肖國強，胡介宇 綜述，王 茜，李琪佳，張 輝王志強△ 審校

(1.華北理工大學附屬醫(yī)院骨科，河北唐山 063000；2.華北理工大學實驗中心，河北唐山 063000；3.河北省唐山市第二醫(yī)院關(guān)節(jié)一科 063000)

隨著世界人口老齡化的到來，骨骼系統(tǒng)疾病顯著增加，如骨折、骨性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松和骨轉(zhuǎn)移癌等。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)是治療骨性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死的最終治療策略。目前治療骨缺損和關(guān)節(jié)置換主要使用金屬植入物。但這些植入物可因植入松動、磨損、負載不當，而導致植入物周圍炎癥、骨吸收和骨質(zhì)溶解，最終植入失敗[1]。自體骨移植被認為是治療骨缺損的金標準，但供區(qū)有限、手術(shù)時間長，而同種異體植骨，常面臨免疫排斥、疾病傳播等風險。而傳統(tǒng)的金屬植入物骨整合能力有限，需對骨科植入物進一步研究，以提高骨整合能力。本文將現(xiàn)階段骨科植入物生物修飾的研究進行了總結(jié)和歸納。

1 金屬植入物的要求

鈦合金質(zhì)地輕、延展性好、耐腐蝕、生物相容性好、耐反復(fù)，應(yīng)承載壓力均高于純鈦[2]。它具有較低的彈性模量，更有利于減少界面壓力，因此是較理想的骨科應(yīng)用材料。但常發(fā)生無菌性松動，因此需要改進和修飾這些植入物，使其有利于與宿主骨結(jié)合牢固。植入物的主要目的是與骨骼形成堅強的結(jié)合，在植入位置提供承載負荷功能。根據(jù)不同的位置和應(yīng)用，對植入物有不同的要求。關(guān)節(jié)置換和椎弓根釘棒，需要為整個生命周期提供支持，因此有更高的骨整合需求。盡管術(shù)后15年內(nèi)的初次髖、膝關(guān)節(jié)置換的成功率超過90%，仍需提高植入物的生命周期、強化植入物功能，尤其是在翻修、骨質(zhì)條件不佳、年輕的患者等特殊情況下。術(shù)后植入物的穩(wěn)定對骨整合非常重要。植入物與宿主之間存在20 μm微動并不影響骨整合，而40～150 μm的相對運動則不利于骨長植入物支架，植入物的過度運動會影響骨整合。因此良好的骨整合在植入物的早期和長期穩(wěn)定中均起關(guān)鍵作用。

2 表面修飾策略

單純的金屬植入物已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代骨科植入物的需求，學者們開始嘗試各種修飾手段。從單純的表面結(jié)構(gòu)更改，到表面涂層，再到各種生物修飾，增加植入物與宿主骨的整合，促進骨誘導及骨形成，增強植入物的穩(wěn)定性。

2.1植入物自身表面改性 由于植入物表面直接接觸宿主骨組織，更改植入物表面粗糙度及化學性質(zhì)可增強骨整合和機械穩(wěn)定。不同粗糙度可影響MSC細胞的黏附和增殖[3]。粗糙的表面利于骨細胞分化，增加材料表面粗糙度或?qū)⒉牧现谱鞒啥嗫捉Y(jié)構(gòu)，可增加接觸面積，利于宿主的蛋白質(zhì)、細胞長入材料。有研究發(fā)現(xiàn)蛋白激酶A和磷脂酶A2參與表面粗糙度對成骨細胞的影響。磷脂酶A2催化前列腺素E2的產(chǎn)生，使成骨細胞對1、25-(OH)2D3等系統(tǒng)作出反應(yīng)，促進成骨。研究發(fā)現(xiàn)在粗糙的鈦表面成骨細胞分化過程中存在著α2β1的信號轉(zhuǎn)導[4]。同時，可通過熱噴涂和物理氣相沉積對材料表面進行物理改性；堿處理法、酸處理法、過氧化氫刻蝕等進行化學改性，更改植入物表面結(jié)構(gòu)，促進骨整合。鈦表面納米結(jié)構(gòu)可提高骨細胞對材料局部微環(huán)境的辨別及適應(yīng)能力，促進骨整合[5]。

植入物表面化學基團也對骨生長和分化發(fā)揮作用。鈦表面羥基化可提高材料可濕性，促進細胞附著。而材料表面形貌和化學修飾(通過電化學陽極處理)，可促進植入物表面骨形成。材料表面形貌是決定植入材料生物學性能的重要因素[6]。研究發(fā)現(xiàn)材料表面的化學基團可調(diào)節(jié)吸附蛋白的構(gòu)象及活性，表面化學基團的不同對成骨細胞的影響也不同。將纖維蛋白吸附于具有不同化學基團(OH、NH2、COOH、CH3)的材料表面與骨細胞共同培養(yǎng)，骨細胞在OH和NH2基團表面利用α5β1和αvβ3促進細胞黏附，有更明顯的ACL表達和礦化。而表面基團如何影響體內(nèi)骨形成仍有待研究。

2.2表面涂層 磷酸鈣(CaP，包括羥磷灰石，HA)具有良好的礦化能力，可增強植入物骨整合，其復(fù)合涂層具有較強骨結(jié)合力和優(yōu)良抗菌性[7]。HA涂層植入骨組織有助于增加1～2 mm的初始橋接，有利于骨傳導，增強材料骨整合。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，在涂層與骨之間的界面，骨生成和黏附強度明顯增高。羥基磷灰石具有良好的生物活性，已廣泛應(yīng)用于髖、膝關(guān)節(jié)置換中，并取得很好的療效。更多功能化的涂層被研究，IZQUIERDO-BARBA等[8]在Ti6Al4V表面予以TiO2納米涂層，能有效地干預(yù)金黃色葡萄球菌生物膜形成，具有抗菌作用。

生物黏附涂層修飾材料表面是另一類顯著提高骨科材料機械固定的方法。細胞外基質(zhì)(ECM)蛋白可被吸附/功能化植入材料表面，調(diào)節(jié)細胞吸附和分化。ECM相對分子質(zhì)量很大，而吸附于材料表面可能會導致細胞結(jié)合區(qū)域難以暴露。多肽序列包含了細胞結(jié)合區(qū)域的最小結(jié)構(gòu)，在體內(nèi)、外相當活躍。這些具有功能基團的多肽經(jīng)過多種處理(材料消毒、包裝、存儲)后依然可保留活性[9]。Ⅰ型膠原(ColⅠ)是骨組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白，通過精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp，RGD)肽序列促進細胞黏附和伸展。RGD肽序列包裹鈦植入物表面，植入體內(nèi)2、4周時骨形成明顯增加。鈦金屬涂以纖連蛋白(FN)7-10片段(FN7-10)顯示更高的ALP活動、鈣含量、礦化，也增加了骨的附著和抗拔出力。陳岑[10]將HA涂層的骨傳導作用與FN骨誘導作用結(jié)合，制成類骨磷灰石與FN的復(fù)合涂層，能控制釋放FN，兩種分子具有協(xié)同作用，有效地促進骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)的增殖和成骨分化。

生物分子物理吸附量有限，共價結(jié)合能增加生物分子涂層量，以低聚糖(甲基丙烯酸乙二醇酯)(OEGMA)聚合物修飾鈦表面，OEGMA通過化學共軛結(jié)合細胞吸附配體(如RGD和FN7-10)，將結(jié)合有FN7-10的OEGMA修飾材料植入大鼠脛骨干，該材料表現(xiàn)出較高的骨接觸和抗拔出力[11]。

2.3局部治療劑的緩釋策略增強骨整合 眾所周知，臨床治療中局部用藥能減少全身用藥的不良反應(yīng)，且具有針對性，那么是否可將釋放治療性生物分子或藥物與材料結(jié)合增強骨整合引起人們極大的興趣。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)-2和BMP-7已被批準用于臨床患者。THOREY等[12]將表面涂有BMP-2的鈦植入兔股骨，顯示鈦周圍骨量明顯增加。RAMAZANOGLU等[13]在磷酸鈣涂層的表面吸附和呈遞BMP-2和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，顯示兩個生長因子間存在協(xié)同作用可增強植入物周圍骨礦物質(zhì)密度。但細胞因子、生長因子固定于植入物表面常會導致生物活性下降。BMP-2是一種疏水蛋白質(zhì)，雖能牢固的黏附于材料表面，但在黏附過程中失去活性。KASHIWAGI等[14]合成的人造蛋白質(zhì)，包含了3個可與鈦可逆連接的序列，同時其N末端能與BMP-2結(jié)合。通過該中間層的介入，BMP-2能穩(wěn)定連接于材料表面，且生物活性不受影響，這種蛋白有助于治療劑的可逆、定向結(jié)合(固定)和釋放。LU等[15]研制出了一種模塊化的骨形成肽(mBMP)，對羥磷灰石有高親和力。將mBMP結(jié)合于鈦HA涂層表面，植入羊股骨髁中，可增加植入鈦推出力[16]。雖然實驗研究取得良好效果，但藥物和細胞因子吸附在表面會表現(xiàn)出爆發(fā)式釋放，局部藥物及生長因子超生理劑量，從而導致不良反應(yīng)。

MACDONALD等[16]采用逐層組裝技術(shù)，交替應(yīng)用BMP-2和帶電聚合物修飾植入材料表面，既可以將大劑量的BMP-2裝載于材料表面，同時避免BMP-2爆發(fā)式釋放。該材料植入肌內(nèi)時，可發(fā)起骨生長并逐漸成熟。SHAH等[17]采用類似的技術(shù)修飾鈦支架材料，可控制治療分子BMP-2持續(xù)釋放，體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)顯著增加植入物的抗推出力。SONG等[18]研發(fā)了由聚己內(nèi)酯(與羥基磷灰石共混)和聚乙烯醇(與Col共混)(PVAHA/PCLCol)制成的共聚物納米纖維涂層。將強力霉素和地塞米松(成骨細胞誘導分化劑)結(jié)合于這種聚合物納米纖維涂層，并與前成骨細胞MC3T3-E1培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能增強前成骨細胞擴散和黏附。該涂層可控制治療藥物及生長因子在病變部位的釋放，避免爆發(fā)式釋放。然而，進一步的體內(nèi)研究中，需要監(jiān)測不同治療藥物及生長因子的釋放，了解不同治療分子的釋放動力學，才能完全控制修飾材料局部藥物的釋放。

同時有研究發(fā)現(xiàn)雙膦酸鹽(BPS)可促進去卵巢動物種植體的骨整合，并延長全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床使用壽命。含BPS的纖維蛋白原涂于植入物表面可改善材料在人骨骼中的整合。LI等[19]發(fā)現(xiàn)唑來膦酸(ZA)修飾的植入材料植入骨質(zhì)疏松小鼠模型中，能促進植入材料固定，同時在皮下注射人類甲狀旁腺激素1-34(PTH)效果更明顯。吳晗等[20]在兔骨質(zhì)疏松模型中，用ZA修飾植入材料，ZA局部釋放，抑制骨吸收,可明顯改善種植體周圍骨結(jié)合率，促進骨形成,從而增強種植體的穩(wěn)定性。這種治療劑修飾植入物，局部釋放策略可能成為治療骨質(zhì)疏松患者骨缺損的新策略。

2.4細胞種植策略 SONNET等[21]使用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝膠制成的微膠囊(直徑50～350 μm，能封裝可產(chǎn)生BMP-2的細胞系(Ad5BMP2)，植入大鼠股骨，BMP-2在局部表達水平相對較低，降低了超生理濃度生長因子釋放的相關(guān)副作用。HUANG等[22]將包含有VEGF和質(zhì)粒DNA(人骨髓基質(zhì)細胞和編碼BMP-4的質(zhì)粒DNA)的聚乳酸(PLGA)支架植入SCID(severe combined immune deficiency)小鼠中皮下，顯示出顯著的骨形成。同樣，聚己內(nèi)酯(PCL)支架采用骨髓基質(zhì)細胞修飾后成骨作用明顯[23]；將骨髓基質(zhì)細胞與內(nèi)皮細胞聯(lián)合修飾的PLGA支架植入小鼠體內(nèi)，骨形成明顯，且兩種細胞具有協(xié)同作用。BMSCs可作為種子細胞，種植于骨缺損處，促進成骨，提高材料骨整合，BMSCs作為種子細胞修飾植入材料，修復(fù)牙槽骨缺損療效滿意[24]。細胞修飾植入材料修復(fù)骨缺損，既能提供局部機械支撐，也能產(chǎn)生多種骨形成相關(guān)的因子和蛋白，供局部整合所需，有利于局部快速成骨，修復(fù)骨缺損。

2.5表面基團與生物凝膠 材料表面官能團和聚合物對骨整合同樣具有重要作用。GANDAVARAPU等[25]將磷酸基團與PEG水凝膠結(jié)合，并將血清蛋白吸附于該結(jié)合材料表面，可促進成骨細胞在表面附著和擴散。RGD序列是一種常用的促進細胞黏附的材料表面修飾基團。ALSBERG等[26]將用RGD序列修飾的藻酸鹽水凝膠、軟骨細胞和成骨細胞植入免疫力低下的小鼠皮下，有類似于軟骨內(nèi)骨化的結(jié)構(gòu)形成，并在骨和軟骨界面區(qū)形成類似生長板樣結(jié)構(gòu)。HSU等[27]使用組織蛋白酶K敏感肽作為交聯(lián)劑制成具有RGD功能化的PEGDA水凝膠，當成骨細胞和破骨細胞在這樣的凝膠上培養(yǎng)時，可降低破骨細胞的附著，而不影響成骨細胞的附著，可抑制骨吸收，促進骨生長。凝膠同樣能避免修飾基團的爆發(fā)式釋放，將重組人BMP-2包埋于該凝膠，能隨時間緩慢釋放。

RGD序列能與各種類型的整合蛋白非特異性結(jié)合，能被其他特定的誘導骨分化的序列代替。WOJTOWICZ等[28]使用GFOGER(其通過α2β1整合蛋白與細胞結(jié)合)涂層于聚己內(nèi)酯支架，促進節(jié)段性骨缺損修復(fù)，并且顯示在沒有任何外源性生長因子的情況下，吸附GFOGER的支架表面骨形成的顯著高于未涂層的支架。SHEKARAN等[29]利用PEG水凝膠通過α2β1整合蛋白與BMP-2來傳導信號增強骨再生?；瘜W基團聯(lián)合水凝膠在實驗研究階段療效顯著，有待進一步臨床研究。

2.6生長因子生物固定 生長因子、細胞因子(包括BMP-4、轉(zhuǎn)化生長因子-β、纖維母細胞生長因子、胰島素樣生長因子、VEGF)對骨形成具有重要作用[30]。將生長因子和細胞因子固定于支架材料上，模擬其在ECM中的存在[31]。生長因子的釋放可隨著細胞的需求而呈遞，不會隨時間的推移迅速擴散[32]。MARTINO等[33]設(shè)計的多功能纖維蛋白支架，能結(jié)合生長因子如PDGF-BB和BMP-2，用該纖維蛋白支架固定生長因子，避免了迅速擴散，在治療大鼠骨缺損所需的生長因子劑量顯著降低。

對骨科植入材料的修飾不再是簡單的某種修飾，混合修飾效果更優(yōu)越，茍詩然等[34]運用明膠微球吸附轉(zhuǎn)化生長因子-β1，形成微球控制釋放系統(tǒng)，并交聯(lián)轉(zhuǎn)化生長因子-β1蛋白，再通過殼聚糖(CS)凝膠將整個復(fù)合涂層用于鈦表面，能促進骨細胞增殖分化，這種修飾方法既能將生長因子固定于材料涂層，且能控釋。吳雪林等[35]通過模擬體液仿生沉積法在鈦合金材料表面構(gòu)建鈣磷離子/神經(jīng)生長因子(NGF)復(fù)合涂層，能緩釋生物活性因子NGF，促進成骨。

3 展 望

植入材料的不斷更新增強了對骨整合和骨組織再生的理解。簡單物理、化學法改性材料，整合蛋白配體功能化材料，植入物的表面修飾以改善骨整合已經(jīng)顯示出廣闊的前景。生長因子釋放和細胞包埋相結(jié)合，治療劑局部釋放與凝膠復(fù)合涂層，其對骨生長具有協(xié)同作用。骨組織生長和再生是一個動態(tài)過程。因此，植入物需要響應(yīng)骨組織不斷增長的需求。這需要廣大學者的共同努力，解開錯綜復(fù)雜的機制和細節(jié)。