2.1   生物活性陶瓷   生物陶瓷指由金属离子及非金属离子通过离子键结合的晶体材料，可根据其化学活性分为生物惰性陶瓷、表面活性生物陶瓷、可吸收生物陶瓷3类，后两者通常统称为生物活性陶瓷[5]。临床上首先得到应用的是生物惰性陶瓷，但由于生物惰性陶瓷无法刺激骨形成和自身无法降解，导致术后材料与宿主骨组织的结合界面整合不良甚至失效[6]。生物活性陶瓷的出现为解决界面失效问题提供了有效手段。 生物活性陶瓷指可以与生物组织形成化学键合的陶瓷，具有骨传导性、骨诱导性和一定的生物降解性，植入体内后不仅可以作为宿主骨缺损部位支撑支架，还可以使表面黏附生物活性因子、活性细胞等成分，促进骨整合。这类材料主要包括磷酸钙生物活性陶瓷和生物活性玻璃。 2.1.1   磷酸钙生物活性陶瓷   骨组织是由无机相与有机相共同组成的天然复合材料，其中无机相在骨质量中的占比约65%，主要成分是羟基磷灰石。磷酸钙生物活性陶瓷的化学组成与人体骨骼的无机相组成相似，Ca/P比在0.5-2.0之间，植入体内后钙离子和磷酸根离子等组分会逐渐溶解，局部形成过饱和环境[6]，促进材料表面沉积羟基磷灰石微晶，微晶会结合其他离子(如碳酸盐、镁)和吸附体液中的生物活性分子，促进细胞黏附、增殖和新骨的形成，搭建宿主骨和生物陶瓷间的桥梁，最终完成植入部位骨重塑[7]。目前该类材料主要以支架或涂层等形式使用，临床上应用最多的是羟基磷灰石和磷酸三钙[8]。 羟基磷灰石：化学式为Ca5(PO4)3(OH)，Ca/P比为1.67，是骨骼和牙齿最主要的成分。由于羟基磷灰石具有易被人体组织吸收利用、良好的骨传导和骨诱导性、炎症反应和异物反应较少等优势[9]，被广泛用于骨缺损修复领域。ANGHELESCU等[10]将羟基磷灰石植入新西兰兔胫骨缺损部位，6个月后通过组织切片分析显示骨缺损部位周围形成大量新骨，证明了其具有良好的生物相容性。但随着其广泛应用，一些弊端逐渐暴露，如脆性高、耐冲击和耐拉伸性能差、降解速度慢等问题[11]。 为了改善羟基磷灰石的机械性能，使其可应用于承重部位，研究者将羟基磷灰石与其他材料复合制成复合骨，如具有良好韧性、抗拉伸性强等优点的高分子。BI等[12]制备了具有良好抗压强度和韧性的聚乙烯醇/壳聚糖物理交联双网络水凝胶，然后通过表面矿化形成羟基磷灰石层，将其植入兔胫骨缺损部位，结果显示复合材料不但诱导骨髓干细胞成骨分化，并且促进了缺损部位的骨再生。 羟基磷灰石的另一个重要弊端是在体内降解速度慢，与骨组织重建速度不匹配。羟基磷灰石的降解机制是在体液或细胞存在下发生的化学溶解。高孔隙率可以降低羟基磷灰石使用量、增加材料与体液和细胞的接触面积，以提高降解速率，是骨再生的关键影响因素之一[13]；但孔隙率增加可能导致羟基磷灰石机械性能变差，所以多用于非承重部位。YOSHII 等[14]研究了颈椎前路椎体次全切除减压融合术中使用多孔羟基磷灰石治疗颈椎后纵韧带骨化的效果，作者进行2年的随访，临床和放射学评估结果显示，采用多孔羟基磷灰石和自体腓骨移植治疗的患者在神经功能改善、植骨融合率等方面均显示良好的治疗效果，且组间无差异，但36%自体腓骨移植的患者出现供体部位长期疼痛问题，因此该研究认为在颈椎前路椎体次全切除减压融合手术中使用多孔羟基磷灰石治疗颈椎后纵韧带骨化病是一种安全有效的方法，可替代传统的自体骨移植治疗。 磷酸三钙：指Ca/P比接近1.5的生物活性陶瓷，其有α-磷酸三钙和β-磷酸三钙之分，α-磷酸三钙降解速率过快，多用于磷酸钙骨水泥，β-磷酸三钙多用于骨替代物。β-磷酸三钙在体内降解速率明显高于羟基磷灰石，可以快速释放钙离子和磷酸根离子，促进磷灰石层在材料表面快速沉积、诱导新骨生成，且促进干细胞的黏附、增殖、成骨分化，具有优异的骨传导性和骨诱导性，对骨缺损的治疗效果显著优于羟基磷灰石等市售人工材料。HERNIGOU等[15]比较了β-磷酸三钙和自体骨在整形外科手术中的疗效，结果显示在开放式楔形截骨术中自体移植组和β-磷酸三钙组患者的植骨融合率分别为100%和94%，对于骨坏死导致空洞缺损的治愈率均为100%，该结果证明单独使用β-磷酸三钙的骨缺损修复效果与自体骨相似。SILVA等[16]比较了β-磷酸三钙、异体骨、自体骨对大鼠颅骨的临界尺寸骨缺陷的修复效果，结果显示各组均出现新骨，组间无统计学差异，同样证明β-磷酸三钙对于骨缺损修复的效果与自体骨相似。 β-磷酸三钙虽然相比羟基磷灰石具有更好的骨修复能力和更匹配的降解速度，但GAO等[17]发现其机械性能不理想且植入体内后容易出现开裂。针对这一问题，目前主要采用与其他材料复合来解决。NANDI等[18]将SiO2和ZnO掺杂入β-磷酸三钙，结果发现掺杂后材料的平均密度增加4%、抗压强度提升86%；将复合材料植入兔胫骨缺损部位，4个月后的X射线片和组织学结果显示，复合支架中新骨形成量和长入支架内新骨量均显著高于纯β-磷酸三钙。氧化物的掺入虽然改善了β-磷酸三钙的机械性能，但可能导致降解性能变慢，高分子材料的使用为该难题的解决提供了方法。LEE等[19]将丝素蛋白与β-磷酸三钙以质量比3∶1复合并将其植入大鼠颅骨缺损部位，8周后的Micro-CT结果显示，伴随支架降解缺损处新骨形成量和骨密度显著增加，该组与自体骨植入组无显著差别；另外组织学分析发现，支架内有新骨长入和胶原蛋白大量形成。LU等[20]使用β-磷酸三钙结合胶原蛋白制备的复合支架治疗脊柱损伤，将支架植入兔椎骨缺损部位，12周后生物力学测试显示融合节段的刚度和屈服强度与自体骨组相当，X射线片和Micro-CT结果显示复合支架的椎骨融合度大于纯β-磷酸三钙组，组织学分析显示复合支架中新骨形成比例显著大于纯β-磷酸三钙组，且支架的降解速度与新骨形成速度匹配度高于纯β-磷酸三钙组，与自体骨组接近。因此在促进后路脊柱融合中，胶原蛋白/β-磷酸三钙优于纯β-磷酸三钙。 2.1.2   生物活性玻璃   有学者在1971年第一次报道了生物活性玻璃Hench45S5，也称为Bioglass?，成分包括SiO2(45%)、Na2O(24.5%)、CaO(24.5%)和P2O5(6%)，其以桥氧键-Si-O-Si-所形成的共价网络为基础结构，部分-Si-O-Si-桥氧键被Ca2+、Na+等取代为非桥氧键-Si-O-Nn+-(Nn+为阳离子)。当生物活性玻璃植入体内后，非桥氧键中金属阳离子与周围骨组织发生离子交换，使材料表面与骨组织形成化学键合，形成类羟基磷灰石层[21]，刺激了间充质干细胞的黏附和成骨分化、血管内皮细胞的长入和成骨细胞活性的上调[22]。相比于磷酸钙生物活性陶瓷，生物活性玻璃的骨传导性和骨诱导性、生物降解性更优异。生物活性玻璃主要以颗粒形式作为骨骼或牙齿的填充物，因其颗粒形式更易刺激成骨[23]。 目前生物活性玻璃临床应用最多的主要是Na2O-CaO-SiO2-P2O5硅酸盐系玻璃(如S53P4及45S5)。BJORKENHEIM等[24]将S53P4植入兔股骨缺损模型中，8周后Micro-CT发现生物活性玻璃-S53P4相比于聚甲基丙烯酸甲酯形成的新骨量更多。MALAT等[25]应用S53P4治疗慢性骨髓炎和感染性骨不连，结果显示83.3%的患者骨缺损区填充后快速愈合，76%的患者无并发症，再次感染的7例患者均与生物活性玻璃使用无关。但生物活性玻璃在使用中也存在不足，如KAUR等[26]发现硅酸盐生物活性玻璃存在脆性大、易断裂及强度低等缺点，在较大骨缺损及承重骨部位的修复中容易因外力作用而发生结构破坏，影响长期临床治疗效果。 为了改善硅酸盐生物活性玻璃的缺点，使其应用于大块骨缺损和承重部位，GABBAIARMELIN等[22]在硅酸盐生物活性玻璃中掺入MgO和K2O，复合材料的机械性能显著改善，将其植入大鼠胫骨缺损处后，材料逐渐降解并被肉芽组织和新生骨所替代，术后第15天复合材料的新骨区域显著多于纯生物活性玻璃组，愈合胫骨组织的机械性能显著提高。另外，硼与硅拥有相似的性质，但含硼的生物活性玻璃降解性能优于硅酸盐生物活性玻璃，并且其溶解产物可能有促进血管形成、伤口愈合和骨再生的作用，故硼酸盐系玻璃有望替代传统的硅酸盐玻璃[27-28]。JIN等[28]制备了由硼硅酸盐组成的生物活性玻璃支架，并掺入小分子血管生成药物二甲基草酰甘氨酸，以改善骨再生和促进血管生成；植入大鼠颅骨缺损模型中8周后，Micro-CT结果显示生物活性玻璃组和二甲基草酰甘氨酸-生物活性玻璃组缺损区域有大量新骨形成，而磷酸三钙组新骨形成有限，另外二甲基草酰甘氨酸-生物活性玻璃组中有许多微血管生成，生物活性玻璃组形成的微血管较少，而磷酸三钙组无微血管；组织形态学结果显示二甲基草酰甘氨酸-生物活性玻璃组骨形成效果最佳，生物活性玻璃组次之，磷酸三钙组最差。这些结果证明硼硅酸盐生物活性玻璃支架可以显著促进骨缺损区域的新骨形成，且还具有较弱的促血管形成能力，加入二甲基草酰甘氨酸可以显著改善其骨再生和促进血管生成的能力。 综上所述，生物活性陶瓷具有优异的骨传导性和骨诱导性，炎症反应和异物反应较少，但临床中也存在机械性能不佳、降解速度不匹配等的问题，目前主要通过与其他材料复合来解决，如掺杂氧化物或复合高分子等。近年来出现了许多新型材料和新的技术，在机械性能方面可以考虑将生物活性陶瓷与石墨烯、碳纤维、碳纳米管、黑磷等材料复合，也可以通过3D打印技术更加精确的模仿天然骨的层次结构等方法，使材料植入后与骨组织应力更加匹配；在降解性能方面可以考虑添加锶、镁、锌等易溶解的人体微量元素，或添加细胞因子、趋化因子等，诱导细胞富集、黏附、增殖，使降解速率与新骨形成速率匹配。 2.2   骨水泥   生物活性陶瓷作为骨填充材料需经过高温烧结，形状大多为块状或颗粒状，可塑性差，医生在手术中无法按照患者骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填骨间隙。由粉剂和液剂组成的骨水泥具有室温自凝黏结性和良好的可塑性，成为骨缺损修复材料的另一个研究热点。 骨水泥根据其材料生物相容性主要分为生物相容性差的聚甲基丙烯酸甲酯和具有生物活性的无机非金属骨水泥，包括磷酸钙骨水泥、玻璃基骨水泥、硫酸钙骨水泥。理想的骨水泥除了需具备理想的骨植入物要求外，还需具备可注射性、固化时间适宜、凝聚力强、抗溃散性好等特点[29]。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥不具有生物活性，且有细胞毒性、操作时间有限，因此临床应用越来越少。无机非金属骨水泥具有良好的生物活性、骨传导性和骨诱导性，无细胞毒性，临床应用越来越广泛。 2.2.1   磷酸钙骨水泥   磷酸钙骨水泥最早由美国的BROWN和CHOW于 20世纪80年代提出，是一种或几种磷酸钙盐粉末的混合物(主要为α-磷酸三钙)，与调和用的液相发生水化发应，在生理条件下自固化所形成的无机非金属人工骨水泥，其弹性模量(180 MPa左右)与人的松质骨相似，且具有良好的骨传导性和骨诱导性。因此，磷酸钙骨水泥可显著改善骨质疏松或骨折部位的抗压强度，有效避免应力屏蔽导致的并发症、减少相邻组织的继发性骨折[6]。 单独使用的磷酸钙骨水泥存在凝固时间过长、抗压强度不足、与血液接触后迅速降解等问题。研究者发现，双膦酸盐可以通过焦磷酸根与钙离子的结合将磷酸钙骨水泥的凝结时间由15-22 min缩短到10-12 min，但会导致固化物的抗压强度下降[30]。硅酸盐掺入可以在材料与骨的界面区释放SiO32-以形成硅凝胶，凝胶会渗入骨水泥的孔隙并使颗粒紧密连接，实现磷酸钙骨水泥固化物的抗压强度提高。GONG等[31]设计了一种第三代双膦酸盐——利塞膦酸盐和磷酸钙硅酸盐水泥的复合物，其将10%磷酸一钙分别与0.5%或1.0%的利塞膦酸盐混合，再加入到硅酸钙粉末中，在研钵中均匀混合，得到0.5%利塞膦酸盐-磷酸钙硅酸盐水泥和1.0%利塞膦酸盐-磷酸钙硅酸盐水泥，使用时将其与去离子水混合以实现水泥的水化和固化；体外结果显示，相较于硅酸钙骨水泥，利塞膦酸盐加入不但可以调控复合物的凝固速率、减少复合物凝固后的孔隙度、增强抗压强度，而且促进成骨细胞的增殖和功能表达，将其植入兔胫骨骨缺损部位后可显著促进复合物周围新骨形成和骨整合；另外还发现，利塞膦酸盐的加入可以抑制破骨细胞活性和数量，起到预防骨质疏松的作用。有研究发现，硅酸盐的加入可能会减缓磷酸钙骨水泥的降解速率，改善磷酸钙骨水泥降解过快的缺点，为骨缺损部位提供长期的稳定支持。除了掺入硅酸盐，与高分子复合也可以改善该弊端。LEE等[32]利用藻酸盐/壳聚糖与磷酸钙骨水泥复合，改善了磷酸钙骨水泥降解性能、提高了韧性，将材料植入兔股骨头缺损处3个月后，Micro-CT和组织学分析结果显示复合材料组降解部分被新骨大量填充；另外相比于纯磷酸钙骨水泥，复合材料组新骨形成量更多，证明磷酸钙骨水泥复合物有更匹配的降解速率，可以实现骨骼组织快速再生。 2.2.2   玻璃基骨水泥   玻璃基骨水泥材料具有良好的生物相容性、可控的降解能力、良好的成骨和成血管能力，可形成骨性结合界面[33]。HAN等[34]比较了可注射玻璃基骨水泥(实验组)与羟基磷灰石生物陶瓷(对照组)在口腔骨缺损修复中的效果，结果显示实验组的骨愈合明显好于对照组，局部排斥反应的发生率无明显差异。但玻璃基骨水泥的脆性较大，针对此问题，ZHU等[35]将生物活性玻璃水泥与硫酸钙复合，体外结果显示该水泥具有良好生物活性和机械性能，在生理条件下可长期保持初始形状，为骨骼再生提供长期的机械支持；将其与聚甲基丙烯酸甲酯分别植入兔股骨缺损模型中，发现复合玻璃骨水泥界面处有更多的骨细胞和骨小梁且形态保持良好，说明材料的机械性能和生物活性优异。李阳等[36]将生物玻璃粉末、聚甲基丙烯酸甲酯和壳聚糖颗粒分别按照质量百分比为50∶40∶10及60∶30∶10复合，以骨水泥形式植入兔股骨髁部缺损模型中，6个月后的生物力学测试结果显示，两组复合材料较纯聚甲基丙烯酸甲酯组压缩强度和弹性模量显著改善，组织学结果显示这两组降解性能同样优异，并且更多骨组织长入降解部位，证明高分子与玻璃粉复合的骨水泥具有临床应用前景广阔。 2.2.3   硫酸钙骨水泥   大多数人工骨材料价格昂贵，而硫酸钙骨水泥价格低廉，且拥有良好的生物相容性、降解性能和自固化特性，是治疗骨缺损安全、有效的修复材料。硫酸钙在体液中会释放钙离子，促进细胞释放骨诱导分子、加速愈合，表现出良好的骨传导性和骨诱导性[37]。JIANG等[38]使用硫酸钙骨水泥代替聚甲基丙烯酸甲酯，改良Masquelet技术中重建骨缺损区的第一阶段治疗，结果显示硫酸钙骨水泥成功形成诱导膜且其降解性能加强了第一阶段骨缺损治疗效果，同时有可能省去第二阶段的手术治疗。硫酸钙降解速度快，可能导致纤维组织长入；大量降解产物会导致周围环境pH值过度下降，引起无菌性炎症和细胞毒性，严重影响骨整合[39]。为了解决该问题，研究者常采用将其与其他材料复合使用。HAO  等[40]将其与硅酸三钙复合并植入兔股骨髁缺损部位，结果显示硫酸钙骨水泥组在植入8周时完全降解，而复合材料组植入12周后只降解50%；Micro-CT和组织学染色定量测量剩余的骨水泥区域和新骨形成区域，发现复合骨水泥的成骨效果明显优于纯硫酸钙组，推测原因是复合水泥周围新骨具有更高的矿化率和成熟度。 研究者利用硫酸钙降解速率快的特点制备了具有抗生素高释放特性的复合骨水泥，用于治疗骨组织感染。BOYLE等[41]将羟基磷灰石和载抗生素的硫酸钙/磷酸钙复合，并将其与市售装载抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯分别植入患有胫骨骨髓炎的大鼠模型，6周后处死，通过细菌培养发现两组均未检测到细菌，但复合材料组的骨体积分数、骨面积和软骨面积均显著高于聚甲基丙烯酸甲酯组。贾存岭等[42]将载万古霉素的硫酸钙植入慢性骨髓炎患者中，相比于传统抗生素灌洗法66.67%的治疗有效率，新材料的治疗有效率提升到91.67%，且刀口愈合时间缩短，术后6个月植骨区明显成骨，骨痂连续，感染性骨不连完全愈合。 综上所述，骨水泥可以任意塑形，具有优异的骨传导性和骨诱导性，较少的炎症反应和异物反应，但也存在临床使用自凝时间过长、抗压强度不足，降解性不匹配等的问题，目前主要通过与其他材料复合来解决。其中双膦酸盐等的加入可以改善材料的自凝时间；硅酸盐、高分子材料的加入均可以改善材料的机械性能，但可能影响材料的降解性能，两者间需要寻找平衡点；另外，可以考虑利用造孔剂调控骨水泥的孔隙率以调节其机械性能和降解速率。 近年来骨组织工程技术的出现为无机非金属人工骨应用提供了一个新思路，即通过加入生长因子/趋化因子、种子细胞等生物活性物质加速骨修复进程。CUI等[43]设计了一种掺Si的羟基磷灰石支架，该支架装载骨形态发生蛋白2后植入大鼠颅骨缺损模型中，Micro-CT和组织学分析显示骨形态发生蛋白/羟基磷灰石支架的新骨形成量显著多于纯羟基磷灰石支架，总体而言，治疗结果较为理想。但是活性分子有时装载量有限，会阻止促新骨形成效应持续发挥，如KILIC等[44]向β-磷酸三钙中加入富血小板血浆，拟利用富血小板血浆中的大量生长因子促进成骨，但组织形态学结果显示富血小板血浆组的新骨形成量并不优于纯β-磷酸三钙组。针对此问题，基因工程技术可能提供有效的解决方案。SCHLICKEWEI等[45]制备了一种可注射的磷酸钙骨水泥并装载编码骨形态发生蛋白7和血管内皮生长因子核酸信息的质粒，将其用于兔胫骨缺损治疗，植入4周放射结果证明该材料的骨小梁数量和总骨量明显高于磷酸钙骨水泥；虽然12周时两组的骨缺损均实现治愈，但载质粒组治愈所需时间和新骨质量均显著优于未装载组。陈波等[46]将转染骨形态发生蛋白2基因的干细胞与多孔磷酸钙骨水泥复合并植入兔股骨髁部缺损部位，3个月时观察到骨水泥内部明显被吸收并形成大量骨质成熟度高的新骨。"