硫酸钙在骨修复治疗中的作用

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1、硫酸钙在骨修复治疗中的作用:游永刚,唐辉,陈克久,徐永清【关键词】骨修复随着人口的增长和老龄化,因创伤、肿瘤或骨病等原因造成骨缺损的病人越来越多。对骨移植材料的需求大大刺激了人工骨移植材料发展,成为骨缺损修复的重要手段,并对骨修复治疗提出了新的认识和要求。成功的骨修复治疗是基于骨再生的生物学基础,需要3种基本元素的相互作用:细胞、生长因子和良好的支架载体材料[1],亦即所谓的骨组织工程学。作为一种骨移植材料硫酸钙用作骨缺损填充修复治疗已达百年之久。动物实验和临床研究[2,3]都证实硫酸钙的生物相容性和用作骨移植材料的可行性。

2、而且硫酸钙广泛,价格便宜,与同等量的胶原、磷酸钙骨水泥相比有明显价格优势,在临床上显示出它受欢迎的程度。1硫酸钙的概述硫酸钙(calciumsulfate,CS)是一种无机陶瓷类材料,它可以分为3大类:(1)二水硫酸钙;(2)半水硫酸钙;(3)无水硫酸钙。二水硫酸钙,分子式为CASO4·2H2O。半水硫酸钙,是二水石膏脱去1.5水分子后形成,再次水化(即每分子半水硫酸钙结合1.5水分子)又变成二水石膏。目前临床使用的较多的硫酸钙产品为20世纪90年代美国、IS010993标准生物相容性测试,包括细胞毒性、致敏性、遗传毒性、体

3、内植入实验、系统毒性以及皮内注射实验等,经美国FDA(美国食品及药物管理局)的认证,同年获得欧洲CE标志,获准在临床使用的一种骨移植替代物。其制备过程中通过晶体化工艺,使硫酸钙成为单一的晶体结构,以便控制其体内降解速度[2],具有可降解性和高效诱导成骨活性,植入体内无排斥、过敏和毒性反应,是一种安全可靠的骨移植替代品。目前在骨科领域广泛用于修复由于创伤、假体松动、肿瘤刮除引起的骨缺损,以及融合脊柱和治疗单纯骨囊肿。近年来,P2、BMP7)、转化生长因子β和血小板释放的生长因子等表达增加。这说明硫酸钙降解吸收后形成的局部微

4、观环境间的化学作用有助于增强BMPs等生长因子的表达而产生诱导成骨作用。Dalby[15]、DiSilvio[16]等认为材料的界面化学支配行为是,通过材料表面的电荷密度和附着的原子序列所具有的潜能来影响细胞群的表面电荷和蛋白质的构象,例如蛋白基质或生长因子,吸附在材料的表面对局部细胞行为产生影响。体外研究显示,室温下将20片硫酸钙片剂溶于50ml磷酸盐缓冲液(pH7.4)中,24h持续搅动并连续检测pH值,发现pH值下降并稳定在5.1;推测局部pH值下降继发周围骨组织脱矿作用和BMPs的释放,从而促进成骨作用。DeLeon

5、ardis等[17]在硫酸钙植入骨缺损术后6个月的患者中发现骨小梁周围有一些非结晶的嗜红性微粒,其周围成骨细胞活性较强;冯·科萨染剂染色后发现嗜红性微粒和周围骨小梁组织钙离子浓度较高;认为这种嗜红性微粒可能是硫酸钙的残余或生成物。这也许可通过上述理论来解释硫酸钙移植物观察到的不同临床结果。另外,一些学者认为材料的内在化学性质直接与骨诱导活性作用相关,通过溶解和释放特殊关键的离子,直接作用于局部细胞基因表达的调节和影响细胞的分化。钙是细胞交织中重要的信号分子,在细胞的运动、酶调节、碳水化合物的释放、神经和肌肉细胞中发挥功能。局

6、部钙离子浓度的增加并在体外显示出重要的矿化作用与骨修复密切相关[18]。这可说明硫酸钙植入后降解吸收后释放钙离子产生高钙浓度对成骨细胞的作用[7]。因此,骨移植材料的最佳化学作用可大大提高临床上对骨缺损修复治疗成功的机会。4硫酸钙作为支架在骨组织工程中的载体作用一种理想的骨移植材料不仅是暂时的替代缺失骨,而且能提供一个使宿主骨和血管网再生愈合的框架结构。并应具有支架可充当载体的作用,给新骨、血管和软组织生长与骨碎片的连接提供支持,在骨与移植材料之间形成一个骨桥加强移植部位的稳固。另外,还应能和宿主组织相互作用,募集甚至促进成

7、骨性干细胞的分化。其结构特征也会影响生物学的反应,从而影响成骨作用的过程。不同骨移植材料的机械行为很大程度上随孔隙结构改变,机械因素调节许多类型的细胞,包括成骨细胞和骨细胞因子[19]。通过动力传导过程,可使机械的压力改建成为生物学的信号和生理学的反应。而且,机械刺激近来显示出刺激骨祖细胞的成骨性分化[20]。骨移植材料的微孔性对生物活性有明显的影响[21,22]。证据提示,这是通过复合增强血管发生作用[22]和细胞粘附作用[21,23],推测是通过吸附蛋白或骨移植材料内微孔的诱获产生的吸附作用。硫酸钙是一种能快速吸收后遗留

8、硫酸钙网状结构的材料,并促进骨再生。在光学显微镜下可看到骨小梁的存在,没有硫酸钙残留物。透射电镜显示,与移植物表面相接触的面积,有许多成熟骨细胞的特征。在材料表面的成熟骨有无定形的层面和类骨质样骨缝的分离[24],并且多孔性的网状结构有利于成骨细胞及血管长入[25]。这些作用或许能够从上述

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