骨修复中应用的生物降解可吸收材料

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.03.025

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

生物可降解：指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用，在组织长入的过程中不断从体内排出，修复后的组织完全替代置入材料的位置，而材料在体内不存在残留的性质。

生物可吸收支架：支架材料经常被用于外科手术中，例如提供支撑的血管支架、肠道支架，另外还包括作为营养物质载体并提供一定的尺寸结构的人工骨支架、人工器官支架等。生物可吸收支架是用可溶解在人体内的材料制成，放入体内后，可被人体吸收。

背景：由于自体骨和异体骨移植治疗骨缺损存在许多不可避免的问题，因此生物可降解吸收材料的应用是目前研究的重点。

目的：评价几种骨修复材料的生物性能和置入后对骨缺损修复的影响。

方法：应用计算机检索1994至2015年PubMed数据及CNKI中国期刊全文数据库，英文检索词为“bone defect，biodegradable material，bone graft”，中文检索词为“骨缺损，骨移植，生物降解可吸收材料”。

结果与结论：生物可降解吸收材料主要包括天然高分子材料、人工合成高分子材料及生物无机材料。生物降解可吸收材料具有良好的生物相容性，置入后可诱导骨缺损区新骨长入，形成骨性结合，在骨修复方面已显示了明显优势，多种材料复合可以提高骨缺损修复的效果，是骨修复替代材料的发展趋势。

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

ORCID: 0000-0002-3074-6722(侯立刚)

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 骨修复, 可吸收材料, 降解, 复合材料, 力学性能

Abstract:

BACKGROUND: Because there are many inevitable problems in autologous or allogeneic bone grafting for treatment of bone defects, the application of biodegradable absorbable material is the focus of current research.
OBJECTIVE: To evaluate the biological properties of several kinds of bone repair materials and their influence on bone defect repair after implantation.
METHODS: PubMed and CNKI databases were retrieved for articles published from 1994 to 2015 by computer. The keywords were “bone defect, biodegradable material, bone graft” in English and Chinese, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: Biodegradable absorbable materials mainly include natural polymer materials, synthetic polymer materials and bio-inorganic materials. Biodegradable absorbable materials have good biocompatibility, and can induce new bone ingrowth after implantation to form good osteo-integration. It has shown a clear advantage in bone repair. A variety of materials combined together can promote the repair of bone defects, which is the development trend of alternative materials for bone repair.

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

侯立刚，杨建义. 骨修复中应用的生物降解可吸收材料[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(3): 441-445.

Hou Li-gang, Yang Jian-yi . The application of biodegradable absorbable materials in bone repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(3): 441-445.

参考文献

[1] Borzunov DY.Long bone reconstruction using multilevel lengthening of bone defect fragments.Int Orthop. 2012;36(8): 1695-700.

[2] Calori GM,Mazza E,Colombo M,et al.The use of bone-graft substitutes in large bone defects: any specific needs.Injury. 2011;42(S2):S56-63.

[3] de Carvalho PS,de Carvalho MC,Ponzoni D.Reconstruction of alveolar bone defect with autogenous bone particles and osseointegrated implants: Histologic analysis and 10 years monitoring.Ann Maxillofac Surg.2015;5(1):135-139.

[4] Yang Y,Niu X,Zhang Q,et al.A comparative study of calcium sulfate artificial bone graft versus allograft in the reconstruction of bone defect after tumor curettage.Chin Med J (Engl).2014;127(17):3092-3097.

[5] Wang L,Ma XY,Zhang Y,et al.Repair of segmental bone defect using Totally Vitalized tissue engineered bone graft by a combined perfusion seeding and culture system.PLoS One. 2014;9(4):e94276.

[6] Zhao M,Zhou J,Li X,et al.Repair of bone defect with vascularized tissue engineered bone graft seeded with mesenchymal stem cells in rabbits. Microsurgery. 2011; 31(2):130-137.

[7] Guo Z,Iku S,Mu L,et al.Implantation with new three-dimensional porous titanium web for treatment of parietal bone defect in rabbit.Artif Organs. 2013;37(7): 623-628.

[8] Yang J,Chen HJ,Zhu XD,et al.Enhanced repair of a critical-sized segmental bone defect in rabbit femur by surface microstructured porous titanium.J Mater Sci Mater Med.2014; 25(7): 1747-1756.

[9] Chen Y,Bai B,Zhang S,et al.Study of a novel three-dimensional scaffold to repair bone defect in rabbit.J Biomed Mater Res A.2014;102(5):1294-1304.

[10] Fan Z,Cao Y,Zhang Z,et al.Experimental study on application recombinant human bone morphogenetic protein 2(rhBMP-2)/poly-lactide-co-glycolic acid (PLGA)/fibrin sealant(FS) on repair of rabbit radial bone defect.Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi.2012;29(5):903-907.

[11] Kasai T,Matsumura S,Iizuka T,et al.Carbon nanohorns accelerate bone regeneration in rat calvarial bone defect. Nanotechnology.2011;22(6):065102.

[12] Athanasiou VT,Papachristou DJ,Panagopoulos A,et al.Histological comparison of autograft, allograft-DBM, xenograft, and synthetic grafts in a trabecular bone defect: an experimental study in rabbits.Med Sci Monit. 2010;16(1): BR24-31.

[13] Yang X,Shi W,Du Y,et al.[Experimental study of repairing bone defect with tissue engineered bone seeded with autologous red bone marrow and wrapped by pedicled fascial flap].Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2009; 23(10): 1254-1259.

[14] Vuola J,Böhling T,Kinnunen J,et al.Natural coral as bone-defect-filling material.J Biomed Mater Res. 2000;51(1): 117-122.

[15] 王浩,张里程,石涛,等.胶原-羟基磷灰石-硫酸软骨素-骨形态发生蛋白骨修复材料的性质评估[J].北京大学学报:医学版,2011, 43(5):730-734.

[16] Li X,Feng Q,Liu X,et al.Collagen-based implants reinforced by chitin fibres in a goat shank bone defect model. Biomaterials. 2006;27(9):1917-1923.

[17] Li L,Hui JH,Goh JC,et al.Chitin as a scaffold for mesenchymal stem cells transfers in the treatment of partial growth arrest.J Pediatr Orthop.2004;24(2):205-210.

[18] Luca L,Rougemont AL,Walpoth BH,et al.Injectable rhBMP-2-loaded chitosan hydrogel composite: osteoinduction at ectopic site and in segmental long bone defect.J Biomed Mater Res A.2011;96(1):66-74.

[19] Cho BC,Kim TG,Yang JD,et al.Effect of calcium sulfate-chitosan composite: pellet on bone formation in bone defect.J Craniofac Surg.2005;16(2):213-224.

[20] Cui X,Zhang B,Wang Y,et al.Effects of chitosan-coated pressed calcium sulfate pellet combined with recombinant human bone morphogenetic protein 2 on restoration of segmental bone defect.J Craniofac Surg.2008;19(2):459-465.

[21] Li J,Jin L,Wang M,et al.Repair of rat cranial bone defect by using bone morphogenetic protein-2-related peptide combined with microspheres composed of polylactic acid/polyglycolic acid copolymer and chitosan.Biomed Mater. 2015;10(4):045004.

[22] Sergeeva NS,Sviridova IK,Frank GA,et al.Criteria of biocompatibility of materials for bone defect repair.Bull Exp Biol Med.2014;157(5):689-694.

[23] 唐晓军,归来,吕晓迎,等.天然羟基磷灰石/壳聚糖复合材料骨相容性研究(一)[J].中国美容医学,2007,16(1):31-34.

[24] 丁凯,袁华,王瑞霞,等.天然羟基磷灰石/壳聚糖复合材料修复种植体周围骨缺损的实验研究[J].口腔生物医学, 2011,2(4): 173-177.

[25] Wojtowicz AM,Shekaran A Oest ME,et al.Coating of biomaterial scaffolds with the collagen-mimetic peptide GFOGER for bone defect repair.Biomaterials.2010; 31(9): 2574-2582.

[26] Chen SH,Lei M,Xie XH,et al.PLGA/TCP composite scaffold incorporating bioactive phytomolecule icaritin for enhancement of bone defect repair in rabbits.Acta Biomater. 2013;9(5):6711-622.

[27] 王云,董洲,张彩云,等.羟基磷灰石/壳聚糖/聚乳酸复合材料对兔桡骨骨缺损的修复作用[J].安徽医科大学学报, 2013,(12): 1457-1460.

[28] 李力,桂斌捷,吕浩.聚乳酸/β-磷酸三钙多孔复合材料修复骨缺损的实验研究[J].实用医学杂志,2009,25(18):3031-3033.

[29] 罗菲.改性后的rhBMP-2聚乳酸缓释纳米微球的制备及促进下颌骨缺损修复的实验研究[D]. 西安:第三军医大学,2013:1-70.

[30] Parizi AM,Oryan A,Shafiei-Sarvestani Z,et al.Effectiveness of synthetic hydroxyapatite versus Persian Gulf coral in an animal model of long bone defect reconstruction.J Orthop Traumatol.2013;14(4):259-268.

[31] Zhu W,Wang D,Xiong J,et al.Study on clinical application of nano-hydroxyapatite bone in bone defect repair.Artif Cells Nanomed Biotechnol.2015;43(6):361-365.

[32] Guan B,Jiang G,Fu H,et al.Thermodynamic preparation window of alpha calcium sulfate hemihydrate from calcium sulfate dihydrate in non-electrolyte glycerol-water solution under mild conditions.Ind Eng Chem Res. 2011;50(23): 13561-13567.

[33] 田文华,陈丹丹,奚廷斐.三种骨修复材料置入兔股骨内的组织病理学研究[J].北京生物医学工程,1999,18(4):239-242.

[34] 王稚英,李世德,马晓凛,等个性化钛模板与纳米羟基磷灰石及自体骨修复兔上颌骨缺损[J].中国组织工程研究与临床康复, 2010, 14(16):2851-2854．

[35] Paderni S,Terzi S,Amendola L.Major bone defect treatment with an osteoconductive bone substitute.Chir Organi Mov. 2009;93(2):89-96.

[36] 张新风,王鹏来,刘超,等.骨诱导无机材料BAM修复牙种植体周围骨缺损的实验研究[J].现代生物医学进展, 2012,12(18): 3469-3472.

[37] 姚彪,钱卫庆,尹宏.新型α-半水硫酸钙/双相生物陶瓷人工骨修复兔桡骨骨缺损的X 射线评估[J].中国组织工程研究, 2014, 18(47):7550-7555.

[38] 王常勇,郭希民,方泽强,等.应用组织工程化人工软骨修复羊关节软骨缺损的实验研究[J].军事医学科学院院刊, 2002,26(2): 81-85.

[39] Kunert-Keil C,Gredes T,Heinemann F,et al.Socket augmentation using a commercial collagen-based product--an animal study in pigs.Mater Sci Eng C Mater Biol Appl.2015;46:177-183.

[40] Hu Y,Zhang C,Zhang S,et al.Development of a porous poly(L-lactic acid)/hydroxyapatite/collagen scaffold as a BMP delivery system and its use in healing canine segmental bone defect.J Biomed Mater Res A.2003;67(2):591-598.

[41] Oloffs A,Grosse-Siestrup C,Bisson S,et al.Biocompatibility of silver-coated polyurethane catheters and silver-coated dacron material.Biomaterials.1994;15(10):753-758.

[42] Rauschmann M,Vogl T,Verheyden A,et al.Bioceramic vertebral augmentation with a calcium sulphate/ hydroxyapatite composite (spine support): in vertebral compression fractures due to osteoporosis.Eur Spine J. 2010; 19(6):887-892.

[43] 赵进喜.生物降解材料在临床骨科中的应用[J].现代诊断与治疗, 2014,25(14):3308-3309.

[44] 黄栋.生物降解材料在踝部骨折中的应用价值[J].中国处方药, 2015,13(7):139-140.

[45] Bae JH,Song HR,Kim HJ,et al.Discontinuous release of bone morphogenetic protein-2 loaded within interconnected pores of honeycomb-like polycaprolactone scaffold promotes bone healing in a large bone defect of rabbit ulna.Tissue Eng Part A. 2011;17(19-20):2389-2397.

[46] Reyes R,De la Riva B,Delgado A,et al.Effect of triple growth factor controlled delivery by a brushite-PLGA system on a bone defect.Injury.2012;43(3):334-342.

引言

对骨缺损进行修复重建的目的是尽可能达到解剖复位、满足完全恢复骨结构和功能的需要，恢复正常的生理功能^[1]，因此对骨缺损修复及骨修复材料的研究和开发是全球性的问题。长期以来，骨修复材料主要采取自体或异体骨移植材料^[2]。临床已证明，自体骨移植材料易被患者接受且具有良好的成骨性，可较快、较好地与周围组织整合生长，但取骨量受限、供骨来源不足且其增加二次创伤，取骨区可能出现形态和功能障碍^[3]，因此在临床工作中会尽量避免或减少使用自体骨移植。异体骨虽然取材简便，来源比自体骨丰富，具有自体骨的一些优越组织特点，但由于种属间抗原差异，存在免疫排异反应，有导致传染疾和肿瘤生成的生物安全性隐患，而且制样、处理和存贮的成本很高，所以其应用受到很大限制^[4]。为了解决这些问题，研究具有替代修补作用的骨移植材料是目前研究的热点，开发新型化学组成、聚集态结构和性能与自然骨接近的骨修复材料得到许多研究人员的重视，并要求作为替代、修复人体硬组织的生物材料，要具有稳定的力学性质、生物性能及降解能力^[4-5]。近几年集中在骨修复替代材料领域出现了一系列重大科研突破，催生了很多全新的骨修复替代材料。目前临床上可供选择的骨修复替代材料种类繁多，各种材料的特性不同，各有优势和缺点^[6]。

金属材料是传统的骨修复材料，这种最早被采用的生物材料，具有强度高、韧性好、效果可靠和使用方便等优点^[7]。但金属材料存在不可克服的缺陷，如长期置入引发的电解腐蚀、金属过敏反应、缺乏生物活性、应力遮挡及需要二次取出等问题一直未能得到很好解决，严重影响了临床使用^[8]。自20世纪60年代后期，随着材料科学的发展，有学者探索开发生物可降解吸收材料^[9]。众多实验证实生物可降解吸收材料具有良好的生物相容性、可靠的力学强度及使用方便的优点，在骨修复中取得了良好效果^[10]。

由于生物可降解吸收骨科材料不必二次取出，减少了患者的痛苦，随着生物可降解吸收骨科材料置入时间的延长，逐渐被降解吸收，不会在人体内形成长期存在的异物^[11]。因此生物降解可吸收材料的研发是目前材料科学领域里的一大研究方向，已有不少具备这种能力的材料问世，从生物相容性、排斥反应、降解性能和力学性能等各方面弥补金属材料的不足，得到许多研究人员的重视^[12-13]。文章分别对几种生物降解可吸收材料治疗骨缺损的理化、生物性能及安全性进行综合比较分析。

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材料方法

讨论

降解、可吸收和生物力学性能是生物降解可吸收材料的重要特性，足够的强度和适度的降解速率是生物降解可吸收材料必备的基本条件，生物相容性是生物降解可吸收材料能否在临床应用的重要根据，近30年吸引着各国科学家进行了大量研究^[39]。骨修复材料置入后，材料表面首先与组织细胞接触并发生作用，其各项性能对能否成功修复骨缺损至关重要^[40]。

随着材料科学和加工工艺的改进，生物降解可吸收材料制成的接骨板在力学特性上有了显著提高^[41]。经过十几年的临床应用，生物降解可吸收材料已显示了明显优势，在实验及临床应用中表现出良好的骨修复作用^[42]。赵进喜等^[43]选择确诊治疗的踝部移位骨折患者82例，分别选用金属材料和生物降解可吸收材料置入治疗，结果显示金属材料和生物降解可吸收材料置入后总优良率对比无显著差异，说明生物降解可吸收材料内固定治疗踝部骨折是可行的，具有较高的安全性，且由于避免了再次取出内固定材料，降低了创口并发症的发生概率，值得临床进一步推广。同样有研究对可吸收的生物降解材料和金属材料在踝部骨折中的应用进行了比较，结果显示生物降解材料和金属材料置入后的总优良率分别为87.80%和85.37%，生物降解材料置入后在创面感染率明显低于金属材料^[44]。使用生物降解材料进行内部固定性的治疗能够起到良好的效果，且在使用的过程中安全性较高。

生物降解可吸收材料作为骨修复材料，虽然具有可降解、生物相容性好等优点，但仍存在一些问题，骨科生物降解可吸收材料力学性质及强度衰减就是局限其发展和广泛临床应用的主要因素。根据目前可降解材料在骨科临床中的要求和应用情况，材料的降解速度和力学性能方面还需要进一步完善。研究人员针对骨修复材料与置入部位骨整合性差的问题，采用天然高分子衍生材料、细胞生长因子、多聚赖氨酸和多肽类材料等及合适方法，对骨修复材料表面进行修饰，以提高材料表面生物相容性，明显改善材料表面性能^[45-46]，从而能更好地满足其在骨缺损中的临床应用。随着研究的深入，相信会有更多性能更优良的骨修复材料出现。

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