当前位置:首页 > 合作平台 > 在线期刊 > 中华实用医药杂志 > 2004年第4卷第23期 > 经验交流 > 骨传导材料及其临床应用

骨传导材料及其临床应用

来源:中华实用医药杂志 作者:杨洪建 2005-8-3
336*280 ads

摘要: 骨传导是用来描述多孔材料植入骨内(骨旁)时所观察到的一个三维过程。毛细血管、血管周围组织和骨祖细胞逐渐长入材料的孔隙中,并在其表面形成新骨,使材料与周围骨愈合。这个过程的典型特征是:首先,新生的纤维血管组织侵入材料的孔隙,然后,新骨逐渐形成。 理想的骨组织工程材料应当满足下述几个要求:植入体内......


    骨传导是用来描述多孔材料植入骨内(骨旁)时所观察到的一个三维过程。毛细血管、血管周围组织和骨祖细胞逐渐长入材料的孔隙中,并在其表面形成新骨,使材料与周围骨愈合。这个过程的典型特征是:首先,新生的纤维血管组织侵入材料的孔隙,然后,新骨逐渐形成。

    理想的骨组织工程材料应当满足下述几个要求:植入体内不引起免疫排斥反应;手术中易于修整以使其轮廓与不同形状的缺损相匹配;在必要的时候材料本身可提供机械支持;最重要的是植入物应能以相对较低剂量的诱导因子引起最优的成骨活动,可促使血管及间充质细胞迅速侵入材料而与吸附在其上的诱导因子接触。此外,在新骨的生长过程中,材料应逐渐被改建和吸收,而最终从植入部位消失。骨传导材料本身是没有生命力的,它只是一个被动的支架,为骨和纤维血管组织的长入提供引导。曾经因为其具有骨传导性质而认为此种材料的化学结构有生物活性。经过一系列的材料植入实验后,人们完全了解了骨传导的过程,广泛认为它们具有松质骨移植物的性质。但是,引导周围组织的长入、决定愈合是否完全并且影响支架内新组织形成类型的各种因素还不是很清楚。

  1 目前合成骨传导材料的应用

    为了避免因采集自体骨而引起的外科并发症,人们逐渐研制出多种多样的骨移植替代物。这些新材料均模仿松质骨的结构,期望在物理上、化学上模拟出松质骨的性质。

  1.1 羟基磷灰石 合成磷酸钙材料在孔隙率和结构上与松质骨相近,降解率可通过改变基本的化学组成来调控,最常用的是羟基磷灰石。羟基磷灰石的分子式为Ca 10  (PO 4 ) 6 OH 2 ,晶体为六边形或假六边形,孔隙率和结晶度可通过改变钙-磷比和磷酸盐含量来控制。一般来讲,钙-磷比越高,磷酸盐含量越高,含氟越高,钙化组织沉积越稳定,常规钙-磷比为1.67或1.5。

    早期羟基磷灰石合成用烧结法,温度在1100℃以上,烧结羟基磷灰石生物降解性差、修整困难,现已很少使用。人体骨中以有机基质Ⅰ型胶原为模板,限定矿物晶体形核的位置和生长的空间,而含量极微的某些非胶原性蛋白如骨涎蛋白则可作为形核的引物并规范矿物的取向,这使得骨中具有磷灰石结构的矿物相晶体大部分处在原胶原分子间的间隙区,尺寸在纳米量级,晶体c轴择优取向平行于胶原纤维。纳米羟基磷灰石/胶原复合材料(nano-HAp/Collaˉgen,nHAC)是将2~10nm羟基磷灰石晶体均匀分布在Ⅰ型胶原纤维当中,不仅成分与骨基质主要成分相同,超微结构、孔隙率、孔隙直径也与正常骨相似,所以是一种仿生骨替代材料。制备采用提纯并去抗原的Ⅰ型胶原为模板,在钙-磷盐溶液中调制矿化而获得的复合材料,矿物相为含有碳酸根的羟基磷灰石,晶粒度低,晶体尺寸在纳米量级,且与胶原自组装为分级结构。体外细胞培养实验证明,材料具有可生物降解性。崔福斋等 [2,3]  已对纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的体外特性及部分体内特性进行了深入研究,观察到此材料有如下特点:(1)快速的生物降解性。(2)优良的组织相容性:羟基磷灰石和Ⅰ型胶原均已被公认具有良好的组织相容性,两者复合植入动物体内未发现炎症反映,血液检测无免疫系统改变。(3)羟基磷灰石晶体表面积明显增加:纳米化后的羟基磷灰石晶体较非纳米羟基磷灰石晶体成千倍地缩小晶体体积,表面积显著增大,与吞噬细胞接触面积增大,更有利于被利用。(4)丰富的局部钙、磷含量:许多研究表明 [5,6]  ,钙、磷含量丰富,且具有骨形态结构是羟基磷灰石成骨的关键。纳米羟基磷灰石晶体在胶原降解后,均匀分布,使局部钙、磷含量增加,更有利于成骨。20世纪中,人们研究了从硫酸钙到煮沸的异种骨等多种材料,来替代自体骨移植。20世纪90年代,含有羟基磷灰石和(或)磷酸三钙的多孔陶瓷得到最广泛的研究。由于认识到宿主组织的长入需要多孔结构,Chiroff(1975)等第1次指出海生无脊椎动物形成的珊瑚具有与松质骨、皮质骨相似的结构,可能是合适的骨移植替物。浒珊瑚(porites)形成的珊瑚具有66%的孔隙率,纵行孔隙直径约230μm,横行孔隙直径约190μm,纵横孔互相连通。这种结构类似于皮质骨。角孔珊瑚(Goniopora)则具有类似于松质骨的微结构,其纵行孔隙直径为600μm,而将其连通起来的横行微孔直径在220~260μm之间。精细的珊瑚碳酸盐结构经过一个简单的热液交换反应就可以转换为机械性能优越的羟基磷灰石,并保持其原有结构。同样,类似的磷酸三钙多孔结构也可以制备。

    经过在动物模型和人体上进行的广泛试验和研究,多孔的羟基磷灰石植入物已经被证明适于纤维血管组织的长入,并且能够逐渐转化为板层骨。这个过程类似于自体骨移植时的变化。从组织学上来看,骨痂中可见成骨细胞和多核巨细胞,有活跃的新骨改建迹象。

    这些破骨细胞样的多核巨细胞看起来正在吸收植入物的表面。局部已经被吸收,但因为羟基磷灰石不溶于水及稳定的晶体结构,并没有显著的改建过程发生。在植入物周围未见到免疫及巨细胞反应。起初,植入物的机械性能不如宿主骨,但随着组织的长入,植入物的强度也逐渐增强。植入6个月后,植入物的强度就可以超过自体的松质骨。珊瑚羟基磷灰石具有显著的促进组织长入作用,所以优于以前研究的陶瓷材料。一般认为,这种差异是由于珊瑚的相互交通的孔隙结构所形成的,这种结构能促进组织的长入。Bucholz等(1987)注意到,在植入物与宿主骨有稳固并且紧密的接触时,组织才能够长入。局部的微动或不稳定能阻碍移植骨的愈合。这个问题也被Nagashima等在1995年所证实。移植骨的稳定性及其力学环境也可影响新骨在移植替代物中的形成。调控骨折部位组织分化的因素也同样作用于移植物中骨形成的过程。因此,在思考移植物的放置位置时应该考虑这些因素。

    在20世纪90年代,大量的珊瑚羟基磷灰石移植物被广泛应用,并且能够成功的修复松质骨及干骺端的骨缺损,但是在粉碎性的皮质骨缺损时并不推荐使用羟基磷灰石,因为它愈合不完全而且不能重新塑型。这种植入物最终将降低皮质骨的力学强度。较差的初始强度和处理性质同样也是它们作为皮质骨替代物时的不利因素。

    1.2 三磷酸钙植入物 将三磷酸钙(TCP)粉末与萘混合后压紧,随后去除萘形成多孔结构,烧结后就是多孔的三磷酸钙[Ca 3 (PO 4 ) 2 )]移植物。该过程形成的孔隙率约为36%,孔隙直径为100~300μm。三磷酸钙较羟基磷灰石具有更大的溶解性,植入体内后能够更快的吸收。但由于大块的三磷酸钙的孔隙率较低,组织不能完全长入,因此愈合不完全。而且,由于大块三磷酸钙的溶解速度过快,使其无法成为良好的骨移植替代物。TCP吸收的一个结果是形成富含磷酸钙的表面层或微环境,该磷酸钙集中区域看来能够促进移植物与宿主骨之间的连接。虽然其中确切的发生机制还不清楚,但很多研究者认为,较高的钙、磷酸根离子浓度可以促进其在长入组织中的结晶沉积,或以某种方式影响新生组织中成骨表型的表达。另外一种成骨的始发因素则与破骨细胞有关。磷酸钙晶体的沉积可能刺激了局部破骨细胞的活性。大多数磷酸钙植入物的活检标本表明局部丰富的多核细胞显然参与了移植物的吸收或重建。这是磷酸钙移植物能够增强破骨细胞活性的明显证据。活跃的破骨细胞可以引起成骨细胞活性增强,并伴随着新骨的形成,就是可以吸收的磷酸钙移植物能够促进破骨细胞进行改建,随后就在被吸收区域出现新骨的形成。

    应用可吸收TCP的一个方法是将其与羟基磷灰石烧结在一起。TCP的快速溶解在多孔的羟基磷灰石结构中形成局部高浓度的磷酸钙区,剩余的多孔羟基磷灰石结构可以促进组织长入和新骨形成,并为完全的愈合提供了长期的结构支架。现已合成磷酸钙水泥,这些水泥通常为包括多种α-TCP、磷酸二钙盐和磷酸四钙单氧化物的混合物。刚开始被混合的时候为液态,逐渐变硬形成结晶态。在变硬的骨水泥中虽然有一定数量的羟基磷灰石生成,但大部分仍为易溶的纯粹的晶体,很快就将被破骨细胞所吸收。从组织学上来看,将其植入体内几周后就可以观察到有血管的长入,伴随着显著的破骨细胞的活动,并可以看到新骨直接在植入物中形成。未观察到有炎症或异物反应的存在。不同的配方可以制成固化时间不同的骨水泥。这些骨水泥在固化以后具有与松质骨相似的压力强度,因此在临床医生中得到广泛的欢迎。骨水泥还可以用注射器将起注射到骨折或骨缺损部位,固化后在局部形成力学支撑,经过长期的吸收改建后最终可以完全被自体组织所替代。在桡骨末端骨折的治疗中这些骨水泥是非常有用的骨移植材料,在治疗股骨颈骨折时也是很有前景的。

  2 胶原作为骨传导材料

    以纤维状结构结合的Ⅰ型胶原是骨细胞外基质中含量最丰富的蛋白。胶原具有一种能够促进矿物质沉积的结 构。不仅其表面具有矿物质沉积的位点,它还结合了一些能够引发和控制钙化的非胶原类基质蛋白。例如:骨粘连蛋白(osteonectin),与胶原复合后就成为促晶体沉积的催化剂,与磷酸酯复合后能够促进羟基磷灰石在基质中的沉积。除此之外,胶原还给基质提供结构性支撑,并支持促晶体形成化学反应的进行。就其自身来说,胶原不是合格的骨移植材料,但与骨形态形成蛋白、骨祖细胞或羟基磷灰石复合后就能够显著地促进移植物的愈合。Werntz等的实验在1986年证明了单纯的胶原不足以治疗骨干的缺损,但其与骨髓的复合后的效果则优于单独的自体松质骨移植。Johnson(1996)和Grundel(1989)的实验证明胶原、羟基磷灰石和(或)TCP的复合物能够极大的促进骨缺损的修复。胶原基质为血管长入、钙质沉积和活跃的重建提供了最佳的模板。胶原可能还有与循环蛋白质,尤其是能够促进植入物中骨形成和诱导的生长因子相结合的作用。因此,胶原不仅为骨再生和重建提供了物理支架,还提供了最佳的化学环境。最为值得关注的是:应用同种异体和异种胶原有因为其本身的免疫性而引起有害的免疫反应的危险。尽管有实验发现免疫反应,但其他实验却没有发现不利影响。在胶原移植物的研究中,不数患者体内发现针对Ⅰ型牛胶原的循环抗体,但没有发现与人类胶原的交叉反应,没有出现皮肤的高反应性,也没有影响移植物的功能。

    胶原为骨替代物提供了一个理想的基质与支架的组合。它的物理和化学特性提高了陶瓷与生长因子的传导和诱导性能。在美国和欧洲,胶原已经作为骨移植替代物开始应用。在实践中,胶原可以与自体骨混合促进脊柱的前路融合。但在后路融合时,其效果不如自体骨,也许是其应用方式影响了愈合。最新的胶原材料是将其作为生长因子和工程化干细胞的载体而应用的,它代表着骨移植技术的新发展。

    3 非生物性的骨传导材料

    人们对包括可降解聚合物、生物活性玻璃及其他物质等非生物物质来制造骨传导材料进行了广泛的研究。非生物材料的优势在于材料各方面的可控性、无免疫反应及极佳的生物相容性。

    3.1 聚乳酸(PLA)和聚乙醇酯(PGA) 聚乳酸和聚乙醇酯在外科已经得到广泛的应用。在作为缝合材料时就已经证明了其优良的生物相容性。这些聚合物通过水解作用缓慢地降解。组织能够很好地耐受这些材料,但在移植物周围可发现炎症反应。Holliger等1986年研究了聚合物在肌袋模型中的降解过程。大块的PGA在植入72h后引起局部的纤维素性渗出和水肿,14天后则被纤维血管肉芽组织包裹并出现慢性炎症细胞。植入6周后,聚合物被炎性细胞浸润。在最近可降解PGA螺钉的临床研究中,均发现不利的异物反应,最终导致无菌性窦道形成。

    这些材料具有很多优势,如:可以制成各种形状,与生长因子或其他成分复合制成具有多种功能的载体。可以将其制成泡沫状使孔径大小最适合骨的长入。尽管骨、软骨能够长入这些聚合物中,但不是最佳状态。因此这些材料的骨传导能力很差。他们的最佳作用是作为药物或生长因子的载体,使其在局部形成高浓度区域。聚合物的降解使因子在局部释放。多数生产泡沫状聚合物的方法都需要加热,这将使大多数生长因子灭活。这极大限制了具有特别结构的多功能系统的生产。在初步的研究中,与骨形态发生蛋白混合的PGA小珠能够在局部形成高浓度骨形态发生蛋白,促进骨再生。

    3.2 具有多孔结构的金属 多种多孔金属表面和镀层已经应用于关节置换中,以促进骨与移植物的愈合。这些包括烧结的钴铬合金小珠、钛合金纤维、等离子体喷镀表面。骨长入多孔金属表面依赖于多种因素,如:金属表面的孔径率、植入物与骨之间的稳定性及微动程度、宿主骨为松质骨还是皮质骨以及植入物与骨之间有否间隙等。

    至今还没有观察到骨在金属表面生长或新骨在钛表面形成的证据,其间可有纤维层形成。骨长入的程度及固定的稳定性可以因移植物与骨之间的微动而下降。长期的骨与金属表面稳定、直接的连接可以促进稳定及更完全的骨 生长。有研究证明,如果在数年内稳定性持续存在,60%~70%的金属表面可以出现骨生长,但短期内只有小部分可见骨生长。

    新工艺可以生产出具有更大孔径率的金属基质。例如钽,它可被制成泡沫状结构,其相互交通的孔径为600~700μm,孔径率为70%~80%。它具有生物相容性,其孔径率可形成快速、完全的骨长入。

    喷镀羟基磷灰石的金属表面可促进骨生长及骨与移植物的连接。多孔表面的几何学结构对最优的骨生长是非常重要的。但植入物的力学和化学环境同样显著的影响骨长入过程。金属、矿物质、胶原及生长因子如何促进骨生长的稳定性则需进一步的研究来证明。

  参考文献     

  作者单位:100032北京市二龙路医院骨科 

    (收稿日期:2004-08-26)

    (编辑日 强)


医学百科App—医学基础知识学习工具


页:
返回顶部】【打印本文】【放入收藏夹】【收藏到新浪】【发布评论



察看关于《骨传导材料及其临床应用》的讨论


关闭

网站地图 | RSS订阅 | 图文 | 版权说明 | 友情链接
Copyright © 2008 39kf.com All rights reserved. 医源世界 版权所有
医源世界所刊载之内容一般仅用于教育目的。您从医源世界获取的信息不得直接用于诊断、治疗疾病或应对您的健康问题。如果您怀疑自己有健康问题,请直接咨询您的保健医生。医源世界、作者、编辑都将不负任何责任和义务。
本站内容来源于网络,转载仅为传播信息促进医药行业发展,如果我们的行为侵犯了您的权益,请及时与我们联系我们将在收到通知后妥善处理该部分内容
联系Email: