Porous materials in tissue engineering

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.30.021

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: A favorable application prospect has been showed in basic and clinical research of porous material implantation in recent years.
OBJECTIVE: To retrospect the progress in basic and clinical research of porous materials in the past 10 years and to summarize the existing problems and clinical prospects.
METHODS: A computer-based search of PubMed and CNKI databases was performed for relevant articles using the keywords of “porous material, bone implantation” in English and Chinese, respectively. The included articles were related to porous materials and composite materials used in vitro, in vivo or in clinic, as well as porous materials closely related with bone defect repair or bone tissue engineering.
RESULTS AND CONCLUSION: Hydroxyapatite, titamium and its alloys, polyethylene, calcium phosphates are porous materials that have been studied presently. Increasing experimental studies have shown that the porous materials have good histocompatibility and osteoinductive features in vitro and in vivo. But the uniform standards for porosity size in favor of tissue growth that is fastest and most effective have not been obtained. It is unclear how to gain and control the porosity of porous materials that are irregular, how to control the elasticity modulus, and how to gain 100% porosity effectively. Furthermore, whether the inflammation and exposure of porous materials in clinical application are related to the above-mentioned problems are unable to confirm.

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

全文链接：

Key words: tissue engineering, bone transplantation, hydroxyapatites

CLC Number:

R318

Cong Yong-jian, Song Min. Porous materials in tissue engineering[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(30): 4889-4894.

Figures/Tables 1

2.1 用于体内外与临床研究的多孔材料及其复合材料如前所述，目前见诸于报道的多孔材料及其各种复合材料不下30余种，本课题检索筛选出的53篇文献中，报道概率最高的材料依次为多孔羟基磷灰石及其复合材料共17篇，多孔钛(钛合金)及其复合材料11篇，多孔聚乙烯及其复合材料9篇，钙的化合物复合材料包括磷酸钙、α和β-磷酸三钙7篇。 2.1.1 羟基磷灰石羟基磷灰石是人体骨骼的主要组成成分之一，利用多孔羟基磷灰石及其各种复合材料作为人体植入物早已成功用于临床，如羟基磷灰石涂层的人工关节，上颌窦缺损修补材料等，然而其较高的脆性使其不太适合用于承重部位的修复，又因其缓慢的体内降解率，也不适合于需要体内正常组织尽快将其替换的部位。因而有学者将其与不同的生物材料复合以期获得更优良的临床应用功能，如将其与壳聚糖和羧甲基纤维素的自然衍生聚合物、(β-Ca3(PO4)2)-Si3N4或聚酰胺通过不同的制备方法复合制成生物可降解复合材料，使材料获得较高的抗压强度和较好的结构稳定与降解，材料的孔隙率和硬度可通过添加剂的变化而调整，可获得较好的组织相容性[3，9-10]。动物实验显示：合成羟基磷灰石[13]、羟基磷灰石和多聚-消旋-交酯[16，23]、聚酯及不饱和多聚酯等制成的多孔复合材料都有较好的骨诱导性及体内降解率[12，32]，而且这种诱导成骨的机制很可能是通过膜内化骨诱导成骨[23]。单纯的羟基磷灰石材料植入体内可能存在炎症反应和暴露等问题[13，25]，与上述添加材料制成复合材料后也很好解决了这些缺陷。临床研究结果显示，在眼球摘除后的义眼修复，上颌窦提升及颅骨缺损修复等方面均获得了良好结果[39，42，52-53]。 2.1.2 钛及其合金与羟基磷灰石一样，金属钛因其良好的组织相容性及无毒、耐腐蚀等特性作为骨内植入物也早已用于临床，然而目前为止用于临床的多孔钛植入物还仅限于其表面的多孔结构。为解决与骨组织间的弹性模量差异及与骨组织间的生物结合，可采用电子束溶融法、多孔粉末冶金法、氢化脱氢法等控制多孔钛的孔隙率、孔径和弹性模量[4，6，11，38]。将羟基磷灰石喷涂于多孔钛表面，增加了其表面粗糙度而有利于骨的直接固定[2]。而以二氧化钛为基础的新型陶瓷多孔材料具有较高的力学阻力、较高的烧结度和生物相容性及骨诱导性，这些性能使它们被关注成为潜在的骨代用材料[7]。另有许多动物实验证明了多孔钛或其复合材料的良好生物相容性及骨长入属性[29，35-37]。Bystedt等[48]在将多孔钛颗粒用于上颌骨修复的临床初步研究中取得了较为满意的结果。 2.1.3 聚乙烯聚乙烯也是较早就被用于体内植入物的材料之一，多项研究都证明了多孔聚乙烯在宿主组织内的生物相容性和稳定性，而且它还具有良好的骨引导行为[20，26]。Schellini等[13]在一组去除眼球的兔眼眶中植入合成羟基磷灰石和多孔聚乙烯的对比研究中发现，羟基磷灰石组较聚乙烯组显示了更明显的炎症反应，而且体积维持效果在聚乙烯组中更好。而Pan等[39]在同样以以上两种材料作对比的临床研究中，则显示羟基磷灰石植入物组似乎较液体硅胶(聚乙烯)组更快获得了完全的纤维血管化，比率的差异有明显的统计学意义。聚乙烯目前临床作为植入物多用于头面部的整形和缺损修复，如作为义眼填充[39，46-47]，上颌窦提升及颅骨缺损修复等[49-50，53]。 2.1.4 磷酸钙类(磷酸钙、β-磷酸三钙、α-磷酸三钙)多孔材料此类材料目前仅限于基础及动物实验研究，还未见临床应用的报道。因磷酸钙类作为植入物在体内可很快降解，多孔α-磷酸三钙陶瓷的溶解过程比骨修复过程更快，因而Kitamura等[1]将有机聚合物羟丙基纤维素涂层于多孔α-磷酸三钙陶瓷表面以降低其溶解率，体内实验证实可达到预期目的。刘爱红等[9]将β-磷酸三钙与羟基磷灰石和氮化硅复合制备成多孔复合材料并测定了其抗压强度、显微硬度和孔隙率等性能，结果认为这种材料可满足作为组织工程支架材料的要求。另有学者通过动物实验证实将磷酸三钙陶瓷与其他材料制成的生物复合材料在新骨形成、负重区骨缺损修复及生物相容性等方面均有良好的表现[22，24，27-28]。动物实验还证实了多孔磷酸钙水泥是一种很好的骨替代材料，有良好的骨引导作用，如再附加喷涂骨形成蛋白则效果更好[14，21，32]。然而以上结论都只限于基础及动物实验，目前尚无临床应用报道。 2.1.5 多孔钽多孔钽金属是近年来开发出的新材料，虽然其骨诱导及成骨能力的具体机制尚不十分清楚，但已有了临床应用报道。椎体间融合笼技术已经用于临床且早期临床实验已经显示了有希望的结果。Paganias等[5]认为多孔钽在生物学上属相对惰性，与骨的结合能力受限，为克服这一障碍，可将其在碱性环境中进行热加工，导致其表面形成广泛的羟基磷灰石，使多孔钽植入物与骨整合的更好。骨内植入后多孔钽的孔内可有新骨形成，新骨保持了正常骨的特征即骨重建和哈弗系统的形成。这一结果证实多孔钽是成骨细胞附着、增殖和分化的合适基材，而且还发现将老年女性的成骨细胞(> 60岁)种植于多孔钽后可比种植在其他基质上的年轻女性(< 45岁)成骨细胞生长更快，这可部分解释在严重骨缺损病例中多孔钽的良好性能，然而完全阐明其机制尚需进一步的研究。Zou等[19]的一项动物实验，在椎弓根螺钉固定辅助下，用多孔钽环行椎体间融合较之用碳纤维笼融合可获得更高的的界面愈合率和更稳定的融合率，与碳纤维笼相比，在多孔钽环中需要植入的骨量更少，骨重建更强。为了降低植入物的松动，由多孔钽材料制作的髋臼已用于临床，在1例高孔隙度多孔钽髋臼行全髋置换3年后因反复脱位而取出后的病例中，作者对取出的假体进行了组织学检查评估，结果骨长入的定量评估中显示，超过95%的假体孔隙被骨组织充满[44]。文献中关于人工关节临床研究中骨-钽界面的组织学研究可利用的信息很少，该项研究中作者有机会取出了完好的整体髋臼，组织学确认了这种材料和骨之间的牢固关系，而且形态学分析显示骨长入的百分率很高，虽然只是个案，但其仍具有很重要的临床意义。 2.1.6 多孔氧化钛/玻璃复合材料和聚甲基丙烯酸甲酯 Korinth等[15，17]在动物实验中将多孔氧化钛/玻璃复合材料和聚甲基丙烯酸甲酯制成椎体间融合笼植入羊颈椎椎间隙，发现两种植入物植入后的平均椎间隙高度和椎间角即刻增加(分别是34.8%和53.9%)，随后的数月内在多孔氧化钛/玻璃复合材料组椎间隙高度较聚甲基丙烯酸甲酯组下降，甚至在初始值以下(P > 0.05)，同样，术后随时间流逝椎间角也在两组中下降，但在多孔氧化钛/玻璃复合材料组中更明显(P < 0.05)；X射线评估融合的效果显示，多孔氧化钛/玻璃复合材料笼较聚甲基丙烯酸甲酯更好，但未获统计学显著结果。在其随后的第二期实验中，利用脊柱实验装置进行无损伤生物力学测试，包括屈/伸、侧弯和轴向旋转，利用超声测量系统评估三维运动范围。作者对新型多孔TiO2/玻璃复合材料作为椎体间融合笼的评估显示了令人满意的放射线结果和明显的生物力学稳定性，与聚甲基丙烯酸甲酯比较显示了节段的融合，但同时也发现了较为明显的椎间隙高度下沉和椎间角增大。 2.1.7 生物活性玻璃 Yun等[34]用高分子制模技术改良版本制备了各种孔径的多孔生物活性玻璃球，以观察不同孔径材料的成骨能力，以及材料降解对其生物相容性的影响。结果发现具有纳米到微米尺寸的、分层孔结构的多孔生物活性玻璃球在体外展示了良好的生物相容性，而太多微尺寸孔结构的存在导致了它们的快速生物降解，因此在体内外有严重的负面影响。Liu等[36]在动物实验中以大鼠颅骨缺损模型评估具有定向微观结构的生物活性玻璃促使骨再生的能力，该研究显示，具有柱状孔洞的定向微观结构支架(孔隙率50%，孔直径50-150 μm)可诱导骨增生，新骨形成于支架的可用孔带内，以同样具有小梁微观结构的玻璃支架(孔隙率80%，孔隙宽度100-500 μm)作为阳性对照也显示了良好的孔内骨增生。 2.1.8 其他材料此外，多孔同种异体骨支架、生物陶瓷(氧化铝)、多孔羟基磷灰石陶瓷、壳聚糖支架、多孔不锈钢、多孔丙烯酸水泥、多孔珊瑚、多孔多聚骨(丙烯延胡索聚酯)、多孔碳酸盐磷灰石等也被用于基础及临床研究，初期结果令人满意。 2.2 多孔材料应用中有待解决的问题因多孔材料种类的多样性，其加工制备过程不尽相同，又因应用目的不同而对材料的性质要求也不同，所以不同种类的多孔材料制备过程就无法统一。即使是同一种材料，不同的研究者的制备方法也不尽相同，这也可能是目前多孔材料难以开展规模化临床应用的主要障碍。综合近10年来的文献，以下问题有必要进行规范统一。 2.2.1 孔隙率和孔径控制多数学者认为多孔材料的孔隙率越高越有利于毛细血管和骨组织的长入，而毛细血管可为长入的骨组织提供营养，从而有利于其生长。调控孔隙率可通过多种方法实现。电子束溶融法是一种有希望的快速制造工艺，可用于定制钛植入物的直接制作，以使个体化医疗成为可能[4]。采用化学沉淀法制备的Hap-(β-Ca3(PO4)2)-Si3N4生物复合材料是将羟基磷灰石、β-Ca3(PO4)2和氮化硅3种材料复合在一起，通过增减氮化硅的含量控制孔隙率的高低，孔径从几十微米到500 µm，孔隙相互贯通，可满足工程支架材料的要求[9]。以纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料为原料，采用化学发泡法通过注塑和热压方式制备出的复合材料可获得最高可达87%的孔隙率，可通过控制发泡剂的添加量和羟基磷灰石的含量调控孔隙率[10]。一项以高分子制模技术的改良版本制备生物活性玻璃的实验中，发现生物活性玻璃的的孔结构可通过改变氯仿的反应时间来控制，并且发现其孔隙结构可明显影响它们的生物相容性和骨形成，因生物活性玻璃中太多微尺寸孔结构的存在可导致它们快速地生物降解而产生负面影响[34]。虽然通过许多方法可获得所谓的高孔隙率，从45%-87%不等[4，9，11，21，36]，但到目前为止尚未见有孔隙率100%多孔材料应用的报道。至于最佳的孔径尺寸，从几十微米到几百微米都有。在由钽制成的高孔隙度人工髋臼临床应用研究中，D'Angelo等[44]认为550 µm的孔径为最佳尺寸。然而最有说服力、最直观的比较研究来自于刘邦定等[38]的动物实验结果，他采用电子熔融技术制备了3种不同孔径的多孔钛合金样本，分别为1.0，2.0和 3.0 mm，将其植入家犬股骨髁内后进行大体标本、X射线和组织形态学观察，结果显示1.0组孔径新生骨面积百分比明显高于其他两组。 2.2.2 弹性模量控制当某些部位对植入材料的强度/硬度有要求时，就需要通过调控加工制备方法来满足，许多实验都证实可做到这一点，大多是通过调节材料的孔隙率或材料间的比例来完成。刘爱红等[9]认为，通过增减氮化硅含量，可使Hap-(β-Ca3(PO4)2)-Si3N4生物复合材料的硬度产生变化；李鸿等[10]通过实验发现，在制备多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料时，调节发泡剂的用量可控制材料的孔隙率，在总孔隙率相近的情况下，纳米羟基磷灰石含量高的多孔材料抗压强度较高；刘辉等[11]在制备新型生物医用多孔钛合金时证实，多孔钛的弹性模量等力学性能可通过控制孔隙率进行调节，达到与人骨的力学性能相匹配，减轻或消除应力屏蔽问题。该实验证实，当钛合金粉末粒度为-400目时，孔隙率为50%左右的钛合金力学性能与松质骨相近，适宜做骨植入材料。虽然以上实验结果都证实材料的弹性模量可调控，但目前尚缺乏一个量化的、可复制的标准程序做参照，而且各种不同硬度材料的孔隙率和弹性模量之间的线性关系尚无法确定，因而各种不同材料的弹性模量调节也就没有一个相对统一的方法及标准。 2.2.3 多孔材料的表面涂层及骨诱导和成骨作用多数医用金属材料都是生物惰性材料，为促进生物惰性材料中的骨长入，在其表面敷以生物活性材料以诱导新骨形成已被许多实验所证实[2，5，7，29，31]；向多孔同种异体骨支架中均匀掺入锶能改善其生物活性，促进骨生成过程[8]；添加了多聚磷酸钙的多孔锶支架作为用于骨替代品的生物材料，展示了与宿主骨良好的生物相容性和广泛的骨传导性[28]；将含有骨形成蛋白的骨髓细胞或骨髓穿刺液与多孔羟基磷灰石制备成复合材料以促进多孔材料中的骨长入，动物实验中不管是植入软组织还是行脊柱融合均显示了植入部位的新骨形成，显示了这类在多孔材料基础上覆以骨髓细胞的复合材料较自体移植物有更好的融合质量，有作者认为这种材料可能通过膜内化骨诱导成骨[18，23，34]。然而添加骨形成蛋白、骨髓细胞或其他可诱导成骨的生物制剂虽可促进骨形成，但同时亦增加了材料制备程序和应用的复杂性及成本，如果多孔材料本身就存在较强骨诱导及成骨能力的话，那么这些既增加制备程序又增加生产成本的添加材料还有无必要就值得讨论了。许多具有生物活性的多孔材料因其生化组成及结构接近生物组织，在体内很容易快速降解而失去其支架或骨替代作用，对于这类材料就需要调控其降解速率，方法是通过在材料表面涂覆以有机聚合物涂层来减缓其生物降解率[1]。然而假如材料的降解率没有那么迅速而是比较缓慢，有充裕的时间等待骨组织长入和贯穿缺损部位以完成修复，则这样的材料就可完全满足临床需要。在Gutierres等[45]的临床研究中，骨样结构的多孔支架在膝关节单髁骨性关节炎的手术修复中就显示了这样的潜能。 2.2.4 并发症有不少实验发现一些常用的多孔材料存在各种并发症。一组在去除眼球的兔眼眶中植入合成羟基磷灰石和多孔聚乙烯球以评估组织反应和体积维持情况的实验中，作者发现在整个实验期间，合成羟基磷灰石较多孔聚乙烯材料引起了更多的炎症反应，而且空腔体积维持结果也不如后者[13]。在一组生物陶瓷(氧化铝，Al2O3)眼眶植入物伴随问题的回顾性临床研究中，发现与植入相关的问题占11%(11/100)，包括植入物排出、暴露、接受腔不适、结膜稀释、化脓性肉芽肿及植入物破裂等[40]。Linhart等[41]报告了1例由外伤骨折引起的胫骨近端干骺端缺损患者，牛羟基磷灰石陶瓷植入7.5年后发生了力学上的退变。一组133例的临床回顾性研究中，对3种羟基磷灰石眼植入物的并发症进行了总结，发现人骨羟基磷灰石(8.16%)和牛骨羟基磷灰石(7.69%)较珊瑚羟基磷灰石(2.22%)植入物有更多的暴露并发症，而且这种并发症的自然痊愈率只有25%，作者认为并发症的产生与外科操作技术、植入物型号和尺寸的选择有关[43]。而另一组18例多孔聚乙烯眼眶植入物移植的临床和组织病理学回顾性研究中，显示了植入物的前方暴露和革兰氏细菌感染的并发症，很明显前方植入物的暴露可导致细菌的定居，发展成严重炎症浸润，而贫乏的组织长入可能限制了外用和全身抗菌治疗药物的渗透，因而最终导致了感染的发生[46]。"

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