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【关键词】 纳米植骨材料及其在脊柱融合
脊柱融合术经历了近百年的发展，在重建脊柱稳定性、恢复脊柱正常序列以及缓解疼痛等方面发挥了重要的作用。近年来，随着手术方法和植骨材料学的发展，植骨融合率显著提高，脊柱融合术已成为脊柱创伤、畸形矫正、退行性疾病等治疗的重要术式。自体骨因具有良好的骨传导、骨诱导和骨生成作用，至今依然是判定植骨融合的金标准〔1〕。然而，大宗回顾性资料表明自体髂骨移植存在着供骨量有限、手术时间长、术中额外失血多以及髂骨供骨区长期疼痛、髂骨骨折、深部感染、腹部疝等并发症〔2～6〕，因此，单纯自体骨植骨融合已呈现下降趋势；同种异体骨、异种骨经理化处理后，其诱导成骨效应和生物力学性能均有所下降，新骨爬行替代的过程缓慢，只能提供单纯的支撑作用，加之可能存在的传播疾病的危险和排异反应，以及术后深部感染等缺陷，临床应用受到限制〔7〕。基于上述问题，人们愈加致力于能有效充当新骨形成支架、在体内逐渐降解、成骨迅速、具有良好组织相容性的仿生骨及复合植骨材料的研究，各类植骨材料相继投入临床。纳米生物技术是现阶段生物技术领域中的热点，而纳米生物材料又是纳米生物技术研发的核心内容，各种植骨材料的基础与临床应用研究不断出新，呈现迅猛的发展态势。
1 纳米植骨材料及相关基质特性
纳米生物材料是指用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进其功能的新型高科技材料。目前国际公认的纳米尺度空间为0.1～100 nm，固体胶状粒子直径在10～1 000 nm之间。人工合成的纳米植骨材料应符合理想的弹性模量，具备天然骨成分并模拟其亚微结构特征，满足生物学基本要求。
1.1 无机材料
无机材料以羟基磷灰石、磷酸三钙和硫酸钙为代表。羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）属于钙磷生物陶瓷的主要类型之一，是最常见的生物活性材料。低结晶度的HA由Brow和Chow于1986年研制成功，微米级的HA成分、晶体结构与人体骨盐类似，植入体内具有良好的生物相容性，没有毒性、炎性或异物反应，不存在干扰免疫等问题〔8、9〕。但在生物力学上存在着抗弯强度低、韧性差等缺陷，其降解速度缓慢，融合效果差于自体骨〔10〕。人体骨骼中的无机盐是由磷酸钙形成的亚微沉积物构成，结晶体以直径65～80 nm的针状形态分布于胶原网络中，这一结构的形成是成骨细胞与破骨细胞相互作用的结果。纳米仿生骨的构建基本符合人体内环境的要求，其化学稳定性和生物相容性优于普通HA〔11〕。目前人工合成的HA通常作为多孔植入物、粉状以及金属植入物的涂层而达到生物活性固定。HA涂层钢板、螺钉的实验研究在国内外均有报道〔12〕。特殊的涂层技术有助于介导骨的长入，同一材料表面涂层的物理特性如颗粒直径、颗粒间的孔径，是影响成骨细胞活力、增殖等生理功能的主要决定因素〔13〕。Thomas等〔14〕证实，粒径为67 nm的HA涂层材料成骨细胞的增殖明显高于普通HA涂层材料，可以特异性地促进成骨细胞的黏附，其黏附能力大于成纤维细胞。内植物涂层的化学组分、厚度、晶体比例、微孔结构等制作工艺和植入时的手术操作技巧均可影响HA涂层的降解过程。纳米羟基磷灰石（nanohydroxyapatite，nHA）植骨材料具有纳米微观结构，钙磷比值维持在1.67，微晶粒径介于1～100 nm之间，与自然骨化学成分中的钙磷比值和晶体结构十分近似。制成品pH值8.0～9.0，有利于成骨细胞偏碱性的生长环境，增进了成骨细胞黏附、增殖和分化，不但具有骨传导性，而且无细胞毒性、耐腐蚀强度高，表面带有极性，能与细胞膜表层的多糖和糖蛋白通过氢键相结合，并有高度的生物相容性。改良后的nHA产品内在固有缺陷大为减少，表面效应和体积效应大幅提高，修复功能进一步改善，经美国FDA认证获准应用于临床，近年已有较多的应用研究。
1.2 有机材料
骨组织工程中研究较多的生物材料主要包括骨胶原（collagen），α聚脂及骨生长因子等。人体骨基质有机物中95％为胶原纤维，其中Ⅰ、Ⅱ型胶原是最主要的胶原，外层纤维所含胶原以Ⅰ型胶原为多，作为脊椎动物骨骼中主要的结构蛋白，骨胶原是细胞外基质的重要成分。Nehrers等研究显示，Ⅱ型胶原支架上的细胞保持较好表型，并合成较多的糖氨聚糖等胞外基质，Ⅰ型胶原支架上的细胞能很好扩增，但多数形态呈纤维细胞状，仅有少量的细胞外基质合成。经纯化工艺处理所得的Ⅰ型胶原支架是一种可移植的安全且能够支持软骨细胞生长的基质材料，具有优良的生物相容性和生物可降解性。α聚脂中较为理想的材料有聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙醇酸（polygiycolic acid，PGA）和两者共聚物〔poly（lactic coglycolicacid），PLAGA〕〔15〕，是一种具有一定机械强度和良好加工性能的高分子生物降解材料，可与多种材料复合，具有良好的组织适应性和骨引导活性。Rimondini等在兔骨缺损模型中证明PLA／PGA共聚物可以作为一种合适的骨诱导材料〔16〕。Liao等证明nHAC／PLA有近90％的孔隙率，在兔横突间植骨模型的研究中，nHAC／PLA与自体骨混合时，其融合效果与自体骨效果非常接近〔17〕。Nenad等人制成30～40 nm大小双相磷酸钙／丙乙交酯聚合物（BCP／DLPLG），有很好的细胞黏附性和骨再生能力〔6〕。骨生长因子包括骨形态发生蛋白（BMP）、骨形成蛋白ops及其他生长分化因子，是由骨细胞分泌到骨基质中的低分子量蛋白或肽类物质，具有诱导间充质细胞向成骨细胞分化的活性，在骨组织的修复和形成过程中起调控作用〔18〕，现已能通过基因技术重组产生。FDA已批准将rhBMP2应用于脊柱前路融合术中〔19〕。单一结构的有机材料需要借助载体而发挥作用，有学者认为以充足的rhBMP负载一种合适的载体基质甚至可以取代螺丝钉固定用于腰椎融合〔20、21〕。
1.3 复合材料
脊柱融合的过程亦是骨形成的过程，主要表现为植骨材料的吸收与新骨形成同时发生，并逐步被新生骨所替代。临床研究表明，单纯应用无机或有机材料的脊柱融合效果并不理想，能相互弥补各自缺陷的复合材料整体性能按梯度变化规律以适应机体要求。近年来复合型植骨材料发展较快，无机材料之间、有机材料之间以及这两者与生物活性因子之间的复合材料研制活跃，品种繁多，相继应用于基础试验与临床研究。生物可降解聚合物／生物陶瓷复合物可克服传统单一陶瓷骨替代物诸如脆弱性、塑型差等缺点〔22〕。Soichiro等证明nHA／Col复合材料在骨内植入具有促进成骨作用〔23〕。Itoh等制成nHA／ColI复合体负载rhBMP2应用于骨缺损模型中，证明有很好的骨形成作用〔24〕。Sun等人在兔腰椎横突融合试验中证明nHA／Col复合体结合rhBMP2有很好的生物降解性、成骨性〔25〕。Liao等证明nHAC／PLA负载rhBMP2是一种很好的自体骨替代物〔17〕。骨髓基质干细胞（BMSCs）有向多种细胞分化的潜能〔26〕，近年以生物复合材料为支架材料负载BMSCs的应用研究已取得了一定进展。Livingston等证实BMSCs负载HA／TCP复合物可以诱导骨修复〔27〕。仿生构建的复合材料可缓慢地从外向内逐渐生物降解并被正常的骨组织替代，完成骨的重建，具有良好的骨传导性和可吸收性，为脊柱外科临床提供了新的骨源材料。
2 临床应用
2.1 颈椎前路融合术
植骨融合是颈椎获得远期稳定性的保证，仍为标准手术方法。俞兴等〔28〕采用颈椎前路减压nHAC／PLA人工骨椎间植入结合前路钛板固定治疗颈椎病12例，融合节段22个，平均随访（5.8±0.8）个月，未见植骨块塌陷或移位，获得满意疗效。纳米复合材料植入1周后融合节段椎间隙高度由术前（4.9±1.4）mm恢复到（9.5±1.6）mm，颈椎生理前凸，部分恢复；术后5个月椎间隙高度平均为（9.5±1.6）mm，与术后1周比较无统计学差异（P=0.51）；融合率术后3个月为81.4％，术后5个月为100％。术者为了获得术后即刻稳定以便于患者早期活动，在减压植骨后行内固定可以扩大颈椎间孔，有助于维持颈椎的生理曲度及椎间高度，防止植骨块塌陷等并发症。
2.2 胸腰椎前路融合术
王群波等〔29〕对21例胸腰椎骨折，致脊髓神经压迫或损伤患者行椎体次全切除、椎管减压，纳米羟基磷灰石／聚酰胺66（nHA／PA66）复合人工椎体植入、前路钉板内固定，术后6个月复合人工椎体植入位置无偏移，植骨融合率达100％。另有14例〔30〕胸腰椎肿瘤患者常规切除病灶椎体，充分彻底椎骨减压，纳米复合人工椎体植入，前路钉板内固定。术后3个月X线片显示，人工椎体与骨接触面模糊，界面消失，密度增高，病椎部位脊柱生理曲度恢复正常。平均随访10个月，植骨融合率85.7％，证明nHA／PA66复合材料可作为脊柱肿瘤患者骨移植的替代材料。
2.3 腰椎后外侧融合术
俞兴等〔31〕采用nHA／PLA颗粒和自体骨颗粒混合植骨材料用于64例腰椎多节段椎板切除减压或同时髓核摘除术、腰椎横突间植骨融合辅助椎弓根螺钉内固定治疗腰椎退行性疾病患者，所有病例切口愈合良好，术后1年和1年半复诊功能恢复优良率分别为90.3％和94.4％，融合率分别为83.9％和88.9％，假关节发生率为0，椎弓根螺钉无松动和移位。随访期间未出现局部积液、流液、窦道形成、感染等现象，临床效果接近自体骨，弥补了减压术中自体骨的不足。
3 问题与展望
纳米植骨材料在脊柱融合中已获得良好的临床效果，但近期临床效果并非是与传统材料的最终比较结果。植入的纳米材料必定要在体内长期存留，其安全性和稳定性的验证尚缺乏足够的实验依据，确切疗效尚须更多的临床观察。据报道，2002年欧洲约有700 000例移植操作，涉及脊柱融合的高达27％〔32〕；仅在美国每年涉及骨移植治疗的病例就约50～150万〔33、34〕，可见骨移植材料依然是临床研究的热点。遗憾的是，目前人工替代骨在生物相容性、生物活性、生物可降解性及与宿主骨的力学匹配性和使用寿命等方面还存有各自的缺陷，且不能参与人体的新陈代谢，远期效果尚难满足现代临床的需求。近年来，众多研究者正致力于开发生物相容性更好，使用功能更能适应人体生理需要的新材料，并尝试应用分子设计学和仿生学方法去开发更好的骨移植材料。随着植骨材料制备技术的长足进步，模拟天然骨成分及其结构特征合成的纳米植骨材料在脊柱融合术中已展现出引人注目的应用前景。纳米植骨材料的脊柱微创手术已成为脊柱外科的发展趋势，与常规手术相比可大大减轻患者腰背肌群的损伤，减少术中出血，明显降低术后并发症发生率，显现出纳米植骨复合物具有单一组分或单一结构材料无法比拟的性能优势，其抗压、抗弯强度和弹性模量具备了脊柱融合的某些预期功能，进一步调节复合材料的降解率以适应新骨形成，乃至制备更适合于脊柱微创手术的植骨材料，如可注射型植骨材料，以及以纳米材料为支架负载各种生物活性因子复合物的控制与释放系统等等，无一不期待着更多的临床研究。
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作者单位：东南大学附属中大医院骨科，南京 210009