仿生矿化在骨组织工程中的研究进展

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  摘要:模仿天然骨基质的形态和结构来制备骨组织工程支架有利于受损骨组织的再生。仿生矿化是运用生物矿化的机理在合成或天然高分子材料中形成无机矿化物,并通过调控矿化条件来形成不同成分和结构的无机矿化物。天然骨基质主要是由无机磷灰石晶体和有机胶原纤维及非胶原蛋白等组成,因此在骨组织工程支架的设计中常使用生物矿化技术来实现支架的成分和结构仿生。在成分上,以高分子材料为有机模板,让无机磷灰石晶体沉积在模板上,从而实现了有机无机的结合;在结构上,运用纳米制造技术来制备纳米纤维,再在这些纤维上形成针状、片状或球形的纳米级别的磷灰石晶体,从而形成类似于天然骨基质的三维纳米网络结构。
  关键词:仿生矿化;骨组织工程;支架;高分子材料;羟基磷灰石;纳米结构
  在临床上,临界骨缺损的修复仍然充满着挑战。现有的治疗如自体骨移植、同种异体骨移植等都因为各自的缺点而限制了他们在临床上的应用。因此以细胞、支架、细胞因子为基础的骨组织工程技术吸引了越来越多人的关注。在骨组织工程中,仿生材料起到了举足轻重的作用,如支架为组织再生提供三维模板和合成细胞外基质的环境。通常理想的支架应该尽量模仿天然细胞外基质的某些有利的特点,即仿生支架。如今常用的支架仿生技术有微纳结构仿生、自组装技术、表面修饰与改性、生长因子缓释控释、仿生矿化等。本文就仿生矿化技术在骨组织工程支架中的研究进展作一综述。
  一、骨组织工程简介
  骨是由骨组织、骨膜、骨髓等构成的器官,而骨组织则是由细胞和钙化的骨基质(即细胞外基质)构成。骨基质中包含了有机成分和无机成分,含水量极少。有机相主要为大量的胶原纤维和少量的无定形基质,其中胶原纤维主要由Ⅰ型胶原蛋白构成,无定型基质主要由氨基聚糖、蛋白聚糖、非胶原糖蛋白等可溶性大分子构成。无机相是以磷酸钙盐为主的骨盐,主要为纳米尺寸的细针状羟基磷灰石晶体,沿着胶原原纤维的长轴排列并与之紧密的结合。因此,骨组织实际上是一种无机-高分子纳米复合材料,是由Ⅰ型胶原纤维和纳米羟基磷灰石在纳米尺度上通过分子自组装形成的有序排列。正因为骨的这种独特的组成和结构,从而赋予了其独特的抗拉、抗压、韧性等力学性能。基于骨的组成和结构特点,使得人们在骨组织工程支架的设计制作上大受启发,仿生矿化
  对骨组织工程材料来说,重要的是植入体内后如何能和周围的骨组织紧密地结合。骨组织工程支架材料与骨组织的结合方式有3种:形态结合、生物结合和生物活性结合,其中生物活性结合是近十年来研究较多的一种结合方式。—方面,单纯的高分于材料支架往往难以确保获得满意的综合力学性能;另一方面,支架植入体内后,与周围的骨组织产生良好的键合从而紧密结合。因此,模拟骨有机/无机骨基质天然特性,在高分子支架中引入类似于天然骨的无机成分如羟基磷灰石、磷酸钙等,构建具有优良的骨传导性和机械性能的复合支架已成为骨组织工程仿生支架研究的重要内容,其中采用仿生矿化技术在高分子材料支架表面制备生物矿化层也已发展成为改善支架材料骨生物活性的重要手段;而且,仿生矿化过程是在模仿生理的条件下进行的,矿化的同时可以均匀地共沉积生物活性因子,不会造成这些因子的失活,这对骨组织工程用的生物活性支架的仿生构建尤为重要。
  二、仿生矿化的原理
  基于生命过程的复杂性,生物矿化也是一个复杂的过程,且每一种不同的生物其体内矿化物质形成的具体机理也不相同,但可以简单的概括为以下四个过程:(1)模板的形成形-即有机大分子预组织。(2)无机离子和有机材料界面互相识别,从而控制无机晶体成核和生长。(3)将生成的初级生物矿物体组装成具有多级结构的生物矿化物。(4)通过细胞的加工,再将生物矿化组组装成更为高级的结构。
  仿生矿化的基本原理是液相沉积矿化,是通过有机质为模板,通过有机分子与无机离子间的相互识别作用,在有机质模板上沉积无机离子从而形成无机矿物的过程。仿生矿化至少要具备两个条件:(1)有机质模板表面的功能基团带有一定量的负电荷,从而能够顺序性的吸附带正电荷的钙离子和带负电荷的磷酸根离子,此时模板表面的功能基团为矿物质的沉积提供了成核位点,并且通过“模板”作用,调控后续形成的无机物的形状、尺寸、结构和晶体的取向等。(2)有机质模板处于含有过饱和的钙离子、磷离子的液相环境中。
  三、仿生矿化常用的方法
  (一)、模拟体液法
  模拟体液的主要成分为NaCl、KCl、CaCl2、Na2SO4、KH2PO4、NaHCO3、MgCl2,其无机离子成分及浓度和人体血浆中的相似,但不含有机成分和细胞。将材料浸入模拟体液中后,能够在材料表面沉积无机磷酸钙[1]。模拟体液法被广泛应用于生物材料表面的无机磷灰石沉积。传统的SBF的离子浓度为单倍,通常情况下,各种SBF均是在Kitsugi等人[2]的配方的基础上制备而成的。虽然能够在生物材料表面沉积磷灰石晶体,但是至少需要一个星期才能形成合适数量的磷灰石。于是人们发明了5倍浓度的SBF和10倍浓度的SBF。它们是一种在室温条件下载生物材料表面快速形成磷酸钙层的方法[3]。大量的磷酸钙能够在几个小时之内沉积,但是同时会形成片状的磷酸氢钙[4]。李静将丝素蛋白膜、丝素蛋白/明胶、丝素蛋白/聚己内酯放入10倍模拟体液中矿化,并采用交替矿化、PILP(加入左旋天冬门氨酸钠)作为对比,发现者三种方法都可以在这些模板材料上形成羟基磷灰石和类羟基磷灰石,但是模拟体液法形成的矿化物的速速最快,在矿化2h的时候,可以发现基质材料的纤维长轴上有矿化物形成。同时发现基质材料的理化形状、成分及其空间结构对矿化物的形成有着重要的作用,如亲水性强的材料有利于诱导形成矿化物,而孔隙较大较多的基质材料则有利于前体矿化物的转化[5]。研究发现HA有助于蛋白质的吸附、信号转导、细胞分化、骨基质的合成等。Song等人[6]研究了细胞在胶原纳米纤维、胶原/HA复合纳米纤维上的生长和分化,结果发现,MC3T3-El成骨细胞表达的碱性磷酸酶的活力在第14天时比单纯的胶原纳米纤维要高。在聚合物机体上复合HA能够促进细胞的增殖和分化,这对骨组织工程而言是有希望的。   (二)、交替矿化法
  交替矿化是在37℃水浴条件下,将模板材料依次放入含钙离子溶液和含磷离子溶液中。常用的含钙离子溶液为pH=7.4的CaCl2溶液,常用的含磷离子溶液为Na2HPO4溶液。根据材料的不同,在每个溶液中的矿化时间常为5min-1h,矿化周期常为3-20个。合成的高分子聚合物如PLLA、PLGA等因为亲水性较差,且缺乏诱导成核结晶的功能集团,直接矿化时形成的磷灰石较少,故常先用碱溶液水解,让其中的酯键断裂,从而让能够诱导矿化的羧基和羟基暴露出来而提高矿化效率。 Li等人[7]使用了不同的方法来制备以丝素蛋白为基础的复合材料。通过交替矿化的方法,无机磷灰石成分选择性的生长在静电纺丝丝素蛋白纤维基质上。酸性蛋白质聚-L-天冬氨酸是矿化过程中最早的分子识别位点,它可以介导后来的成核和磷灰石晶体在纤维表面的生长。Ngiam等人[8]使用静电纺丝PLLA/Col为模板,通过交替矿化,制备出了PLLA/Col/HA复合材料。沉积在的HA有利于成骨细胞在矿化纤维上的早期粘附。而PLLA/Col中的Col含有羧基,这有利于钙离子的螯合。交替矿化效率较高,而且在保证钙磷比为1.66(和天然骨中的该磷比相似)的基础上再提高钙离子和磷离子的浓度,可以使纳米纤维上形成羟基磷灰石的速度加快。支架上的纳米羟基磷灰石在早期对细胞功能具有重要的影响,如能使细胞分泌更多的基质蛋白[9]。
  (三)、其他仿生矿化法
  其他的仿生矿化方法还有过饱和矿化法、电沉积矿化法等,其基本原理和以上两种方法基本相同,通过改变矿化的反应条件和环境来调控矿化的效率,从而能够更快更好的形成我们所需要的羟基磷灰石晶体。高雅使用110g CaCl2、300g NaH2PO4、126g NaHCO3制备成1L 的过饱和矿化液体,然后将静电纺丝丝素蛋白膜在37℃下分别矿化6、12和24h,并且每隔12h更换等量的矿化液,最后用去离子水漂洗并常温干燥。描电镜观察发现形成了叶片状的晶体,并互相连接成从,随着矿化时间的增多,矿化物的密度和体积都在逐步增大。经傅里叶红外光谱仪和X射线衍射发现,所形成的矿化物主要为含CO32- 的羟基磷灰石、碳酸钙、磷酸钙水合物等的混合物,矿化物中钙磷的比值接近于羟基磷灰石中的1.67[10]。孟昭旭使用过饱和矿化法、模拟体液法、交替矿化法在PLGA和PLGA/明胶电纺纤维表面进行矿化。过饱和矿化形成的矿物物的速度较慢,矿化产物量较少;后两种方法形成的矿物产物的量虽然较多,但同时也会带来了不利的结果,如过多的矿化产物会堵塞支架中的孔隙,从而使支架丧失了原有的结构,这对于支架上的细胞的营养物质和代谢废物的转运是及其不利的。三种矿化方法所形成的矿物物都是羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸氢钙的混合物,但过饱和矿化法和交替矿化法所形成的羟基磷灰石的量叫模拟体液法多,而模拟体液法所形成的矿化物主要是磷酸氢钙[11]。
  四、展望
  仿生矿化过程是在模仿生理的条件下进行的,矿化的同时可以均匀地共沉积生物活性因子,不会造成这些因子的失活。运用仿生矿化技术模拟天然骨基质的成分和结构引起人们越来越多的关注,但其还有一些不足之处,其性能距离临床应用还有一定的差距。因此近年来大家逐渐致力于支架的修饰改性等方面的研究,以提高支架的生物性能。随着组织工程技术多学科领域的综合发展,仿生矿化技术在骨组织工程支架的设计制备中将发挥着更大的作用。
  参考文献:
  [1]Kokubo T,Takadama H.How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?[J].Biomaterials,2006,27(15):2907-2915.
  [2] Kitsugi T,Nakamura T,Yamamura T,et al.SEM‐EPMA observation of three types of apatite‐containing glass‐ceramics implanted in bone:The variance of a Ca‐P‐rich layer[J].Journal of biomedical materials research,1987,21(10):1255-1271.
  [3] Barrere F,van Blitterswijk,de Groot K.Influence of Ionic Strength and Carbonate on the Ca-P Coating Formation from SBFx5 Solution[J].BIOMATERIALS,2002,23(9):0142-9612
  [4] Andric T,Wright L D,Freeman J W.Rapid mineralization of electrospun scaffolds for bone tissue engineering[J].Journal of Biomaterials Science,Polymer Edition,2011,22(11):1535-1550.
  [5]李静.改性丝素蛋白组织工程支架的体外仿生矿化研究[D].昆明医科大学,2013.
  [6]Song J H,Kim H E,Kim H W.Electrospun fibrous web of collagen–apatite precipitated nanocomposite for bone regeneration[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2008,19(8):2925-2932.
  [7]Li C,Jin H J,Botsaris G D,et al.Silk apatite composites from electrospun fibers[J].Journal of materials research,2005,20(12):3374-3384.
  [8]Ngiam M,Liao S,Patil A J,et al.Fabrication of mineralized polymeric nanofibrous composites for bone graft materials[J].Tissue Engineering Part A,2008,15(3):535-546.
  [9]Venugopal J,Prabhakaran M P,Zhang Y,et al.Biomimetic hydroxyapatite-containing composite nanofibrous substrates for bone tissue engineering[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2010,368(1917):2065-2081.
  [10]高雅.丝素蛋白电纺膜的制备及其仿生矿化研究[D].昆明医科大学,2013.
  [11]孟昭旭.电纺PLGA/明胶组织工程支架和药物载体的制备与性能研究[D].哈尔滨工程大学,2011.
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