Chinese Journal of Tissue Engineering Research ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (21): 3415-3422.doi: 10.12307/2023.179
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Qi Junqiang, Guo Chao, Niu Dongyang, Wang Haotian, Xiao Bing, Xu Guohua
Received:
2022-06-15
Accepted:
2022-07-07
Online:
2023-07-28
Published:
2022-11-26
Contact:
Xu Guohua, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Spinal Minimally Invasive Center, Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Naval Medical University, Shanghai 200001, China
About author:
Qi Junqiang, Master candidate, Spinal Minimally Invasive Center, Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Naval Medical University, Shanghai 200001, China
Guo Chao, Master candidate, Spinal Minimally Invasive Center, Department of Orthopedics, The Second Affiliated Hospital of Naval Medical University, Shanghai 200001, China
Supported by:
CLC Number:
Qi Junqiang, Guo Chao, Niu Dongyang, Wang Haotian, Xiao Bing, Xu Guohua. Characteristics and application of bone repair materials of metal ion doped hydroxyapatite[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3415-3422.
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2.2 金属离子掺杂羟基磷灰石的生物相容性 生物相容性是材料在生物体内处于静、动态变化过程中的反应能力,常通过体外细胞培养实验和体内植入实验进行评估。医用生物材料必须具有无毒性、无致敏性、无致溶血性和无致癌性等,生物相容性的评估是医用材料临床应用前必不可少的关键环节。 有研究证明,一定浓度的离子掺杂羟基磷灰石具有良好的生物相容性,可促进成骨相关细胞的附着、增殖和分化,高浓度掺杂时会出现毒性作用。高建勇等[11]发现不同锶掺杂量(0%,1%,5%,10%,20%)的羟基磷灰石均具有良好的生物相容性,不引起溶血反应,细胞毒性为0或1级;适当浓度的锶掺杂可提高羟基磷灰石生物活性,促进成骨细胞的附着、增殖和碱性磷酸酶表达,其中5%和10%的Sr-羟基磷灰石分别对成骨细胞附着和碱性磷酸酶表达作用最佳。FRASNELLI等[12]发现不同浓度Sr/(Sr+Ca)的掺锶羟基磷灰石粉体悬浮液均具有生物相容性,对成骨细胞无凋亡作用,锶含量较大的粉体悬浮液可明显促进成骨细胞的活性和增殖。晏金超[13]利用不同浓度的SrCl2、CuSO4固化液(1%,5%,10%,15%)处理羟基磷灰石支架并烧结,得到铜、锶掺杂羟基磷灰石。体外与大鼠骨髓间充质干细胞共培养发现,各组锶掺杂支架均对细胞表现出良好的生物相容性,且10Sr-羟基磷灰石支架对细胞的增殖促进作用最佳。1Cu-羟基磷灰石、5Cu-羟基磷灰石支架对大鼠骨髓间充质干细胞具有良好的生物相容性,10Cu-羟基磷灰石、15Cu-羟基磷灰石支架则具有较强的细胞毒性。MOU等[14]发现,铜含量为0-1%掺铜纳米缺钙羟基磷灰石/多(氨基酸)共聚物复合支架能促进大鼠骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化,当铜含量大于2%时表现出细胞毒性;支架植入动物体内后各观察时间点均见1%铜掺杂组较0%铜掺杂组新生血管形成和骨再生多,且干预12周时复合支架降解较明显,支架被新生骨完全包裹,骨与支架之间没有明显的边界,具有良好的降解和成骨能力。WEBSTER等[15]发现,低浓度(2%-7%)的锌掺杂有利于羟基磷灰石吸附玻连蛋白和胶原蛋白,继而促进成骨细胞的附着、增殖和分化。掺锌量为1%-2%的掺锌羟基磷灰石则具有最佳的生物相容性和抗菌活性,但明确的最佳掺锌浓度仍需探究[16]。载银羟基磷灰石的细胞毒性随着载银量的增加而增加。贺琪等[17]研究发现,银含量为3%的载银羟基磷灰石对骨髓间充质干细胞的毒性为1级;载银量为5%时细胞毒性为2级,细胞呈梭形或不规则三角形,贴壁生长良好;银含量为7%的载银羟基磷灰石表现出轻微毒性,细胞毒性为2级,可见悬浮死细胞。HERKENDELL等[18]也发现,低载银量(2%-5%)的羟基磷灰石具有良好的生物相容性、抗菌活性和机械性能,高载银量(10%)则表现出明显的毒性。马晓雨等[19]发现不同镁浓度掺杂纳米羟基磷灰石(Ca,Mg摩尔比为1∶1,2.5∶1,5∶1和7.5∶1)的细胞毒性随着Mg含量的增加而增加,但细胞存活率均大于80%,具有较低的毒性和较好的生物相容性。 学者们虽对各离子掺杂羟基磷灰石的生物相容性进行了评估,但关于无毒性/最小毒性时的掺杂浓度仍不明确。各离子掺杂羟基磷灰石的生物相容性、成骨活性、抗菌活性及机械性能等综合特性最佳时的浓度尚无明确指标,有待深入研究。不同制备、掺杂技术可能也会影响改性后羟基磷灰石的生物相容性。各种金属离子的毒副反应及量效关系仍需进一步探索。 2.3 单一离子掺杂改性羟基磷灰石在骨修复中的应用 学者们常采用金属离子或金属氧化物对羟基磷灰石进行掺杂改性,功能离子可取代羟基磷灰石晶体中的Ca2+改变晶体参数,羟基磷灰石的晶体结构包含磷酸盐中心和钙中心[Ca(Ⅰ)和Ca(Ⅱ)],掺杂的金属离子可取代钙离子,继而使其理化性能和生物功能得到优化,满足骨缺损修复需要。 2.3.1 锶掺杂羟基磷灰石 锶是天然骨的正常组成成分,人体99%的锶都存在于骨组织,与钙有相似的性质和生物功能,参与骨修复重塑过程。在骨代谢中,锶通过双重作用模式刺激骨形成,即增强成骨细胞的成骨活性,并抑制破骨细胞的骨吸收作用,是治疗骨质疏松症有效的物质之一,雷尼酸锶已成功用于抗骨质疏松治疗[1,20]。 在骨组织工程支架的制备中,锶的引入可提高支架的成骨活性,促进骨再生,增加骨量和骨机械性能。TSAI等[21]采用静电纺丝法制备羟基磷灰石纳米纤维和Sr-羟基磷灰石纳米纤维基质,发现MG63成骨样细胞在Sr-羟基磷灰石纳米纤维基质上的碱性磷酸酶活性、成骨相关基因Runt相关转录因子、Ⅰ型胶原、骨唾液酸蛋白和骨桥蛋白基因表达水平均高于羟基磷灰石纳米纤维基质,且Sr-羟基磷灰石纳米纤维基质材料可促进MG63成骨样细胞的分化。HU等[22]采用放电等离子烧结法制备了纯羟基磷灰石支架和Sr-羟基磷灰石支架,Sr-羟基磷灰石支架具有更好的抗压强度、降解性和成骨性能;兔胫骨缺损修复术后8周观察到空白组骨缺损明显,缺损处有纤维组织形成,纯羟基磷灰石支架与骨折区之间有明显的骨结合,而Sr-羟基磷灰石支架表面已覆盖有大量新的编织骨,支架部分降解;术后16周,空白组骨断端之间可见骨赘形成,纯羟基磷灰石支架部分降解,表面覆盖有新的编织骨,而Sr-羟基磷灰石支架完全降解,髓腔再通,骨重建已完成。LI等[23]以海藻酸钠溶液为粘结剂,以SrCl2溶液为交联剂,采用直接烧结法制得掺锶羟基磷灰石支架,材料表征结果表明,支架保持了规则的孔隙结构,抗压强度提高了30%,满足松质骨的力学性能(2-12 MPa),且可促进细胞增殖和成骨分化。为了制造新型骨组织工程支架,研究人员一直致力于开发模仿天然硬组织独特形态和特性的生物材料。QI等[24]以聚丙烯酸为仿生矿化剂,通过非经典仿生矿化途径制备了Ⅰ型胶原/锶羟基磷灰石纳米复合材料并对所合成的纳米复合材料进行了表征,结果表明,复合材料具有与天然硬组织和钙羟基磷灰石矿化胶原相似的形貌、纳米结构和特性。 锶不仅能增强成骨相关细胞的增殖和骨基质的合成,还能降低破骨细胞的活性,羟基磷灰石掺杂锶后,机械性能不仅得到改善,成骨活性也得到了显著提高,锶掺杂羟基磷灰石骨修复材料在骨质疏松性骨缺损治疗方面具有较大的应用前景。 2.3.2 铜掺杂羟基磷灰石 铜是人体中发现的最丰富的微量元素之一,在免疫系统、核酸的合成、自由基的消除、酶反应和骨组织的生成方面具有重要的功能。具体到骨骼,添加铜离子可以改变羟基磷灰石的形态,导致细胞增殖和血管生成增加。此外,铜离子能显著增强羟基磷灰石的抗菌特性,在对金黄色葡萄球菌、白葡萄球菌和大肠杆菌进行测试时,造成大量菌落减少。Cu对于骨骼具有重要意义,缺乏铜元素与骨骼发育迟缓、骨质疏松症、对骨折的易感性增加以及各种结构异常有关[25-26]。 ELRAYAH等[27]报道,水热条件下,在Cu2+的辅助下,羟基磷灰石支架表面可形成微/纳米结构,促进血管内皮细胞迁移,增强血管生成能力,进一步更好地促进骨组织再生。AI等[28]利用不同浓度(1%,5%,10%和15%)的CuSO4溶液掺杂纯羟基磷灰石支架,材料表征表明,与未掺杂的支架相比,掺杂Cu2+可以提高支架的抗压强度。纯羟基磷灰石支架的平均抗压强度为[(4.2±0.7) MPa],而所有Cu2+掺杂的羟基磷灰石支架的抗压强度为5-8 MPa,符合松质骨的强度要求,5%CuSO4溶液处理的5Cu-羟基磷灰石支架平均抗压强度最高[(7.6±2.3) MPa]。抗菌测试结果表明,羟基磷灰石支架中Cu2+的加入提高了抗菌活性,且随着Cu2+含量的增加,支架的抗菌活性显著提高,15Cu-羟基磷灰石支架对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率最高。晏金超[13]也发现,掺铜羟基磷灰石支架具有抗菌活性,且与铜含量呈正相关,5%CuSO4固化液处理的支架抗压强度最大,可达7.6 MPa。5Cu-羟基磷灰石支架具有良好的生物相容性、抗压强度和抗菌活性,在骨修复方面具有一定应用潜力。LV等[29]采用溶胶凝胶法和水热法制备了CuO/羟基磷灰石复合材料,与羟基磷灰石材料相比,CuO/羟基磷灰石复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有更好的抗菌活性。当复合材料中CuO的掺杂量为15%时,复合材料表现出最好的抗菌活性并可完全抑制细菌生长。NARAYANAN等[30]利用水热法制备Cu-羟基磷灰石,并通过溶剂浇注技术制备了壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮与不同质量分数(0%,20%,40%,60%和80%)Cu-羟基磷灰石混合的3组分复合材料。与其他复合材料相比, Cu-羟基磷灰石含量80%的复合材料显示出[(98.73±1.14)%]的孔隙率,具有最高的抗拉强度[(101.45±0.98) MPa]和较小的膨胀率[(19.51±1.03)%],对细菌(金黄色葡萄球菌、枯草杆菌和大肠杆菌)和真菌(白色念珠菌、青霉菌和根瘤菌)具有良好的抗菌活性并表现出较好的血液相容性(溶血率低于1%)。体外生物相容性研究表明,在模拟体液中,Cu-羟基磷灰石/壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合材料上形成了磷灰石,并对细胞表现出良好的生物相容性和细胞贴壁性能。综上所述,Cu-羟基磷灰石含量80%的Cu-羟基磷灰石/壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合材料具有良好的机械性能和体外生物学性能,可作为骨组织工程的替代植入材料。 血管生成是骨修复过程中的重要环节。掺铜羟基磷灰石既可促进血管生长,又具有抗菌活性,对乏血管部位的骨组织修复和防止植入物感染具有重大应用潜力。 2.3.3 锌掺杂羟基磷灰石 锌在具有抗菌特性的元素中具有独特的优势,可通过活性氧(如过氧化物和氢氧化物)、与细菌蛋白质(如磷脂)的直接反应等机制致细菌死亡[31]。锌掺杂羟基磷灰石既可增强其抗菌性能,又能增强成骨细胞活性,缺乏锌与动物骨密度降低以及骨骼生长受阻有关[1,25,31]。 DE LIMA等[32]采用共沉淀法制备了各种锌含量的锌掺杂介孔羟基磷灰石,所有掺杂Zn2+的介孔羟基磷灰石样品均显示出比纯介孔羟基磷灰石更高的抗菌活性,而且抗菌效率随着Zn2+含量的增加而增加。例如,Zn2%介孔羟基磷灰石显示出最高的抗菌活性,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最大生长抑制率分别为50%和77%,这归因于该样品存在介孔通道、更小的粒径及Zn2+改善了材料的表面电荷特性。LI等[33]将放电等离子烧结技术制备的羟基磷灰石和ZnO/羟基磷灰石植入兔桡骨缺损处,术后4,8,12周ZnO/羟基磷灰石组骨修复效果均优于羟基磷灰石组。MALEKI-GHALEH等[34-36]以天然骨为原料,采用固相反应法制备羟基磷灰石纳米颗粒,并对其进行锌掺杂(Zn羟基磷灰石),在含有羟基磷灰石和Zn羟基磷灰石纳米颗粒的培养基中,骨髓间充质干细胞的碱性磷酸酶活性在2周后分别增加了2.6倍和4.3倍;由于Zn掺杂,培养基中的钙化、成骨基因(碱性磷酸酶、成骨相关基因Runt相关转录因子2、骨桥蛋白和骨钙蛋白)的表达量及干细胞成骨分化均显著增加。锌、石墨烯均为抗菌材料,将Zn羟基磷灰石与石墨烯复合制得的纳米颗粒对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能分别提高了2.7倍和3.4倍以上,此外锌掺杂联合石墨烯显著提高了骨髓间充质干细胞碱性磷酸酶活性和增殖能力。进一步的研究将Zn羟基磷灰石和Zn羟基磷灰石石墨烯纳米颗粒分别与聚己内酯复合,通过3D打印系统构建了3D骨支架,支架具有高度规整的结构,由于纳米颗粒的加入,支架具有良好的弹性模量(44.2 Mpa和49.5 MPa);体外生物活性评估显示聚己内酯支架的细胞成骨效应增加是由于支架基质中含有羟基磷灰石复合颗粒。锌掺杂和石墨烯加入羟基磷灰石颗粒可促进骨髓间充质干细胞的成骨作用。特别是Zn羟基磷灰石石墨烯纳米复合物在聚己内酯支架基质中可显著改善骨髓间充质干细胞成骨分化,是有效再生受损骨组织的可行选择。对比纯羟基磷灰石纳米颗粒,锌掺杂羟基磷灰石纳米颗粒具有良好的生物活性,与其他材料进一步复合制得的具有更强抗菌性、成骨活性、机械强度复合材料有望用于骨缺损的修复。 骨修复材料相关的主要问题是感染,这归因于手术后细菌在植入物表面的黏附,防止细菌在植入物表面定植、附着对治疗植入物感染具有重要意义。锌具有独特的抗菌机制,掺杂羟基磷灰石可赋予其良好的抗菌活性,并促进骨修复,对治疗骨缺损、预防内植物感染具有一定价值。 2.3.4 银掺杂羟基磷灰石 银作为一种非特异性抑菌剂,对革兰阳性菌、革兰阴性菌和抗生素耐药菌株具有广泛的抑菌活性[37]。银诱导细菌死亡的机制包括扰乱电子传输链、抑制关键的细菌酶以及渗透细菌细胞导致DNA和RNA突变,此外,银离子可以结合到细菌细胞膜的阴离子区域,固定细菌细胞或破坏细胞膜。银掺杂羟基磷灰石对防治感染具有重要意义,因为与生物羟基磷灰石相比,它可以减少细菌在其表面的黏附[38]。 在创伤和骨科领域,引入含银的抗菌剂在治疗感染方面发挥了重要作用。报道称,银离子掺杂羟基磷灰石涂层钛钉能显著阻止细菌定植,预防植入物相关感染[39]。BEE等[40]采用化学还原和热焙烧的方法成功制备了兼具抗菌活性和生物活性的羟基磷灰石/Ag纳米颗粒复合材料,该材料对金黄色葡萄球菌表现出有效的杀菌效果,其杀菌效果依赖于沉积在羟基磷灰石表面的Ag纳米颗粒的数量和大小。YANG等[41]利用原位生成技术将羟基磷灰石和Ag纳米颗粒引入聚左乳酸粉末中并制成复合骨支架,该支架对大肠杆菌表现出较强的抗菌活性。支架植入兔桡骨缺损8周后新骨面积分数为71.8%,具有很好的成骨能力,且无炎症反应。PATERSON等[42]利用银掺杂纳米羟基磷灰石复合聚己内酯制得骨支架,银纳米羟基磷灰石支架在保持良好细胞相容性和增强骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的同时,显著降低了骨感染中常见的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的数量。银掺杂羟基磷灰石支架在促进骨组织再生的同时表现出良好的抗菌活性,这种双功能支架在骨修复方面具有巨大的临床应用潜力。CHOUBEY等[43]分别采用湿化学沉淀法和溶剂浇铸法制备了银掺杂羟基磷灰石纳米粒子和聚己内酯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料。材料力学性能表征结果显示,复合材料的抗压强度随着Ag羟基磷灰石含量的增加而增加,最大抗压强度为(32.15±14.59) Mpa,这是由于聚合物链与磷灰石离子之间的相互作用增强所致。当Ag羟基磷灰石的加入量超过50%时,纳米复合材料的抗压强度、弹性模量均下降、均匀性也变差,从而导致力学性能变差。抗菌实验和细胞毒性实验证实,由于银离子的存在,复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有优异的抗菌性,对BALB3T3细胞表现出良好的生物相容性。较理想的机械性能和生物性能使得Ag羟基磷灰石/聚己内酯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料可作为骨移植的替代材料。 银离子具有良好的抗菌活性,纳米银相关材料已被用于临床溃疡感染伤口等治疗。将银离子引入羟基磷灰石,可使材料具有良好的抗菌性,对感染性骨组织损伤修复具有重要意义。相信随着学者们进一步的研究,该类材料未来会对骨修复发挥更大的作用。 2.3.5 镁掺杂羟基磷灰石 镁具有许多生理功能,包括调节信号转导、能量代谢、细胞增殖和分化,间接影响矿物代谢,可预防骨质疏松,调节免疫功能,促进局部血液灌注、骨组织生长[1,44]。 镁在骨矿化和骨代谢中起着关键作用,缺乏可能导致破骨细胞活性增加,从而发生明显的骨骼软化和骨量减少。镁掺杂羟基磷灰石可改变其结晶度和形态,明显改善抗菌性能[1]。 史月华[45]发现,Mg-羟基磷灰石涂层比纯羟基磷灰石涂层更能促进体外成骨和体内种植体的早期骨结合,体外细胞共培养见,Mg-羟基磷灰石涂层钛片上MC3T3-E1成骨细胞数、碱性磷酸酶和骨钙素的表达均比纯羟基磷灰石涂层多;植入兔股骨内发现,术后7-53 d,Mg-羟基磷灰石涂层组种植体表面的骨沉积率、骨面积率和骨接触率大于纯羟基磷灰石涂层组。ZHAO等[46]构建了一种镁掺杂羟基磷灰石复合材料,10%镁掺杂羟基磷灰石复合材料的抗压强度与皮质骨的抗压强度相匹配。细胞实验提示,与纯羟基磷灰石材料相比,Mg-羟基磷灰石复合材料表现出了更优异的诱导磷灰石形成的能力,并可促进成骨相关基因Runt相关转录因子2、骨桥蛋白和骨钙蛋白的表达。WU等[47]以羟基磷灰石、纳米氧化镁、丝素纤维为原料通过化学沉淀法和冷冻干燥法制备的仿生三维复合骨再生支架具有良好的机械性能、生物相容性和生物降解性,支架释放出的Mg2+创造出pH值为7.2-8.5的弱碱性微环境,表现出明显的促进骨髓间充质干细胞增殖的效果。此外,该支架还具有优异的细胞活性和成骨活性。细胞和动物实验对钙盐沉积、胶原蛋白沉积和骨相关标志蛋白(碱性磷酸酶、Ⅰ型胶原和骨钙蛋白)表达的综合评价进一步证明了这种复合支架优越的成骨潜力。植入SD大鼠股骨缺损处后,该复合支架能显著促进原位骨再生和骨重建。有研究对3D打印的Mg-羟基磷灰石/聚乳酸支架进行表征发现,该支架的溶血率小于2%,且对蛋白的吸附能力优于纯羟基磷灰石支架,具有良好的生物相容性[48]。对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性试验结果显示,发现Mg-羟基磷灰石比纯羟基磷灰石具有更好的抗菌活性。 镁掺杂羟基磷灰石既可制备内植物涂层,促进骨形成、骨结合,又可用于制备人工骨支架,修复骨组织缺损。同时羟基磷灰石掺杂镁离子后具有一定的抗菌性和较好的力学性能,相关的骨修复材料对于骨再生具有较大的应用潜力。 2.4 多离子掺杂改性羟基磷灰石在骨修复中的应用 多种离子联合掺杂羟基磷灰石,如锶-镁、镁-钡甚至3种离子等,被发现可以实现多离子功能的互补和优势结合并增强羟基磷灰石的机械性能和生物活性,使复合材料更好地用于组织工程修复领域。近年来许多有关多离子掺杂改性羟基磷灰石的研究取得显著的成果。 2.4.1 锶-铁共掺杂羟基磷灰石 铁是人体含量最多的微量元素,是完成多种生理过程所需的物质,因为它是许多金属蛋白的重要组成部分。此外,铁过量和铁缺乏都与骨骼健康的下降有关[1]。锶-铁共掺杂改性羟基磷灰石被广泛用于骨修复。ULLAH等[49]发现,锶-铁掺杂改性后的羟基磷灰石与MC3T3-E1成骨细胞共培养表现出良好的生物相容性,并可促进细胞增殖、成骨分化,抗菌实验证实该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性。YANG等[50-51]通过低温3D打印技术成功制得锶-铁共掺杂羟基磷灰石/聚已内酯支架、锶掺杂羟基磷灰石/聚已内酯支架、铁掺杂羟基磷灰石/聚已内酯支架,与其他两种支架相比,锶-铁共掺杂羟基磷灰石/聚已内酯复合支架表现出更好的血管生成、诱导成骨分化能力,同时具有较好的免疫细胞调节作用,可促进巨噬细胞向M2型细胞转化,继而促进血管生成和骨组织形成。将锶-铁共掺杂羟基磷灰石支架与脱细胞小肠黏膜下层基质结合制成新型仿生支架,体内大鼠颅骨缺损修复和皮下植入实验证实了仿生支架在早期免疫反应、新生血管形成和体内骨再生方面的优越能力,且RNA测序分析发现上调的Amot+/YAP?/Hippo信号通路参与了支架内血管生成的增强,表明Sr2+/Fe3+的协同释放及生物活性细胞外基质成分具有促进骨愈合的强大联合作用。 2.4.2 锶-锌共掺杂羟基磷灰石 锌具有优异的抗菌特性和骨诱导性,锶本身有着良好的成骨诱导能力,锶-锌共掺杂羟基磷灰石得到了学者的广泛研究。ULLAH等[52]发现,等离子喷涂Sr、Zn取代羟基磷灰石涂层不仅具有优异的力学性能和生物学性能,而且还提高了材料的抗菌性能,这为解决植入物感染提供了一种可行方法。ZHONG等[53]通过胶原模板介导的仿生自组装法制备的锶-锌共取代羟基磷灰石在体外可程序性促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。在早期,材料可通过刺激巨噬细胞诱导有利的骨免疫微环境,继而通过OSM信号通路促进成骨基因表达;后期时,Zn2+/Sr2+直接刺激骨髓间充质干细胞激活Nfatc1/Maf和Wnt信号,促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。动物实验证实锌-锶共取代羟基磷灰石胶原材料对临界大小颅骨缺损有强大的修复作用。HASSAN等[54]以溶胶-凝胶技术合成锶锌掺杂纳米羟基磷灰石,并以聚乳酸-羟基乙酸共聚物为基质,制得复合支架,该支架具有良好的多孔结构,平均孔径为189-406 μm,这有利于细胞的黏附、增殖;锶锌掺杂纳米羟基磷灰石质量分数为2.5%的复合支架最大抗压强度达(15.06±3.05) Mpa,与松质骨抗压强度相似,是松质骨替代品的良好候选材料。将支架浸泡在模拟体液中336 h内,发现在整个降解期,模拟体液的pH值都在7.0以上,这是复合材料释放和交换离子的结果。复合支架能够保持碱性介质,这是新的骨基质形成所必需的,因为碱性环境有利于矿物质的沉积。该支架满足理想支架的标准,具有优异的生物活性、可生物降解、多孔性和机械稳定性。将该支架植入小型实验动物体内,将是迈向转化医学的又一步。 2.4.3 镁-钡共掺杂羟基磷灰石 植入材料植入体内后需要通过影像成像确定植入位置、检测术后治疗效果,传统的羟基磷灰石与自然骨的密度相近,导致影像学难以区分两者。钡(Ba)因有良好的显影功能,已被应用于临床工作中。LIU等[55]合成Ba/Mg离子共掺杂的羟基磷灰石,并制备Ba/Mg@羟基磷灰石/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合支架,以期开发兼具显影和骨修复功能的复合材料。体外实验结果表明,Ba/Mg@羟基磷灰石/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合材料显著改善了MC3T3-1细胞的贴壁和成骨分化,可促进矿物质沉积、增强碱性磷酸酶活性、上调骨钙蛋白和Ⅰ型胶原基因表达,并以时间和浓度依赖性增加Ⅰ型胶原和骨钙蛋白表达。体内实验结果表明,复合材料可显著提高大鼠骨组织中骨形态发生蛋白2、Ⅰ型胶原蛋白的表达和骨缺损愈合率。成像结果表明,Ba/Mg@羟基磷灰石/聚乳酸-羟基乙酸共聚物复合材料增强了X射线和CT的成像能力,具有一定的临床应用潜力。钡离子具有显影性,与羟基磷灰石等其他材料复合可制备显影骨修复材料,利于植入物的定位、评估治疗效果,具有较高的临床应用价值和可行性。 2.4.4 银-锌共掺杂羟基磷灰石 人工合成的羟基磷灰石力学性能较差,且无抗菌活性,植入体内有感染风险,阻碍了其临床应用,因此对种植体的抗菌性能、力学性能和生物相容性提出了更高的要求。YAN等[56]利用银离子和纳米氧化锌改性羟基磷灰石,体外细胞实验证实,改性后的羟基磷灰石具有良好的细胞相容性和生物活性,可促进MC3T3-E1细胞的增殖、分化;抗菌实验示该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率达90%以上,具有良好的抑菌活性。SINULINGGA等[57]通过成骨细胞增殖分化实验和抗菌实验证实,利用2.5%取代浓度的银/锌制备的银/锌共掺杂羟基磷灰石具有优异的抗菌活性和成骨诱导能力,对大肠杆菌的抑菌率为(99±1)%,并可显著提高成骨细胞活力促进其增殖。BENSALEM等[58]通过银、氧化锌纳米粒子浸渍羟基磷灰石纳米粉体得到Ag/ZnO/羟基磷灰石复合材料,抗菌实验和力学测试证实复合材料具有优于纯羟基磷灰石的抗菌活性和机械性能。合成羟基磷灰石中微量金属离子的缺乏是其机械性能差的一个因素,Ag+、Zn2+的掺杂可提高其力学性能,并使其具有抗菌活性,这为防止与以合成羟基磷灰石为基础的植入物相关的细菌感染提供了一种可行方法。 2.4.5 三离子掺杂改性羟基磷灰石 近年来,一些学者对3种离子掺杂羟基磷灰石进行了研究,并取得了一定进展。MARLIANA等[59]采用聚氨酯泡沫浸渍技术制备了纯碳酸化羟基磷灰石、钴/锶掺杂羟基磷灰石、羟基磷灰石支架,支架具有开放、相互连通和均匀孔隙的多孔结构,在碳酸化羟基磷灰石结构中同时进行三元二价阳离子取代,成功地提高了烧结支架的抗压强度,并且比二元掺杂碳酸化羟基磷灰石支架和纯碳酸化羟基磷灰石支架具有更好的细胞附着性和生物活性。XIAO等[60]通过MTT法和碱性磷酸酶活性测定证明锌、锶、氟掺杂羟基磷灰石生物材料对MC3T3-E1成骨细胞增殖分化有促进作用;成骨细胞黏附和增殖实验表明,与未掺杂的羟基磷灰石相比,锌、锶、氟掺杂的羟基磷灰石生物材料中MC3T3-E1细胞数量提高了约1.86倍。SPRIO等[61]采用湿法中和工艺制备掺杂Mg2+,Sr2+,Zn2+的羟基磷灰石纳米颗粒,并在1 250 ℃高温下烧结得到固结的陶瓷材料,分析发现羟基磷灰石结构中掺杂离子的存在诱导了β-磷酸三钙作为第二相的形成,显著增加了材料抗压强度、溶解性、离子释放能力以及对革兰阳性菌和革兰阴性菌黏附和增殖的抵抗力。作为骨矿物质主要无机成分的磷酸钙基磷灰石中存在多种微量金属离子,这对其整体性能起着重要的作用。相较于一元和二元微量金属离子掺杂,多元掺杂可能会进一步改变羟基磷灰石的结晶度和晶体尺寸,进而影响其力学性能和生活活性,能更好地用于骨修复。"
[1] SAGHIRI MA, VAKHNOVETSKY J, VAKHNOVETSKY A, et al. Functional role of inorganic trace elements in dentin apatite tissue—Part 1: Mg, Sr, Zn, and Fe. J Trace Elem Med Biol. 2022;71:126932. [2] JEONG J, KIM JH, SHIM JH, et al. Bioactive calcium phosphate materials and applications in bone regeneration. Biomater Res. 2019;23(1):4. [3] Li XY, WEI L, LI JH, et al. Multifunctional SDF-1-loaded hydroxyapatite/polylactic acid membranes promote cell recruitment, immunomodulation, angiogenesis, and osteogenesis for biomimetic bone regeneration. Appl Mater Today. 2021;22:100942. [4] YUAN B, CHEN H, ZHAO R, et al. Construction of a magnesium hydroxide/graphene oxide/hydroxyapatite composite coating on Mg–Ca–Zn–Ag alloy to inhibit bacterial infection and promote bone regeneration. Bioact Mater. 2022;18:354-367. [5] CHIRICĂ IM, ENCIU AM, TITE T, et al. The physico-chemical properties and exploratory real-time cell analysis of hydroxyapatite nanopowders substituted with Ce, Mg, Sr, and Zn (0.5–5 at.%). Materials (Basel). 2021;14(14):3808. [6] 代钊,汪大林.锶取代羟基磷灰石的制备方法和生物学特征[J].中国组织工程研究,2018,22(6):938-944. [7] 罗进,严雅静,谭哲,等.羟基磷灰石抗菌改性的研究与应用[J].中国组织工程研究,2020,24(16):2606-2613. [8] HASSAN AA, RADWAN HA, ABDELAAL SA, et al. Polycaprolactone based electrospun matrices loaded with Ag/hydroxyapatite as wound dressings: morphology, cell adhesion, and antibacterial activity. Int J Pharm. 2021;593:120143. [9] 欧林结,潘育松,潘成岭.离子掺杂羟基磷灰石的抗菌性能研究进展[J].中国陶瓷,2021,57(11):8-14. [10] 唐亚楠,高腾,任贵云.掺锌羟基磷灰石的制备及生物性能[J].中国组织工程研究,2022,26(16):2602-2607. [11] 高建勇,田刚,朱强,等.锶掺杂改性羟基磷灰石的生物学性能研究[J].第二军医大学学报,2016,37(2):138-144. [12] FRASNELLI M, CRISTOFARO F , SGLAVO VM, et al. Synthesis and characterization of strontium-substituted hydroxyapatite nanoparticles for bone regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017;71:653-662. [13] 晏金超.3D打印挤出沉积制备金属阳离子掺杂HA骨支架研究[D].南昌:南昌大学,2020. [14] MOU P, PENG H, ZHOU L, et al. A novel composite scaffold of Cu-doped nano calcium-deficient hydroxyapatite/multi-(amino acid) copolymer for bone tissue regeneration. Int J Nanomed. 2019;14: 3331-3343. [15] WEBSTER TJ, ERGUN C, DOREMUS RH, et al. Hydroxylapatite with substituted magnesium, zinc, cadmium, and yttrium. II. Mechanisms of osteoblast adhesion. J Biomed Mater Res. 2002;59(2):312-317. [16] OHTSU N, KAKUCHI Y, OHTSUKI T. Antibacterial effect of zinc oxide/hydroxyapatite coatings prepared by chemical solution deposition. Appl Surf Sci. 2018;445:596-600. [17] 贺琪,贡晶觉,杨蕾,等.不同载银量载银羟基磷灰石细胞相容性与成骨活性的对比研究[J].上海交通大学学报(医学版),2016, 36(12):1697-1701. [18] HERKENDELL K, SHUKLA VR, PATEL AK, et al. Domination of volumetric toughening by silver nanoparticles over interfacial strengthening of carbon nanotubes in bactericidal hydroxyapatite biocomposite. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014;34(1):455-467. [19] 马晓雨,刘永佳,朱邦尚.镁掺杂纳米羟基磷灰石的制备及其在载药方面的应用[J].无机化学学报,2018,34(5):917-924. [20] KOŁODZIEJSKA B, STĘPIEŃ N, KOLMAS J. The influence of strontium on bone tissue metabolism and its application in osteoporosis treatment. Int J Mol Sci. 2021;22(12):6564. [21] TSAI SW, HSU YW, PAN WL, et al. The effect of strontium-substituted hydroxyapatite nanofibrous matrix on osteoblast proliferation and differentiation. Membranes (Basel). 2021;11(8):624. [22] HU B, MENG ZD, ZHANG YQ, et al. Sr-HA scaffolds fabricated by SPS technology promote the repair of segmental bone defects. Tissue Cell. 2020;66:101386. [23] LI K, LI SY, AI FR, et al. Fabrication and characterization of Sr-doped hydroxyapatite porous scaffold. JOM. 2021;73(6):1745-1753. [24] QI YP, MAI S, YE Z, et al. Biomimetic fabrication and characterization of collagen/strontium hydroxyapatite nanocomposite. Mater Lett. 2020;274:127982. [25] SAGHIRI MA, ASATOURIAN A, ORANGI J, et al. Functional role of inorganic trace elements in angiogenesis—Part II: Cr, Si, Zn, Cu, and S. Crit Rev Oncol Hematol. 2015;96(1):143-155. [26] WU C, ZHOU Y, XU M, et al. Copper-containing mesoporous bioactive glass scaffolds with multifunctional properties of angiogenesis capacity, osteostimulation and antibacterial activity. Biomaterials. 2013;34(2): 422-433. [27] ELRAYAH A, ZHI W, FENG S, et al. Preparation of micro/nano-structure copper-substituted hydroxyapatite scaffolds with improved angiogenesis capacity for bone regeneration. Materials (Basel). 2018; 11(9):1516. [28] AI FR, CHEN LT, YAN JC, et al. Hydroxyapatite scaffolds containing copper for bone tissue engineering. J Sol-Gel Sci Technol. 2020;95(1):168-179. [29] LV YR, CHEN YJ, ZHENG YP, et al. Evaluation of the antibacterial properties and in-vitro cell compatibilities of doped copper oxide/hydroxyapatite composites. Colloids Surf B Biointerfaces. 2022;209(Pt 2):112194. [30] NARAYANAN V, SUMATHI S, NARAYANASAMY ANR. Tricomponent composite containing copper-hydroxyapatite/chitosan/polyvinyl pyrrolidone for bone tissue engineering. J Biomed Mater Res A. 2020; 108(9):1867-1880. [31] PREDOI D, ICONARU SL, PREDOI MV, et al. Evaluation of antibacterial activity of zinc-doped hydroxyapatite colloids and dispersion stability using ultrasounds. Nanomaterials (Basel). 2019;9(4):515. [32] DE LIMA CO, DE OLIVEIRA ALM, CHANTELLE L, et al. Zn-doped mesoporous hydroxyapatites and their antimicrobial properties. Colloids Surf B Biointerfaces. 2021;198:111471. [33] LI JY, ZHU B, ZHANG YQ, et al. In vivo biological safety study of porous zinc oxide/hydroxyapatite composite materials. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2021;35(7):847-854. [34] MALEKI-GHALEH H, SIADATI MH, OMIDI Y, et al. Synchrotron SAXS/WAXS and TEM studies of zinc doped natural hydroxyapatite nanoparticles and their evaluation on osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Mater Chem Phys. 2022;276:125346. [35] MALEKI-GHALEH H, SIADATI MH, FALLAH A, et al. Antibacterial and cellular behaviors of novel zinc-doped hydroxyapatite/graphene nanocomposite for bone tissue engineering. Int J Mol Sci. 2021; 22(17):9564. [36] MALEKI-GHALEH H, SIADATI HM, FALLAH A, et al. Effect of zinc-doped hydroxyapatite/graphene nanocomposite on the physicochemical properties and osteogenesis differentiation of 3D-printed polycaprolactone scaffolds for bone tissue engineering. Chem Eng J. 2021;426:13321. [37] POON TKC, IYENGAR KP, JAIN VK. Silver nanoparticle (AgNP) technology applications in trauma and orthopaedics. J Clin Orthop Trauma. 2021; 21:101536. [38] SAGHIRI MA, VAKHNOVETSKY J, VAKHNOVETSKY A, et al. Functional role of inorganic trace elements in dentin apatite tissue-part III: Se, F, Ag, and B. J Trace Elem Med Biol. 2022;72:126990. [39] SEVENCAN A, KARTAL DOYUK E, KÖSE N. Silver ion doped hydroxyapatite-coated titanium pins prevent bacterial colonization. Jt Dis Relat Surg. 2021;32(1):35-41. [40] BEE SL, BUSTAMI Y, UL-HAMID A, et al. Synthesis of silver nanoparticle-decorated hydroxyapatite nanocomposite with combined bioactivity and antibacterial properties. J Mater Sci Mater Med. 2021;32(9):106. [41] YANG YW, CHENG Y, DENG F, et al. A bifunctional bone scaffold combines osteogenesis and antibacterial activity via in situ grown hydroxyapatite and silver nanoparticles. Bio-Des Manuf. 2021;4(3): 452-468. [42] PATERSON TE, SHI R, TIAN JJ, et al. Electrospun scaffolds containing silver-doped hydroxyapatite with antimicrobial properties for applications in orthopedic and dental bone surgery. J Funct Biomater. 2020;11(3):58. [43] CHOUBEY R, CHOUHAN R, BAJPAI AK, et al. Silver hydroxyapatite (AgHAP) reinforced nanocomposites of poly (methyl methacrylate)-poly (ɛ-caprolactone) as hybrid orthopedic materials. Int J Polym Mater. 2020;70(11):782-796. [44] YOSHIZAWA S, BROWN A, BARCHOWSKY A, et al. Magnesium ion stimulation of bone marrow stromal cells enhances osteogenic activity, simulating the effect of magnesium alloy degradation. Acta Biomater. 2014;10(6):2834-2842. [45] 史月华.掺镁羟基磷灰石涂层对种植体骨结合的影响[D].杭州:浙江大学,2014. [46] ZHAO XN, YANG Z, LIU QY, et al. Potential load-bearing bone substitution material: carbon-fiber-reinforced magnesium-doped hydroxyapatite composites with excellent mechanical performance and tailored biological properties. ACS Biomater Sci Eng. 2022;8(2):921-938. [47] WU ZQ, MENG ZL, WU QJ, et al. Biomimetic and osteogenic 3D silk fibroin composite scaffolds with nano MgO and mineralized hydroxyapatite for bone regeneration. J Tissue Eng. 2020;11: 2041731420967791. [48] ANITA LETT J, SAGADEVAN S, LÉONARD E, et al. Bone tissue engineering potentials of 3D printed magnesium-hydroxyapatite in polylactic acid composite scaffolds. Artif Organs. 2021;45(12):1501-1512. [49] ULLAH I, ZHANG WC, YANG L, et al. Impact of structural features of Sr/Fe co-doped HAp on the osteoblast proliferation and osteogenic different-iation for its application as a bone substitute. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;110:110633. [50] YANG L, ULLAH I, YU K, et al. Bioactive Sr2+/Fe3+co-substituted hydro-xyapatite in cryogenically 3D printed porous scaffolds for bone tissue engineering. Biofabrication. 2021;13(3):84. [51] YANG L, JIN SY, SHI L, et al. Cryogenically 3D printed biomimetic scaffolds containing decellularized small intestinal submucosa and Sr2+/Fe3+ co-substituted hydroxyapatite for bone tissue engineering. Chem Eng J. 2022;431(P4):133459. [52] ULLAH I, SIDDIQUI MA, LIU H, et al. Mechanical, biological, and antibacterial characteristics of plasma-sprayed (Sr, Zn) substituted hydroxyapatite coating. ACS Biomater Sci Eng. 2020;6(3):1355-1366. [53] ZHONG ZY, WU XD, WANG YF, et al. Zn/Sr dual ions-collagen co-assembly hydroxyapatite enhances bone regeneration through procedural osteo-immunomodulation and osteogenesis. Bioact Mater. 2022;10:195-206. [54] HASSAN M, SULAIMAN M, YUVARAJU PD, et al. Biomimetic PLGA/strontium-zinc nano hydroxyapatite composite scaffolds for bone regeneration. J Funct Biomater. 2022;13(1):13. [55] LIU XJ, MA YH, CHEN MJ, et al. Ba/Mg co-doped hydroxyapatite/PLGA composites enhance X-ray imaging and bone defect regeneration. J Mater Chem B. 2021;9(33):6691-6702. [56] YAN TT, JIANG ZM, LI P, et al. Novel hydroxyapatite whiskers modified by silver ion and nano zinc oxide used for bone defect repairment. Coatings. 2021;11(8):957. [57] SINULINGGA K, SIRAIT M, SIREGAR N, et al. Investigation of antibacterial activity and cell viability of Ag/Mg and Ag/Zn Co-doped hydroxyapatite derived from natural limestone. ACS Omega. 2021;6(49):34185-34191. [58] BENSALEM A, KUCUKOSMAN OK, RASZKIEWICZ J, et al. Synthesis, characterization, bactericidal activity, and mechanical properties of hydroxyapatite nano powders impregnated with silver and zinc oxide nanoparticles (Ag-ZnO-Hap). Ceram Int. 2021;47(15):21319-21324. [59] MARLIANA BIY, SYAZWAN MNM, AHMAD-FAUZI MN, et al. Influence of ternary divalent cations (Mg2+, Co2+, Sr2+) substitution on the physicochemical, mechanical and biological properties of carbonated hydroxyapatite scaffolds. J Aust Ceram Soc. 2021;57(5):1499-1510. [60] XIAO SJ, WANG M, WANG LP, et al. Environment-friendly synthesis of trace element Zn, Sr, and F codoping hydroxyapatite with non-cytotoxicity and improved osteoblast proliferation and differentiation. Biol Trace Elem Res. 2018;185(1):148-161. [61] SPRIO S, DAPPORTO M, PRETI L, et al. Enhancement of the biological and mechanical performances of sintered hydroxyapatite by multiple ions doping. Front Mater. 2020;7:224. |
[1] | Zhang Tingting, Liu Juan, Zhang Xu. Bioactivity of phase-transition lysozyme for surface modification of zirconia all-ceramic implant material mediating hydroxyapatite coating [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(7): 1043-1049. |
[2] | Xu Cong, Zhao He, Sun Yan. Regeneration of facial nerve injury repaired by biomaterial nerve conduits [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(7): 1089-1095. |
[3] | Chen Shisong, Liu Xiaohong, Xu Zhiyun. Current status and prospects of bioprosthetic heart valves [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(7): 1096-1102. |
[4] | Lu Di, Zhang Cheng, Duan Rongquan, Liu Zongxiang. Osteoinductive properties of calcium phosphate ceramic bone repair materials [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(7): 1103-1109. |
[5] | Tang Haotian, Liao Rongdong, Tian Jing. Application and design of piezoelectric materials for bone defect repair [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(7): 1117-1125. |
[6] | Qin Yuxing, Ren Qiangui, Li Zilong, Quan Jiaxing, Shen Peifeng, Sun Tao, Wang Haoyu. Action mechanism and prospect of bone microvascular endothelial cells for treating femoral head necrosis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(6): 955-961. |
[7] | Zhang Min, Zhang Xiaoming, Liu Tongbin. Application potential of naringin in bone tissue regeneration [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(5): 787-792. |
[8] | Liu Huan, Li Han, Ma Yunhao, Zhong Weijian, Ma Guowu. Osteogenic capacity of partially demineralized dentin particles in the maxillary sinus lift [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(3): 354-359. |
[9] | Jiang Haifang, Liu Rong, Hu Peng, Chen Wei, Wei Zairong, Yang Chenglan, Nie Kaiyu. Application of 3D printing technology in the precise and personalized treatment of cleft lip and palate [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(3): 413-419. |
[10] | Sun Lianlian, Liu Yongchao, Wang Zhixing. Repair effects of two kinds of bone repair materials on rabbit femoral defects compared using synchrotron-radiation-based micro-computed tomography [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3343-3348. |
[11] | Huang Senli, Sun Haigang, Sun Wenquan. Physical and chemical properties of porcine dermis matrix affected by process integration for decellularization, viral inactivation and sterilization [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3349-3355. |
[12] | Liu Zhuoran, Li Yumei, Liu Junyan, Yin Tong, Jiang Ming, Li Yourui. Role of chitosan and its derivatives in the field of oral antibacterial [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3361-3367. |
[13] | Niu Lin, Mei Yukun, Zou Rui, Zhang Yuwei, Zhang Yifei, Hao Yaqi, Dong Shaojie. Application of inorganic nonmetal biomaterials in the treatment of osteosarcoma and the regeneration of tumor-related bone defects [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3368-3374. |
[14] | Dong Shiwu, Zhou Lanxi, Shao Lu, Yu Zhengwen. Effect of magnesium alloy biomaterial degradation on endothelialized cells [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3398-3406. |
[15] | Hou Jianming, Li Qi. Bioactive scaffolds in repairing osteoporotic bone defects [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3423-3429. |
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