功能型骨组织工程支架修复结核性骨缺损

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.30.019

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (30): 4539-4546.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.30.019

• 生物材料综述 biomaterial review • 上一篇下一篇

功能型骨组织工程支架修复结核性骨缺损

孙效虎¹，袁景¹，张宇²，乔永杰³，曹雪飞³，孟磊³，高展望³，甄平³

¹庆阳市人民医院骨二科，甘肃省庆阳市 745000；²甘肃省第二人民医院骨科，甘肃省兰州市 730000；³解放军兰州军区兰州总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市 73005

出版日期:2016-07-15 发布日期:2016-07-15
通讯作者: 甄平，博士，教授，主任医师，硕士生导师，解放军兰州军区总医院全军骨科中心，甘肃省兰州市 730050
作者简介:孙效虎，男，1973年生，甘肃省庆阳市人，汉族，副主任医师，主要从事关节外科研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81371983)：多孔β-TCP负载聚乳酸羟基乙酸共聚物抗结核药物缓释微球的构建及其抗结核成骨作用研究

Functional bone tissue engineering scaffold used to repair tuberculosis bone defect

Sun Xiao-hu¹, Yuan Jing¹, Zhang Yu², Qiao Yong-jie³, Cao Xue-fei³, Meng Lei³, Gao Zhan-wang³, Zhen Ping³

¹Second Department of Orthopedics, People’s Hospital of Qingyang City, Qingyang, 745000, Gansu Province, China; ²Department of Orthopedics, Second People’s Hospital of Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu Province, China; ³PLA Orthopedics Center, Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Area Command of Chinese PLA, Lanzhou 730050, Gansu Province, China

Online:2016-07-15 Published:2016-07-15
Contact: Zhen Ping, M.D., Professor, Master’s supervisor, Chief physician, PLA Orthopedics Center, Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Area Command of Chinese PLA, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
About author:Sun Xiao-hu, Associate chief physician, Second Department of Orthopedics, People’s Hospital of Qingyang City, Qingyang, 745000, Gansu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81371983

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
抗结核骨组织工程支架：一般由抗结核药物和骨组织工程支架构成。抗结核药物一般制备成具有长期、稳定释放的缓释药物系统，以满足彻底杀灭结核杆菌的需要，同时其释放和降解时间要与结核性骨缺损修复的时间匹配。在修复结核骨缺损过程中材料的吸收降解和新骨形成要达到速度一致，在抗结核杆菌的过程中，抗结核药物要长期缓慢释放，既不能因为抗结核药物浓度过低丧失抗结核作用，也不能由于抗结核药物浓度过高而造成细胞毒性，影响成骨细胞生长，同时还要保证结核菌清除彻底。
抗结核骨组织工程支架的局限性：目前，研制的抗结核性骨组织工程支架还未达到临床需求。首先，针对结核分枝杆菌的多药物联合治疗常需3或4种抗结核药物的联合使用，而目前抗结核性骨组织工程支架只能达到联合2种药物；其次，抗结核治疗疗程常需6-12个月，现有的抗结核性骨组织工程支架药物释放时还不能满足该需求；制备抗结核性骨组织工程支架材料的文献居多，但应用此种材料在结核动物模型进行的验证实验缺失。

背景：随着抗结核功能型骨组织工程支架研究的深入，结核性骨缺损修复成为当前研究热点之一。
目的：评价抗结核功能型骨组织工程支架的制备、药物缓释性能和成骨性能。
方法：应用计算机检索PubMed数据库、中国期刊全文数据库、万方数据库中，相关功能型骨组织工程支架修复结核性骨缺损的文章，中文检索词为“骨组织工程支架，结核，骨缺损”，英文检索词为“Bone tissue engineering scaffold，Tuberculosis，Bone defect”。
结果与结论：抗结核功能型骨组织工程支架具有较好的药物缓释性能、组织相容性、成骨性能及抗结核杆菌性能，能长时间稳定释放药物，增强局部应用抗结核药的效果，解决临床上结核性骨缺损修复困难易复发的难题。目前，研制的抗结核性骨组织工程支架还未达到临床需求。首先，针对结核分枝杆菌的多药物联合治疗常需3或4种抗结核药物的联合使用，而目前抗结核性骨组织工程支架只能达到联合2种药物；其次，抗结核治疗疗程常需6-12个月，现有的抗结核性骨组织工程支架药物释放时还不能满足该需求；制备抗结核性骨组织工程支架材料的文献居多，但应用此种材料在结核动物模型进行的验证实验缺失。

ORCID: 0000-0003-3122-4042(甄平)

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, 缓释材料, 骨组织工程支架, 骨结核, 骨缺损, 功能型, 结核性骨缺损, 修复, 制备, 缓释系统, 成骨性能, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Repairing tuberculosis bone defect has become a research focus with the development of anti-tuberculosis functional bone tissue engineering scaffold.
OBJECTIVE: To evaluate the preparation, drug release performance and osteogenic properties of the anti-tuberculosis functional bone tissue engineering scaffold.
METHODS: PubMed, Chinese Journal Full-text Database, Wanfang databases were searched by computer for articles addressing functional bone tissue engineering scaffold for repair of tuberculosis bone defect. The keywords were “bone tissue engineering scaffold; tuberculosis; bone defect” in English and Chinese. RESULTS AND CONCLUSION: The anti-tuberculosis functional bone tissue engineering scaffold has good drug delivery, biocompatibility, osteogenic properties and anti-tuberculosis properties. As a good choice to avert bone defect relapse, the scaffold enables a long and stable drug release into bone defects to enhance the therapeutic efficacy of anti-tuberculosis drugs topically. Given the technical deficiencies, we can only combine two drugs with the anti-tuberculosis bone tissue engineering scaffold, although the combined use of three or four anti-tuberculosis drugs is preferred. Additionally, a complete course of anti-tuberculosis treatment often lasts for 6-12 months, which cannot be achieved by the existing anti-tuberculosis bone tissue engineering scaffold. Up to now, the effect of this scaffold has not yet been confirmed in animal models, although how to prepare this scaffold has been reported.

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: Tuberculosis, Osteoarticular, Braces, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

孙效虎，袁景，张宇，乔永杰，曹雪飞，孟磊，高展望，甄平. 功能型骨组织工程支架修复结核性骨缺损[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(30): 4539-4546.

Sun Xiao-hu, Yuan Jing, Zhang Yu, Qiao Yong-jie, Cao Xue-fei, Meng Lei3 Gao Zhan-wang, Meng Lei, Gao Zhan-wang, Zhen Ping. Functional bone tissue engineering scaffold used to repair tuberculosis bone defect[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(30): 4539-4546.

图/表（结果） 1

2.1 抗结核药物缓释系统骨与关节结核病灶内的结核杆菌一般存在3种形式：繁殖期、静止期和休眠期结核杆菌。抗结核药物全身给药后，由于首过效应、结核病灶的物理阻隔作用，使结核病灶内的血药浓度远远低于循环系统的血药浓度，由于休眠期结核杆菌在巨噬细胞内，血药浓度更低，巨噬细胞死亡后，结核菌被释放，导致结核杆菌死灰复燃。抗击结核菌的共识为联合、足量、长期全身化疗，抗结核药物治疗在杀灭结核菌、清除结核菌方面起着重要作用^{[25- 26]}。

目前抗结核化学药物治疗方案推荐联合用药，以三联和三联以上为主，期限为10个月以上，超短程化疗期限平均4.5个月^[26-27]。骨结核病灶中，以干酪样坏死为主，病灶区域酸性肉芽组织形成瘢痕形成硬化壁，毛细血管不能长入，微循环差；全身化疗血药浓度最高为循环血量较多的脏器和组织，骨结核病灶内循环、渗透差，结核病灶内血药浓度远远低于血液中的血药浓度，不能达到有效杀菌浓度，如果增加剂量会导致不良反应增加；骨结核化学药物治疗过程中，联合、长期、大量口服抗结核药物，会使肝肾功能损害，导致全身不良反应^[28-29]。而局部给药为多年来受到研究工作者和临床医生青睐，不但减轻了全身不良反应，还提高抗结核疗效，但局部给药往往需要开放结核病灶才能进行^[30-31]；在结核病灶清除时，临床医生有许多实践，如将抗结核药物喷洒在结核性骨缺损中，将抗结核药物吸附在明胶海绵上填充骨缺损，将抗结核药物吸附于骨替代材料或组织工程材料置入等。这些方法虽取得了令人鼓舞的结果，但因抗结核药物易溶解的特性和放置一次性特性，除了在结核性骨缺损部位有抗结核药物外，还向外弥撒在局部组织液中，药物稀释且药物浓度下降快速，结核性骨缺损中难以形成具有长效杀菌浓度的局部环境。

因结核杆菌在局部病灶内繁殖可造成明显的骨质破坏并产生大量代谢产物，如坏死组织、脓肿、死骨等，故骨关节结核多导致骨与关节结构和功能上严重受损。骨关节结核治疗目的是彻底清除结核杆菌，清除病因。对骨关节结核进行病灶清除可有效清除病灶内结核杆菌及坏死组织，近年来骨组织替代材料和内固定材料的日新月异，在治疗较严重的骨与关节结核患者时，一般行骨结核病灶清除，术中给结核性骨缺损植骨重建并内固定，并且在临床取得了很好的效果^[25,32-33]。比如脊柱结核的通过内固定材料的使用，使患者能早期下床锻炼，可减少术后并发症。脊柱结核手术治疗效果显著，内固定材料也不断更新换代，带动了脊柱手术方法的创新，以前不能做的手术亦可开展，出现了相互促进发展的良性循环^[34]。

目前，骨与关节结核的治疗虽然已取得了不小的成就，但抗结核药物近几十年来未有决定性的新药发现，应用经典药物超短程化疗虽然有满意的效果，但适用范围不大，不规则的用抗结核药物易导致结核复发和耐药菌株出现。长期全身抗结核药物超长程化疗及结核病灶复发问题仍没有得到良好解决.

伍卫刚等^[13]采用利福平和异烟肼2种抗结核药物，用左旋聚乳酸做骨组织工程支架和缓释剂，以三维打印成同心圆结构，利福平和异烟肼分别装载在左旋聚乳酸支架的2个腔里。经体外测试，两种药物释放达到了 50 d。叶向阳等^[14]采用乳溶剂挥发法制备利福平-聚

乳酸-聚羟基乙酸共聚物微球做为缓释药物，测定载药量，行体外缓释实验，经测定体外释放时间达到42 d。Zhu等^[15]采用利福平和β-磷酸三钙构建的骨组织工程支架，其缓释时间达到了40 d以上，并证明有较低的肝肾毒性。Gu等^[16]用不同比例的利福平、聚乳酸羟基乙酸共聚物和磷酸三钙制备的骨组织工程支架，经筛选，利福平、聚乳酸羟基乙酸共聚物比例为6∶1的释放效果最好，而6∶3的释放时间最长。鲍玉成等^[17]利用聚乳酸羟基乙酸共聚物制备载药率为26%利福平和28%异烟肼制成的人工骨，体外释放达到了90 d。有研究观察载异烟肼、利福平、吡嗪酰胺三联抗结核药硫酸钙/氨基酸聚合物人工骨在大鼠体内的缓释，12周时植骨块局部组织，周边1 cm 肌肉组织异烟肼、利福平、吡嗪酰胺能达到10倍最低抑菌浓度，静脉血3种药物平均浓度为2.79，2.02，4.38 g/L，低于植骨块局部周边浓度；肝、肾组织组织病理学检查未见损伤。张世旺等^[21]应用聚乳酸羟基乙酸共聚物、磷酸三钙、异烟肼，通过结合相分离/粒子沥滤法制备成复合药物支架，在体外药物释放过程较平稳，其释放曲线较平滑；组织学检查显示埋入大鼠肌肉中4周支架周围组织正常，细胞无变性坏死。Huang等^[23]利用端羟聚乳酸羟基乙酸共聚物合成了异烟肼-对甲酰基苯甲酸-聚乳酸羟基乙酸共聚物综合体，经体外测定释放稳定而缓慢，达到120 d以上。

2.2 抗结核骨组织工程支架的制备伍卫刚等^[13]所制备的载药人工骨呈多孔结构，孔隙率(61.76±2.35)%、微孔孔径 50-100 μm，体外药物呈现序贯释放，双药释放峰值依次交替出现，持续释放时间超过50 d， MTT检测示细胞毒性0级，电镜观察细胞生长分化良好，并有大量细胞黏附于载药人工骨表面；三维打印技术可以精确地制备具有复杂结构的载药人工骨，制备的多药控释型载药人工骨具有药物缓释和序贯控释的特性，同时具有良好的孔隙率和细胞相容性，为骨结核治疗提供一种新型有效的手段。

叶向阳等^[14]采用复乳溶剂挥发法制备利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球，测定载药量，包封率并行体外缓释实验。将微球以10%、20%、30%的比例分别与磷酸钙骨水泥复合，制备载有利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球的多孔磷酸钙骨水泥，测定材料的孔隙率及抗压强度，筛选出合适比例。将材料的浸提液与Wistar大鼠骨髓间充质干细胞共培养，以MTT法测定增殖率，成骨能力以试剂盒检测碱性磷酸酶的水平。将利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球-磷酸钙骨水泥(实验组)及利福平-磷酸钙骨水泥(对照组)分别制成相同直径的圆柱状试件，分别置入新西兰大白兔的双侧股骨髁中，于术后2，4，8，12周取置入区旁的髁旁肌，高效液相色谱法测定局部组织药物浓度。术后12周取各组骨标本行组织切片观察，评价材料降解情况及骨组织生长情况。10%、20%、30%利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球-磷酸钙骨水泥的总孔隙率、大孔率和抗压强度分别为(54.76±1.31)%、(13.67±1.62)%、(11.89±0.96) MPa；(63.76±1.35)%、(23.87±1.67)%、(4.8±0.68) MPa；(72.97±1.10)%、(37.87±2.08)%、(1.03±0.65) MPa。间充质干细胞在利福平/聚乳酸羟基乙酸共聚物微球/磷酸钙骨水泥复合材料生长较好，细胞增殖及碱性磷酸酶水平与空白对照组有明显差异 (P < 0.05)，依据生物材料细胞毒性实验琼脂覆盖法测定材料细胞毒性为0-1级，利福平缓释效果优于利福平-磷酸钙骨水泥组(P < 0.05)，且利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球-磷酸钙骨水泥能在较长时间内保持在利福平的最低抑菌浓度10倍以上。利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物微球-磷酸钙骨水泥试件置入体内12周时，材料降解明显快于利福平-磷酸钙骨水泥试件组，植入区骨长入率明显高于对照组的(P < 0.05)。

Zhu等^[15]制备了一种复合支架的药物传递系统对骨关节结核进行治疗。将双组分药物利福平和异烟肼加载到介孔二氧化硅纳米粒子里，多孔β-磷酸三钙支架负载，其次是一个生物玻璃涂层。这样的复合支架药物传递系统显示具有缓释双组分抗结核药物性能和良好的生物相容性，体外和体内释放实验显示具有连续稳定的释放利福平和异烟肼性能，这2种药物的释放浓度高于它们的有效杀菌浓度，缓释时间大约42 d。肝、肾功能检测表明，长期使用肝、肾未见明显损伤。鲍玉成等^[17]采用乳化溶剂挥发法制备利福平和异烟肼微球，采用正交实验优化微球制备工艺，对反应温度、聚乳酸羟基乙酸共聚物与利福平或异烟肼的质量之比、聚乙烯醇质量分数浓度，搅拌速率4个因素，每个因素3个水平进行正交实验，得出最佳配比制成载药微球，在微球内加入生物医用黏合剂，混匀在模具中压制成长方形，得到含药缓释降解人工骨，孔隙为35%。张宏其等^[28]将聚乳酸羟基乙酸共聚物溶解在1，4-二氧六环溶液中，再将β-磷酸三钙、异烟肼、左氧氟沙星粉末直接混入，超声混合均匀溶液，将混浊液置入模具中，在-80 ℃冷冻2 h，在将模具置入冻干机中冷冻干燥72 h，制备出直径4 mm、长12 mm的圆柱形人工骨载体材料，材料孔径40-400 μm，孔隙率92%。德向研等^[19]在避光密闭环境称取硫酸钙/氨基酸聚合物、异烟肼、利福平、吡秦酰胺分别为0.5，0.01，0.01， 0.03 g。研磨至粉状，涡旋混合器振荡混合均匀后，加入0.3 mL高纯水。倒入模具加压固定10 min后脱模。制备好的材料为1.0×1.2×1.0 cm圆柱体，平均质量为 0.7 g，避光密闭条件下放置2 h干燥，环氧乙烷灭菌后封存。陈勇忠等^[20]将5 mL思迪骨粉与2 g硫酸链霉素粉剂混合搅拌均匀后加入2 mL配套的混合液，搅拌至糊状，充填到模具中，10-15 min干硬后倒出便制成直径4 mm、厚4 mm的含链霉素的硫酸钙人工骨颗粒。

席焱海等^[22]精密称定分子量为8万的聚乳酸 0.24 g，利福平粉末0.012 g/异烟肼粉末0.012 g，加入氯仿，得到的溶液在30 ℃，电压为15 kV，流量为 0.5 mL/h，接收距离为21 cm的条件下纺丝4 h，分别得到含异烟肼和利福平的药膜。精密称定特制粉末β-磷酸三钙/聚乳酸/NaCl(1∶8∶1)0.1 g 放置于模具中，与异烟肼药膜、利福平药膜交替加载。使用粉末压片机在 14 kPa 压力下，压制 2 min，取出，放置去离子水中浸泡 72 h，除去 NaCl，取出晾干，得到β-磷酸三钙/异烟肼-利福平-聚乳酸。精确称取质量浓度为 1 g/L的 SA 10 g，SM 5 g，NaCl 10 g，SA和SM加 8.5 mL去离子水搅拌溶解NaCl，用10 mL去离子水溶解，将含有异烟肼和利福平的去盐人工骨置于 SA 溶液中超声浸泡5 min，接着置于NaCl溶液中交联固化 10 min，该混合物取出晾干，即可制得抗结核药物微球复合体β-磷酸三钙/异烟肼-利福平-聚乳酸/SM-SA。

Huang等^[23]用羟基乙酸共聚物、异烟肼和对酰基苯甲酸通过化学合成制备出羟基乙酸共聚物-INH4，和β-磷酸三钙制成复合材料支架，经细胞学分析具有良好的生物相容性。体外和体内药物释放评价表明，该复合材料系统可完整释放原始异烟肼和保持有效可控的异烟肼浓度100 d以上，实现局部高药物浓度和支架系统低药物浓度。刘海涛等^[24]报道优化配方，在避光环境下以100∶3∶3∶12的比例分别称取硫酸/聚氨基酸复合材料500 mg、异烟肼15 mg、利福平15 mg、吡嗪酰胺乳酸60 mg，将3种药物研磨至粉末状，与硫酸钙/聚氨基酸复合材料混合均匀后移入试管。取0.25 mL高纯水缓慢加入试管，用玻璃棒搅拌均匀，涡旋混合器振荡10-15 s后注人直径9 mm、高度6 mm柱形模具中，3 kg压力压实保持二三分钟，将模压成型的载药人工材料取出，避光自然干燥12 h以上，即得固化载药人工材料。

2.3 抗结核骨组织工程支架的成骨性能人和动物的骨组织可看做是胶原和羟基磷灰石的天然复合物，由10%-30%的多孔外层硬质(即皮质骨)和30%-90%的多孔结构(即松质骨)组成。从骨皮质到骨松质骨的力学性能变化很大，并且微观伴随着复杂几何形状的变化。骨的超微结构及其复杂，所以很难设计一个“理想的骨组织工程支架”的原因是：需要有宏观孔隙(孔径 > 100 μm)和微观孔隙(孔径 < 20 μm)，并且互相连通的开放孔隙用于体内组织内生长；要有足够的机械强度、可控降解动力学、将适当的负荷转移到相邻的宿主组织；灭菌，包装，运输等到手术过程安全可靠，以及置入后在体内有生物活性；有利于细胞生长的环境。如此众多因素的制约，到目前为止，理想的骨组织工程支架设计任重而道远。

Gu等^[16]将不同比例的利福平和异烟肼抗结核药物与聚乳酸羟基乙酸共聚物溶解在有机溶剂中，在将100 nm双相磷酸钙纳米颗粒悬浮在溶液中，用3D喷墨打印机制备三维支架。经MTT法观察，分析了成骨标志物碱性磷酸酶和钙沉积，显示此种支架显著促进成骨细胞分化，并有很强的抗结核能力。

崔旭等^[18]将β-磷酸三钙聚乳酸-聚羟基乙酸异烟肼左氧氟沙星缓释材料置入实验兔股骨远端，术后4，8，12周行X射线检查观察骨缺损区修复情况，并在12周处死动物行大体观察和组织学检查，光镜下观察各组骨缺损的修复情况。术后4周，实验组可见材料稍模糊，术后8周可见材料影模糊，术后12周可见无材料影，骨缺损完全修复；术后12周组织学可见骨小梁间留有少量材料，材料表面可见增生的成骨细胞和淋巴细胞。

有研究用含链霉素的医用硫酸钙人工骨修复胸腰椎结核骨缺损，患者恢复顺利，切口均一期愈合；内固定后常规病理均证实为结核。出院后随访9-18个月，平均13个月，所有患者均未出现耳鸣、听力下降等耳毒性症状，未发现肾损害；1例于内固定后9个月结核复发行前路手术后治愈，其余17例均一次手术治愈，腰背部疼痛及下肢放射痛完全缓解，下肢无力、感觉减退等神经功能受损获得不同程度的改善。内固定后1周复查胸腰椎X射线片，提示后凸畸形获得不同程度的矫正，患者后凸Cobb角平均为(13.7±7.8)°，明显高于内固定前(P < 0.05)，硫酸钙人工骨颗粒显影清楚，内固定无松动等异常；内固定后3个月复查胸腰椎X射线片，提示后凸畸形矫正无明显丢失，患者后凸Cobb角平均为(4.1±8.1)°，与内固定后1周差异无显著性意义(P > 0.05)，硫酸钙人工骨颗粒显影不清楚，内固定无松动、折断、脱出等异常；17例于内固定后6-9个月X射线片提示骨性愈合，1例结核复发再次手术内固定后6个月X射线片提示骨性愈合。

席焱海等^[22]将制备的材料置入实验兔体内，X射线结果显示：术后4周两组可见缺损修复区逐渐出现骨膜反应；8周时骨痂形成，部分新骨形成，缺损边缘骨质与材料逐渐融合；12周时可见骨缺损基本被骨组织所替代，骨与材料接触的边界基本消失，成骨可靠。Micro-CT 扫描结果基本同X射线，各组术后标本图像12周实验组均完成骨融合，骨皮质连续，材料与骨之间边界消失，髓腔内可见部分未降解材料。组织学检查结果术后4周时，阶梯缓释抗结核纳米人工骨(实验组)和β-磷酸三钙材料(空白对照组)在骨缺损区域均可见有新生的幼稚骨小梁形成，周围大量成骨细胞存在，缺损边缘成骨量增加，置入材料部分降解，而移植区域未见明显炎性反应及巨噬细胞侵润，空白对照组骨缺损区可见大量增生纤维组织，缺损区基地部有少许骨小梁形成；8周时，两组骨缺损区可见继续增多的新生骨小梁及骨样组织出现，较致密，软骨成骨明显，空白对照组骨缺损区可见少量未成熟的编织骨，但仍以纤维组织为主，形成骨痂由编织骨与纤维骨痂组成；12周时，两组缺损区可见到大量骨基质及胶原新生骨，骨细胞较为成熟，排列规则，材料降解。Huang等^[23]制作的PLGA-INH/β-磷酸三钙复合材料支架经实验兔桡骨修复实验证实该支架具有良好的骨再生能力，实验表明该复合系统可以同时实现长期药物控释及骨再生，为结核性骨缺损的修复提供一种新的功能型支架。

参考文献

[1] World Health Organization.Global tuberculosis report 2015.World Health Organization,2015,1-6.
[2] 全国第五次结核病流行病学抽样调查技术指导组.2010年全国第五次结核病流行病学抽样调查报告[J].中国防痨杂志,2012,34(8):485-508.
[3] Pigrau-serrallach C,Rodr Guez-pardo D.Bone and joint tuberculosis.Eur Spine J.2013; 22(4):556-566.
[4] Rasouli MR,Mirkoohi M,Vaccaro AR,et al.Spinal tuberculosis: diagnosis and management.Asian Spine J.2012;6(4):294-308.
[5] 曹雪飞,甄平.载药磷酸钙骨水泥治疗结核性骨缺损[J].实用骨科杂志,2014,20(11): 1009-1011.
[6] Yuan J,Zhen P,Zhao H,et al.The preliminary performance study of the 3D printing of a tricalcium phosphate scaffold for the loading of sustained release anti-tuberculosis drugs.J Mater Sci. 2015;50(5):2138-2147.
[7] 曹雪飞,宋朋杰,乔永杰,等.3D 打印骨组织工程支架的研究与应用[J].中国组织工程研究, 2015,19(25):4076-4080.
[8] 袁景,甄平,赵红斌.高性能多孔β-磷酸三钙骨组织工程支架的3D打印[J].中国组织工程研究, 2014,18(43):6914-6921.
[9] 易翔,肖金怀,黄野.功能型骨支架研究进展[J].国际骨科学杂志,2015,36(5):370-373.
[10] Li K,Zhu M,Xu P,et al.Three-dimensionally plotted MBG/PHBHHx composite scaffold for antitubercular drug delivery and tissue regeneration.J Mater Sci Mater Med.2015;26(2):1-8.
[11] 孟磊,甄平,梁晓燕,等.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.
[12] Dong J,Zhang S,Liu H,et al.Novel alternative therapy for spinal tuberculosis during surgery: reconstructing with anti-tuberculosis bioactivity implants.Expert Opin Drug Deliv. 2014;11(3):299-305.
[13] 伍卫刚,郑启新,郭晓东.利福平-异烟肼-控释型载药人工骨的实验研究[J].中国生物医学工程学报, 2010,29(1): 137-143.
[14] 叶向阳,甄平,李晓飞,等.新型抗结核多孔磷酸钙骨水泥缓释载体的制备与性能研究[J].中国矫形外科杂志, 2010, 18(23):1981-1986.
[15] Zhu M,Wang H,Liu J,et al.A mesoporous silica nanoparticulate/β-TCP/BG composite drug delivery system for osteoarticular tuberculosis therapy. Biomaterials.2011;32(7): 1986-1995.
[16] Gu Y,Chen X,Lee JH,et al.Inkjet printed antibiotic-and calcium-eluting bioresorbable nanocomposite micropatterns for orthopedic implants. Acta Biomaterialia. 2012;8(1):424-431.
[17] 鲍玉成,张文龙,王勇,等.长效缓释双药物人工骨的制备及释放特性[J].中国组织工程研究, 2012,16(38):7126-7130.
[18] 崔旭,马远征,李大伟,等.β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料的成骨检测[J].中国组织工程研究,2013,17(3):381-386.
[19] 德向研,施建党,王自立,等.载三联抗结核药硫酸钙/氨基酸聚合物人工骨体内缓释实验研究[J].中国脊柱脊髓杂志,2013,23(6):531-536.
[20] 陈勇忠,王剑火,张朋,等.含链霉素医用硫酸钙人工骨修复胸腰椎结核骨缺损[J].中国组织工程研究, 2014,18(21): 3287-3292.
[21] 张世旺,马远征,杨飞,等.抗结核药物复合支架的制备及其性能研究[J].中国脊柱脊髓杂志,2014,24(3):266-2670.
[22] 席焱海,赵鹏,邓翠君,等.阶梯缓释抗结核纳米人工骨复合体成骨性能的实验研究[J].生物骨科材料与临床研究, 2014,11(3):10-13.
[23] Huang D,Li D,Wang T,et al.Isoniazid conjugated poly(lactide-co-glycolide): Long-term controlled drug release and tissue regeneration for bone tuberculosis therapy.Biomaterials.2015;52:417-425.
[24] 刘海涛,施建党,王骞,等.载三联抗结核药物硫酸钙/聚氨基酸人工材料体外缓释性能的观察[J].中国脊柱脊髓杂志,2015,25(3):239-244.
[25] Kumar MN,Joseph B,Manur R.Isolated posterior instrumentation for selected cases of thoraco-lumbar spinal tuberculosis without anterior instrumentation and without anterior or posterior bone grafting. European Spine J.2012;22(3):624-632.
[26] Mohan K,Rawall S,Pawar UM,et al.Drug resistance patterns in 111 cases of drug-resistant tuberculosis spine. Eur Spine J.2012;22(S4):647-652.
[27] Li L,Zhang Z,Luo F,et al.Management of drug-resistant spinal tuberculosis with a combination of surgery and individualised chemotherapy: a retrospective analysis of thirty-five patients.Int Orthop.2011;36(2):277-283.
[28] 张宏其,高琪乐,郭虎兵,等.人同种异体骨载异烟肼-壳聚糖缓释微球的制备和体内外释药特性[J].中国组织工程研究,2012,16(3):479-483.
[29] Trecarichi EM,Di ME,Mazzotta V,et al.Tuberculous spondylodiscitis: epidemiology, clinical features, treatment, and outcome.Eur Rev Med Pharmacol Sci.2012;16 Suppl 2(7):58-72.
[30] Saifullah B,Hussein MZ,Sh HAA.Controlled-release approaches towards the chemotherapy of tuberculosis.Int J Nanomedicine.2012;7(9):5451-5163.
[31] Frima HJ,Gabellieri C,Nilsson MI.Drug delivery research in the European Union's Seventh Framework Programme for Research.J Control Release. 2012; 161(2):409-415.
[32] Wang Z,Yuan H,Geng G,et al.Posterior mono-segmental fixation, combined with anterior debridement and strut graft, for treatment of the mono-segmental lumbar spine tuberculosis.Int Orthop. 2012;36(2):325-329.
[33] Donald PR,Van Helden PD.The global burden of tuberculosis—combating drug resistance in difficult times.N EnglJ Med.2009;360(23):2393-2395.
[34] 王自立,王骞.脊柱结核的手术策略[J].中华骨科杂志, 2010,30(7):717-723.
[35] 李大伟,马远征.骨关节结核局部药物缓释材料研究进展[J].中国防痨杂志,2013,35(4): 365-367.
[36] 杨勇,刘心霞.抗结核药所致药物性肝损伤患者的药学监护[J].世界华人消化杂志, 2015(19):3060-3068.
[37] 贾忠,吴晶,马建军,等.一线抗结核药物肝损害的研究现状[J].中国防痨杂志,2013,35(6): 468-471.
[38] 李娟,王会仁,姜允琦,等.胸,腰椎结核病灶清除联合应用局部缓释抗结核药物的疗效分析[J].中华骨科杂志, 2014, 34(2):129-136.
[39] 高会霞,侯军良,张志,等.346 例肺结核患者结核分枝杆菌耐药性调查及耐多药结核病影响因素分析[J].中国防痨杂志,2015,37(11):1130-1135.
[40] 李力韬,马远征,李大伟,等.21例耐多药脊柱结核手术联合个体化化疗的临床分析[J].中国防痨杂志, 2013,35(5): 317-321.
[41] 唐神结. 耐多药结核病综合治疗的现状与展望[J].实用医学杂志,2013, 29(23):3796-3798.
[42] 任淑君.肺结核患者治疗依从性及其影响因素分析[J].现代诊断与治疗,2013,24(10): 2180-2182.

引言

中国是结核病高负担国家，2015年全球发病率仅次于印度和印度尼西亚，发病绝对数量占全球结核病人数量9.6%^[1]。在国内，结核病发病率也始终处于前列。在所有结核患者中，有10%-15%是肺外结核，而肺外结核居首位的是骨与关节结核^[2-3]。骨结核最常用的治疗方法是外科手术清除骨结核病灶^[4]。而结核病灶清除后，留有的骨缺损称为结核性骨缺损^[5-6]。目前，国内医疗市场尚无修复结核性骨缺损置入材料制式产品。近年来，在修复普通骨缺损方面，涌现出了很多新材料，也有很多新工艺，并有企业生产的制式产品^[7-8]。但这些产品在修复结核性骨缺损方面有许多不尽人意的地方，诸如：材料只有修复骨缺损作用而没有抗结核作用；结核性骨缺损比一般骨缺损恢复慢，而材料的吸收降解和成骨填充作用不能达到很好匹配等^[8]。在修复结核性骨缺损方面，还处于研究阶段，许多学者构建了许多新材料，但也不免有抗结核药物成分单一，药物释放不稳定，浓度过大影响成骨作用，浓度过小不能杀灭结核杆菌，而且造成机体耐药性增加等问题。

功能型骨组织工程支架能修复骨缺损，还能在置入后起到预防或治疗导致骨缺损的原发性疾病，如感染、结核、肿瘤等。它除了具备良好的骨诱导性、骨传导性及成骨性外，还能杀灭或抑制局部感染灶中的常规致病菌或结核杆菌，达到预防或治疗的目的；还在骨肿瘤清除后，对局部可能残留的肿瘤细胞有杀伤或抑制生长作用，起到辅助化疗的作用^[9]。文章就具有抗结核作用的功能型骨组织工程支架做一阶段性总结。

抗结核骨组织工程支架一般由抗结核药物和骨组织工程支架构成^[10]。抗结核药物一般制备成具有长期、稳定释放的缓释药物系统，以满足彻底杀灭结核杆菌的需要，同时其释放和降解时间要与结核性骨缺损修复的时间匹配^[5]。在修复结核骨缺损过程中材料的吸收降解和新骨形成要达到速度一致，在抗结核杆菌的过程中，抗结核药物要长期缓慢释放，既不能因为抗结核药物浓度过低丧失抗结核作用，也不能由于抗结核药物浓度过高而造成细胞毒性，影响成骨细胞生长，同时还要保证结核菌清除彻底^[11]。骨组织工程支架载入缓释抗结核药物后，也要求其成骨和降解时间要和结核性骨缺损修复的时间匹配，不能由于载药而影响其成骨、降解、力学性能^[12]。

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

3.1 抗结核骨组织工程支架的特点目前，抗结核骨组织工程支架主要以抗结核药物缓释系统和骨组织支架结合制备。抗结核药物的全身性长时间使用会产生很大的毒性不良反应，结核治疗尤其如此，抗结核药物在局部病灶的浓度过低，存在时间短，导致最终疗效往往不理想^[35]。而抗结核药物单独使用，亦可造成使用剂量过大，抗结核效果低下，肝肾毒性高的等不良反应^[36-37]。为此，学者们一般采用了将2种或2种以上的抗结核药物联合使用，并将其制成缓释药物系统，进行局部缓慢释放，达到局部高浓度的长期作用^[38]。骨组织工程支架采用符合组织工程原理的方法制备并负载抗结核药物缓释系统。利用载有抗结核药物的骨组织工程支架对骨结核病灶进行清创填充，该类支架在清除病灶的同时能在局部长时间释放抗结核药物，达到治疗骨结核的目的，同时有效避免了全身性药物使用所带来的不良反应。

3.2 抗结核骨组织工程支架的意义抗结核功能骨组织工程支架能长时间稳定释放药物，置入结核性骨缺损可增强局部用抗结核药的效果，解决临床上结核性骨缺损修复困难易复发的难题。

骨与关节结核病灶内的结核杆菌以3种形式存在，繁殖期的、静止期的和进入细胞处于休眠期的。繁殖期的结核杆菌容易杀灭，静止期和进入细胞休眠期的不容易杀灭。繁殖期的结核杆菌主要存在于结核空洞和结核脓液中；静止期结核杆菌主要存在于结核所致的死骨、干酪样坏死组织及纤维肉芽肿组织中；休眠期的结核杆菌主要在巨噬细胞内，处于休眠状。全身给药后，抗体结核药物经过血液循环到达病灶中的抗结核药物量极少，难以杀灭静止期和休眠期的结核杆菌，休眠期的结核杆菌由于细胞膜的保护，抗结核药物无法杀灭，等到巨噬细胞死亡后，结核杆菌又能死灰复燃^[39]。结核病需要联合、足量、长期全身化疗，这种治疗是目前骨与关节结核治疗的无二选择，药物治疗在杀灭结核菌、清除结核菌方面起着重要作用^[40]。联合用药可提高抗结核药物的疗效，减少耐药菌的出现，目前三联或三联以上抗结核药物全身化疗需要10个月以上，即使骨关节结核的超短程化疗也需至少4.5个月^[41]。在骨结核药物治疗中，抗结核药物难以有效在骨组织病灶中达到有效杀菌浓度的原因，是由于骨病灶周围形成坚硬、致密的硬化壁，使得抗结核药物难以透过此屏障，因此，抗结核药物局部浓度低，难以发挥效果。抗结核菌药物的不良反应较为明显，联合、长期、大量地口服抗结核药物，损害肝肾功能导致全身不良反应不容小觑，况且每天都要服药，患者依从性差^[42]。多年来许多学者试验局部给药，以减轻全身不良反应、提高抗结核疗效，多数医师仅限于在结核性骨缺损中喷洒抗结核药物或将抗结核药物吸附于骨替代材料或组织工程材料置入，因抗结核药物易溶解在局部的组织液中，药物稀释且药物浓度难以把握，所以难以在结核性骨缺损中难以形成一个长效杀菌浓度能到的药物小环境。抗结核功能型骨组织工程支架有效解决了局部用药、长期释放、缓慢修复功能，能使结核性骨缺损得到很好修复。

3.3 目前抗结核骨组织工程支架的局限性目前，研制的抗结核性骨组织工程支架还未达到临床需求。首先，针对结核分枝杆菌的多药物联合治疗常需3或4种抗结核药物的联合使用，而目前抗结核性骨组织工程支架只能达到联合2种药物；其次，抗结核治疗疗程常需6-12个月，现有的抗结核性骨组织工程支架药物释放时还不能满足该需求；制备抗结核性骨组织工程支架材料的文献居多，但应用此种材料在结核动物模型进行的验证实验缺失。因此，抗结核骨组织工程支架的研究工作仍然需要科技工作者不懈的努力才能完成。

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

功能型骨组织工程支架修复结核性骨缺损

Functional bone tissue engineering scaffold used to repair tuberculosis bone defect

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 1

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	吴训, 孟娟红, 张建运, 王亮. 浓缩生长因子修复兔髁突全层软骨损伤[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1166-1171.
[2]	汪显耀, 关亚琳, 刘忠山. 提高间充质干细胞治疗难愈性创面的策略[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1081-1087.
[3]	化昊天, 赵文宇, 张磊, 白文博, 王新卫. 抗生素人工骨治疗慢性骨髓炎疗效和安全性的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 970-976.
[4]	张宾, 孙丽华, 张俊花, 刘玉三, 崔彩云. 改良翻瓣即刻种植有利于上颌前牙区的软硬组织重建[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 707-712.
[5]	李晨杰, 吕林蔚, 宋阳, 刘静娜, 张春秋. 预紧力作用下钛合金人工假体界面骨小梁形态参数测量与统计分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 516-520.
[6]	孙启, 周亚男, 董鑫, 李宁, 颜家振, 石浩江, 许胜, 张幖. 激光选区熔化钴铬烤瓷合金金瓷结合界面的特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 521-525.
[7]	常文辽, 赵杰, 孙晓亮, 王锟, 吴国锋, 周剑, 李树祥, 孙晗. 人工骨膜的材料选择、理论设计及生物仿生功能[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 600-606.
[8]	刘旒, 周箐竹, 龚桌, 刘博言, 杨斌, 赵娴. 胶原/无机材料构建组织工程骨的特点及制造技术[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 607-613.
[9]	叶海民, 丁凌华, 孔维豪, 黄祖泰, 熊龙. 多级微管结构骨支架载体促进成骨成血管作用及机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 621-625.
[10]	李晓壮, 段浩, 王伟舟, 唐志宏, 王旸昊, 何飞. 骨组织工程材料治疗骨缺损疾病在体内实验中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 626-631.
[11]	宋凯凯, 张锴, 贾龙. 周围神经系统损伤的微环境与修复方式[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 651-656.
[12]	贺杰, 常祺. 四肢恶性骨肿瘤骨切除后大段骨缺损的生物重建[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 420-425.
[13]	邢浩, 张永红, 王栋. 长骨大段骨缺损修复方法的优势与不足[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 426-430.
[14]	陈思奇, 先德彬, 徐荣胜, 覃中杰, 张磊, 夏德林. 羟基磷灰石-磷酸三钙支架复合骨髓间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞对大鼠颅骨缺损修复早期成血管的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3458-3465.
[15]	陈磊, 郑蕊, 杰永生, 綦惠, 孙磊, 舒雄. 脂肪血管基质成分复合骨软骨一体化支架的体外评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3487-3492.