贏心2，李佳樂(lè)1，劉敏1，王梓霖1，韓冰1

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科1、急診科2，吉林 長(zhǎng)春 130021)

雙相磷酸鈣陶瓷是由一種由羥基磷灰石和β-磷酸三鈣按照不同比例混合構(gòu)成的生物活性陶瓷，其化學(xué)組成與骨組織的無(wú)機(jī)成分十分相近，目前大量研究表明該材料具有優(yōu)良的生物相容性、骨誘導(dǎo)性、骨傳導(dǎo)性及降解速率可調(diào)控等特點(diǎn)，因此有望成為理想的骨替代材料。綜述雙相磷酸鈣陶瓷化學(xué)組成對(duì)其抗壓強(qiáng)度、降解性能、細(xì)胞生物學(xué)行為及骨誘導(dǎo)性的影響及相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展。

雙相磷酸鈣陶瓷；快速成型技術(shù)；組織工程

由于先天畸形、腫瘤、外傷、感染等造成的骨缺損，是臨床較為常見(jiàn)的病癥。骨缺損不同程度地影響患者缺損部位的形態(tài)和功能，給患者的正常生活帶來(lái)嚴(yán)重的困擾，甚至威脅患者的生命[1]。目前，臨床上用于修復(fù)骨缺損的方法主要有：自體骨移植、異體骨移植、人工骨移植、牽張成骨術(shù)等[2]。自體骨移植無(wú)機(jī)體自身免疫反應(yīng)，無(wú)論在功能或結(jié)構(gòu)上都能完全代替原組織，但需開(kāi)辟第二術(shù)區(qū)，存在供區(qū)疼痛、來(lái)源有限、尺寸和形狀受限制等缺點(diǎn)。而異體骨雖然來(lái)源廣泛，并且避免開(kāi)辟第二術(shù)區(qū)，但有致病性、移植免疫反應(yīng)、制作成本高、存貯困難等缺陷[3]。組織工程學(xué)應(yīng)用生物材料與生物學(xué)原理，結(jié)合工程學(xué)技術(shù)，用接近人體正常組織的生物活性代替物，修復(fù)人體已缺損或缺失的器官結(jié)構(gòu)，維持人體器官的正常功能。將組織工程學(xué)技術(shù)應(yīng)用于臨床中修復(fù)骨缺損逐漸呈現(xiàn)出巨大的潛力。

組織工程三要素為支架、種子細(xì)胞和生長(zhǎng)信息，而支架作為種子細(xì)胞粘附及攜帶生長(zhǎng)信息的基本框架，使得人們對(duì)支架材料的改進(jìn)和研發(fā)成為研究的重點(diǎn)。在骨組織工程中，理想的支架材料應(yīng)該具備以下性能：(1)良好的生物相容性；(2)生物力學(xué)性能優(yōu)良，且易加工成形；(3)合適的生物降解性，其降解速率應(yīng)與新生骨的形成速度相匹配；(4)良好的骨誘導(dǎo)性；(5)價(jià)格適中，來(lái)源充足[4-5]。目前用于骨組織工程的支架材料主要有：一類是高分子聚合物，包括人工合成和天然高分子。人工合成高分子主要包括聚酯、聚己內(nèi)酯等，這類高分子材料在體內(nèi)能夠被降解、吸收；天然高分子中，殼聚糖、膠原蛋白、藻酸鹽的應(yīng)用較為廣泛。另一類是無(wú)機(jī)材料，主要分為人工合成和天然無(wú)機(jī)材料。人工合成無(wú)機(jī)材料主要是生物陶瓷類產(chǎn)品，有羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(β-TCP)以及兩者的混合物：雙相磷酸鈣陶瓷(BCP)、磷酸鈣骨水泥、生物活性玻璃陶瓷等；而天然無(wú)機(jī)材料有珊瑚等。

BCP是一種由HA和β-TCP構(gòu)成的生物活性材料，因其化學(xué)組成與骨組織的無(wú)機(jī)成分相似，且具有優(yōu)良的生物學(xué)相容性、骨誘導(dǎo)性、骨傳導(dǎo)性及降解速率可調(diào)控等特點(diǎn)，故在骨組織工程支架、藥物緩釋載體、種植體表面涂層等研究中得到較廣泛應(yīng)用[6]。近年來(lái)，對(duì)BCP的研究表明，化學(xué)組成對(duì)其抗壓強(qiáng)度、降解性能、細(xì)胞生物學(xué)行為及骨誘導(dǎo)性都有一定程度的影響，文章將從上述幾個(gè)方面進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步地研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 BCP化學(xué)組成對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響

BCP在物理結(jié)構(gòu)(如孔隙結(jié)構(gòu)及表觀微貌)等其他性質(zhì)相同的前提下，材料的化學(xué)組成對(duì)其抗壓強(qiáng)度有一定程度的影響。Zyman等[7]利用快速成型技術(shù)制備出不同構(gòu)成比的BCP并檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示：隨著β-TCP含量的增加，材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出單調(diào)性上升的趨勢(shì)。同樣的，Castilho等[8]利用直接三維打印技術(shù)制備出孔隙率相近而組成比例不同的BCP支架，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，因支架材料孔隙率較高(63%～68%)，造成支架的抗壓強(qiáng)度在松質(zhì)骨抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)(0.5～15 Mpa)，相較于皮質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度范圍偏低，表明該種材料有望應(yīng)用于修復(fù)非承重區(qū)的骨缺損。隨著進(jìn)一步的研究筆者發(fā)現(xiàn)，逐漸提高β-TCP含量(由12%增加到71%)，該材料的抗壓強(qiáng)度由0.42 Mpa逐漸增加到1.81 Mpa，筆者認(rèn)為出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是隨著β-TCP含量地提高，材料微孔率隨之降低，晶體之間或者晶粒之間接觸界面增大，使得材料抗壓能力得到增強(qiáng)。Castilho等[8]認(rèn)為影響B(tài)CP機(jī)械性能最重要的兩個(gè)因素是微觀結(jié)構(gòu)是否致密和材料中β-TCP的含量。

另一方面，Veljovi?等[9]比較化學(xué)組成不同的兩種BCP材料的斷裂韌性，結(jié)果表明斷裂韌性和材料的化學(xué)組成無(wú)關(guān)，而更大程度上取決于微孔率，隨著材料孔徑的減小、孔隙率的降低，材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力得到增強(qiáng)，相應(yīng)的韌性模量也得到提高。

綜上所述，可以通過(guò)對(duì)材料顆粒大小、形狀、孔隙率、孔徑以及β-TCP含量的調(diào)整，使得BCP更符合骨組織工程支架機(jī)械性能方面的要求。

2 BCP化學(xué)組成對(duì)其降解性能的影響

HA在體內(nèi)吸收速率比較緩慢，原因總結(jié)為以下兩點(diǎn)：(1)在燒結(jié)過(guò)程中，粒徑小于60 nm的微晶重結(jié)晶并進(jìn)入較大的晶體中，對(duì)體內(nèi)的破骨細(xì)胞更有抵抗力；(2)HA植入體內(nèi)后，其表面會(huì)有新生骨覆蓋，從而削弱了破骨細(xì)胞對(duì)HA的作用。β-TCP在體外溶解速率明顯大于HA，并且在體內(nèi)的吸收速率也明顯高于煅燒牛骨和人工合成HA顆粒。在體外實(shí)驗(yàn)中，BCP溶解速率介于β-TCP和HA之間，并且隨著β-TCP含量地提高，BCP的溶解速率也隨之提高[10-11]。同時(shí)，在體內(nèi)試驗(yàn)中，BCP的吸收速率也取決于其中β-TCP的含量[12]。然而，Jensen等[13]將不同比例的BCP(HA/ β-TCP分別為20/80、60/40和80/20)植入小型豬的下頜骨缺損中，在長(zhǎng)達(dá)52周的研究過(guò)程中，這三種不同比例的BCP都表現(xiàn)出較低并且相似的降解速率，作者認(rèn)為這種現(xiàn)象可能是材料本身較高的結(jié)晶度(接近100%)引起的，因?yàn)殡S著結(jié)晶度的提高，BCP表面的降解速率隨之降低。

通過(guò)對(duì)BCP中HA/β-TCP組成比例地調(diào)整及燒結(jié)過(guò)程中結(jié)晶度的控制，有望使材料的降解速率與組織新生速度相匹配，從而使得該種材料的性能更加滿足骨組織工程支架的要求。

3 BCP化學(xué)組成對(duì)細(xì)胞生物學(xué)行為的影響

Ebrahimi等[14]認(rèn)為BCP中較高的β-TCP含量有利于早期的細(xì)胞增殖及分化，而較高的HA含量則在后期中顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，Miramond等[15]、Gokcekaya等[16]將細(xì)胞接種在孔隙結(jié)構(gòu)相似但HA和β-TCP含量不同的BCP支架表面，并在不同的時(shí)間點(diǎn)觀察細(xì)胞粘附、增殖等生物學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Ebrahimi等[17]通過(guò)和前期的研究工作比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BCP的粒徑減小到納米等級(jí)并且具有適宜的表觀微貌時(shí)，接種到材料表面的細(xì)胞生物學(xué)行為就與材料的構(gòu)成比無(wú)關(guān)。所以，細(xì)胞的生物學(xué)行為更大程度上取決于BCP材料的表觀微貌而不是其構(gòu)成比。

4 BCP化學(xué)組成對(duì)其骨誘導(dǎo)性的影響

骨誘導(dǎo)性是指植入的材料具有誘導(dǎo)其周圍的間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化并形成新骨的能力。Habibovic等[18]將孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率相似的HA和BCP分別植入犬大腿肌肉內(nèi)，分別在術(shù)后4周、8周取材，觀察植入材料及其周圍成骨情況，發(fā)現(xiàn)雖然兩組材料成骨過(guò)程相似，但BCP中成骨現(xiàn)象的發(fā)生要明顯早于HA。其原因可能為BCP中含有溶解性更好的β-TCP，而β-TCP是由鈣離子和磷酸根離子構(gòu)成，隨著β-TCP的溶解不斷增多，使得游離的鈣磷離子在植入材料周圍局部微環(huán)境中不斷增多，并在早期就達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，從而較早發(fā)生磷灰石(骨組織的無(wú)機(jī)成分)的沉積，同時(shí)過(guò)飽和的游離鈣離子促使植入材料部位骨形成蛋白(BMPs)的富集，從而誘導(dǎo)該區(qū)周圍的間充質(zhì)干細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞分化，進(jìn)而成骨[19]。Lim等[20]將不同構(gòu)成比的BCP (HA/β-TCP質(zhì)量比分別為70/30和30/70)植入兔上頜骨外側(cè)壁缺損，并分別在術(shù)后2周和8周后取材，觀察植入材料及其周圍新生骨的情況，發(fā)現(xiàn)兩組材料新骨形成量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其原因可能是BCP中β-TCP降解速率較快，引起初期機(jī)體的炎癥反應(yīng)，使創(chuàng)口延期愈合，因此影響了材料的骨誘導(dǎo)性[20-21]。大量體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)對(duì)BCP組成比例、孔隙率、孔徑大小地調(diào)整及制備條件地優(yōu)化可以構(gòu)建出較為理想的組織工程支架，既能保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也能促進(jìn)新骨的形成。

因BCP的化學(xué)組成與骨組織的無(wú)機(jī)成分十分相近，且具有優(yōu)良的生物相容性、骨誘導(dǎo)性、骨傳導(dǎo)性及降解速率可調(diào)控等特點(diǎn)，目前在組織工程支架材料研究中得到較為廣泛的應(yīng)用。文章綜述了BCP的化學(xué)組成對(duì)其抗壓強(qiáng)度、降解性能、細(xì)胞生物學(xué)行為及骨誘導(dǎo)性地影響及相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展。研究表明，通過(guò)改變BCP中HA和β-TCP比例、粒徑、表觀微貌、孔隙率、孔徑大小等來(lái)對(duì)其進(jìn)行改性，改性后的BCP有望成為較為理想的骨組織工程支架材料。

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Effect of different chemical composition of biphasic calcium phosphates on material properties.

YOU Qi1,ZHANG Yin-xin2,LI Jia-le1,LIU Min1,WANG Zi-lin1,HAN Bing1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery1,Department of Emergency2,Stomatology Hospital of Jilin University,Changchun 130021,Jilin,CHINA

Biphasic calcium phosphates,consisting of hydroxyapatite and beta-tricalcium phosphate,have been extensively applied as bone graft substitutes due to their similarity with the mineral portion of nature bone.They have been proved to have excellent biocompatibility,osteoinductivity and adjustable degradation,which are expected to become a good choice for bone graft substitutes.The paper is going to review influences of different chemical composition of biphasic calcium phosphates on the materials'compressive strength,degradation,biological compatibility,osteoinductivity and the research progress of related mechanisms.

Biphasic calcium phosphates;Rapid prototyping technology,Tissue engineering

R318

A

1003—6350（2016）15—2502—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.15.031

2015-10-22)

韓冰。E-mail：569869924@qq.com