仿生骨修复支架材料的设计及其成骨诱导机制的研究

2022-04-29 17:25:02 | 浏览次数：

【摘要】社会经济的发展带动着人们生活水平的提高，人们对仿生骨修复支架材料的设计及其成骨诱导机制的了解度与安全性提出了一定要求，仿生骨修复支架材料应用在西方国家骨损伤治疗工作中已经越来越普遍，由于各种客观原因，我国目前的仿生材料修复工作存在诸多问题，不能有效的解决目前人体组织修复工作，融合部分也相继出现不兼容性的状况。本文通过对仿生人工骨修复材料进行概述，分析探讨了仿生多级孔生物活性玻璃支架材料、PLLA纳米纤维支架材料及其成骨诱导机制的研究，希望对相关研究者有一定启发。

【关键词】仿生骨修复支架材料；设计；成骨诱导机制；仿生材料

中图分类号 R318.08 文献标识码 A 文章编号 1674-6805（2016）3-0161-02

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2016.3.089

随着我国经济的迅猛发展，我国对各种骨缺材料修复的利用率也开始飞速提升，目前采用的骨缺修复材料技术无法满足现代人们的需要，不能良好解决目前复杂的骨损伤问题，大量实践表明，自体骨与异体骨移植具有诸多局限性，工作人员通过模仿天然骨本身的成分、结构特性及生物矿化过程进行研究，并针对性的对其进行调整，获取了良好的新型仿生人工骨修复，目前市场上急需大量的骨缺损修复材料，为了获取更多更优质的股组织再生修复材料，医学人员需要对其积极探索[1]。

1 仿生骨修复支架材料的作用及其现状

1.1 仿生骨修复支架材料的作用

人体在正常生活中会出现骨组织疾病和缺损的状况，由于此种疾病会造成机体的结构和功能障碍，对患者的正常生活造成影响。由于人体具有一定的自愈功能，患者出现小面积的骨缺损可以通过适当的治疗而痊愈，但严重性骨损伤便需要采用外来材料进行辅助治疗骨组织。仿生骨修复支架材料在损坏骨骼的修复工作中具有重要作用，目前优异生物矿化材料需要采用有机分子调控无机分子，国内外均出现了天然的生物体结构及组合材料，传统的仿生学设计可以适当的采用材料组合的方法去模拟生物体系，天然矿化组织均由生物大分子等物质组成，其在生长过程中会出现一定的有序性[2]。

1.2 仿生骨修复支架材料的现状

随着我国医学技术的进步，采用各种方式进行骨损伤治疗，目前使用较为广泛的方法为自体骨移植、异体骨移植、人工合成骨移植。根据大量的治疗经验表明。目前临床上最具有效果的治疗方式属于自体骨移植，其与人体的兼容性高，出现排斥概率较低，但自体骨移植技术进行取材时就难以获取丰富的材料，并会在一定的程度上影响人体治愈后的活动，后期的疼痛感也十分明显，造成患者的痛苦，因此，随着医疗改革的脚步，此种方式逐渐被淘汰。目前采用较为广泛的骨质材料一般为小牛骨、猪骨。其与人体的通行也十分的有利，且疼痛感较低，但购买的成本极高，且进行加工处理的步骤也较为繁琐，因此，此种方式也无法大范围的应用。医学技术人员针对市场的需求及各种原因考虑，正在积极的研究探讨一种在结构上高度模拟天然骨组织基质，这种骨组织具有良好的生物兼容性与骨再生诱导能力，以为仿生骨修复支架材料提供良好的治疗材料[3-4]。

2 仿生多级孔生物活性玻璃支架材料及其成骨诱导机制的研究

2.1 仿生多级孔生物活性玻璃支架材料的设计

由于毛海绵可以将物质形成孔隙结构，并在特殊的环境下可以有利于生成羟基磷灰石的作用。笔者所在医院采用以聚丙三醇、聚乙二醇、聚丙三醇相互构成的共聚物和毛海绵作为模板，制造出一种具有多级孔生物活性玻璃微管支架材料，用于骨损伤的修复治疗工作。笔者所在医院采用扫描电镜对此材料进行观察，分析其结构，发现该支架材料呈现出多级孔。促使骨损伤修复需要考察材料的相容性、载药性、细胞增殖性。由于生物相容性可以从细胞的增值能力中得以体现，笔者所在医院截取仿生多级孔生物活性玻璃支架材料的部分，在其表层培养MC3T3-E1细胞，并对其增值能力进行检测，判断其生物的相容性。笔者所在医院采用地塞米松（DEX）进行试验，发现其具有良好的载药性，通过仔细的分析与调查，发现此材料的多孔结构是塑造给药环境的重要支柱[5-6]。

2.2 仿生多级孔生物活性玻璃支架材料成骨诱导机制

以上的试验证明了多级孔MBG微管支架材料具有良好的生物相容性、载药性、促再生性。此种材料的构成较为简单，生产价格较为低廉，可以在骨损伤修复应用中具有良好的应用前景，其仿生多孔的特性可以持续给药，促进骨组织的持续修复与治疗，多孔支架材料与纳米纤维支架材料结合可以在骨修复的应用中提高治疗有效率，促使成骨诱导机制的塑造。

在具体的实践过程中，笔者发现选择使用这种材料进行治疗的前提是先确定生物玻璃及其复合材料的生物相容性，大量实验表明，HAP材料对温度的要求并不严格，通常实验过程中采用模拟体液的方式进行测验，目前的技术无法保证仿生材料在高温的环境下不发生相变与脆裂[7]。因此，工作人员需要模拟出自然界磷灰石的矿化机制，在相对温和的环境下进行材料的培育，由溶胶制成的HAP晶体具有力学性能差、热稳定性差等特点，将具有其属性的玻璃生物材料置入人体中时，材料表面会呈现出一层磷酸钙的薄膜，具有这种薄膜的材料可以良好的与人体骨骼结合，并促进骨骼的愈合与再生，复合材料可以在一定的程度上提高生物玻璃与高分子复合材料的活性与细胞亲和性，目前采用玻璃活性生物材料在临床医学上广泛应用于人工骨与人工牙的治疗中。大量的资料表明，采用此种材料的骨修复速度在一定的程度上高于自体骨，工作人员将药物投入多孔生物玻璃结构中，并置入生物体的关键部位，密切观察药物释放的时间与作用时间，由于其用药特点，此种材料还广泛应用于生物活性玻璃中的抗生素与抗骨肿瘤药物中，生物活性材料不仅补填骨损伤的部位，还通过缓慢的释放药效来降低损伤部位发炎的概率[8-9]。

3 PLLA纳米纤维支架材料及其成骨诱导机制的研究

随着我国分子化学与物理的进步，人们开始重视对纳米纤维支架材料的研究，根据材料结构决定其作用，从化学的角度来讲，可以通过改变其排列方式、纤维取向来调整干细胞的分化方向。笔者所在医院在此基础上采用静电纺丝技术对左旋聚乳酸（PLLA）进行处理，将金属平板、滚筒作为接收装置，以制造出无纺和平行排列的纳米纤维支架材料。调查研究表明，纤维取向可以影响人体骨髓间充质干细胞（BMSCs）的形貌，具体为：（1）于无纺材料上培养的细胞呈现出无规则、多分枝的形貌；（2）于平行材料上培养的细胞与纤维排列平行[10]。笔者所在医院根据以上资料开始培养细胞，定时提取细胞RNA，采取qRT-PCR进行检测，结果表明，无纺纳米纤维材RUNX2、BMP2、OPN、COL1A1、SPARC和BSP等成骨基因明显高于平行材料。

PLLA纳米材料具有模拟天然细胞外基质的结构，工作人员采用多种方式对此种材料的表面结构进行研究，发现PLLA纳米材料会根据不同温度的变化而改变自身形态，其内部的高分子链发生相应的化学变化，因此，在具体应用此种材料的过程中，工作人员需要先将此种材料进行处理，改善其亲疏水性与细胞亲和性，细胞的培育对温度及亲水性的要求较高，因此，工作人员采用此种材料进行临床治疗时需要对其细胞的相容性与亲水性进行检测与评估，具体内容为采用三维PLLA纳米纤维支架进行性能改变，将具有枪机型的-COOH基团与此种材料紧密结合，增加细胞的增值速率及活性[10-11]。

医用材料对材料的化学性质、物理性质具有一定的要求，由于PLLA材料本身具有的表面惰性、疏水性。造成其应用具有一定的局限性，不利于广泛的推广，医学专家通过不懈的研究，发现采用低温大气等离子体技术可以调节无纺PLLA纳米纤维材料的化学性质，提高成骨分化，保持骨骼活性。笔者所在医院采用离子体对纳米纤维材料进行处理，持续10～15 min，检测其表面化学性质，发现可以通过控制处理时间来提高纳米纤维材料表面的氨基基团、亲水性。qRT-PCR分析显示仪是一种专用的分析检测机器，工作人员采用此种机器观测到5 min是材料各状态改良最为明显的时间节点。纳米纤维材料的BMP2、RUNX2、ALP、COL1A1、OPN、OCN的表明均有效提高。其中ALP活性检测达到最高值[12-13]。

因此，笔者所在医院发现无纺纳米纤维调控的成骨分化与化学诱导成分诱导的成骨分化具有一定相似性。调查研究表明，纳米拓扑结构的特殊性，促使细胞内部发生力学传导效应，从而激发成骨分化。通过一段处理技术可以有效的改良PLLA纳米纤维表面特性、生物相容性、成骨活性，加强新型骨修复材料的研发与设计[14-15]。因此，工作人员可以通过调控支架材料的拓扑结构来控制细胞的修复程度。采用无纺排列的纳米纤维在修复骨损伤的临床治疗上具有明显优势。

基于两种材料的特点与优势，笔者所在医院将负载DEX的MBG材料和经等离子体处理5 min的PLLA纳米纤维材料复合处理，将其应用于狗大腿骨损伤的缺损部位。检验其治疗骨损伤恢复的效果，根据狗正常恢复的时间规律，分别于4、12周对狗治疗位置的骨组织进行取样检测，结果表明，狗骨组织恢复良好，新生骨组织与周围正常骨组织良好的接合，无不良反应。因此，可以证明MBG微管材料和经等离子体处理后的PLLA纳米纤维材料的复合治疗可有效提高治疗有效率，降低不良反应发生率。极具推广价值。

综上所述，笔者所在医院根据获取的资料及自身多年的研究经验分别设计了仿生多级孔生物活性玻璃支架材料、PLLA纳米纤维支架材料为主的仿生骨修复支架材料，采用等离子技术改良材料的活性，采用检测机制评估其生物相容性和成骨诱导能力，并根据其成骨诱导机制原理与优点将其投用于动物的体内进行骨缺损修复实验，手术完成后，评估修复效果。结果表明，发现MBG材料和纳米纤维材料均可以通过各种技术处理，提高其相容性、生物活性、成骨活性。从而有效地提高材料应用于人体治疗的骨损伤修复效果。

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