自體骨移植、同種異體骨移植、異種骨移植等是臨床中骨缺損修復(fù)的常見(jiàn)方式，但供體數(shù)量不足、增加手術(shù)創(chuàng)傷及免疫排斥反應(yīng)等問(wèn)題使其應(yīng)用受限。而人工合成的磷酸鈣陶瓷修復(fù)材料的理化結(jié)構(gòu)與天然骨組織相似，其多孔微納米形貌和表面生物活性離子使之具有優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性及骨誘導(dǎo)性，在骨缺損修復(fù)治療中有著廣泛的應(yīng)用前景。

磷酸鈣陶瓷是一種具有良好生物活性、骨傳導(dǎo)性能的生物陶瓷，受到了廣泛的關(guān)注。根據(jù)鈣磷比例不同，磷酸鈣陶瓷分為羥基磷灰石、磷酸三鈣和雙相磷酸鈣。

羥基磷灰石

羥基磷灰石是鈣磷灰石的天然礦化物質(zhì)，鈣磷比為1.67，是人體骨骼中主要的無(wú)機(jī)成分，約占骨骼質(zhì)量的50%，具有良好的骨傳導(dǎo)性。羥基磷灰石在磷酸鈣陶瓷各種組成中的穩(wěn)定性最高，溶解度較小。羥基磷灰石和松質(zhì)骨相似，初期的機(jī)械強(qiáng)度較低，在拉伸和剪切的作用下更加脆弱，但抗壓強(qiáng)度可達(dá)到100MPa，且具有比骨更高的彈性系數(shù)。羥基磷灰石雖然具有較好的強(qiáng)度和細(xì)胞吸附能力，但其較差的降解能力不利于材料的吸收和自體骨的長(zhǎng)入。

羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)

磷酸三鈣

磷酸三鈣的鈣磷比為1.5，鈣磷比低于羥基磷灰石，水溶性高于羥基磷灰石。磷酸三鈣有兩種晶型結(jié)構(gòu)，低溫型(β-TCP)和高溫型(α-TCP)。磷酸三鈣具有良好的成骨和降解能力，但降解速度難以與新生骨相匹配，強(qiáng)度相對(duì)較差。磷酸三鈣與羥基磷灰石相似，雖然多孔的結(jié)構(gòu)有益于新生血管重建但缺少初期穩(wěn)定性，已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)磷酸三鈣植入后經(jīng)過(guò)多種因素作用部分會(huì)轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石，進(jìn)而影響磷酸三鈣的降解，大部分能在6-24個(gè)月后被吞噬吸收，小部分能留存數(shù)年。

雙相磷酸鈣

雙相磷酸鈣是由不同比例的高度穩(wěn)定性的羥基磷灰石和溶解度更高的β-磷酸三鈣組成。雙相磷酸鈣的鈣磷比為1.5-1.67，溶解度和降解能力介于羥基磷灰石和磷酸三鈣之間。通過(guò)調(diào)整羥基磷灰石/β-磷酸三鈣的比例，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)即高度穩(wěn)定性和易降解性，達(dá)到合適的吸收降解速度同時(shí)促進(jìn)骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)。此外雙相磷酸鈣還具有和骨骼相似的化學(xué)組成，常用于口腔科和整形外科的臨床應(yīng)用。

磷酸鈣陶瓷材料的骨誘導(dǎo)性能

早期研究認(rèn)為磷酸鈣材料僅具有骨傳導(dǎo)性，WELLS于1911年最早發(fā)現(xiàn)鈣鹽對(duì)成骨有促進(jìn)作用，URIST于1965年正式提出骨誘導(dǎo)現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白具有骨誘導(dǎo)能力，可誘導(dǎo)異位成骨，隨后，大量的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)未添加生長(zhǎng)因子的單純磷酸鈣材料也具有一定的骨誘導(dǎo)性。

1、骨修復(fù)材料特性與骨誘導(dǎo)性能

磷酸鈣陶瓷的固有骨誘導(dǎo)性與其多種材料特性緊密相關(guān)。為此，研究人員分別從化學(xué)組成、孔隙結(jié)構(gòu)、離子環(huán)境、表面粗造度、骨樣磷灰石形成、納米結(jié)構(gòu)等方面深入探究以期提高人工替代骨的骨誘導(dǎo)性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)骨誘導(dǎo)性影響最大的是材料結(jié)構(gòu)，其次為表面形貌、化學(xué)組成。

2、孔隙率與骨誘導(dǎo)性能 

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，致密的骨陶瓷不能誘導(dǎo)成骨，而多孔鈣陶瓷能顯著誘導(dǎo)體內(nèi)成骨。孔隙的基本功能是容納細(xì)胞生長(zhǎng)，提供通道有利于血管的生長(zhǎng)，同時(shí)充分交換氧氣和營(yíng)養(yǎng)。

3、溶解度與骨誘導(dǎo)性能 

磷酸鈣陶瓷的溶解度通過(guò)影響材料表面的離子濃度來(lái)影響蛋白質(zhì)的吸附。一般情況下，磷酸鈣陶瓷材料較高的溶解度意味著具有較高的骨誘導(dǎo)性，雙相磷酸鈣可以通過(guò)調(diào)節(jié)羥基磷灰石/β-磷酸三鈣的比例達(dá)到最適合的表面溶解度，從而使蛋白質(zhì)的吸附能力達(dá)到最優(yōu)，使骨誘導(dǎo)性能增強(qiáng)。基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，磷酸鈣陶瓷材料骨誘導(dǎo)性的排序如下：雙相磷酸鈣>β-磷酸三鈣>羥基磷灰石>α-磷酸三鈣。在雙相磷酸鈣不同的比例中發(fā)現(xiàn)30%的羥基磷灰石和70%的β-磷酸三鈣能夠促進(jìn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的高表達(dá)。

4、宏觀和微觀多孔結(jié)構(gòu)與骨誘導(dǎo)性能 

相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了多孔磷酸鈣陶瓷可以誘導(dǎo)骨形成，而致密磷酸鈣陶瓷則不能。多孔支架結(jié)構(gòu)的基本功能是使向內(nèi)生長(zhǎng)的細(xì)胞與其相適應(yīng)，而相互連通孔隙的通道是體液、血管和細(xì)胞培養(yǎng)支架的中心，為細(xì)胞提供充足的氧氣和營(yíng)養(yǎng)交換。在單純應(yīng)用骨誘導(dǎo)材料的情況下，可誘導(dǎo)其攜帶的細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞。

此外，微孔(孔徑<10μm) 在促進(jìn)成骨中起著至關(guān)重要的作用。大孔壁上的微孔不僅有利于滲透體液，而且孔壁的粗糙表面有利于細(xì)胞附著和成骨表型的表達(dá)。

5、磷酸鈣陶瓷的表面形貌與骨誘導(dǎo)性能 

材料表面形貌對(duì)其成骨誘導(dǎo)能力尤為重要，許多報(bào)道探索了材料表面形貌對(duì)細(xì)胞黏附和分化行為的影響。MCMURRAY等制作了不同表面納米形貌的材料，發(fā)現(xiàn)納米形貌顯著促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞特異性分化；進(jìn)一步的研究表明，對(duì)稱和隨機(jī)的納米陣列均不能誘導(dǎo)成骨分化，而無(wú)序的納米陣列可誘導(dǎo)成骨分化，即材料表面形貌調(diào)節(jié)骨的形成。

6、磷酸鈣陶瓷的納米結(jié)構(gòu)與骨誘導(dǎo)性能 

骨磷灰石由納米級(jí)碳酸鈣磷晶體組成，傳統(tǒng)的磷酸鈣陶瓷雖然在一定程度上模仿了骨性成分和多孔結(jié)構(gòu)，但在微觀尺度上存在較大的鈣磷顆粒，這可能會(huì)降低多孔磷酸鈣陶瓷的生物性能。從生物仿生的角度來(lái)看，納米級(jí)的晶體尺寸可以改善磷酸鈣陶瓷的生物性能，骨形成細(xì)胞傾向于與生物材料的納米級(jí)表面相互作用，促進(jìn)黏附、增殖和分化。

此外，由于鈣磷納米陶瓷具有高比表面積、納米級(jí)表面形貌以及微孔豐富的大孔相互連接等特點(diǎn)，可以有效地啟動(dòng)和調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)，從而獲得比傳統(tǒng)磷酸鈣陶瓷更高的體內(nèi)骨傳導(dǎo)率和骨誘導(dǎo)率。

與骨誘導(dǎo)性能相關(guān)的材料學(xué)因素示意圖

由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化材料的離子環(huán)境、宏微孔結(jié)構(gòu)、形貌特征和納米結(jié)構(gòu)等特性，可以使磷酸鈣陶瓷具有骨誘導(dǎo)性能。這些材料的特性可以直接或間接地影響成骨誘導(dǎo)過(guò)程。基于這些結(jié)果，通過(guò)優(yōu)化材料的物理化學(xué)性能，可以進(jìn)一步提高磷酸鈣陶瓷的成骨率，有助于更深入和更廣泛地了解材料的成骨機(jī)制。

參考文獻(xiàn):撤回蘆笛,張成,段榮泉等.磷酸鈣陶瓷骨修復(fù)材料的骨誘導(dǎo)性能[J].中國(guó)組織工程研究,2023,27(07):1103-1109.