仿生骨基质材料的研究进展

骨缺损修复是临床中所面临的难题之一，为了解决这个难题，人们研制了不同的仿生骨基质材料。本对仿生骨基质材料的研究进展进行综述。     

力学环境调控骨基质仿生矿化

骨缺损一直以来都是威胁人类生命健康的重要原因,人工仿生骨修复替代材料是目前治疗骨损伤最为有效、 可行的解决途径之一。 要研发人工骨仿生材料,必先构建体外仿生矿化体系,以研究天然骨基质的矿化机制。 胶 原是矿化发生的模板,其交联度、直径、渗透压和表面电荷等性质会直接影响矿化的进行。 矿化发生的生化和力学 环境对矿化过程的影响也十分明显,特别是非胶原蛋白和流体切应力。 流体切应力是骨组织在微观环境下受到的 最主要力学刺激方式,对骨骼生长、修复以及健康维护都具有重要意义。 不同水平和加载方式的切应力对无定形 磷酸钙向骨磷灰石的转化、胶原纤维的自组装和定向排列以及分层纤维内矿化的形成具有显著作用。 本文总结影 响骨基质矿化的因素及其作用机制,重点介绍流体切应力对胶原矿化的调控作用,并展望未来的发展方向。     

骨基质载体材料的生物学特点及其临床应用

背景：骨组织工程支架材料中的骨基质载体材料为骨缺损修复治疗提供了更为有效的方法。 目的：重点介绍天然衍生骨载体材料-冻干脱钙骨基质、脱蛋白骨基质、脱细胞骨基质在骨组织工程中的应用。 方法：以“骨组织工程、冻干脱钙骨基质、脱蛋白骨基质、脱细胞骨基质、骨缺损;bone tissue engineering,scaffold materials,demineralized bone matrix, deprotein bone matrix,acellular bone matrix,bone defect”为检索词,由第一作者检索1994/2010 PubMed、CNKI及万方数据库等与骨组织工程领域有关的权威性文献。 结果与结论：冻干脱钙骨基质、脱蛋白骨基质及脱细胞骨基质均具有良好的生物相容性、极低的抗原性、无细胞毒性,作为骨组织工程载体材料,保留了骨的天然属性,具有多孔隙结构,可降解性及良好骨传导作用,为骨缺损的治疗开辟了一条新途径。     

犬同种异体脱钙骨基质复合细胞片层的体外培养与观察(英文)

背景:如何构建具有类似天然骨结构组织工程骨的问题是组织工程学发展的一个难题。细胞片层技术的出现,为其提供了新的途径。目的:观察细胞片层与脱钙骨基质的生物相容性及其在脱钙骨基质上的生长情况。设计、时间及地点:体外观察性实验,于2009-06/2009-09在青岛大学医学院附属医院中心实验室完成。材料:利用温度感应培养基制备犬骨髓基质细胞片层;脱脂、脱钙、脱非胶原蛋白方法制备犬脱钙骨基质。方法:将温度感应技术制备刮取的细胞片层铺盖于脱钙骨基质表面,用含体积分数为10%胎牛血清及成骨诱导剂的DMEM培养液浸没培养。主要观察指标:扫描电镜下观察脱钙骨基质的结构及细胞片层在脱钙骨基质上的附着、生长情况。计算脱钙骨基质孔隙率和孔径大小。结果:扫描电镜下观察可见脱钙骨基质呈三维立体网孔结构。材料孔隙率约为75%。平均孔隙直径为(250.11±98.89)μm,成正态性分布。扫描电镜下观察细胞片层在脱钙骨基质上的附着、生长状况良好,增殖迅速。结论:细胞片层与脱钙骨基质有较好的生物相容性,脱钙骨基质/细胞片层复合体能够应用于组织工程骨,为构建类似骨结构组织工程骨起到促进作用。     

以Ⅰ型胶原制备的胶原基人工骨基质理化性能研究

目的研究采用仿生原理制备的胶原基人工骨基质的理化性能。方法用Ⅰ型胶原、饱和二水氯化钙制备胶原基人工骨基质。采用扫描电子显微镜、金相显微镜、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析、差热-热重(TG-DTG)分析、X射线衍射(XRD)分析、X射线能谱仪(EDS)等分析测试手段对其形貌、组成、结晶度和Ca/P等进行详细的研究。结果采用扫描电子显微镜和金相显微镜观察,胶原基人工骨基质无机钙盐均匀沉积在自组装的胶原模板上,有清晰的孔隙,呈梯度分布,并且具有类似天然骨的内连孔结构;孔隙直径为50~500μm;孔隙率为(68±5)%。FT-IR分析,胶原基人工骨基质与天然骨的红外图谱基本吻合,胶原基人工骨基质的872 cm~(-1)为HPO_4~(2-)的吸收峰。TG-DTG分析证明有羟基磷灰石。XRD、EDS分析,无机相主要为羟基磷灰石,与天然骨的衍射峰位置、数量相似。结晶度和Ca/P分别为49.3%、1.64。结论仿生原理制备的胶原基人工骨基质与人骨基质相似。     

松质骨基质材料应用于牙周组织工程的可行性*☆

背景：松质骨基质材料具有骨诱导性和骨传导性双重特性,已被成功应用于骨再生及骨组织工程研究。 目的：分析松质骨基质材料的细胞相容性与毒性,探讨其应用于牙周组织工程的可行性。 方法：采用改良组织块法体外培养人牙周膜细胞,将其接种于松质骨基质三维支架上复合培养,采用细胞计数方法和扫描电镜观察人牙周膜细胞在松质骨基质支架上的附着、生长情况,并通过MTT测试法和碱性磷酸酶活性检测法观察松质骨基质浸提液对人牙周膜细胞增殖及功能表达的影响。 结果与结论：扫描电镜可见松质骨基质具有良好的多孔网状结构,人牙周膜细胞在松质骨基质上贴附紧密,生长旺盛,伸展充分,而人牙周膜细胞在不同浓度材料浸提液中的生长、增殖及碱性磷酸酶活性与阴性对照组相比差异无显著性意义。表明松质骨基质具有良好的三维空间结构和细胞相容性,且无细胞毒性,有望应用于牙周组织再生及牙周组织工程研究。     

新型纳米化仿生骨基质与羊脂肪基质细胞复合培养的生物相容性**☆

背景：仿生策略研制骨组织生物支架已成为当今研发生物替代品的关键环节,如何模仿天然骨的成分和结构特征以适应细胞生长是仿生研制骨基质的重要内容。 目的：观察纳米级β-磷酸三钙/壳聚糖/聚己内酯(nβ-TCP-CS-PCL)的细胞及组织相容性,评估其生物安全性。 方法：基于三维图像重建辅助研制纳米化仿生骨基质,羊自体脂肪基质细胞分离和成骨诱导培养,进行复合培养：实验组：nβ-TCP-CS-PCL+凝胶+重组人骨形态发生蛋白2+脂肪基质细胞;对照组：凝胶+重组人骨形态发生蛋白2+脂肪基质细胞。 结果与结论：实验组细胞生长旺盛、细胞外基质丰富,细胞增殖活力、碱性磷酸酶及骨钙素水平均高于对照组(P < 0.05),新骨发育趋于成熟,未见炎性反应。提示纳米级nβ-TCP-CS-PCL具备良好的生物相容性,是一种理想的骨组织工程支架。     

同种异体脱钙骨基质的组织工程学特性

背景:由骨衍生的支架材料无论形态学和力学特征,具有合成材料无可比拟的优势,脱钙骨基质具有和自体骨最接近的三维结构,同时以Ⅰ型胶原为主,胶原是细胞黏附和生长的良好支架。目的:从组织工程学角度研究同种异体脱钙骨基质的生物学特性,探讨其作为软骨组织工程支架材料的可行性。方法:据Urist描述的方法制备青紫蓝兔同种异体脱钙骨基质,扫描电镜观察脱钙骨基质的超微结构,测定其孔径、孔隙率和降解率,测定同种异体脱钙骨基质与骨髓间充质干细胞的黏附率,兔体内植入法评价同种异体脱钙骨基质的组织相容性。结果与结论:脱钙骨基质呈多孔海绵状三维结构,孔径在210～320μm之间,孔隙率为92%,体外降解12周降解率达90%以上,脱钙骨基质与骨髓间充质干细胞共培养第2,4,6天的黏附率分别为(51.50±2.30)%,(94.13±2.14)%和(87.24±1.75)%。兔体内植入6周后脱钙骨基质周围界面未引起明显的炎症和排斥反应,并形成软骨样结构和少量骨组织。说明脱钙骨基质具有适宜的三维多孔结构,降解时间和软骨形成时间同步,同种异体脱钙骨基质与种子细胞黏附率高,与细胞组织相容性好,能满足软骨组织工程对支架材料的要求,是理想的软骨组织工程的支架材料。     

人纳米脱钙骨基质复合物的理化性质和安全性

背景：脱钙骨基质和骨形态发生蛋白已被证实具有良好的骨诱导性,但有关纳米脱钙骨基质的研究较少,其理化性质和生物安全性尚不明确。 目的：在前期实验制备人纳米脱钙骨基质的基础上加载重组人骨形态发生蛋白2,分析人纳米脱钙骨基质复合重组人骨形态发生蛋白2的理化性质及生物安全性。 方法：采用改良Urist法制备人脱钙骨基质,并进行纳米化处理,再将骨形态发生蛋白2与其按特定比例混合,冻干塑型行以下实验：①热源实验：将材料浸提液经耳静脉注入兔体内。②毒性实验：将材料浸提液与生理盐水分别经尾静脉注入小白鼠体内。③植入实验：在兔两侧后肢肌肉内分别植入实验材料和β-磷酸三钙。 结果与结论：冻干塑型后,纳米人脱钙骨基质材料表面致密,孔隙直径100-400 μm,孔隙分布欠均匀,孔隙率小于30%,以碳、氧和氮为主要元素组成。人纳米脱钙骨基质复合重组人骨形态发生蛋白2材料无热源效应,注射后未见兔体温有明显波动。急性全身毒性实验结果表明人纳米脱钙骨基质复合重组人骨形态发生蛋白2材料符合国家相关规定,注射后未见小鼠出现明显毒性反应。人纳米脱钙骨基质复合重组人骨形态发生蛋白2材料植入兔体内的炎症反应明显轻于β-磷酸三钙植入后的反应。结果表明人纳米脱钙骨基质复合重组人骨形态发生蛋白2是一种无毒、组织相容性好、生物利用度高、炎症反应轻的纳米同种异体骨移植替代物。     

骨组织工程支架材料:脱矿骨基质

背景:脱矿骨基质是目前研究较多的具备骨诱导及骨引导的生物支架材料之一。目的:总结脱矿骨基质作为骨组织工程支架材料的研究进展,并展望其发展趋势。方法:由第一作者检索1965年1月至2013年5月PubMed数据库、中国生物医学数据库、万方数据库及FMJS数据库有关脱矿骨基质及其作为骨组织工程支架材料的相关文献。英文检索词为"Demineralized Bone Matrix,Scaffold material,Groowth factor,Cells,drugs",中文检索词为"脱矿骨基质,支架材料,生长因子,细胞,药物",根据纳入标准排除重复性研究,保留34篇密切相关文献进行归纳总结。结果与结论:骨组织工程支架材料是组成组织工程骨的主体,而脱矿骨基质既具备骨诱导性又具备骨引导性,可为骨组织细胞的修复提供空间,又可与生物活性因子、活细胞、抗生素等在体外构建成复合体,植入骨内促进骨缺损的愈合。但这一技术也面临着脱矿骨基质与各种物质的配比、消毒、保存成骨活性及抗原性的消除等问题,充分了解脱矿骨基质作为骨组织工程支架的研究,可为其服务于临床提供理论依据。     

新型仿生骨材料修复山羊颅骨缺损的实验研究

目的设计山羊颅骨缺损模型以验证自主研发的两种不同配比胶原基仿生骨材料的生物安全性和诱导成骨效果。方法首先使用环钻在山羊颅骨上制作圆形缺损区,再将胶原配比不同的仿生骨材料植入缺损区,观察材料植入后的炎症反应及缺损区域成骨情况等。结果胶原蛋白含量高的A组材料大部分降解且部分诱导成骨,胶原蛋白含量低的B组材料基本不降解且无诱导成骨效果。两组材料植入山羊体内后,均未出现炎症反应,说明自主研发的胶原基仿生骨材料的生物相容性良好。结论自主研发的胶原基仿生骨材料生物相容性和降解性良好,有一定的诱导成骨效果。     

人骨形成蛋白7修饰骨髓间充质干细胞复合仿生型支架材料的体内成骨研究

目的 应用携带人骨形成蛋白7(hBMP7)基因的兔骨髓间充质干细胞(BMSC)与仿生型生物玻璃-胶原-透明质酸-磷脂酰丝氨酸(BG-COL-HYA-PS)支架材料复合培养,植入兔桡骨缺损模型中观察其在体内成骨的能力.方法 携带hBMP7基因或增强型绿色荧光蛋白(EGFP)基因的2型重组腺相关病毒(rAAV2)载体在体外分别转染兔BMSC,再将转染后和未转染的兔BMSC分别与BG-COL-HYA-PS支架材料复合培养7 d后植入3组兔桡骨缺损模型,每组6只兔.各组在分别术后8周、12周通过大体标本观察、影像学、组织学等方法观察骨缺损的修复情况.以正常兔桡骨为对照组(n=3),术后12周比较各组骨缺损修复组织生物力学差异.结果 rAAV2-hBMP7转染的兔BMSC与BG-COL-HYA-PS复合支架材料有良好的生物相容性,植入兔桡骨缺损模型内表现出明确的成骨能力和骨修复能力,而形成的新骨最大压力载荷值低于正常桡骨组织[(188.46±12.24)N比(203.25±19.29)N,P＜0.05].结论 用hBMP7修饰BMSC复合仿生型BG-COL-HYA-PS支架材料构建的组织工程骨具有较强的骨修复能力,但形成的新生骨组织与正常骨组织比较仍然有早期生物力学方面的不足.     

胶原/羟基磷灰石复合材料的制备及用于骨缺损修复的研究现状

通过模拟天然骨的结构,制备胶原/羟基磷灰石复合材料,与天然骨具有相似的组成、结构和性能,并具有良好的生物活性和生物降解性。本文就胶原/羟基磷灰石复合材料的制备方法、仿生形成机制、表征手段及骨缺损修复的应用等进行综述,并展望其未来发展方向。     

纳米羟基磷灰石/I型胶原复合人工骨组成结构及成骨活性的实验研究

按照仿生的方法合成纳米羟基磷灰石/I型胶原人工骨支架材料.采用扫描电镜、X线衍射分析、孔隙率测定的方法对人工骨支架材料进行分析.制作兔颅骨缺损模型,植入人工骨支架材料,组织切片观察支架材料在体内的反应.纳米羟基磷灰石/I型胶原人工骨支架材料呈疏松海绵状,具有100～300 μm的孔径和90%以上的孔隙率,具有类似天然骨的结构.植入兔颅骨缺损模型未出现急性或慢性的炎症反应,在4周左右人工骨支架内出现大量新生毛细血管,12周新生骨完全修复骨缺损,并形成成熟的骨小梁结构.纳米羟基磷灰石和I型胶原复合人工骨约3个月左右降解完全.     

纳米级羟基磷灰石/骨形态发生蛋白复合物修复兔桡骨大段缺损及局部血管内皮细胞生长因子的表达

背景：研究发现,在小段骨缺损中植入骨或仿生骨组织,坏死组织逐渐被替换,移植骨中会长入有活性的血管肉芽组织,移植骨被吸收,新骨主动形成。但在大段骨缺损,这一过程发生较慢且不完全。 目的：观察纳米级羟基磷灰石材料复合骨形态发生蛋白后大段骨缺损修复能力及诱导生成血管能力。 方法：制作兔桡骨大段骨缺损模型,抽签随机分2组,选择一侧分别植入纳米级羟基磷灰石/骨形态发生蛋白、纳米级羟基磷灰石修复,均以另一侧为空白对照。植入后6个月行大体观察、X射线、组织形态学检查、组织切片碱性磷酸酶染色、成骨量分析、血管内皮细胞生长因子阳性细胞率及阳性血管数检测。 结果与结论：空白对照组基本无骨组织生成。纳米级羟基磷灰石植入后被新生骨组织分割成小块,材料原有结构破坏。纳米级羟基磷灰石/骨形态发生蛋白组较纳米级羟基磷灰石组残存材料更少,材料降解更为彻底。纳米级羟基磷灰石/骨形态发生蛋白组成骨量、血管内皮细胞生长因子表达及血管内皮细胞生长因子阳性血管数目均明显高于纳米级羟基磷灰石组(P < 0.001),且血管内皮细胞生长因子表达与血管内皮细胞生长因子阳性血管数目成正比关系。说明纳米级羟基磷灰石与骨形态发生蛋白复合后,骨修复能力进一步增强,诱导血管生成能力明显提高。     

Hierarchically biomimetic bone scaffold materials: nano-HA/collagen/PLA composite

A bone scaffold material (nano-HA/ collagen/PLA composite) was developed by biomimetic synthesis. It shows some features of natural bone both in main composition and hierarchical microstructure. Nano-hydroxyapatite and collagen assembled into mineralized fibril. The three-dimensional porous scaffold materials mimic the microstructure of cancellous bone. Cell culture and animal model tests showed that the composite material is bioactive. The osteoblasts were separated from the neonatal rat calvaria. Osteoblasts adhered, spread, and proliferated throughout the pores of the scaffold material within a week. A 15-mm segmental defect model in the radius of the rabbit was used to evaluate the bone-remodeling ability of the composite. Combined with 0.5 mg rhBMP-2, the material block was implanted into the defect. The segmental defect was integrated 12 weeks after surgery, and the implanted composite was partially substituted by new bone tissue. This scaffold composite has promise for the clinical repair of large bony defects according to the principles of bone tissue engineering.     

A Biomimetic Material with a High Bio-responsibility for Bone Reconstruction and Tissue Engineering

A biomimetic composite was prepared using type-I collagen as the matrix, and particles of sol–gel-derived bioactive glass (58S), hyaluronic acid and phosphatidylserine as additives. The material has an interconnected 3-D porous structure with a porosity > 85%. When incubated in simulated body fluid (SBF), the composite induced the formation of microcrystals of bone-like hydroxyapatite (HA), suggesting good bioactive properties. During the in vitro cell-culture experiment, MC3T3-E1 cells adhered to, migrated and spread on the surface of the porous composite. The material was employed to repair a 10-mm defect in a rabbit's radius. The composite was gradually degraded within 8 weeks and replaced by new bone. After 12 weeks, the bone marrow cavity was restored and the Haversian canal was noted from the histological observation. The biomimetic composite is a potential scaffold material for bone reconstruction and bone tissue engineering.     

无机离子仿生骨膜调控免疫微环境促进骨修复北大核心

背景:介孔生物活性玻璃纳米颗粒与甲基丙烯酸明胶合成的仿生骨膜可在骨缺损局部释放钙硅磷离子,促进成骨。其中硅离子还有调控巨噬细胞极化表型的作用,因此仿生骨膜对骨缺损局部炎症微环境的影响仍需探索。目的:通过体、内外实验探讨无机离子仿生骨膜调控炎症微环境与促进骨修复之间的联系。方法:①体外实验:将介孔生物活性玻璃纳米颗粒与甲基丙烯酸明胶共混后光交联得到无机离子仿生骨膜,通过电感耦合等离子体光谱检测仿生骨膜浸泡于人体模拟体液中7 d内的Si^(4+)释放。将骨髓间充质干细胞分别接种于甲基丙烯酸明胶水凝胶与仿生骨膜复合水凝胶中,以单纯培养的细胞为对照,进行活死荧光染色与碱性磷酸酶染色。将骨巨噬细胞分别接种于甲基丙烯酸明胶水凝胶与仿生骨膜复合水凝胶中,以单纯培养的细胞为对照,进行一氧化氮合成酶(巨噬细胞M1表型)和CD206(巨噬细胞M2表型)免疫荧光染色。②体内实验:建立大鼠颅骨缺损模型,将甲基丙烯酸明胶水凝胶和仿生骨膜复合水凝胶分别植入骨缺损处,术后7 d,通过RT-PCR检测骨缺损局部巨噬细胞表型;术后8周,通过骨缺损处苏木精-伊红染色检测仿生骨膜的成骨性能。结果与结论:①体外实验:仿生骨膜24 h内释放Si^(4+)达到最大浓度,在之后6 d内缓慢释放。共培养3 d后的活死荧光染色显示,各组干细胞生长良好,有较好的细胞活性,无明显死亡。共培养7 d后的免疫荧光染色显示,仿生骨膜组巨噬细胞多为M2型,甲基丙烯酸明胶水凝胶组和对照组多为M1型。共培养7 d后的碱性磷酸酶染色显示,仿生骨膜组染色强于甲基丙烯酸明胶水凝胶组和对照组。②体内实验:RT-PCR检测结果显示,仿生骨膜组骨缺损局部巨噬细胞大多呈M2型,空白组和GelMA水凝胶组大多呈M1型。苏木精-伊红染色显示,仿生骨膜组骨缺损处新生骨多于空白组和甲基丙烯酸明胶水凝胶组。③结果表明:无机离子仿生骨膜通过Si^(4+)释放促进了炎症局部的巨噬细胞M2极化,可抑制炎症、促进成骨。     

Osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells on the collagen/silk fibroin bi-template-induced biomimetic bone substitutes

Biomimetic bone substitutes of collagen-silk fibroin/hydroxyapatite (COL-SF/HA) were synthesized via a bi-template-induced coassembly strategy. Collagen-hydroxyapatite (COL-HA) and silk fibroin-hydroxyapatite (SF-HA) served as controls were prepared with similar method. The osteogenic differentiation ability of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) seeded onto the resulting materials was evaluated both in vitro and in vivo. The results suggested that the bi-template-induced biomimetic substitutes were able to support the growth and proliferation of BMSCs. We further demonstrated that BMSCs were stimulated to differentiate into the osteoblast cell lineage by evaluating several specific osteogenic markers including staining of alkaline phosphate (ALP) and calcium nodular and expression of osteogenic genes of osteocalcin (OCN) and osteonectin (ONN). The rat femoral defect model was used to assess the aforementioned biomimetic bone substitutes combined with BMSCs in vivo. Histological analysis indicated that the bi-template material exhibited good biocompatibility and strong ability of the new bone formation in comparison with the control of single-template material in vivo. ? 2012 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part A: 100A:2929-2938, 2012.