点击显示 收起
【摘要】 ：纳米材料表现出独特的生物学特性，医用纳米材料已经成为研究的热点，纳米骨移植替代物能否在不久的将来取代传统的人工骨成为新型的体内植入材料?2005年，我国食品药品监管局(SFDA)批准注册了纳米羟基磷灰石／聚酰胺66复合骨充填材料(YZB／国0063-2003)，但是这个领域至今仍然存在着不少争议。本文关注纳米骨的应用研究进展，参考近年骨移植替代物研究领域的相关文献，综述如下。
【关键词】 纳米技术 骨移植替代物 纳米材料
Applications and investigations of nano-bone implants
FANG Lei,CHEN Xiong-sheng.
Department of Orthopaedics,Changzheng Hospital,The Second Military Medical University，Shanghai 200003,China
Abstract:In recent years,nano-materials have represented the superior biocompatibility and the arena of medical nano-materials have been extensively studied by various means all over the world. Is it possible that nano-bone implants overcome the existing limitations of the traditional bone implants for fusing operations in the future?State Food and Drug Administration(SFDA, CN) authorized the nano-bone implants--nHA/ PA66(YZB/O063-2003) in 2005 but there were still lots of counterviews in this field. This review considers the advanced researches via comparing and analyzing the correlatire literatures recently.
Key words：nanotechnology； bone implant； nanomaterial
1 骨骼的天然结构
骨骼是天然的复合材料［1］。从重量上衡量，它包含70%矿物质(羟基磷灰石)，22%蛋白(90%是骨胶原I型蛋白)和8%水分；从体积上衡量，矿物质和有机质大约各占40%，骨胶原基质的多少决定了骨骼韧性的大小［1］。
骨骼的磷酸钙晶体成针状大小为5～20 nm，它是一种天然的纳米材料［2、3］。
骨骼的机械强度与骨皮质孔隙率、结晶度和显微裂纹有关［4］。羟基磷灰石晶体提供了适合骨细胞生长的孔隙率，磷酸钙结晶加强了骨骼的机械强度，纤维裂纹与年龄有关，由负重所致，对骨骼的机械强度不利。骨骼的弹性系数和屈服应力都在很大程度上与孔隙率相关［4］。组织液营养物质通过皮质孔隙渗入到骨骼深部，促进骨骼生长［4］。
研究表明［5］皮质孔隙率和连通性共同决定了骨骼的重建情况。当材料的孔径在5～40 μm时，骨胶原纤维可以沿着材料孔径生长；直径大于150 μm时，骨骼具备理想的再生环境；直径在200～400 μm时，最适合骨骼再生［5］。
2 纳米人工骨材料
良好的骨移植替代物应该具备：①骨传导性-提供生物相容性支架，适合新骨生长；②骨诱导性-使干细胞分化为成骨细胞；③骨生长性-材料含有促进成骨细胞不同阶段分化的细胞成分［5］。
2.1 纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite，nHA)
HA是骨骼的天然组成成分之一，它在生理pH和生理温度环境下热力学性能稳定，在促进骨缺损修复的过程中提供支撑，供宿主细胞附着并修复微血管，使骨细胞形成成骨区，在骨盐沉积过程中HA提供晶核加速钙化成骨，发挥骨传导作用［6］。
以HA为代表的无机材料制备的纳米骨种类繁多，其中许多是复合材料，能够弥补单一材料的缺陷。有人发现［7］鞘聚糖和HA复合物具备很好的生物相容性和可降解性。类似的还有硅和HA组成复合物［8］及胶原蛋白和HA构成的复合物［9］。
Samar等研究发现［6］，HA加工成nHA晶体后具有六边形结构和很大的表面积，同人体骨骼的微细结构非常相似，粒子半径80～150 nm的HA粉末的孔隙率可以达到19%。王大平等［10］通过研究不同孔径的nHA的生物学特性指出：生物骨的多孔结构使它能够适应一定范围的应力变化，同时多孔结构能够使血液流通，保证骨组织的正常生长代谢。一般认为［11］，人成骨细胞可以通过直径20 μm的孔隙，随着互通孔径的增大，骨传导性也随之增强。有人［12］研究了不同孔隙率的HA复合鼠骨髓间充质细胞，在应用地塞米松的情况下经过2周传代成骨活性显著。这种复合物植入同系大鼠背部，发现孔隙率越大的移植复合物诱导新骨生成的速度越快。
HA遇到盐或者血液就会迁移到周围组织中去，但是nHA不会出现这种现象，会被肌体分解、吸收得更好［13］。虽然人造HA的机械强度不如骨骼，但是可以通过不同的烧结工艺提高其强度，实验证明硅酸钙羟基磷灰石的机械强度优于纯的羟基磷灰石［14］。
2.2 纳米羟基磷灰石／聚酰胺66／高密度聚乙烯三元复合材料(nHA／PA66／HDPE)
2005年，医用纳米羟基磷灰石／聚酰胺66复合骨充填材料(YZB／国0063-2003)被批准上市，说明这类纳米骨的性能得到了认可。nHA／PA66生物相容性好，生物活性高，PA66分子结构中含有大量的极性酰胺基团，分子间能形成氢键，与构成骨骼的胶原纤维结构相似［15］。它的降解产物己二胺和己二酸在体内还可以起到抗菌的作用［16］。HDPE具有无毒、耐湿、化学性质稳定、低温韧性和易成形加工等良好性能。
nHA／PA66／HDPE按组成比例4∶3∶3配合得到的纳米复合材料不仅充分发挥了HA的优良性能，而且具有强度高、柔韧性好的特点［16］。nHA针状晶体同骨骼磷灰石结构相似，它与PA66在重量上等比例混合可以防止在形变期间出现广泛的纤维裂纹甚至骨折［17］。
张翔等［17］证实nHA／PA66复合生物材料的生物学性能不受蒸汽灭菌和射线辐照灭菌的影响，它的晶体结构和功能团化学结构不会改变。韩劲等［15］使用化学分析法测得nHA／PA66／HDPE复合材料中Ca／P摩尔比为1.68，与羟基磷灰石的理论化学计量比1.67基本相符，可以认为羟基磷灰石在复合加工前后没有发生变化。但是，复合物中HA的比例增加可以降低材料的硬度，骨折风险增大［17］。
2.3 纳米磷酸三钙(nTCP)
研究发现［19］nTCP不仅纯度高，结晶度可控制，生物活性高，而且它的表面积大，达到205 m2/g［20］，生物学特性显著。
nβ-TCP颗粒直径小于50 nm，它的晶体包含两条磷酸钙链：直链和波形链［20］。这样的结构不仅有利于肌体再吸收，而且使材料在弹性和硬度方面超出微米级颗粒至少2倍，并且降解迅速［21］。但是这种nβ-TCP晶体不是完美的单晶体结构［22］，它在水环境下可以转化成HA，正是这种不稳定性限制了nβ-TCP的应用，特别是在大分子物质，如：DNA或蛋白质存在的条件下［20］。
有人［23］制备出直径32 nm的nα-TCP颗粒，无论组织相容性和生物降解性都优于nβ-TCP颗粒和nHA。但是有实验证明［23］HA比TCP材料更稳定。
调整nTCP晶体的Ca／P比值非常重要［24］。Ca／P比值很大程度上决定着植入物的生物学活性，有体外实验证实［24］，当Ca／P范围在0.5～2.5之间，随着Ca／P增加磷酸钙晶体的孔隙率呈下降趋势，吸附在磷酸钙上的成骨细胞数量随Ca／P增加而增多。
2.4 纳米脱钙骨基质与骨形态发生蛋白(nDBM／BMPs)
脱钙骨基质(demineralized bone matrix，DBM)在微结构和组成上与天然骨骼高度相似：93%成份为胶原蛋白，可以提供骨传导界面；5%为骨形态发生蛋白、骨生长因子；其余为矿物质基质［25］。骨基质的再吸收依靠金属蛋白酶(MMPs)，其中MMP-2可以降解胶原［26］。DBM投放美国市场有15年的历史(osteotech，Inc.US)，它使间充质细胞分化为成软骨细胞而不是成骨细胞，诱导生成的软骨被重吸收之后再诱导骨生成［25］。动物实验证实［27］，DBM能够促进骨愈合，但是DBM同HA／TCP混合使用不能改善骨愈合情况。
人DBM骨融合率为65%～90%［28～30］。颈椎前路融合手术应用DBM，总有效率87.3%，融合率91.7%［31］。DBM应用于颌面外科也取得了较好的疗效［32］。有研究发现［33］，兔子体内植入牛DBM，愈合情况和植入自体骨相当。动物实验证实［34］，DBM浸泡在过氧化氢中灭菌和辐照灭菌同样有效，而且不影响DBM的生物学性能。DBM纳米化后生物降解性优良，并且在降解过程中对周围环境pH值影响甚小［35］。
研究表明［35］，DBM植入大鼠肌肉可以发生异位骨化，虽然它具有使原始骨细胞分化为成骨细胞的能力，但是与骨传导性相比它的骨诱导性较弱［35］。为了弥补nDBM骨诱导性能的不足，有人将它与BMPs复合［36］。1 kg人体骨骼大约产生1 μg BMP［36］，它隶属于转化生长因子(transforming growth factor，TGF)超家族，在骨生成和骨代谢过程中发挥重要的作用，其中BMP-2具有很强的生物学活性，美国食品药品监管局(FDA)对它的应用有严格的限制。虽然高循环浓度的BMP有异位骨化的风险，但是BMP半衰期很短(60～240 min)，这使它的应用成为可能［36］。
DBM与BMP复合后具有高效的骨诱导性，BMPs通过诱导间充质干细胞分化为成骨细胞进而生成新的骨组织［37］，并刺激邻近的骨细胞生成胶原支架［38］；DBM通过软骨内骨化诱导骨生成［39］。此外，nDBM颗粒拥有较大的表面积／体积比，能够更好地结合BMP［36］。
3 纳米骨移植替代物的临床应用与存在的问题
骨延迟愈合再手术所需的成本每年高达147亿欧元［39］，虽然纳米骨已经开始应用于临床，但是国际上还没有统一的纳米骨生产和检验标准。Brian［40］指出纳米材料可能对DNA造成损伤，纳米颗粒可以进入上皮和内皮细胞，它们沿着树突、轴突、血管和淋巴管行进，引起炎症反应。纳米骨移植替代物研究前景广阔，今后可能的热点是：①纳米骨的毒性研究；②探索纳米骨移植替代物的生产和检验标准。
【参考文献】
［1］Wu XD.The toughness of cortical bone and its relationship with age［J］.Annals of Biomedical Engineering，2004，1：123-135.
［2］戴伯军，李家顺，贾连顺，等.纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨细胞支架生物学评价［J］.中国矫形外科杂志，2004，13：998-1001.
［3］Natarajan U,Rajeswari S.Influence of calcium precursors on the morphology and crystallinity of sol-gel-derived hydroxyapatite nanoparticles［J］. Journal of Crystal Growth, 2008，1：16.
［4］Augat P,Schorlemmer S. The role of cortical bone and its microstructure in bone strength［J］.Age and Ageing, 2006,2:27.
［5］Ma Y, Cai ZB. Bionic design of human bone microstructure based on fractal t-heory［J］.Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research, 2007,14:2784-2786.
［6］Samar J,Kalita,Bhardwaj A,et al.Nanocrystalline calcium phosphate ceramics in biomedical engineering［J］.Materials Science and Engineering,2007,3:441-449.
［7］Cai X, Tong H, Shen XY,et al.Preparation and characterization of homogeneous chitosan-polylactic acid/hydroxyapatite nanocomposite for bone tissue engineering and evaluation of its mechanical properties［J］.Biomaterialia, 2009，1：18.
［8］Porter A. Nanoscale characterization of the interface between bone and hydroxyapatite implants and the effect of silicon on bone apposition［J］.Micron, 2006，37:681-688.
［9］Masanori K, Hiroko M, Takeki Y,et al.Glutaraldehyde cross-linked hydroxyapatite/collagen self-organized nanocolnposites［J］.Biomaterials,2004，25:63-66.
［10］王大平，韩云，朱伟民，等.不同孔径纳米羟基磷灰石人工骨修复兔桡骨缺损效果比较［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007，48：9641-9645.
［11］Masanori O, Yoshiko D, Hajime O,et al.Influence of the porosity of hydroxyapatire ceramics on in vitro and in vivo bone formation by cultured rat bone marrow stromal cells［J］.J Mater Sci:Mater Med,2006，17:327-336.
［12］Li JJ, Dou Y, Yang J,et al.Surface characterization and biocompatibility of micro- and nano-hydroxyapatite/chitosan-gelatin network films Materials［J］.Science and Engineering, 2009，29:1207-1215.
［13］Patel N, Brooks R,Clarke M,et al.In vivo assessment of hydroxyapatite and silicate-substituted hydroxyapatite granules using an ovine defect model［J］.Journal of Materials Science:Materials in Medicine, 2005，16:429-440.
［14］Li i D, Zuo Y, Cheng NM,et al.Preparation and characterization of nano-hydroxy apatite/ polyamide 66 composite GBR membrane with asymmetric porous structure［J］.Mater Med, 2009，20:1031-1038.
［15］韩劲，李玉宝，严永刚，等.n2HA／PA66／HDPE复合生物材料的制备和性能研究［J］.功能材料，2005，36：146-149.
［16］Huang M, Feng JQ, Wang JX,et al.Synthesis and characterization of nano-HA/PA66 composites［J］.Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2003，14:665-660.
［17］张翔，李玉宝，左奕，等.灭菌处理对纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66复合材料性能的影响［J］.高分子材料科学与工程，2007，6：196-198.
［18］Southam D, Lewis T, McFarlane A,et al.Calcium- phosphorus interactions at anano-structured silicate surface［J］.Journat of Colloid and Interface Science, 2008，319:489-497.
［19］Lee D, Sfeir C, Kumta P.Novel in-situ synthesis and characterization of nanostructured magnesium substituted β-trical cium phosphate (β-TCMP)［J］.Materials Science and Engineering, 2009，29:69-77.
［20］Lin KL,Chang J,Lu JX,et al. Properties of b-Ca3(P04)2 bioceramics prepared using nano-size powders［J］.Ceramics International, 2007，33:979-985.
［21］Bow JS, Liou SC, Chen SY.Structural characterization of room temperature synthesized nanosized β-tricalcium phosphate［J］.Biomaterials, 2004，25:3155-3161.
［22］Jung SC, Dae SJ, Jin Mit,et al.Nano-sized a and β-TCP powders prepared by high temperature flame spray pyrolysis［J］.Materials Science and Engineering, 2009，29:1288-1292.
［23］Mu H, Yazici H, Ergun C,et al.An in vitro evaluation of the Ca/P ratio for the cytocompatibitity of nano-to-micron particulate calcium phosphates for bone regeneration［J］.Biomateria, 2008，4:1472-1479.
［24］Lee K, Roper J, Wang J. Demineralized bone matrix and spinal arthrodesis［J］.The Spine Journal, 2005，5:217-223.
［25］Mendonca T, Zambuzzi W, Paiva K,et al. Expression of metalloproteinase 2 in the cell response to porous demineralized bovine bone matrix［J］.Journal of Molecular Histology, 2005，36:311-316.
［26］OztUrk A,Yetkin H,Memis L,et al.Demineralized bone matrix and hydroxyapatite/tri-calcium phosphate mixture for bone healing in rats［J］.International Orthopaedics,2006，30:147-152.
［27］Wang J, Alanay A, Mark D,et al.A comparison of commercially available demineralized bone matrix for spinal fusion［J］.Eur Spine J,2007，16:1233-1240.
［28］Becker V, Nardone E, Robbins S,et al.Comparison of autograft to DBX demineralized bone matrix putty combined with autograft used in posterolateral lumbar spinal fusion［J］.The Spine Journal,2005，5:189.
［29］Schizas C, Triantafyllopoulos D , Kosmopoulos V,et al.Posterolateral lumbar spine fusion using a novel demineralized bone matrix: a controlled case pilot study［J］.Arch Orthop Trauma Surg, 2008，128:621-625.
［30］Topuz K, Colak A, Kaya S,et al. Two-level contiguous cervical disc disease treated with peek cages packed with demineralized bone matrix:results of 3-year follow-up［J］.Eur Spine J,2009，18:238-243.
［31］Weng L, Deatherage J, Waite P. The use of demineralized bone matrix for grafting during Le Fort I and chin osteotomies:techniques and complications［J］.J Oral Maxillofac Surg,2008，66:1580-1585.
［32］Bigham A, Dehghani S, Shafiei Z,et al.Xenogenic demineralized bone matrix and fresh autogenous cortical bone effects on experimental bone healing: radiological, histopathological and biomechanical evaluation［J］.J Orthopaed Traumatol，2008，9:73-80.
［33］Alanay A, Wang J, Shamie A,et al.A novel application of high-dose (50 kGy) gammairradiation for demineralized bone matrix: effects on fusion rate in a rat spinal fusion model［J］.The Spine Journal,2008，8:789-795.
［34］Schizas C, Triantafyllopoulos D, Kosmopoulos V,et al. Posterolateral lumbar spine fusion using a novel demineralized bone matrix:a controlled case pilot study［J］.Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 2008,128:621-625.
［35］崔福斋，李艳.发展我国具有自主知识产权的外科植入物［J］.中国医疗器械信息，2006，7：4-7.
［36］Calori G, Tagliabue L, Gala L,et al. Application of rhBMP-7 and platelet-rich plasma in the treatment of long bone non-unions:a prospective randomised clinical study on 120 patients［J］.Injury, Int J Care Injured,2008，1：26.
［37］Epstein N. Efficacy of different bone volume expanders for augmenting lumbar fusions［J］.Surgical Neurology，2008,69:16-19.
［38］Schouten C, Hartman E, Spauwen P,et al.DBM induced ectopic bone formation in the rat:the importance of surface area［J］.Journal of Materials Science, 2005,16:149-152.
［39］Powell M, Griffin M, Tai S. Bottom-up risk regulation? How nanotechnology risk knowledge gaps challenge federal and state environmental agencies［J］.Environmental Management, 2008,42:426-443.
［40］Priestly B, Harford A, Sim M. Nanotechnology: a promising new technology-but how safe［J］.The Medical Journal of Australia,2007,4:187-188.
作者单位：第二军医大学附属长征医院骨科，上海凤阳路415号 200003