本文關(guān)鍵詞：仿生骨修復(fù)支架材料的設(shè)計及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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仿生骨修復(fù)支架材料的設(shè)計及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究

發(fā)布日期： 2016-04-05 發(fā)布：  

  2016年3期目錄       本期共收錄文章20篇

　　【摘要】 社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動著人們生活水平的提高，人們對仿生骨修復(fù)支架材料的設(shè)計及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的了解度與安全性提出了一定要求，仿生骨修復(fù)支架材料應(yīng)用在西方國家骨損傷治療工作中已經(jīng)越來越普遍，由于各種客觀原因，我國目前的仿生材料修復(fù)工作存在諸多問題，不能有效的解決目前人體組織修復(fù)工作，融合部分也相繼出現(xiàn)不兼容性的狀況。本文通過對仿生人工骨修復(fù)材料進(jìn)行概述，分析探討了仿生多級孔生物活性玻璃支架材料、PLLA納米纖維支架材料及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究，希望對相關(guān)研究者有一定啟發(fā)。
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　　【關(guān)鍵詞】 仿生骨修復(fù)支架材料； 設(shè)計； 成骨誘導(dǎo)機(jī)制； 仿生材料
　　中圖分類號 R318.08 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6805（2016）3-0161-02
　　doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2016.3.089
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國對各種骨缺材料修復(fù)的利用率也開始飛速提升，目前采用的骨缺修復(fù)材料技術(shù)無法滿足現(xiàn)代人們的需要，不能良好解決目前復(fù)雜的骨損傷問題，大量實踐表明，自體骨與異體骨移植具有諸多局限性，工作人員通過模仿天然骨本身的成分、結(jié)構(gòu)特性及生物礦化過程進(jìn)行研究，并針對性的對其進(jìn)行調(diào)整，獲取了良好的新型仿生人工骨修復(fù)，目前市場上急需大量的骨缺損修復(fù)材料，為了獲取更多更優(yōu)質(zhì)的股組織再生修復(fù)材料，醫(yī)學(xué)人員需要對其積極探索[1]。
　　1 仿生骨修復(fù)支架材料的作用及其現(xiàn)狀
　　1.1 仿生骨修復(fù)支架材料的作用
　　人體在正常生活中會出現(xiàn)骨組織疾病和缺損的狀況，由于此種疾病會造成機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能障礙，對患者的正常生活造成影響。由于人體具有一定的自愈功能，患者出現(xiàn)小面積的骨缺損可以通過適當(dāng)?shù)闹委煻�，但�?yán)重性骨損傷便需要采用外來材料進(jìn)行輔助治療骨組織。仿生骨修復(fù)支架材料在損壞骨骼的修復(fù)工作中具有重要作用，目前優(yōu)異生物礦化材料需要采用有機(jī)分子調(diào)控?zé)o機(jī)分子，國內(nèi)外均出現(xiàn)了天然的生物體結(jié)構(gòu)及組合材料，傳統(tǒng)的仿生學(xué)設(shè)計可以適當(dāng)?shù)牟捎貌牧辖M合的方法去模擬生物體系，天然礦化組織均由生物大分子等物質(zhì)組成，其在生長過程中會出現(xiàn)一定的有序性[2]。
　　1.2 仿生骨修復(fù)支架材料的現(xiàn)狀
　　隨著我國醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采用各種方式進(jìn)行骨損傷治療，目前使用較為廣泛的方法為自體骨移植、異體骨移植、人工合成骨移植。根據(jù)大量的治療經(jīng)驗表明。目前臨床上最具有效果的治療方式屬于自體骨移植，其與人體的兼容性高，出現(xiàn)排斥概率較低，但自體骨移植技術(shù)進(jìn)行取材時就難以獲取豐富的材料，并會在一定的程度上影響人體治愈后的活動，后期的疼痛感也十分明顯，造成患者的痛苦，因此，隨著醫(yī)療改革的腳步，此種方式逐漸被淘汰。目前采用較為廣泛的骨質(zhì)材料一般為小牛骨、豬骨。其與人體的通行也十分的有利，且疼痛感較低，但購買的成本極高，且進(jìn)行加工處理的步驟也較為繁瑣，因此，此種方式也無法大范圍的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)技術(shù)人員針對市場的需求及各種原因考慮，正在積極的研究探討一種在結(jié)構(gòu)上高度模擬天然骨組織基質(zhì)，這種骨組織具有良好的生物兼容性與骨再生誘導(dǎo)能力，以為仿生骨修復(fù)支架材料提供良好的治療材料[3-4]。
　　2 仿生多級孔生物活性玻璃支架材料及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究
　　2.1 仿生多級孔生物活性玻璃支架材料的設(shè)計
　　由于毛海綿可以將物質(zhì)形成孔隙結(jié)構(gòu)，并在特殊的環(huán)境下可以有利于生成羥基磷灰石的作用。筆者所在醫(yī)院采用以聚丙三醇、聚乙二醇、聚丙三醇相互構(gòu)成的共聚物和毛海綿作為模板，制造出一種具有多級孔生物活性玻璃微管支架材料，用于骨損傷的修復(fù)治療工作。筆者所在醫(yī)院采用掃描電鏡對此材料進(jìn)行觀察，分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該支架材料呈現(xiàn)出多級孔。促使骨損傷修復(fù)需要考察材料的相容性、載藥性、細(xì)胞增殖性。由于生物相容性可以從細(xì)胞的增值能力中得以體現(xiàn)，筆者所在醫(yī)院截取仿生多級孔生物活性玻璃支架材料的部分，在其表層培養(yǎng)MC3T3-E1細(xì)胞，并對其增值能力進(jìn)行檢測，判斷其生物的相容性。筆者所在醫(yī)院采用地塞米松（DEX）進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)其具有良好的載藥性，通過仔細(xì)的分析與調(diào)查，發(fā)現(xiàn)此材料的多孔結(jié)構(gòu)是塑造給藥環(huán)境的重要支柱[5-6]。
　　2.2 仿生多級孔生物活性玻璃支架材料成骨誘導(dǎo)機(jī)制
　　以上的試驗證明了多級孔MBG微管支架材料具有良好的生物相容性、載藥性、促再生性。此種材料的構(gòu)成較為簡單，生產(chǎn)價格較為低廉，可以在骨損傷修復(fù)應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景，其仿生多孔的特性可以持續(xù)給藥，促進(jìn)骨組織的持續(xù)修復(fù)與治療，多孔支架材料與納米纖維支架材料結(jié)合可以在骨修復(fù)的應(yīng)用中提高治療有效率，促使成骨誘導(dǎo)機(jī)制的塑造。
　　在具體的實踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)選擇使用這種材料進(jìn)行治療的前提是先確定生物玻璃及其復(fù)合材料的生物相容性，大量實驗表明，HAP材料對溫度的要求并不嚴(yán)格，通常實驗過程中采用模擬體液的方式進(jìn)行測驗，目前的技術(shù)無法保證仿生材料在高溫的環(huán)境下不發(fā)生相變與脆裂[7]。因此，工作人員需要模擬出自然界磷灰石的礦化機(jī)制，在相對溫和的環(huán)境下進(jìn)行材料的培育，由溶膠制成的HAP晶體具有力學(xué)性能差、熱穩(wěn)定性差等特點，將具有其屬性的玻璃生物材料置入人體中時，材料表面會呈現(xiàn)出一層磷酸鈣的薄膜，具有這種薄膜的材料可以良好的與人體骨骼結(jié)合，并促進(jìn)骨骼的愈合與再生，復(fù)合材料可以在一定的程度上提高生物玻璃與高分子復(fù)合材料的活性與細(xì)胞親和性，目前采用玻璃活性生物材料在臨床醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用于人工骨與人工牙的治療中。大量的資料表明，采用此種材料的骨修復(fù)速度在一定的程度上高于自體骨，工作人員將藥物投入多孔生物玻璃結(jié)構(gòu)中，并置入生物體的關(guān)鍵部位，密切觀察藥物釋放的時間與作用時間，由于其用藥特點，此種材料還廣泛應(yīng)用于生物活性玻璃中的抗生素與抗骨腫瘤藥物中，生物活性材料不僅補(bǔ)填骨損傷的部位，還通過緩慢的釋放藥效來降低損傷部位發(fā)炎的概率[8-9]。
　　3 PLLA納米纖維支架材料及其成骨誘導(dǎo)機(jī)制的研究 　　隨著我國分子化學(xué)與物理的進(jìn)步，人們開始重視對納米纖維支架材料的研究，根據(jù)材料結(jié)構(gòu)決定其作用，從化學(xué)的角度來講，可以通過改變其排列方式、纖維取向來調(diào)整干細(xì)胞的分化方向。筆者所在醫(yī)院在此基礎(chǔ)上采用靜電紡絲技術(shù)對左旋聚乳酸（PLLA）進(jìn)行處理，將金屬平板、滾筒作為接收裝置，以制造出無紡和平行排列的納米纖維支架材料。調(diào)查研究表明，纖維取向可以影響人體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的形貌，具體為：（1）于無紡材料上培養(yǎng)的細(xì)胞呈現(xiàn)出無規(guī)則、多分枝的形貌；（2）于平行材料上培養(yǎng)的細(xì)胞與纖維排列平行[10]。筆者所在醫(yī)院根據(jù)以上資料開始培養(yǎng)細(xì)胞，定時提取細(xì)胞RNA，采取qRT-PCR進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，無紡納米纖維材RUNX2、BMP2、OPN、COL1A1、SPARC和BSP等成骨基因明顯高于平行材料。
　　PLLA納米材料具有模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，工作人員采用多種方式對此種材料的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PLLA納米材料會根據(jù)不同溫度的變化而改變自身形態(tài)，其內(nèi)部的高分子鏈發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)變化，因此，在具體應(yīng)用此種材料的過程中，工作人員需要先將此種材料進(jìn)行處理，改善其親疏水性與細(xì)胞親和性，細(xì)胞的培育對溫度及親水性的要求較高，因此，工作人員采用此種材料進(jìn)行臨床治療時需要對其細(xì)胞的相容性與親水性進(jìn)行檢測與評估，具體內(nèi)容為采用三維PLLA納米纖維支架進(jìn)行性能改變，將具有槍機(jī)型的-COOH基團(tuán)與此種材料緊密結(jié)合，增加細(xì)胞的增值速率及活性[10-11]。
　　醫(yī)用材料對材料的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)具有一定的要求，由于PLLA材料本身具有的表面惰性、疏水性。造成其應(yīng)用具有一定的局限性，不利于廣泛的推廣，醫(yī)學(xué)專家通過不懈的研究，發(fā)現(xiàn)采用低溫大氣等離子體技術(shù)可以調(diào)節(jié)無紡PLLA納米纖維材料的化學(xué)性質(zhì)，提高成骨分化，保持骨骼活性。筆者所在醫(yī)院采用離子體對納米纖維材料進(jìn)行處理，持續(xù)10～15 min，檢測其表面化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)可以通過控制處理時間來提高納米纖維材料表面的氨基基團(tuán)、親水性。qRT-PCR分析顯示儀是一種專用的分析檢測機(jī)器，工作人員采用此種機(jī)器觀測到5 min是材料各狀態(tài)改良最為明顯的時間節(jié)點。納米纖維材料的BMP2、RUNX2、ALP、COL1A1、OPN、OCN的表明均有效提高。其中ALP活性檢測達(dá)到最高值[12-13]。
　　因此，筆者所在醫(yī)院發(fā)現(xiàn)無紡納米纖維調(diào)控的成骨分化與化學(xué)誘導(dǎo)成分誘導(dǎo)的成骨分化具有一定相似性。調(diào)查研究表明，納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，促使細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生力學(xué)傳導(dǎo)效應(yīng)，從而激發(fā)成骨分化。通過一段處理技術(shù)可以有效的改良PLLA納米纖維表面特性、生物相容性、成骨活性，加強(qiáng)新型骨修復(fù)材料的研發(fā)與設(shè)計[14-15]。因此，工作人員可以通過調(diào)控支架材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制細(xì)胞的修復(fù)程度。采用無紡排列的納米纖維在修復(fù)骨損傷的臨床治療上具有明顯優(yōu)勢。
　　基于兩種材料的特點與優(yōu)勢，筆者所在醫(yī)院將負(fù)載DEX的MBG材料和經(jīng)等離子體處理5 min的PLLA納米纖維材料復(fù)合處理，將其應(yīng)用于狗大腿骨損傷的缺損部位。檢驗其治療骨損傷恢復(fù)的效果，根據(jù)狗正�；謴�(fù)的時間規(guī)律，分別于4、12周對狗治療位置的骨組織進(jìn)行取樣檢測，結(jié)果表明，狗骨組織恢復(fù)良好，新生骨組織與周圍正常骨組織良好的接合，無不良反應(yīng)。因此，可以證明MBG微管材料和經(jīng)等離子體處理后的PLLA納米纖維材料的復(fù)合治療可有效提高治療有效率，降低不良反應(yīng)發(fā)生率。極具推廣價值。
　　綜上所述，筆者所在醫(yī)院根據(jù)獲取的資料及自身多年的研究經(jīng)驗分別設(shè)計了仿生多級孔生物活性玻璃支架材料、PLLA納米纖維支架材料為主的仿生骨修復(fù)支架材料，采用等離子技術(shù)改良材料的活性，采用檢測機(jī)制評估其生物相容性和成骨誘導(dǎo)能力，并根據(jù)其成骨誘導(dǎo)機(jī)制原理與優(yōu)點將其投用于動物的體內(nèi)進(jìn)行骨缺損修復(fù)實驗，手術(shù)完成后，評估修復(fù)效果。結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)MBG材料和納米纖維材料均可以通過各種技術(shù)處理，提高其相容性、生物活性、成骨活性。從而有效地提高材料應(yīng)用于人體治療的骨損傷修復(fù)效果。
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