人工骨是什么材料

人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料。人工骨材料主要有高分子合成材料如聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯等、无机材料如磷酸三钙、羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等。

人工骨按材料的结构和性能大致可分为无机材料、有机材料和复合材料。

一、无机材料

使用较多的材料有磷酸钙生物陶瓷、氧化硅生物玻璃、羟基磷灰石等。这些作为植入物能满足人工骨的一般要求，其优点是生物相容性好，缺点是机械性能较差，硬而脆，易断裂。根据植入物与受体骨组织界面所发生组织反应的类型，可以将生物陶瓷分为四类：

1) 近乎惰性的晶体生物陶瓷：无生物活性，植入后与骨组织之间形成纤维膜，易松动脱落。临床上得到广泛应用的是氧化铝，可用作人工髋关节假体部件；

2) 多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化铝和羟基磷灰石涂层的金属，其特点为呈生物惰性，但在骨组织长入其缝隙时却形成高度迂曲的曲面，从而提供了机械稳定性；

3) 表面活性陶瓷：生物活性玻璃、玻璃陶瓷和羟基磷灰石，其化学组成与人体骨组织相近，可借助化学键直接与骨结合，即具有生物活性。有一种称为ceravital的玻璃陶瓷，与骨结合性能甚好，已成功地应用于脊柱外科和制造人工骨盆。HA陶瓷多与其他材料复合使用，如HA与自体骨、自体红骨髓、胶原、BMP、同种骨(脱钙骨基质或去抗原自溶脱钙同种骨)、煅石膏、聚合物和氧化铝陶瓷等复合，可克服HA缺乏骨诱导性和颗粒性材料成形困难的缺点。HA植入后不吸收；

4) 可吸收的陶瓷：在宿主体内逐渐吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三钙（TCP）为其代表。TCP之生物学特性与HA大致相同，其优于HA之处为植入后在体内缓慢降解吸收。现多用TCP作为载体复合各种生物活性因子使用，如TCP复合BMP．可发挥骨传导与骨诱导之双重作用。

二、有机材料

这种材料是从动物结缔组织或皮肤中提取的，是进过特殊化学处理的蛋白质物质。由于其中含有某些成骨因子，因而具有较好的诱导成骨能力。此类材料包括胶原、骨形态发生蛋白以及各种成骨因子等。

1) 胶原

Nehrers 等用UV交联胶原海绵进行软骨组织工程的研究，显示支架支持细胞生长的效果良好。其中Ⅱ型胶原支架上的细胞保持较好表型,并合成较多的糖氨聚糖等胞外基质，Ⅰ型胶原支架上的细胞能很好扩增,但多数呈纤维细胞状的形态，且仅有少量的细胞外基质合成。Stone 等将牛跟腱经纯化得到胶原Ⅰ，然后将胶原—软骨细胞移植物植入9 例半月板撕裂或缺损患者的膝关节中，术后3～6 个月后，二期关节镜检证明胶原支架被吸收，替代以新形成的软骨组织，36 个月后，9 例患者症状减轻，未发现免疫反应。MRI 证实,形成的半月板中存在进行性的软骨成熟信号。实验证明,胶原支架是一种可移植的、安全且能够支持软骨细胞生长的基质材料。

2) α- 聚酯

α- 聚酯为人工合成的有机高分子材料,其中研究较多且结果较理想的材料主要有聚乳酸(polylacticacid ,PLA) 、聚乙醇酸(polygiycolic acid ,PGA) 、聚乳酸- 乙醇酸共聚物( PL GA) 。PLA、PGA 已被美国FDA批准广泛用于临床。Mikos等利用层压技术制造有精确解剖形状的三维生物降解聚合物泡沫。该技术包括空隙率为90 %的多孔膜的层压。这种模板为植入细胞提供附着，并成为移植复合物的内在结构，控制和调节植入细胞的环境和生长。Vacanti 等首先将PGA、PLA 用作软骨细胞体外培养基质材料，通过组织工程方法获得新生软骨成功。人工合成的聚合物可以准确地控制其分子量、降解时间以及其它性能。但人工合成材料没有天然材料所包含的许多生物信息(如某些特定的氨基酸序列)，使其不能与细胞发挥理想的相互作用。目前已有研究将天然材料的某些重要氨基酸序列接在合成聚合物的表面，以克服两种材料的缺陷。

3) 骨生长因子

骨生长因子是由骨细胞产生，分泌到骨基质中的一些多肽，它们在骨组织的修复和形成过程中起着重要的调控作用。随着基因工程技术的发展，许多骨生长因子如BMP、bFGF 等已能通过人工基因重组产生。现在急需解决的问题主要有:

(1) 弄清各种生长因子各自的生物学特性以及多种生长因子联合应用时的成骨效应、释放顺序等;

(2) 选择出最理想的骨生长因子的释放方式;

(3) 对其应用的安全性、功效及可靠性建立明确的定义及期望, 以便尽早应用于临床。

三、复合材料

由于无机材料不易被吸收，尤其是经高温灼烧的无机材料，植入后与周围组织的界面长期存在；而有机材料虽然诱导成骨性能较好，但植入早期缺乏足够的力学强度，且提取量较少；因而人工骨的研究趋向有向复合材料发展，即使材料含有有机和无机两种成分，使之兼具二者的优点。

1) 磷酸钙复合人工骨　主要包括TCP 及HA 与胶原、骨生长因子等复合人工骨。肖建德等通过透射电镜和扫描电镜观察了胶原羟基磷灰石(collagehydroxyapatite ,CHA) 诱导成骨的基本过程，观察认为，在成骨过程中，胶原对间质细胞具有趋化作用和促分化作用，HA 起“核心作用”，并参与基质钙化，促进新骨形成。王丹等报道了可降解多孔β- TCP/rhBMP - 2 人工骨的诱导成骨能力，结果证实，实验组有大量新生软骨和骨形成，对照组无软骨和骨生成。认为β- TCP/ rhBMP - 2 具有良好的骨诱导作用，是一种较理想的骨移植替代材料。

2) 聚合物复合人工骨　生物降解聚合物是近年生物材料研究领域中的一个热点，通过技术加工可合成各种结构形态，一定的生物降解特性的各种聚合物。但它们无骨诱导活性，需与其它骨诱导因子复合应用才能取得良好效果。Isobe 等用含3ug/ rhBMP - 2的PL GA 胶囊修复5mm 大的鼠股骨缺损，术后4 周及8 周取标本作X 线检查及组织学检查，结果显示:PL GA - BMP 组已形成骨愈合，而对照组无骨连接。有人认为rhBMP - 2/ PL GA 胶囊是一种有前途的骨再生释放系统。Hollinger 等用人的脱抗原自身消化骨(即AA 骨) 和PLA/ PGA 的复合材料修复直径24mm 的猴颅骨缺损。术后6 周时，复合材料组形成的新骨相互融合，并出现内、外骨板和中间发育良好的骨髓腔。

3) 红骨髓复合人工骨 骨髓(Bone marrow ,BM)由造血系统和基质系统 两部分组成。人和动物健康红骨髓的基质细胞中含有定向性骨祖细胞( determined osteogenic precursor cells ,DOPC) 和可诱导性骨祖细胞( inducible ostegenic precursor cells , IOPC) 。DOPC 具有定向分化为骨组织的 能力，IOPC 在诱导因子(如BMP) 作用下才能分化成骨。Grundel 等采用TCP(占40 %) 和HA (占60 %) 合成双相磷酸钙陶瓷与BM 复合后植入治疗骨缺损,术后24 周发现骨髓与块状陶瓷复合物组6 例中，有3 例呈现骨性连接，3 例有纤维连接;骨髓与颗粒状陶瓷复合物组6 例中有5 例获骨性连接，1 例纤维连接，单纯骨髓植入的5 例均获骨性连接;空白对照组3 例无1 例连接。东中川将骨髓细胞与HA 结合,并分别加入bFGF 和/ 或成骨蛋白- 1 (osteyenic protein - 1 ,OP - 1)，通过测定胸腺嘧啶掺入到DNA 中的量、AL P 的活性及新生骨的形成，来了解它们的生物活性。结果表明，bFGF 能刺激骨髓细胞的增殖，OP - 1 能增加AL P 的活性及刺激新生骨形成，并能促进骨髓细胞的分化。

4) 其它种类的复合人工骨　主要包括两种以上材料组成的人工骨(如陶瓷、胶原与生长因子或有关细胞的复合人工骨) 及与多种生长因子复合的人工骨等。马秦等报道了复合骨预制髂骨瓣的实验研究。熊建义将一定形状的rhBMP - 2 、胶原、珊瑚复合骨植入狗髂骨区，显示，复合骨术后3 个月时，已转变成骨组织，髂骨形状改变，4 个半月时新生骨改建为成熟骨。认为rhBMP - 2 、胶原、珊瑚复合骨适用于体内预制具有一定形状和结构的骨组织瓣。