纳米植骨材料及其在脊柱融合术中的应用

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1、纳米植骨材料及其在脊柱融合术中的应用作者：王皓宇，张绍东，吴小涛【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

2、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

3、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0.1～100nm，固体胶状粒子直径在10～1000nm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Bro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

4、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67nm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

5、影响HA涂层的降解过程。纳米羟基磷灰石（nanohydroxyapatite，nHA）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1～100nm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nHA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

6、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。

7、α聚脂中较为理想的材料有聚乳酸（polylacticacid，PLA）、聚乙醇酸（polygiycolicacid，PGA）和两者共聚物〔poly（lacticcoglycolicacid），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