结构特征对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.43.023

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (43): 7010-7016.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.43.023

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结构特征对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响

孟磊^1，2，甄平²，梁晓燕²，曹雪飞²

1甘肃中医药大学，甘肃省兰州市 730000；2解放军兰州军区兰州总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市 730050

收稿日期:2015-08-13 出版日期:2015-10-15 发布日期:2015-10-15
通讯作者: 甄平，博士，主任医师，解放军兰州军区兰州总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市730050
作者简介:孟磊，男，1983年生，安徽省蚌埠市人，汉族，甘肃中医学院在读硕士，主要从事骨与关节损伤研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81371983)：多孔β-TCP 负载PLGA 抗结核药物缓释微球的构建及其抗结核成骨作用研究

Structural properties influence the osteoinduction of calcium phosphate ceramics

Meng Lei^{1, 2}, Zhen Ping², Liang Xiao-yan², Cao Xue-fei²

1Gansu University of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; 2Military Orthopedics Center, General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730050, Gansu Province, China

Received:2015-08-13 Online:2015-10-15 Published:2015-10-15
Contact: Zhen Ping, M.D., Chief physician, Military Orthopedics Center, General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
About author:Meng Lei, Studying for master’s degree, Gansu University of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; Military Orthopedics Center, General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81371983

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前关于磷酸钙陶瓷诱导成骨的机制尚不完全清楚，许多学者试图从材料的结构特征方面去阐明磷酸钙陶瓷诱导成骨的机制。
目的：综述结构特征如何影响磷酸钙陶瓷的骨诱导活性。
方法：使用计算机检索PubMed和谷歌学术数据库中1997年1月至2015年3月关于磷酸钙骨组织工程的文献，排除观点陈旧和重复的文章，最后对60篇文章进行归纳总结。
结果与结论：磷酸钙陶瓷的结构可分宏观结构和微观结构，宏观结构包括宏孔、孔洞或管道及颗粒间的间隙等；微观结构包括微孔、颗粒大小、表面粗糙度、比表面积等。结构特征的中各个参数都以一定的方式影响磷酸钙陶瓷的生物活性，使其诱导成骨能力发生着从无到有、从弱到强的变化。但是骨诱导活性的优化并非仅仅依靠结构设计就能达到目的，因为磷酸钙陶瓷的物理化学性质同样也会影响其在体内的生物活性。因此，磷酸钙陶瓷结构设计需要“因地制宜”地与其自身的物理化学性质“完美契合”，以获得最佳的骨诱导活性。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 磷酸钙陶瓷, 骨诱导活性, 宏孔, 孔隙率, 贯通性, 表面粗糙, 国家自然科学基金, 组织构建

Abstract:

BACKGROUND: Currently, the mechanism by which calcium phosphate ceramics induces osteogenesis is not fully understood, and many scholars have tried to expound the mechanism from the perspective of the structural properties.

OBJECTIVE: To review how the structural properties of calcium phosphate ceramics affect their osteoinductive activity.

METHODS: The PubMed database and Google academic database (1997-01/2015-03) were searched to retrieve the related articles about the structural properties of calcium phosphate ceramics affecting their osteoinductive activity. After the articles with outdated reviews or repetitive contents were ruled out, 60 articles were suitable for further analysis and review.

RESULTS AND CONCLUSION: The structural properties of calcium phosphate ceramics are displayed by macrostructure, such as macropores, holes, pipes and space between particles, and microstructure, such as micropore, particle size, surface roughness, specific surface area. Each parameter of the structural properties affects the bioactivities of calcium phosphate ceramics in some way, which renders their abilities of inducing osteogenesis to arise from nothing or change from weakly to strongly. Apart from structure design, physical and chemical properties of calcium phosphate ceramics will also affect its biological activity in vivo. Therefore, the physicochemical properties of calcium phosphate ceramics should be considered in the structure design in order to achieve an optimal osteoinductive activity.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Calcium Phosphates, Ceramics, Tissue Engineering

孟磊，甄平，梁晓燕，曹雪飞. 结构特征对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(43): 7010-7016.

Meng Lei, Zhen Ping, Liang Xiao-yan, Cao Xue-fei. Structural properties influence the osteoinduction of calcium phosphate ceramics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(43): 7010-7016.

图/表（结果） 2

2.1 宏孔对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响宏观结构影响诱导成骨中最典型的就是宏孔，以下两点足以说明宏孔的重要性：第一，在诸多相关文献中鲜有关于低孔隙体积磷酸钙陶瓷促进骨生成的报道^[9]；第二，到目前为止，发现具有诱导成骨的磷酸钙陶瓷所产生的骨总是位于孔内，并非位于材料边缘或远离材料的位置^[7]。那么，宏孔如何发挥它的生物活性呢？首先，多孔的表面增加材料和周围组织的机械咬合作用，保证了界面的机械稳定性^[9]，这就为诱导成骨过程的发生提供了相对稳定的物理环境。其次，磷酸钙陶瓷内的孔尤其是相互连通的孔有利于血管的长入，一方面使得间充质干细胞、成骨细胞到达材料表面和内部及后来的分化成骨成为可能；另外，血管的长入保证了材料内细胞营养成分和氧的供给及代谢的维持。

与宏孔相关的参数主要有孔径，不同孔径能够满足不同组织的生长条件。Gao等^[10]认为10-100 μm的孔有利于毛细血管的生长，营养的交换和废物的排泄；150-800 μm的孔允许骨组织和血管的长入。

早期研究认为骨替代材料的最优孔径应该大于 100 μm，后来的研究发现最有利于磷酸钙陶瓷诱导成骨的孔径为300-400 μm^[9^，^11]。Tsuruga等^[11]也发现与其他孔径范围组相比，孔径为106-212 μm的陶瓷植入大鼠体内后2周的碱性磷酸酶的活性最高，而且4周后骨钙素的含量达到最高，但最终骨生成量最高的孔径范围为300-400 μm，这说明这一孔径范围最有利于成骨细胞的附着、生长和分化及血管的长入。以上现象的出现也许可以用Murphy等^[12]的观点来解释，他们发现：较小孔径材料相对较大的比表面积增加了配体密度，有利于细胞通过配体-整合蛋白反应与周围环境的细胞外基质黏附(孔径96 μm的材料会表现出最高水平的细胞黏附)，但细胞过分集中后容易在材料表面形成细胞包裹，既不利于诱导成骨相关的细胞迁移进入材料内部，又限制了营养成分和氧的供给以及代谢产物的排出；较大的孔有利于细胞的迁移、增殖，但会减少材料有效比表面积，不利于细胞黏附。因此，一定存在一个既有利于细胞黏附又不影响细胞迁移和增殖的最佳孔径范围。他们认为，当孔径大于300 μm时，在不影响细胞黏附的情况下对细胞迁移和增殖发挥着促进作用，最终，他们提出骨组织工程支架最理想的平均孔径是325 μm。

除了影响磷酸钙陶瓷诱导成骨的量，孔径作为结构特征的重要参数还能在一定程度上调控着诱导成骨的方式。基于材料的血管化和氧供受孔径的影响，大孔径有利于直接成骨(膜内成骨)，小孔径(75-100 μm)倾向于间接成骨(软骨内成骨)，更小的孔径(10-75 μm)只允许纤维组织长入^[13](而纤维组织的形成是骨缺损治疗失败或骨不连发生的重要原因^[14])。

总之，尽管细胞分化也会受细胞种类、支架材料及制造工艺的影响^[15]，诸多报道显示大于300 μm的孔径对于磷酸钙陶瓷诱导成骨有重要意义^[9^，^11-12]。

2.2 孔隙率对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响通常所说的孔隙率其实是指有效孔隙率，即磷酸钙陶瓷内相互连通孔隙的体积与材料总体积的百分比。尽管有少量报道显示孔隙率不影响诱导成骨，但缺乏关于低孔隙率有利于骨再生的报道。大量研究证实，较高的孔隙率能够促进磷酸钙陶瓷的骨诱导活性，而且成骨的速度和程度随着孔隙率的增加而增加。这很可能是因为较高的孔隙率导致比表面积的增加，促进了材料与体液之间的离子交换及材料对骨诱导蛋白因子的吸附作用^[16]。但关于最佳孔隙率尚存争议。孔隙率较大时，孔隙之间可表现出相互贯通性，也就是说，孔隙率越大空隙之间相互占位和贯通的可能性就越大。正是这种贯通性赋予了材料一定的生物活性。而随着孔隙率的增加，材料的溶解性会增加，对于一些陶瓷比如磷酸三钙陶瓷，在结构设计时需要考虑到它们本身较高的溶解性。因为骨替代发生之前，过快的降解会影响材料机械性能和结构完整性，所以建议这些陶瓷的孔隙率不大于90%为宜^[9]。

另外，有人检测：若材料的总孔隙率从10%增加到20%，其机械强度会下降4倍^[17]。所以，增加孔隙率会相应降低材料的机械性能。支架材料必须具备足够的机械强度，以提供结构支持并能够呈现多孔结构，从而保证骨组织的长入^[18-19]。因此，忽视材料的机械性能而过度地增加孔隙率，同样不利于骨组织的再生。在结构设计时，务必要考虑到材料的机械强度尤其是压缩强度，可以以人正常骨的压缩强度为参考：皮质骨 90-230 MPa，松质骨2-45 MPa^[20]。

骨的横断面结构是由皮质骨向松质骨呈过渡性变化的，因此骨横断面上的孔隙率也呈梯度性改变(图1A，B^[21])。所以，Lindner等^[22]建议生物材料的结构设计应该尽可能模拟骨的双模结构(皮质骨和松质骨)，孔隙率呈梯度改变。如Wang等^[21]设计的磷酸钙仿生支架 (图1C)，L1为致密层，孔隙率为0%；L2孔隙率为30%；L3孔隙率为60%，而正是这种呈梯度变化的孔隙率在材料的降解过程中赋予了仿生支架相对于普通支架较高的抗压强度。Tampieri等^[23]制造了带有梯度孔隙率的羟基磷灰石陶瓷，发现孔隙率较高的部分有利于新生骨较好较快的长入，而孔隙率较低的部分能够承受早期的生理机械应力。因此，相对于含有单一结构的磷酸钙支架，这种分级多孔材料在骨修复过程中有着明显优势。

2.3 贯通性对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响孔与孔之间的互相贯通性，使得材料具备结构渗透性。含有互相贯通孔磷酸钙陶瓷的优势在于，孔隙系统的空间贯通性对骨的长入起决定性作用，并决定了孔隙率的有效性。Motomiya等^[24]在兔后外侧脊柱融合模型的4组中随机选用了羟基磷灰石15%+自体骨、羟基磷灰石50%+自体骨、羟基磷灰石85%+自体骨及单纯的自体骨移植，15%、50%、85%分别代表羟基磷灰石陶瓷的孔隙率，羟基磷灰石15%和羟基磷灰石50%含有极少的相互贯通的孔，而羟基磷灰石85%具备良好的贯通性。术后5周的组织学和放射学结果显示，羟基磷灰石85%组的骨生长率和骨结合率比羟基磷灰石15%组和羟基磷灰石50%组明显增高，并且羟基磷灰石85%组中新骨的长入是通过相互贯通的孔，新形成的矿化骨和材料的颗粒间保持高度的紧密性。他们认为羟基磷灰石85%在骨传导和骨诱导方面所表现出的优越性，不光源于较高的孔隙率，更与它大量的互连孔有关(因为羟基磷灰石15%组和羟基磷灰石50%组组织学分析结果并无明显差别)。这是因为细胞的迁移、矿化及随后的骨重建都依赖于血管的生成，而通过互联孔的血管化对于材料中骨的长入及细胞生存的维持至关重要。因此，结构相关参数中孔的相互贯通性与材料的骨传导和骨诱导活性关系最为密切。Teraoka等^[25]认为孔与孔之间的连接很难被表征和研究，因此他们研发了一种被称之为“马赛克样陶瓷的制造方法”，通过该方法能够设计出贯通所有孔的网络系统，且该法制造的磷酸钙陶瓷相对于传统的多孔磷酸钙陶瓷具有明显卓越的成骨能力。

目前，关于有利于陶瓷支架血管化连接孔的最佳尺寸尚无定论。Xiao等^[26]通过实验证明，在具有相同宏孔孔径但连接孔尺寸不同的盘状β-磷酸三钙陶瓷支架中，连接孔为150 μm的支架能够改善周围环境中血管内皮细胞的功能，促进支架的血管化。他们认为这一生物行为的发生机制可能与PI3K/Akt 信号通路的激活有关。

2.4 比表面积对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响 Yuan等^[14]制备出4种宏观结构相同而微孔大小及孔隙率不同而致比表面积迥异的磷酸钙陶瓷(图2A)：羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙1150(烧结温度为1 150 ℃)、双相磷酸钙1300(烧结温度为1 300 ℃)，它们的比表面积依次为0.1，1.2，1.0，0.2 m²/g，并且随着比表面积的增加，血清蛋白单位体积的吸收量(图2B)及200 min钙的释放量(图2C)也随之增大。而血清蛋白的吸收量与骨形态发生蛋白的聚集作用有关；钙的释放量与材料的溶解/再沉积有关。而材料的这种与比表面积相关的骨诱导活性的发生机制与以下两方面有关：第一，生物磷灰石层的沉积形成；第二，骨形态发生蛋白的聚集作用。因此，将比表面积的增加作为磷酸钙诱导成骨的机制之一会得出与Yuan等^[14]一致的结论：磷酸三钙具有较高的诱导成骨能力。

随着比表面积的增加，发生在磷酸钙陶瓷表面的溶解/再沉积(而这种溶解和再沉淀的表面动力学在类骨质的形成过程中发挥了重要作用^[27])和来自体液的矿物质沉积也随之增加，从而能够在陶瓷表面形成生物性磷灰石层，这种能力是生物材料诱导成骨的先决条件，也是骨诱导生物材料与非骨诱导生物材料的根本区别^[7]。

磷酸钙陶瓷本身在体内环境中就对许多蛋白具有较强的亲和力^[28]，当然也包括骨形态发生蛋白^[29]。随着比表面积的增加，骨形态发生蛋白吸附和聚集到已形成的生物性磷灰石层也随之增加^[7]。骨形态发生蛋白是美国Marshall R.Urist教授于1963年发现的，被认为是异位成骨的诱导物，这一发现在该领域具有里程碑意义。骨形态发生蛋白是β类转化生长因子的其中一个家族^[30]，这些生长因子能够调节间充质干细胞向成骨方向的分化^[31]。其中骨形态发生蛋白2、骨形态发生蛋白4和骨形态发生蛋白7是仅有的能够单独在体外引发骨形成和体内异位成骨的生长因子^[32]。所以，许多学者热衷于将骨形态发生蛋白与生物材料复合，以赋予或增加材料的诱导成骨活性^[33-38]。Yang等^[39]认为复合了骨形态发生蛋白的磷酸钙陶瓷能够表现出较佳的成骨能力，且其成骨能力近似于自体移植骨。

Ripamonti等^[40]通过检测灵长类动物体内发生了诱导成骨的肌肉组织与羟基磷酸钙陶瓷界面的骨形态发生蛋白3和骨形态发生蛋白7含量，提出羟基磷酸钙陶瓷固有的骨诱导活性与骨形态发生蛋白密切相关，这些骨诱导材料作为固体基质，具有吸附、储存和控制性释放骨形态发生蛋白的能力，当骨形态发生蛋白聚集达到一定阈值就能诱发骨形成。这一观点也在De Groot等^[41]的临床试验中得到验证，他设计了一种所谓的“骨形态发生蛋白聚合器”，植入患者体内，发现患者自身的骨形态发生蛋白复合物确实能够被集中和储存，而这种人体自身的骨形态发生蛋白复合物具有很高的生物活性，只需要重组人类骨形态发生蛋白量的千分之一就能诱发异位成骨。而处于循环状态的骨形态发生蛋白会与载体蛋白相结合，这种结合会降低或阻断骨形态发生蛋白的诱导成骨活性^[42]。因此，这种骨形态发生蛋白聚集作用对于磷酸钙陶瓷诱导成骨活性的发挥至关重要。当然，许多陶瓷都能够聚合骨形态发生蛋白，但并非都能诱导成骨，这说明与骨形态发生蛋白有关的诱导成骨过程还依赖其他过程，比如陶瓷表面生物性磷灰石层的形成。

2.5 表面颗粒对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响磷酸钙陶瓷表面颗粒除了间接影响比表面积及骨形态发生蛋白的结合能力，颗粒的大小和形状也对其生物性能和机械强度起着直接的影响作用。如果陶瓷由细微的颗粒(如纳米颗粒)组成，增加密集度有利于改善陶瓷的机械性能^[43]。另外，由于晶粒尺寸小，比表面积大和界面作用较强，纳米材料还具有优良的扭转模量和拉伸模量^[44]。因此，纳米陶瓷有望从根本上解决磷酸钙陶瓷的脆性。

Dalby等^[45]已证明纳米级的表面结构在体外对间充质干细胞的成骨分化有直接的促进作用，而无需额外的成骨诱导因子。Despang等^[46]通过低温(650 ℃)处理获得含有较高孔隙率(82%)和比表面积24.9 m²/g的纳米晶体结构，该结构可使材料在酸性条件下保持类似于破骨细胞对骨的溶解性，且该材料在体外和体内分别表现出良好的细胞相容性和组织相容性。这是因为纳米级表面结构上的生物分子、细胞外基质成分和细胞之间的相互作用，会对细胞的行为和功能(如细胞增殖和基因表达)具有直接的影响^[47-48]。但通过传统的烧结方法很难制备出含有纳米级颗粒的陶瓷^[49]。Feng等^[49]通过两段法烧结获得高致密度且颗粒大小为纳米级陶瓷。另外，选择性激光烧结是广泛应用的快速成型技术之一，它能够通过快速加热和烧结过程抑制纳米陶瓷的晶粒生长^[50-51]。

2.6 微孔对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响除了影响磷酸钙陶瓷的比表面积，位于宏孔壁内的微孔(孔径小于 5 μm^[9])在最低程度影响机械性能的情况下，保持了宏孔间的互通性，因为仅仅依靠宏孔间的相互占位来呈现材料的贯通性，材料的实密度会显著减少。所以微孔的出现有利于体液在材料内的循环，不仅促进材料的生物降解，而且使得成骨信息的传递和接收具有一致性，有利于材料发生均一的成骨化。总之，微孔对磷酸钙陶瓷诱导成骨的重要性体现在它的贯通作用。

Zhang等^[52]提出决定诱导成骨的因素并非微孔率而是表面微结构的大小(如微孔的尺寸和颗粒的大小)。他们将2种具有相同化学组成和孔隙率的磷酸三钙陶瓷[TCP-S微孔(0.65±0.25) μm，颗粒(0.99±0.20) μm；TCP-B微孔(1.58±0.65) μm，颗粒(3.08±0.52) μm ]进行比较，在体外不添加任何成骨生长因子的情况下与骨髓间充质干细胞共培养，发现与TCP-B组相比，TCP-S组中无论是细胞的增殖还是成骨分化都明显增加；将两种材料植入犬椎旁肌内12个月后，在TCP-S中发现大量新生骨，而TCP-B中却未见新骨生成。这可能是因为纳米级的孔提供较大的材料比表面积和更多的活性靶向，有利于生物磷灰石层的形成和蛋白或成骨细胞的附着^[53]。

2.7 表面粗糙度对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响在Javed等^[54]的综述性文章中涉及到11篇实验性文章，这些实验中的植入物经磷酸钙或其他材料涂层来增加表面粗糙度，其中9项实验结果证明提高了表面粗糙度的植入物，在类似骨质疏松条件下能够增加成骨量和骨结合率。在Motamedian等^[55]的1篇关于骨组织工程支架的综述性文章中所涉及的研究都认为，粗糙的表面能够引起成骨细胞标记物的表达。如前所述，生物性磷灰石层的形成是磷酸钙陶瓷诱导成骨的必要前提。生物性磷灰石层的形成关键是晶核的生成和长大，表面粗糙度在这个过程中发挥着重要作用：粗糙的表面不但增大了陶瓷的比表面积，进而增加了材料的溶解，而且阻碍离子的扩散，使得局部Ca²⁺和HPO₄²^-浓度能够达到生成晶核的阈值，并保持较高的Ca²⁺和HPO₄²^-浓度，从而维持晶核的生长，所以粗糙的表面容易形成生物性磷灰石层^[56]。

表面粗糙度还通过影响炎症反应中巨噬细胞的活动来影响成骨分化。前列腺素E2是由生物材料周围的巨噬细胞在炎症反应阶段所产生，而在粗糙的材料表面巨噬细胞分泌前列腺素E2尤其明显^[57]。在Chen等^[58]的研究中显示与光滑表面羟基磷灰石相比，种植在微粗糙表面羟基磷灰石的巨噬细胞会产生更大量前列腺素E2，而且前列腺素E2对人骨髓间充质干细胞表现出趋化现象并能促进它们的成骨分化。

纳米级的表面形貌能够促进破骨细胞的功能，增加钙离子的释放，促进干细胞分化成骨^[59]。纳米级的粗糙表面更能够增加磷酸钙陶瓷的诱导成骨活性。Zhang等^[60]对具有相同化学成分、比表面积，甚至相似离子交换、表面矿化和蛋白吸收能力的2种不同表面粗糙度的双相磷酸钙陶瓷的异位成骨能力进行比较，结果显示表面粗糙的双相磷酸钙陶瓷诱导产生的骨量明显增加，所以他们认为磷酸钙陶瓷异位成骨的能力源于其表面粗糙程度。最后，粗糙的表面能够促进贴壁依赖型骨形成细胞的附着、增殖和分化^[8]。

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引言

以往，自体移植物被用于促进组织再生和治疗组织缺损，自体松质骨移植被认为是骨移植的金标准，但由于存在一定的缺陷如来源有限、相关手术部位的并发症等，医学界将视线转向同种异体骨，同样，该替代物也存在引发受者排异反应和传染疾病等并发症的可能，而且同种异体骨的获得涉及医学、伦理、法律等问题，因此用于骨移植替代品的生物材料便应运而生^[1-3]。在过去的30年里，随着组织工程技术的发展，生物材料的角色已从简单、被动的结构支撑作用转变成为具有影响细胞行为，从而诱导组织再生作用。在骨组织工程领域中广泛应用的磷酸钙陶瓷就是诸如此类的典型范例。常用的磷酸钙陶瓷有羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙。尽管通常认为磷酸钙材料只具有骨引导活性(即材料引导骨细胞在材料表面成骨并完成爬行替代的能力^[4-5])，而不具备骨诱导活性(即材料诱导未成熟且具有多种分化方向的细胞向软骨细胞或骨细胞分化的能力^[4-5]），但多孔珊瑚羟基磷灰石、β-磷酸三钙及磷酸钙骨水泥在不同种属动物体内、不添加任何成骨诱导因子的情况下表现出异位成骨的能力^[6]。那么，除了自身化学成分的影响，磷酸钙陶瓷骨诱导活性的发挥与材料的结构特征存在着怎样的关系呢？许多学者试图从材料的结构特征方面去研究磷酸钙陶瓷诱导成骨的机制。磷酸钙陶瓷的结构特征可分宏观结构和微观结构及由宏观结构和微观结构共同表现出的孔隙率和贯通性。宏观结构包括宏孔、孔洞或管道及颗粒间的间隙等；微观结构包括微孔、颗粒大小、表面粗糙度、比表面积等^[7]。宏观结构中的宏孔主要通过造孔剂或泡沫技术形成；微观结构特征主要受温度影响^[8]。磷酸钙陶瓷中的孔、洞、管道及颗粒间的空隙等被称为“保护区”的结构，保护着成骨过程不受体液循环和机械力的影响。在此，作者将宏孔、孔隙率、贯通性、比表面积、微孔、颗粒大小、表面粗糙度，如何影响磷酸钙陶瓷骨诱导活性的相关文献作一综述。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

讨论

结构特征中各个参数都在磷酸钙陶瓷的诱导成骨过程中发挥作用，但并非“各自为政”孤立地发挥作用，比如无论是微孔、颗粒大小还是表面粗糙度的改变，都可以影响比表面积，从而改变材料表面生物性磷灰石的形成及骨形态发生蛋白的聚合作用；再如微孔的介入改善了宏孔间的贯通性，这是磷酸钙陶瓷生物活性发挥的前提，所以结构的完整性是磷酸钙陶瓷生物功能发挥的基础和必要条件。另外，结构特征的改变也会影响磷酸钙陶瓷的化学溶解性和机械性能，因此保证适当的机械性能和溶解速度是磷酸钙陶瓷结构设计的前提。当然，也可通过后天的结构设计来弥补磷酸钙材料先天的不足，使得磷酸钙陶瓷的降解速度与新骨的长入速度相匹配，有利于增加治愈率，减少并发症。
尽管通过结构的设计可使磷酸钙陶瓷的骨诱导活性发生从无到有、从弱到强的变化，但骨诱导活性的优化并非仅仅依靠结构设计就能达到目的，因为磷酸钙陶瓷的物理化学性质同样也会影响其在体内的生物活性。因此，磷酸钙陶瓷结构设计需要“因地制宜”地与其自身的物理化学性质“完美契合”，以获得最佳的骨诱导活性。由于细胞外基质的孔径、细胞表面受体、细胞表面结构-功能域都是纳米级，而且细胞、细胞外基质成分和生物分子之间的相互作用也发生在纳米级的范围，因此，纳米级结构的磷酸钙陶瓷能够模拟生物的细胞外基质，更好地融合于机体组织。纳米技术用于生物医学材料研究的主要目的是为了获得具有卓越的生物性能和足够的机械强度的生物材料。近几年，3D打印技术在骨组织工程领域的发展日新月异，是应用最广范的骨组织工程支架制造技术。该技术通过计算机辅助，以数字模型文件为基础，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，实现了磷酸钙陶瓷支架结构设计的精准化、个性化和可控性。因此，3D打印技术在磷酸钙陶瓷支架结构设计方面有着其他技术不可比拟的优势。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

结构特征对磷酸钙陶瓷骨诱导活性的影响

Structural properties influence the osteoinduction of calcium phosphate ceramics

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