“C位”出道！第三代人工骨修復(fù)與替代材料——生物活性陶瓷

骨是人體內(nèi)最重要的結(jié)締組織之一，在維持人體正?；顒印⒈Ｗo(hù)體內(nèi)器官、產(chǎn)生血液細(xì)胞等方面發(fā)揮著不可替代的作用。

骨骼雖然堅硬，但有時也會遭受損傷，如：由創(chuàng)傷、年老骨脆或疾病引起的骨折，還有意外、先天殘疾等引起的大面積骨組織缺損等。這些損傷僅靠骨組織的自我修復(fù)很難愈合，必須通過修復(fù)重建手術(shù)來恢復(fù)其形狀和功能，而這個過程需要借助骨修復(fù)與替代材料，并產(chǎn)生較大的醫(yī)用消費。那么，有沒有一類骨修復(fù)材料能夠做到性能更好，價格更低呢？

圖1 常見骨缺損及其骨修復(fù)

過去，戰(zhàn)士們征戰(zhàn)負(fù)傷，通常會用珊瑚、象牙、金屬、人骨、動物骨、甚至木材來替代或幫助修復(fù)骨缺損。而這些就是最早期的骨修復(fù)與替代材料。

圖2 早期的骨修復(fù)與替代材料

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們逐漸擁有了更好的骨修復(fù)與替代材料：

• 早期的人工骨修復(fù)材料屬于生物惰性材料，主要追求材料的理化特性與被替換的組織相匹配，并對人體產(chǎn)生最小的毒性反應(yīng)，即“巋然不動”型；
• 第二代人工骨修復(fù)材料出現(xiàn)于1960年代，稱為可生物降解或生物活性材料，這一代骨修復(fù)材料開始注重植入材料與人體之間的相互作用，追求良好的生物相容性或可觀的降解能力，即“相敬如賓”型；
• 第三代人工骨修復(fù)與替代材料是既具有生物活性又可降解的生物材料，不僅能誘導(dǎo)新骨的生成，植入體還會隨之降解，即“此消彼長”型?？山到馍锘钚蕴沾桑褪瞧渲械牡湫?。

圖3 骨修復(fù)與替代材料的發(fā)展

第三代人工骨修復(fù)與替代材料具體好在哪里呢？這要從骨組織的構(gòu)成說起。

骨組織是由特殊的細(xì)胞和蛋白纖維混合于水、無機(jī)鹽和碳水化合物所形成的膠凍狀的基質(zhì)中而構(gòu)成，由65%的無機(jī)鹽和約35%的有機(jī)物組成。其中的無機(jī)物主要是磷酸鈣，因此磷酸鈣類生物陶瓷在骨修復(fù)方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

目前，應(yīng)用最廣的磷酸鈣類生物陶瓷是羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）。磷酸鈣類陶瓷具有良好的生物相容性，植入體內(nèi)不僅安全、無毒，還可傳導(dǎo)骨生長。主要用于不承力部位的骨缺損修復(fù)與替換，如骨缺損腔填充、牙槽脊增高、耳聽骨替換及藥物釋放載體等。

圖4 部分羥基磷灰石陶瓷產(chǎn)品圖片

圖5 部分磷酸三鈣生物陶瓷產(chǎn)品圖片

那么，什么是“生物活性”呢？

1970年代初，美國的生物材料學(xué)家Larry Hench教授發(fā)現(xiàn)一種含硅的玻璃可以與骨組織形成骨性結(jié)合，并可誘導(dǎo)新生骨組織的形成，調(diào)控骨的發(fā)育和生長。他據(jù)此提出了“生物活性”的概念，自此開創(chuàng)了骨修復(fù)材料的新方向——生物活性陶瓷材料。

圖6 硅的存在對生長發(fā)育的重要性

在骨修復(fù)領(lǐng)域，生物活性主要指生物材料與活體骨產(chǎn)生化學(xué)鍵合的能力。人們通常把植入材料在生理或者模擬生理環(huán)境下能否誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石沉積，作為判定材料是否具有生物活性的判據(jù)之一。

硅酸鹽類生物活性材料在植入人體內(nèi)后，能夠在材料表面形成一層類骨羥基磷灰石，并通過這層類骨羥基磷灰石與骨組織形成牢固結(jié)合。因為擁有良好的生物活性，在骨骼修復(fù)、創(chuàng)口愈合、覆蓋修復(fù)材料甚至美容護(hù)膚高檔化妝品中，你都能見到硅基生物陶瓷粉體的身影。

既然磷酸鈣類陶瓷和硅基生物陶瓷都這么優(yōu)秀，讓它們強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，性能會不會更強(qiáng)大？

科學(xué)家們正是這樣做的。近年來，他們更加聚焦于“鈣-磷-硅系生物活性陶瓷”的開發(fā)和研究工作。比如硅磷酸鈣（Ca5(PO4)2SiO4，CPS）生物活性陶瓷——它擁有良好的生物相容性，在模擬生理環(huán)境下能誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石的快速形成。而且由于硅元素的加入，它獲得了比傳統(tǒng)的羥基磷灰石更優(yōu)異的骨長入能力及降解能力，能夠完美地做到“花落草長、此消彼長”。

此外，鋅、鐵、鎂、鍶、銅等多種生物活性元素?fù)诫s的生物陶瓷材料也正在研究中。如果這些新型生物活性陶瓷能夠早日進(jìn)入臨床，無疑是傷者的福音。

目前，為了得到具有集生物安全性、生物相容性、骨誘導(dǎo)性和高力學(xué)強(qiáng)度一體的生物醫(yī)用陶瓷，為了賦予生物陶瓷更多優(yōu)異的功能，使其在機(jī)體內(nèi)實現(xiàn)更好的臨床功效，科研工作者仍在不懈努力。