组织工程技术在修复骨缺损中的研究进展

【中图分类号】R318.5 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）05-0706-01

全世界每年骨折和骨缺损的患者数以千万计，传统的骨缺损治疗方法有自体骨移植、同种异体骨移植和人工骨移植等，但均因各种因素使其在临床应用上受到一定的限制：自体骨移植安全性高，有良好的骨诱导性，因而被认为是骨缺损修复的金标准，但供体来源往往有限。而且手术时间长，并发症多；同种异体骨移植植入后容易吸收，而且容易感染，排斥反应重；人工骨移植原材料孔隙变异较大，成骨困难，而且来源有限。由于现行骨缺损修复方法存在以上问题和局限性，骨组织工程修复骨缺损近年来已被许多学者关注。支架作为组织细胞及细胞活性因子粘附、生长分化的载体，在组织工程骨的构建中起重要作用，组织工程骨支架的研究开展的越来越多。

以往用于修复骨缺损的材料，第一代惰性材料和第二代生物活性材料均以减少免疫反应、诱发生成新骨，使移植物被新形成的组织长入而与机体牢固结合为目的，其缺点是支架材料不能再体内降解，长期存留于体内。近年来修复骨缺损的生物材料集中于选用具有三维多孔结构、可吸收的骨组织工程支架材料方面，属于第三代新材料，不只是追求简单的填充骨缺损及诱发新生新骨，而是逐渐在体内被降解，从而被新骨替代，最终使骨缺损处完全被组织所替代的新材料。目前研究的骨组织工程支架具有以下特性：（1）具有良好的组织相容性，自身降解率与组织替代率相匹配，随成骨细胞的生长和人体自身细胞外基质的分泌，支架材料逐步降解直至最终完全吸收，从而避免长期的外源体反应，最重要的是降解速率与组织细胞生长率相适应，降解时间应能根据组织生长特性进行认为的调控，从而保证骨缺损处拥有合适的力学性能；（2）骨诱导及骨传导性能良好，具有较高的孔隙率，构建符合生物学特性要求的支架诱导骨组织生长；（3）安全无毒，在体内不致畸，不引起无菌性炎症。

组织工程化人工骨以其无抗原性、来源不受限制、可预先设计塑形、具有生物功能等特征。其基本方法是将体外培养的高浓度的功能相关活组织细胞扩增， 并种植于一种生物性能良好、具有生物可降解性的细胞外基质上， 然后将它们共同移植于所需部位， 在机体内细胞继续增殖， 而生物支架结构则逐渐被降解吸收， 结果形成新的有功能的组织器官，从而达到修复结构、恢复功能的目的。理想的骨组织工程细胞应具备的特性有： 取材方便， 对机体损伤小； 具有较强的增殖和向成骨方向定向分化的能力， 传代繁殖快； 体内植入后能耐受机体免疫， 适应受区环境能力强； 安全性好。

作为组织的三种成分， 基质、细胞和可溶性调节因子是体内或体外组织工程研究的三大要素。组织工程中理想的支架材料应具有以下特性： 三维多孔的连接网络， 有利于细胞生长、养分传输和代谢产物的排放； 生物相容性和可降解性好， 降解速度和吸收速度可以调控， 以适应细胞或组织在体内和体外的生长； 化学表面适合细胞的粘附、增殖和分化； 机械性能与所植入的组织的要求相匹配 。随着对材料-生物体相互作用机理的不断研究， 人们对生物材料的要求， 已从包括机械强度、亲水性、可降解性和易加工程度等理化性能和生物相容性的基本要求， 发展到对生物材料的形状结构进行精密设计和加工，对生物材料的表面改造和修饰， 赋予生物材料特定的生物特性和功能 。组织工程的发展与材料科学的发展密不可分， 组织工程的发展对相关生物材料提出了新的挑战。组织工程的研究范围几乎涉及人体的所有器官， 如骨、软骨、肌腱、皮肤、血管、肝脏、神经、牙、角膜等等。其中皮肤和骨组织工程是相对来说比较简单的两种， 实际上最先通过美国食品与药品管理局（ FDA） 批准进入市场的组织工程产品就是人工皮肤Apligraft。人们期望未来的组织工程化骨具有比现在使用的骨修复材料更好的力学性能： 减少植入物对周围骨组织管腔结构的刺激， 降低应力屏蔽作用以及植入部位由于骨质疏松导致的二次骨折的危险等 。骨组织工程中骨的重建需要4 个因素的协同作用， 包括信号分子、影响信号分子的宿主细胞、将信号分子释放至特定部位并作为细胞载体的支架材料以及血管化的本体骨组织。因此从骨重建的观点来说， 骨组织工程就是将支架材料作为信号因子和细胞的载体或模板诱导成骨， 或从周围骨组织募集细胞使其趋化和分化， 最终形成新骨的过程。用于骨组织工程的生物材料可以是三维多孔的刚硬材料， 也可以是可注射材料。

骨组织工程研究经历了从无免疫功能动物到小型哺乳动物，再到大型哺乳动物，最终到临床的阶段，其有效性、安全性越来越多地被证实，其基本技术相对成熟。在种子细胞方面，除了目前常用的BMSCs 以外，还陆续出现了脂肪来源的和脐带血来源的干细胞，它们来源广泛，成骨能力均类似于甚至优于BMSCs。在支架材料方面，除了既往广泛应用的异体骨支架材料以外，目前出现了大量人工和天然提取的支架材料，这些材料均具有来源广泛和可降解的特性，其力学强度均接近于组织工程骨的需要。在构建技术方面，大量组织工程骨生物反应器的出现，为特殊需求的组织工程骨的构建提供了可能。伴随着骨组织工程技术和产品的不断成熟，广泛临床应用成为可能。

组织工程骨支架材料大体分为以下几类：（1）天然材料，如胶原、脱钙骨基质、甲壳素等；（2）人工合成材料，分为人工合成高分子材料和人工合成无机材料，前者如聚乳酸、聚乙醇酸等，后者如羟基磷灰石、磷酸三钙等。天然材料的最大优点是来源广泛、易降解、降解产物无毒性，缺点是讲解速度不易人为控制、力学强度不足等，单独应用于临床存在许多困难。人工合成高分子材料拥有较好的机械强度、可塑性及弹性模量等，但其亲水性差、易导致无菌性炎症、机械强度不足等问题使其仍不能成为理想的骨组织工程支架材料单独应用于临床。人工合成无机材料最大的优点是组织相容性好，易被体内降解，但其脆性较大，弹性模量难以负荷作为临床骨缺损移植物的要求，使用上受到一定的限制。单用一种材料往往难以满足骨组织工程支架所需的特性，现在研究的热点是将多种材料混合制成复合支架，既弥补了单纯材料支架的不足，又起到优势互补的作用。

学者们将壳聚糖和PLA/PGA共聚物复合后，其压缩系数和压缩强度与小梁骨相似，在承重骨的骨组织工程应用中，发现成骨细胞能很好的粘附在支架上并进行分化增殖，最终形成骨组织。将生物可吸收HA/PLA复合材料置入下颌骨肿瘤切除术后缺损区域，术后2年CT值显示其接近于正常骨组织，表明此种复合支架材料能有效修复颌骨缺损。为了更加接近骨组织的天然微晶纳米结构，很多学者致力于将复合支架材料制作成仿生纳米结构，它拥有更符合移植材料的三维结构及力学性能。

组织工程骨支架可与多种细胞因子或化学药物相符合制成缓释支架或控释支架，以达到特殊治疗目的，目前研究较多的是重组人骨形态发生蛋白和抗生素复合支架。BMP是最主要的成骨调节因子，可以促进成骨，是目前骨组织工程中应用最广泛、研究最多的新号蛋白，其缺点是降解迅速难以在局部维持有效浓度。抗生素缓释支架除了可以有效抗菌外，某些抗生素还具有抑制胶原酶、抑制骨吸收、易于新股形成的作用。

虽然组织工程骨支架研究取得了很大的进展，出现了很多新技术，但大多不成熟，能实际应用于临床的仍然较少，迄今尚无关于个性化支架应用于病人骨缺损的报道。支架的性能虽然得到了提高，但仍存在很多局限性，组织工程骨血管化的问题尚未完全解决。如何制作出能满足临床需求的组织工程骨支架仍需进一步探索。相信在不久的奖励，随着医学领域的不断发展，研究出的组织工程骨支架会具备更好的性能，并最终应用于临床减轻患者的痛苦。组织工程学技术修复骨缺损正在由传统的单一材料到复合材料转变，随着研究的进一步进展，细胞因子、载药缓释系统等载入到复合材料中，为加快修复骨缺损及骨缺损伴骨髓炎提供了良好的动物实验依据。但新生骨的力学特性、持久性以及与周围组织的长期相容等因素仍有待考究，药物缓释系统的载体也仍存在药物释放稳定性差、机械强度低、降解时间长、低成骨诱导活性等缺点。目前的组织工程技术治疗骨缺损尚不能完全满足临床的需要，大多仍停留于动物实验阶段，何时应用于临床还需要更深层次的研究实验，全面评价这些复合材料的安全性、有效性、持久性。但是组织工程学的巨大优势，如手术简单、对人体损伤低、费用少等，对数以千万计的患者来说，是非常值得期待的。

组织工程化骨及软骨修复组织缺损的方法挑战了传统骨及软骨缺损的治疗方法，对口腔颌面骨软骨缺损及牙周疾病等导致的骨缺损修复的临床应用有着较深远的意义。虽然复合材料各取所长，优化组合，但同时也叠加了多种材料的缺点，因此寻找更优的支架材料任重而道远。由于颜面部骨及软骨的复杂性，对支架设计和制造的要求更高，而目前支架的设计和制造技术并不能满足口腔的需求，因此更适宜的技术值得进一步研究。随着口腔骨软骨组织工程研究的不断深入，以及前期临床试验的长期观察，组织工程化骨软骨真正应用于临床将为期不远，解决临床医学难题并造福人类。

参考文献

[1] Sundelacruz S，Kaplan DL. Stem cell and scaffold based tissueengineering approaches to osteochondral regenerative medicine.Semin Cell Dev Biol，2009，20（6）： 646-655.

[2]Scotti，Wirz D，Wolf F. Engineering human cell-based，functionally integrated osteochondral grafts by biological boning of engineered cartilage tissue to bony scoffolds. Biomaterials，2010，31（8）：2252-2259.

[3]Wang X，Grogan SP，Rieser F，et al. Tissue engineering ofbiphasic cartilage constructs using various biodegradablescaffolds： an in vitro study. Biomaterials，2004，25： 3681–3688.

[4]赖仁发， 冯智强， 缪婧， 等. 中国组织工程研究与临床康复， 2007，11（ 35） ： 6946-6950.

[5]孔航， 潘可风， 张士杰. 口腔颌面外科杂志， 2005， 15 （ 1） ： 24-28.

[4] M IZUNO M， SH INDO M， KOBAYASH I D， et a.l B one， 1997， 20（ 2） ： 101-107.

[5]常庆， 蒋欣泉， 王鸥， 等. 生物医学工程与临床， 2003， 7 （ 4） ： 192-193.

[6]张宇， 林野， 邱立新， 等. 中华口腔医学杂志， 2004， 39 （ 4 ） ： 269-272.

[7] 赖仁发， 周志迎， 孔卫东. 中国病理生理杂志， 2004， 20 （ 5） ： 792-796.