Research and application of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 biocomposites

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.03.022

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: The nano-hydroxyapatite has obvious advantages in bone repairing and reconstruction, but its clinical application is limited for its low osteoinductive activity and poor mechanical properties. To overcome these defects, researchers, based on the bionics principles, composite nano-hydroxyapatite with inorganic or/and organic materials to get various biomimetic composite materials.
OBJECTIVE: To review the research and application of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 biocomposites.
METHODS: A computer-based search of PubMed database was undertaken with the keywords of “nano, hydroxyapatite, polyamide 66” in English to retrieve the relevant articles published from January 1987 to December 2012. Simultaneously, the relevant articles between January 1987 to December 2012 were searched in CNKI database with the key words of “nano, hydroxyapatite, polyamide 66” in Chinese. A total of 93 literatures were retrieved, and finally 56 standard literatures were included.
RESULTS AND CONCLUSION: The nano-hydroxyapatite/polyamide 66 biocomposites have appropriate thermostability and mechanical properties as well as good biocompatibility. So far, the research and application of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 biocomposites mainly focus on artificial vertebral body, lamina, and cage. The satisfactory clinical effects of the biocomposites show their broad clinical application prospects. However, there are still many problems to be solved. For example, there are no detailed long-term follow-up data concerning osteogenic induction and degradation. Additionally, current studies focus on the bio-safety of materials in the aspects of cytology and histology rather than at the molecular level.

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: biocompatible materials, nanoparticles, nanocomposites, hydroxyapatites, review

CLC Number:

R318

Wen Cong-you, Meng Chun-yang, Jiang Dian-ming. Research and application of nano-hydroxyapatite/polyamide 66 biocomposites[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(3): 464-469.

Figures/Tables 1

2.1 纳米羟基磷灰石及复合材料纳米技术是利用单一原子、分子构成直径为1-100 nm物质的新科学技术，其灵感来源于已故美国物理学家Richard Feynman于1959年在一次《在底部还有很大空间》的演讲中讲到：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子的制造物质的可能性”。1990年，IBM公司的科学家成功的对35个单一原子进行重新排列，组成IBM三个字母，标志着纳米技术的突破性发展。目前，纳米技术已广泛运用于医疗、化工、日常生活等各个领域。羟基磷灰石广泛存在于人体和动物正常硬组织中，如骨骼、牙齿等，同时也存在于人体的一些病态组织(如脑结石、尿路结石、扁桃体结石等)中。存在于自然骨中的磷灰石称为骨磷灰石。骨磷灰石是骨基质主要的无机成分，主要以晶体结构不完善的羟基磷灰石形式存在，其晶体为纳米级[7]；而骨基质的主要有机成分为胶原。自然骨通过非常复杂的方式巧妙地将有机骨基质结构和无机骨盐框架结构互相紧密地结合起来，在人体中实现生物力学上的要求[8]。 1972年，日本学者HidekiAoki成功合成羟基磷灰石，研究表明，羟基磷灰石拥有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性[9-10]，被视为是最有潜力的一种人体骨组织修复替代材料。人体内天然骨磷灰石为65-80 nm的针状结晶体，学者们采用高温干法合成、高压水热合成法、化学沉淀法和溶胶-凝胶法等方法合成纳米羟基磷灰石，其与人体骨骼组织更加接近，具有更佳的生物学性能[11-14]。通过体外研究发现，纳米羟基磷灰石作为多孔框架有促进成骨细胞黏附、聚集，由于在材料表面转化因子浓度的提高，加快了成骨细胞的增殖、矿化，使材料和周围骨组织进行有效的骨融合[15-16]。Abd El-Fattah等[17]通过在大鼠建立骨缺损模型，分别用纳米羟基磷灰石、羟基磷灰石填充和空白对照组进行，得出纳米羟基磷灰石具有更好的成骨能力。尽管纳米羟基磷灰石在骨修复替代材料中有明显优势，但其仍有抗弯强度低、脆性大、骨诱导活性低、力学性能差等缺陷使其临床应用受到限制。为克服弊端，国内外学者从材料结构和仿生学等角度出发，以纳米羟基磷灰石为基础，掺杂、复合有机或无机材料，得到力学性能、弹性模量与正常骨组织更加匹配的复合材料。严勇其等[18]从宏观和微观角度分析自然骨的结构组成，通过仿生设计，以纳米羟基磷灰石作为无机成分，而采用具有优良韧性的聚酰胺66作为有机相，采用共沉淀法制备了纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物材料，通过透射电镜、扫描电镜、拉曼光谱仪等检测发现该材料具有良好的均一性、热稳定性和良好的生物力学性能[19-20]。李鸿等[21]采用注塑发泡法制备出孔径和孔隙率可控的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66，并进行细胞毒性试验、致敏试验、热源试验和溶血试验，实验表明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料无细胞毒性性，致敏反应为阴性，无热源反应，不溶血，具有良好的生物安全性。孟纯阳等[22-23]进行大白兔和小鼠体内纳米羟基磷灰石/聚酰胺66植入实验。结果表明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66具有良好的生物相容性及生物安全性，且短期内不会对兔血清钙磷代谢产生影响。目前，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料已被广泛用于充当作骨缺损的填充、修复材料。 2.2 纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料在骨科领域的应用人工椎体：1969年，Hamdi首次报道了L2浆细胞瘤和转移性腺癌采取病变椎体切除、人工假体替代植入后，人工椎体成为有效的椎体替代物在临床上得到广泛运用。目前临床应用的人工椎体主要材料有钛合金材料、陶瓷复合生物材料。钛网植骨是钛合金材料的主要运用，通过临床运用和长期随访发现钛网植骨存在术后出现钛网下沉、塌陷等并发症。术后钛网下沉、塌陷可能导致椎体之间高度丢失、椎间孔变小，脊柱的整体力线失稳、神经根卡压，再次出现神经根刺激症状。有文献报道术后出现钛网下沉、塌陷的发生率为5%-50%[24-25]。而Das等[25-27]发现钛网下沉存在于所有病例，只不过下沉的程度不同而已。运用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66良好的可塑特性制备成新型复合材料人工椎体，其形态为中空、两端呈锯齿状的圆柱形结构，四周刻成沟槽样伴多孔分布。中空圆柱形结构具有最大的截面惯性矩，有良好的抵抗弯曲变形能力；四周刻成沟槽多孔结构，有利于自体骨长入；两端呈锯齿状可增加人工椎体与上下椎体终板的接触面积，从而能较好维持脊柱术后早期的稳定。随着人工椎体与上下椎体之间的融合，能更好的预防术后人工椎体下沉、塌陷等并发症。胡炜等[28]通过纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体和自体髂骨重建椎体比较分析，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体在脊柱椎体重建方面运用安全有效，且短期疗效与取自体髂骨重建椎体相仿。蒋电明等[29]通过6-21个月随访38例胸腰椎爆裂性骨折行前路减压、纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体植入内固定患者，术后三四个月X射线检查显示，材料与相邻椎体界面愈合，伤椎高度恢复；随访期间，重建椎体高度无丢失，脊柱生理曲度正常，人工椎体无明显下沉、塌陷，内固定位置良好，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体能有效重建伤椎的椎体结构，维持脊柱稳定。王群波[30]在正规抗结核药物治疗的基础上对19例脊柱结核患者使用前路病灶清除、椎管减压复合纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体植入、钉板内固定治疗，治疗后6-12个月的随访发现，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体具有良好的生物相容性和安全性，植入融合率高，避免了传统脊柱结核手术行病椎切除后需取自体髂骨块植骨的问题，是一种比较理想的椎体替代材料。而纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎体在脊柱骨肿瘤病灶切除引起的骨缺损治疗中也有很好的运用[31-32]。人工椎板：腰椎管狭窄症患者行全椎板切除后易导致术后腰椎失稳，而且椎板减压区域形成大量瘢痕组织，其粘连、牵拉、压迫硬膜囊和神经根而引起严重的腰腿疼痛，发生术后失败综合征。根据相关文献报道美国每年大约有18万人需行腰椎手术[33]，其中13%-61%的患者因手术失败需再次行手术治疗[34]，这给患者造成了很大的痛苦和风险。因此，预防全椎板切除减压术后硬膜周围形成瘢痕组织是脊柱外科医生面临的亟待解决的问题。近年来国内外学者进行了各种动物实验和临床研究，但结果仍不太理想。刘俊海等[35]利用X射线、CT、尸体和脊柱手术中测量100例成人胸腰椎椎管矢状径、冠状径、椎弓根中心距离、棘突倾斜角等平均值，以所得数据为依据，采用金属材料或高分子聚氯乙烯材料仿造人体椎板和棘突的形态结构制作出仿生型人工椎板，同时建立标本模型进行生物力学实验，观察其稳固性，结果得出仿生型人工椎板符合生理形态结构及功能解剖特点，能较好修复脊柱手术后椎板的缺损区域，保护脊髓，预防硬膜外瘢痕形成，重建脊柱后柱结构，具有广泛的实用性和科学性。唐文胜等[36]通过对22只家犬行L5椎板切除手术，13只家犬作为实验组植入纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎板，9只家犬作为空白对照组，术后行X射线片检查，并取标本行大体、组织学、扫描电镜检查，发现16周时，人工椎板与骨界面连接牢固，出现骨小梁，而在24周的标本观察中发现人工椎板内层表面已形成完整的椎板样质硬骨组织，MRI检查显示椎管形态保持完整，硬膜囊膨胀良好，粘连成度级别和对照组比较有明显减低。在临床上，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性人工椎板也被广泛运用于重建肿瘤、椎管狭窄、脊柱骨折等椎板切除减压所致的椎板缺损。蒋电明等[37]运用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎板重建椎板缺损23例，早期随访发现，患者恢复好，3-6个月行CT检查示人工椎板与受体骨接触界面模糊，间隙消失，MRI检查发现硬膜外瘢痕形成较少，粘连不明显。其中12例获得7-9年中长期随访，患者能正常参加日常生活和工作，行X射线及CT检查示人工椎板位置稳定，未见形态改变，人工椎板与受体骨接触界面融合好，椎体后部结构完整；MRI检查显示椎管无狭窄，神经根、硬膜囊无受压，椎板下瘢痕形成较少，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎板可有效减少硬膜外瘢痕形成，有效恢复椎管结构。总之，人工椎板在全椎板切除术后预防硬膜周围瘢痕形成和重建脊柱后部结构稳定方面取得了满意的临床疗效，具有良好的应用前景。骨填充材料：创伤、肿瘤和先天畸形等疾病行手术治疗容易导致骨缺损，如何修复骨缺损是每一位骨科医师必须面对的问题。理想的骨修复材料应具备以下特点：来源广泛，安全可靠，良好的组织相容性，具有骨传导和骨诱导能力，并具有生物可降解性，在组织形成过程中能逐渐分解，不影响新生组织的结构和功能[38]。临床上常用骨移植材料有自体骨、同种异体骨和异种骨，而自体骨(髂骨、腓骨等)移植成骨效果好，被广泛认为是植骨融合的“金标准”[39]。但取自体骨移植存在供体有限、增加手术痛苦、神经损伤、供区感染等缺点，临床应用受到限制。异体骨来源广泛，具有良好的骨诱导活性，但存在免疫排斥、感染传染病(如HIV、乙肝等)等风险。异种骨有切口渗液、发热等不良反应[57]。纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性材料具有良好的生物相容性、生物活性和诱导成骨性，作为新型骨填充材料，已被广泛运用于实验和临床，通过长期观察尚未发现该材料明显的不良反应。周立伟等[40]采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性材料修复兔颅顶部临界骨缺损，12周时大体观察发现复合材料和周围骨组织紧密结合，颅骨缺损区已恢复正常组织形态；X射线检查示复合材料-骨界面分界线消失；核素显像检查提示植骨区组织代谢与正常相近。认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66能有效诱导新骨形成，并对周围组织代谢无明显影响，是一种比较良好的骨填充材料。王岩松等[41]通过对52例良性骨肿瘤患者行肿瘤刮除术，分别采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性材料骨填充材料和自体骨填充缺损，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66组手术时间、出血量明显减少，两组平均随访18个月，骨缺损修复效果无明显差异。段宏等[42]采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66骨填充材料修复45例良性骨肿瘤术后骨缺损，进行3-17个月随访，术前、术后血常规、炎性指标无异常，肝肾功能无损害，术后切口均一期愈合，未出现明显排斥反应，临床骨愈合时间为术后2-6个月，愈合率为94.5%，因此，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性材料生物相容性良好，是一种修复良性骨肿瘤切除术后骨缺损比较理想的材料。椎间融合器：脊柱融合技术已被广泛运用于脊柱退行性疾病的治疗，椎间支撑融合材料的选择是此类手术疗效保证的关键。目前临床上使用的椎间融合材料有自体髂骨、钛网以及聚醚醚酮等，但金属椎间融合器有电解、应力遮挡和过敏等缺陷，而聚醚醚酮价格较高[43-46]。纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性材料制备简单、价格相对较低[47]，其制成的椎间融合器作为新型材料已被广泛在实验和临床上使用。梁勇等[48]通过对30只山羊行C3、4椎间盘及部分椎体切除，分别植入纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性椎间融合器和自体髂骨块进行对比研究，术后采取CT扫描、取标本观察和做生物力学测定。24周时观察，自体髂骨和椎间融合器与椎体骨之间融合良好，材料未见明显降解吸收，得出两组山羊颈椎均融合较好，两组颈椎融合度评分差异无统计学意义。陈日高等[49]同样通过对山羊行C3、4椎间盘切除手术，分别进行纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器植骨、钛网植骨和自体三面皮质髂骨块植骨，术后12周在不同负荷下测量颈椎活动度，除后伸外，纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器植骨组的颈椎前屈、侧屈及扭转角位移均优于钛网植骨组和自体三面皮质髂骨块植骨组，各组椎间骨融合、椎间隙高度维持满意，因此，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66生物活性椎间融合器具有良好的骨传导性和生物力学特性，达到了良好的融合效果，是一种理想的椎间融合材料。曾凡伟等[50]通过对14例颈椎病行前路椎间盘切除、椎管减压、纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器支撑植骨、钢板螺钉内固定治疗的患者进行3-12个月的随访，结果显示14例患者术前症状均得到不同程度的改善，术后12个月日本矫形外科学会评分改善率为97.0%，复查X射线示椎间融合器与骨界面达到骨性融合，颈椎椎间高度维持良好，椎间融合器位置良好，无下沉、塌陷。杨曦等[51]对20例下腰椎退变性疾病行经椎间孔入路纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器支撑植骨融合内固定治疗的患者进行6-9个月的随访，分别测量手术前后患者融合节段椎间隙高度和前凸曲度以平价手术效果，并行Oswestry功能障碍指数下腰痛评分及简明健康调查量表评分评价术后症状改善情况。随访结果显示，患者术后所有融合节段的椎间隙高度及前凸曲度均较术前明显改善，Oswestry功能障碍指数评分和简明健康调查量表评分均较术前显著提高，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器支撑植骨融合治疗下腰椎退变性疾病安全有效，具有融合率高、下沉率低等优点，是一种比较理想的椎间支撑植骨材料。其他：目前在研究聚酰胺66复合纳米羟基磷灰石支架材料二相复合材料的基础上，三相和多相多孔复合支架材料研究已引起人们的普遍重视，并逐渐成为研究的热点[52-55]。陈诚等[55]研究表明血管内皮细胞生长因子配合纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支撑棒具有良好的骨传导及力学支撑作用，可更好地发挥对血管和骨组织的诱导作用。因此，认为血管内皮细胞生长因子缓释微球能增强纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支撑材料治疗早期股骨头缺血坏死的骨修复过程。戚孟春等[56]在体外培养骨髓间充质干细胞并分组进行骨向诱导与纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合培养，应用MTT试验、碱性磷酸酶染色和生物化学分析、扫描电镜，对各组细胞的增殖速度、碱性磷酸酶活性及细胞在支架上的黏附情况进行检测，结果显示骨髓间充质干细胞与支架材料复合培养对骨髓间充质干细胞的增殖和骨向分化能力无影响，且骨髓间充质干细胞与支架黏附良好，因此，认为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支架材料适于骨髓间充质干细胞的黏附、增殖及骨向分化，是一种极具价值的骨组织工程支架材料。"

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