Application of nano-hydroxylapatite/collagen and its mineralized composites in bone tissue engineering

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0639

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: A nano-hydroxylapatite/collagen (nHAC) is a scaffold material for bone tissue engineering based on the concept of bionics. As its reliable biomechanical properties and good biocompatibility, nHAC has been widely used in bone defect repair.

OBJECTIVE: To summarize the biological effects and research progress of the nHAC and its mineralized composites in bone tissue engineering.

METHODS: The relevant articles published from January 1997 to January 2018 were collected by a computer-based search of CNKI, SCIE, and PubMed databases using the keywords of “nano-hydroxylapatite/ collagen (nHAC), material, bone regeneration, bone tissue engineering” in English and Chinese, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: nHAC has good biocompatibility and osteoinduction ability. Compared with autologous bone, nHAC has less osteogenic capacity due to the lack of osteo-inductive biological active substances, such as bone inducing factors and stem cells. Enhancement of osteogenic capacity will be achieved in the nHAC by loading with biomaterials, such as natural bone, artificial bone, cells, plasma, drugs, and bioactive substances. However, it is especially necessary to improve its osteoinduction activity in the repair of large-area bone defects as well as to keep balance between material degradation and osteogenesis needs to be further clarified.

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: Bone Regeneration, Review, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Zhang Xue, Zhang Yang. Application of nano-hydroxylapatite/collagen and its mineralized composites in bone tissue engineering[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(34): 5547-5552.

Figures/Tables 3

作为支架材料，孔径大于100 μm，有利于承载细胞的黏附、生长和增殖；孔径小于50 μm，可为细胞代谢活动提供有利条件[17]。张丽军等[18]在研究中发现，骨缺损周边有纤维组织长入矿化胶原多孔框架，成骨细胞位于新生骨小梁周围，在新生骨组织、宿主骨周围可见与材料骨性结合的现象，证明了新骨形成，以及支架材料良好的骨相容性、诱导成骨性能及可降解性。矿化胶原骨在材料的诱导下，新生的纤维细胞可在框架中穿插生长，并为钙盐沉积提供基础。同时材料的多孔结构使细胞易于长入，与细胞具有良好的亲和性，细胞易于贴壁、增殖、迁移，同时营养物质也便于运输[19]。 2.1.2 生物相容性生物材料应该具有良好的生物相容性，整合到宿主的组织中而不引起免疫排斥反应，符合生物安全评价的标准，这是应用于临床的基础和前提。作为骨缺损的修复材料，许多学者对矿化胶原骨的生物相容性进行了研究，研究表明其具有优良的生物相容性[20]。在体外实验中，王明海等[21]发现矿化胶原骨可为兔骨髓基质干细胞的黏附、代谢增殖提供条件，矿化胶原骨表面骨髓基质干细胞的活性和碱性磷酸酶活性与对照组无统计学差异。有学者将矿化胶原骨与骨髓间充质干细胞复合培养，发现骨髓间充质干细胞可在矿化胶原骨上黏附、生长、繁殖、分化，复合前后表型一致，证实其具有良好的生物相容性[22]。 2.1.3 生物可降解性降解是物质分子量变小的化学反应总称，其中包括分子链的解聚、无规则断链、侧基和低分子物的脱除等反应[23]。生物降解通常是指在分泌酶的微生物(细菌、真菌)作用下，导致材料分子量降低的过程。对于医用生物降解材料而言，是指在生物体的体液、酶、细胞等多种因素综合作用下，逐步减小生物材料的分子量。在可降解材料的研究中，材料的降解速率及降解之后小分子产物的生物安全性是值得关注的问题。组织工程骨的支架材料应具有良好的生物降解性能，同时降解速率最好与新生骨的生成率尽可能接近，从而维持骨的高度和宽度，这对口腔种植手术尤为重要。以往骨替代材料的研究发现，晶体尺寸较大的羟基磷灰石支架材料，破骨细胞无法有效降解、吸收替代，即使延长植入时间也无法获得满意的结果。而纳米级矿化胶原骨晶体具有比表面积大的特点，很容易被机体降解、吸收，同时，其降解产物不改变周围环境的pH值，降解过程模拟天然骨的新陈代谢，降解产物不会改变机体局部环境，降解速率与成骨具有良好的匹配，有效修复骨缺损[24]。有学者在实验中观察到支架材料界面层有活跃的溶解-再沉积过程，这与缺损再生修复早期形成的具有不断更新和成熟活动特色的网状骨生理活动很相似[8]。同时，矿化胶原骨的基础三维框架结构及尺寸大小是使材料表面发生快速更新的关键因素。 2.1.4 成骨活性矿化胶原骨具有良好的骨传导性能，在骨组织工程研究中已得到了充分的肯定[25]。有研究指出生物材料植入缺损部位促进新骨形成，与材料表面是否形成类骨磷灰石层及富Ca-P层关系密切，进而关系到生物活性陶瓷等骨组织工程材料是否能形成骨结合与骨形成[26]。矿化胶原骨在模拟天然骨的成分和结构特征的基础上，具有纳米量级尺寸、低结晶度，是含碳酸根和胶原的羟基磷灰石矿物基材，该材料具有与骨结合的能力，为胶原和矿物的沉积提供承载条件，可为成骨细胞黏附提供有利环境，便于其植入，促进骨生长[8，27]。 2.2 矿化胶原骨复合材料的应用骨组织工程有3大要素，其中框架材料作为载体，提供新骨形成的支架，可为缺损位置运送生物活性分子。而骨诱导因子作用的目标细胞是具有多向分化潜能的间充质干细胞，通常位于血管周围，在骨诱导因子的作用下，一方面可诱导间充质干细胞分化为软骨细胞、骨细胞，可在修复大面积缺损中担任重要的角色；另一方面，骨诱导因子“诱导成骨”参与新骨形成的过程，即通过刺激成骨性细胞的有丝分裂，进而促进新骨产生。骨缺损的组织修复是多方面因素协调作用的复杂过程，3个关键要素在骨组织修复中相辅相成。以往研究表明，由于骨替代材料没有骨诱导因子、干细胞等生物活性物质，其成骨效果仍不如自体骨[6]。因此，矿化胶原骨的临床应用受到了一定程度的限制。但矿化胶原骨具有良好的复合性，同时可作为优良的生物活性物质载体，矿化胶原骨复合材料在骨组织工程研究中得到了充分肯定并具有良好的应用前景。 2.2.1 矿化胶原骨复合天然骨材料自体骨为良好的移植材料，不但能够保持细胞活性，而且骨基质中富含成骨诱导的细胞因子，可刺激骨母细胞分化，促进新骨形成。但是获取自体骨最大的弊端是，造成患者的心理负担与痛苦，加大患者创伤，增加手术难度和时间成本，取骨部位术后疼痛等缺陷，大面积缺损还会存在骨源不足等困扰。随后学者开始关注异种移植材料，其具有容易获取的优势，但植入后不可避免会导致机体免疫排斥反应的发生，致移植失败。去除牛骨内有机成分的Bio-Oss骨粉植入人体内虽然不会发生免疫排斥反应[28]，但Bio-Oss骨粉的缺点是降解缓慢，有报道指出种植后9年仍能检测到未吸收的骨粉[29]。经处理后的珊瑚人工骨具有良好的生物相容性和骨亲和性，但珊瑚人工骨质地脆、吸收快，植入后有一定的体积变化。联合应用矿化胶原骨和天然骨材料，避免了异位取骨的二次手术创伤，操作简便易行，又减少天然骨材料的用量，为临床植骨提供了充足的替代骨源。沈铁城等[6]指出在骨科疾病的临床应用中，矿化胶原骨具有良好的生物相容性、生物可降解性，植入体内有良好的骨传导作用，但因其不具备骨诱导成分，对于骨不连、两性骨肿瘤等所致的骨缺损，宜将矿化胶原骨与自体骨混合使用。 2.2.2 矿化胶原骨复合人工骨材料利用矿化胶原骨复合人工骨材料可在一定程度上发挥矿化胶原骨及其他人工骨材料各自的优势，达到更加有效修复骨组织缺损的目的。Liu等[30-31]将不同配比的矿化胶原骨和半水硫酸钙制备矿化胶原骨/半水硫酸钙复合水泥，研究其凝固时间、机械性能、体外生物活性和降解性、体外及体内生物相容性、体内成骨性能等，结果证明与纯半水硫酸钙相比，矿化胶原骨/半水硫酸钙复合水泥有更好的生物相容性及较强的骨改建能力。张超等[17]将矿化胶原骨与聚乳酸复合制成矿化胶原骨-聚乳酸三维框架，通过实验证明该支架可作为骨组织工程良好的细胞外基质材料。同时，有文献报道矿化胶原骨/聚乳酸具有良好的生物相容性，组织学分析发现与羟基磷灰石/磷酸三钙相比明显促进了新骨形成[32]。有学者在研究中将藻酸盐钙水凝胶和矿化胶原骨复合，证明此新型可注射复合材料具有良好的机械性能和生物活性[33]。朱超等[34]制备的液态羟基磷灰石胶原海藻酸钠复合材料，具有微创、恢复快等优点，达到促进骨愈合的作用。 2.2.3 矿化胶原骨复合细胞及血浆在没有框架材料支持情况下的细胞植入，机体无法有效利用，植入局部的细胞无法定植，同时不能达到有效诱导成骨所需的细胞数量，这是导致骨缺损修复效果不尽如人意的主要原因。矿化胶原骨这种良好的骨组织工程支架材料，可为植入的细胞提供黏附及生长繁殖的条件，促进局部骨形成与骨再生。李冬梅等[35]将纳米晶胶原骨材料(矿化胶原骨)与山羊骨髓间充质干细胞体外复合培养，发现细胞在材料上能够良好地黏附和生长，在兔下颌缺损实验中发现复合材料组比单独应用矿化胶原骨具有较好的骨再生能力。孙伟等[25]用影像学方法观察纳米人工骨和骨髓间充质干细胞治疗股骨头坏死缺损动物模型的效果，指出加用骨髓间充质干细胞可促进骨缺损的修复，有利于骨组织再生。彭程等[36]实验证明复合后材料具有一定的骨诱导作用，注入体内后成骨速度、形成新骨质量及力学强度明显优于单纯的纳米骨浆或红骨髓，可用于经皮注射修复实验性骨不连。杨新明等[37]在实验中证明自体骨髓基质干细胞可很好地与支架材料复合，具有良好的成骨效果。现阶段，许多学者尝试将干细胞与支架复合用于治疗骨组织缺损，并取得了显著进展[27，35]。 2.2.4 矿化胶原骨复合生物因子及药物骨组织修复过程需要多种因子的参与，是生物体在激素和局部生物活性因子的调控下，生物分子在生物体内的信息转导，是一个复杂的生物过程[38]。影响骨组织形成的因素有很多，比如激素(甲状旁腺素、甲状腺素等)、生物活性因子(骨形态发生蛋白、白细胞介素等)[39]。其中，生物活性因子在骨缺损修复过程中起着至关重要的作用。骨形态发生蛋白是骨组织工程中应用最多的生物活性因子[40-41]。其中，骨形态发生蛋白2是目前研究最为广泛、诱导成骨活性最强的骨形态发生蛋白之一。Han等[42]在矿化胶原骨复合材料应用于兔腰椎间盘横突间融合中发现，矿化胶原骨能够与骨形态发生蛋白2良好地复合，复合材料具有比矿化胶原骨更佳的降解及成骨性能。因为天然的骨形态发生蛋白2数量有限，目前国内外多采用基因工程学等技术制备基因重组人骨形态发生蛋白2，但人工合成的骨形态发生蛋白2 的制备工艺非常复杂，存在生产周期长、成本高、转染效率低、表达时间较短及病毒载体的潜在致癌性等缺点[43-44]。近年来的研究发现，骨形态发生蛋白2的生物效应是通过其分子抗原决定族与细胞膜上受体形成异聚复合物来实现的[45]。在此基础上，许多针对不同活性位点的骨形态发生蛋白2活性多肽应运而生，国内外对骨形态发生蛋白2活性多肽的研究也取得了新进展[46-48]。短链多肽可通过多肽合成仪大规模制备，降低了成本，提高了材料的安全性。同时，短链多肽上与细胞表面受体结合的活性位点能够充分暴露，具有更强的生物活性[49-50]，其可增强材料的骨诱导性和生物相容性，为矿化胶原骨/骨形态发生蛋白2活性多肽复合物的开发及应用创造条件。有学者证实P24活性多肽具有体外定向诱导大鼠骨髓间充质干细胞向成骨方向定向分化的作用，且这种诱导作用具有剂量依赖性[50], 高分子聚合材料复合该多肽后具有骨诱导活性，成骨能力增强[32]。清华大学材料教研室崔福斋团队以骨形态发生蛋白2的32-48功能区为模板，自主设计合成含17个氨基酸的具有骨诱导活性的蛋白多肽(P17-BMP-2，IVAPPGYHAFYCHGECP)，其纯度为96%，平均分子量为2 023.67 m/z(表1，图2)，将其与矿化胶原骨复合制成新短肽P17-骨形态发生蛋白2/矿化胶原骨材料，进一步提高了矿化胶原骨的生物相容性，改善了矿化胶原骨的骨诱导性，增强了其修复骨缺损的能力 [48]。 2.2.5 矿化胶原骨复合多种生物活性物质为了进一步提高成骨性能，越来越多的学者制备矿化胶原骨复合多种生物活性物质的骨组织工程材料[51-53]。Patel等[54]尝试观察了在血管内皮生长因子和骨形态发生蛋白2双重作用下矿化胶原骨对于鼠颅骨临界缺损模型骨再生的影响，发现骨再生作用得到了一定程度的增强。有学者将组织工程支架(矿化胶原骨/PLLA/CMs)复合骨形态发生蛋白2合成肽，经实验证明该支架具有良好的机械性能，并能诱导增强骨髓基质干细胞的碱性磷酸酶活性[55]。有报道显示壳聚糖聚乳酸羟基乙酸纳米羟基磷灰石支架具有良好的生物形容性及成骨诱导性，复合重组人骨形态发生蛋白2或其合成肽(P24)在鼠颅骨缺损模型中显示了有效的骨损伤修复能力[56]。张广德等[57]探讨腺病毒介导骨形态发生蛋白9/EPO双基因共转染脂肪干细胞复合矿化胶原骨/聚乳酸支架材料促进体内成骨的可行性，实验证明其可显著促进下颌骨缺损的修复。 "

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