劉 凱 綜述,艾合買提江·玉素甫 審校

骨是力學和生理學動態(tài)穩(wěn)定的組織結(jié)構,四肢長骨不僅承擔著站立、行走等運動功能,還具有維持代謝、造血等生理功能。然而,由創(chuàng)傷、感染、腫瘤或先天疾病引起的長骨嚴重骨缺損(>6 cm)的修復仍然是骨科醫(yī)師亟待解決的難題[1-2]。目前,修復長骨嚴重骨缺損主要包含兩種方法——植骨和骨組織工程技術[3-6]。植骨在成骨、骨誘導方面的優(yōu)勢使其得以廣泛應用,包括自體骨移植、同種異體骨移植等[7-8]。但缺損長度、供區(qū)并發(fā)癥、感染及免疫排斥反應等限制了該技術在修復嚴重骨缺損中的應用。

骨組織工程技術具有個體化治療、根除感染及貼合生理性成骨等優(yōu)勢,已逐漸成為修復長骨嚴重骨缺損的有效方法[9]。其中,生物支架由于其良好的力學支撐和成骨誘導性得到了廣泛研究。理想的骨修復支架材料應具有良好的力學支撐、成骨活性、生物相容性及可降解性[10-11]。隨著材料科學的高速發(fā)展,新的骨重建材料主要包括高分子聚合物、生物活性陶瓷、聚合物與陶瓷的復合材料、金屬材料[12-14]。其中,聚合物、生物活性陶瓷及其復合材料常因堅硬度過高而韌性不足,不能為承重位置提供適宜的力學支撐[11, 15]。傳統(tǒng)金屬材料如不銹鋼、鈦或鉭,雖然能提供足夠的力學支撐,但其植入后難以降解,長期存在體內(nèi)易發(fā)生超敏反應和免疫排斥反應,增加感染概率和患者的心理負擔[8]。因此,可在體內(nèi)生物降解并具備多孔隙結(jié)構促進成骨誘導的復合金屬支架,逐漸成為國內(nèi)外學者的研究熱點。盡管已有研究探討了鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)等及其復合金屬支架用于承重部位骨缺損修復的機制,但考慮到動物模型及骨缺損部位存在異質(zhì)性,不同金屬元素配比的可生物降解支架對骨缺損的修復機制及臨床療效仍未可知。本文對不同可生物降解金屬支架的理化性質(zhì)、促成骨轉(zhuǎn)導力學性能的研究進展進行綜述,旨在促進其臨床轉(zhuǎn)化。

1 Fe

Fe是人體中必不可少的元素之一,在成人體內(nèi)有4～5 g,主要以血紅蛋白(72%)及肌紅蛋白(3%)形式存在,其余以鐵蛋白的形式儲存在肝、脾和骨髓中。Fe基復合金屬憑借制備簡便、良好的生物相容性等優(yōu)勢,是最早應用于醫(yī)學領域的植入金屬[15]。然而,Fe基復合金屬植入物在人體內(nèi)常因有機鹽溶液浸潤發(fā)生電化學腐蝕機制而降解,但降解速率緩慢。Lin et al[16]研究發(fā)現(xiàn),Fe基復合金屬在動物實驗中顯示出良好的生物相容性,并認為其緩慢降解速率是由于降解時產(chǎn)生含磷(P)或氯的Fe化合物抑制層。此外,與人體骨組織相比,Fe基復合金屬硬度及彈性模量較高,設計不合理易出現(xiàn)應力遮擋和退行性骨質(zhì)疏松。為提升Fe基復合金屬支架降解速率及力學性能,國內(nèi)外學者主要通過優(yōu)化復合成分、仿生涂層和制備工藝來實現(xiàn),例如制備含錳(Mn)或銀(Ag)等元素的復合金屬支架[15, 17-18]、真空等離子滲氮工藝[19]、蒸汽真空電弧技術[17]、生物陶瓷或生物聚合物涂層技術[20]等。盡管上述技術優(yōu)化了Fe基復合金屬支架的材料構成,考慮到其緩慢的體內(nèi)降解速率及高堅硬度,是否適用于植入修復嚴重骨缺損尚存在爭議。筆者認為,在發(fā)揮Fe基復合金屬支架的良好力學支撐性能時,應塑造多孔隙結(jié)構以獲得貼合人體骨組織的力學和成骨誘導性能,以期達到滿意的降解速率和骨再生效果。

2 Mg

Mg已被證實是人體內(nèi)含量第3的金屬元素,成人體內(nèi)含量約25 g,近60%沉積在骨骼和牙齒中,27%分布于軟組織中[17]。Mg基復合金屬具有與人體骨骼相近的密度、彈性模量和良好的生物相容性,植入人體后釋放的Mg2+是多種酶促反應的輔助因子,誘導人骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)中缺氧誘導因子、過氧化物酶體增殖物激活受體γ-共激活因子-1α產(chǎn)生,促進血管內(nèi)皮生長因子生成,從而促進血管化成骨[20]。因此,Mg螺釘或復合金屬支架憑借優(yōu)異的促成骨和血管生成作用,引起了國內(nèi)外學者的廣泛研究。Zhang et al[21]研究證明,Mg基復合金屬釋放的Mg2+具備良好的促成骨活性,過量的Mg2+也可通過機體新陳代謝排出。Salahshoor et al[22]通過動物和細胞實驗研究表明,與生物陶瓷相比,Mg基復合金屬表現(xiàn)出良好的力學性能和生物相容性。Bessa-Gon?alves et al[23]通過動物實驗研究表明,Mg基復合金屬的彈性模量接近皮質(zhì)骨,應用時可有效地避免傳統(tǒng)金屬植入物易出現(xiàn)的應力遮擋現(xiàn)象。此外,Jin et al[24]通過動物實驗研究發(fā)現(xiàn),Mg基復合金屬在體內(nèi)降解釋放的Mg2+可進入背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元并促進降鈣素基因相關肽的釋放,刺激有助于成骨分化的基因表達,促進骨再生的同時,Mg2+可經(jīng)腎臟排尿排出,能降低Mg2+濃集引起的毒性反應。Mg基復合金屬植入物如純Mg或Mg涂層螺釘,在治療因退變、骨質(zhì)疏松等造成的骨折和韌帶損傷方面也具有優(yōu)勢。Mau et al[25]通過分析Mg螺釘固定修復前交叉韌帶時的受力關系,以減少Mg螺釘置入時因不恰當?shù)呐ぞ氐刃Χ斐傻牧W不穩(wěn)定,來提高手術成功率。Lin et al[26]通過在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中添加Mg,提高其抗感染和力學強度。然而,盡管Mg基復合金屬支架具有上述優(yōu)勢,但它在長骨嚴重骨缺損的修復中,高降解速率和低硬度是主要存在的問題。

目前,合金化和高生物活性納米涂層技術是提高Mg金屬耐蝕性、生物相容性和機械強度的常用方法[21,27],包括石墨烯納米涂層、鋰(Li)結(jié)合納米涂層及生物陶瓷涂層等[28]。筆者認為,高降解速率、析氫及堿化仍然是Mg基復合金屬支架作為骨修復植入材料應用的關鍵障礙。通過優(yōu)化制備工藝、合金化和生物活性涂層等方法增強Mg金屬的機械強度和耐腐蝕性,制備復合涂層的Mg基復合金屬支架可能是有效降低其植入后高降解速率的解決方案。盡管Mg基復合金屬存在上述不足,但考慮到其理想的促血管生成和成骨誘導性能,仍有望成為骨缺損修復的理想生物材料。

3 Zn

Zn是人體內(nèi)維持生理功能所必需的微量元素,成人體內(nèi)含量1.4～2.3 g,約30%存在于骨組織中。Zn2+在骨形成、發(fā)育和礦化中起著重要作用[28]。Yusa et al[29]細胞實驗研究發(fā)現(xiàn),Zn2+在骨重建中也發(fā)揮著積極作用,Zn2+在抑制破骨細胞的骨吸收同時,又促進成骨細胞增殖、分化和Ⅰ型膠原合成,加速骨再生及礦化。Qiao et al[30]通過細胞實驗探究復合二氧化鈦(TiO2)涂層的Zn基復合金屬支架促成骨效應時發(fā)現(xiàn),其置入體內(nèi)后釋放的Zn2+促進成骨細胞增殖和分化存在閾值效應,在Zn2+濃度超過5.2～6.5 mg/L時會產(chǎn)生抑制作用。Ranga et al[28]通過溶膠-凝膠法成功制備了含Zn的生物活性陶瓷,發(fā)現(xiàn)Zn2+可與硅元素形成穩(wěn)定的Si-氧(O)-Zn四面體結(jié)構,具有良好的抗菌性能。盡管復合Zn元素的生物活性聚合物和復合金屬具有優(yōu)異的抗感染、降解性能,但其延展性及力學支撐強度不足。

為改進上述性能,Zn基復合金屬材料逐漸成為骨缺損修復支架的研究熱點,包括Zn-Li、Zn-Li-鈣(Ca)、Zn-Mn和Zn-鍶(Sr)等[31-34]。Zhao et al[34]通過真空鑄造工藝成功制備了Zn-Li合金,并通過動物實驗驗證了該復合金屬具有顯著的延展性和力學性能,但生物相容性仍不理想。Zhang et al[32]通過熔融鍛造成形技術制備Zn-Li-Ca復合金屬支架,發(fā)現(xiàn)該支架可有效改善Zn-Li合金的生物相容性、成骨誘導和力學性能,但制備工藝要求較高。此外,Jia et al[35]通過動物和細胞實驗研究表明,Zn-Mn合金的出現(xiàn)使Zn基復合金屬的延伸率及生物相容性得到顯著改善,但Zn、Mn元素與成骨細胞之間是否存在相互作用仍然未知。Jia et al[36]通過熔融鍛造成形技術成功制備Zn-Sr復合金屬支架,動物和細胞實驗表明該支架釋放的Zn2+、Sr2+不僅可以激活Wnt/β-連環(huán)蛋白、PI3K/Akt等信號通路促成骨細胞增殖分化,還具有滿意的成骨誘導、促血管生成、力學支撐及生物相容性。因此,基于上述優(yōu)勢,筆者認為,Zn基復合金屬支架是可用于修復長骨嚴重骨缺損的理想方法,但應進一步探討復合金屬元素與Zn元素的最佳配比,以更好發(fā)揮在促進成骨中的協(xié)同作用。

4 Ca

Ca是人體中含量最多的無機鹽組成元素,總量為1 000～1 300 g,其中99%以骨鹽形式存在于骨骼和牙齒中。骨是Ca沉積的主要部位,主要以非晶體的磷酸氫鈣(CaHPO4)和晶體的羥基磷灰石(HAP)兩種形式存在,新生骨中CaHPO4比成熟骨多,骨骼成熟過程中CaHPO4逐漸轉(zhuǎn)變成HAP[37-39]。骨發(fā)育成熟后,通過骨形成和骨吸收過程維持骨骼健康狀態(tài)及骨鈣與血鈣的動態(tài)平衡。在骨修復材料領域,Ca通常以輔助金屬元素參與,如Mg-Ca、Zn-Ca、Mg-Zn-Ca等,其釋放的Ca2+在骨重建穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[22, 39]。Prasadh et al[40]通過細胞實驗發(fā)現(xiàn),成骨細胞增殖的最佳細胞外Ca2+為3～10 mmol/L,在該濃度下Ca2+可刺激間充質(zhì)干細胞譜系(如成骨細胞)和造血干細胞譜系(如破骨細胞)中表達的關鍵受體——鈣感受器受體 (CaSR),從而促進成骨細胞增殖。Zhang et al[37]通過細胞實驗檢測Mg-Ca復合金屬的微觀結(jié)構和力學性能時發(fā)現(xiàn),Ca2+還可上調(diào)骨鈣素的表達,加速骨礦化。此外,Ibrahim et al[41]在研究熱處理對Mg-Zn-Ca復合金屬支架的微結(jié)構及改性變化時發(fā)現(xiàn),復合金屬中Ca含量的增加常與體內(nèi)的P和O形成HAP,這能改善合金的生物相容性和剛度,有利于成骨或前成骨細胞貼附和增殖。

高降解速率是限制Ca元素加入復合金屬制備的主要障礙,盡管Ca元素的加入有效提升了Mg或Zn基復合金屬支架的促成骨及機械支撐性能,并在hBMSCs成骨分化起到遠程促進作用,但單一Ca元素作為輔助元素制備長骨嚴重骨缺損修復的生物支架是不可取的。通過Zn、Li、Mn等多種元素合金化制備復合金屬支架可有效提升支架力學性能,減慢降解速率以適配成骨周期。此外,向細胞外釋放適宜Ca2+濃度的復合金屬支架的成分配比仍有待進一步研究。

5 Mn

Mn是人體必需的微量元素之一,成人體內(nèi)總量為0.01～0.02 g。Mn在人體內(nèi)既可作為金屬酶的組成成分,又是許多堿性物質(zhì)的酶激活劑,參與能量代謝、自由基清除和神經(jīng)遞質(zhì)合成等生理過程[42]。Sotoudehbagha et al[17]通過細胞實驗研究Fe-Mn-Ag復合金屬性能時發(fā)現(xiàn),Mn可通過影響整合素的活性來調(diào)節(jié)細胞與細胞外基質(zhì)之間的相互作用,從而促進成骨細胞的增殖、黏附及擴散。在修復骨缺損的復合金屬支架制備中,Mn也承擔著重要的角色,如Zn-Mn、Zn-Mn-Mg、Fe-Mn等[35, 43]。微量Mn元素的加入,不僅可改善復合金屬支架的延展性,而且顯著提高其成骨誘導性和生物相容性。因此筆者認為,Zn-Mn合金有望成為長骨嚴重骨缺損修復材料的新選擇,特別是在承重部位。但考慮到Mn的強還原性,對制備復合金屬的成分配比及加工工藝要求較精細,選擇性激光燒結(jié)3D技術是制備含Mn復合金屬支架的有效方法。但復合金屬中各元素是否具有協(xié)同促成骨效應仍需要深入研究。

6 Sr

Sr是一種活潑的堿土金屬,占骨礦物含量的0.035%,理化性質(zhì)與Ca相近。在骨修復材料中,Sr以輔助金屬元素成分參與制備復合金屬支架,如Mg-Sr、Zn-Sr、Mg-Zn-Sr等。Zhong et al[42]通過對Zn-Sr復合金屬的細胞實驗發(fā)現(xiàn),Sr2+可與Zn2+協(xié)同增加成骨細胞活性及增殖,同時介導抑制破骨細胞信號通路來促進骨形成。Wang et al[44]通過對Mg-Sr復合金屬支架中Sr2+骨再生的功能研究發(fā)現(xiàn),Sr2+通過激活Akt激酶相關信號通路促進成骨細胞的增殖并抑制細胞凋亡,并認為Sr2+濃度在0.83～6.15 mg/L范圍時對成骨細胞增殖和分化有積極影響。Zhang et al[45]研究發(fā)現(xiàn),Sr2+可通過與CaSr結(jié)合,激活MAPK/Erk、Wnt/β-catenin和PI3K/Akt信號通路促進骨再生。此外,Naruphontjirakul et al[46]研究發(fā)現(xiàn),Sr2+可通過增加破骨細胞抑制因子生成,下調(diào)破骨細胞分化因子表達和抑制破骨細胞骨吸收,并認為Sr2+濃度在2～6 mg/L的范圍內(nèi)也存在促成骨作用。上述研究提示,Sr2+與Mg2+、Zn2+之間的協(xié)同效應有效改善了復合金屬支架的細胞相容性和成骨活性,且Mg-Sr復合金屬降解時易產(chǎn)生抑制層,從而提高Mg基復合金屬的耐腐蝕性。因此,含Sr復合金屬支架在修復長骨嚴重骨缺損領域中有巨大潛力。

7 結(jié)論

可生物降解金屬支架通過微結(jié)構合金化、離子成分改性及生物涂層等技術,可集合良好的力學支撐、骨誘導、生物相容性等優(yōu)勢于一體,加速骨缺損部位血管化成骨及礦化。Mg或Zn基復合金屬因其逐漸成熟的制備工藝和良好的促成骨活性等優(yōu)勢,是骨缺損修復的理想材料。但不同研究的設計方法、動物模型、缺損長度仍缺乏統(tǒng)一的預后評估標準。為促進其臨床轉(zhuǎn)化,未來研究需要建立標準化系統(tǒng)來評估可生物降解金屬對骨缺損修復的結(jié)果。