磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展--《成都大学学报(自然科学版)》2015年01期
磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展
【摘要】：磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石、α/β-磷酸三钙和两者按不同比例组成的混合物.近年来,磷酸钙生物陶瓷已经被大量应用于医学临床上,其在牙科、整形外科和骨科等领域中都有重要的应用价值,而其骨诱导机制也是研究者们一直在探索的难题.对磷酸钙生物陶瓷骨诱导机制的研究进展进行系统全面地评价,并对其下一步的研究方向进行了讨论.
【作者单位】：
【关键词】：
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【分类号】：R318.08;TQ174.759【正文快照】：
0引言近年来,由于骨折、骨肿瘤,以及先天性骨缺损等病症所引起的患者骨缺损情况大量发生,因此在医学临床上,骨移植物被大量需求,而有限的人体骨供不应求,人工合成骨替代材料则应运而生,磷酸钙(Cal-cium phosphate,Ca-P)生物陶瓷就是其中的代表.Ca-P生物陶瓷是一类由羟基磷灰石
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专题2组织工程材料与人工器官---软组织修复与重；组织工程是指用生命科学与工程的原理构建一个生物装；组织工程三要素：种子细胞、支架材料、生长信息分子；(1)材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通；(2)在某些场合能防止细胞激活(如外科手术、防粘；(6)防止某一生物反应的攻布(在器官移植中，阻止；(8)支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，；(10)能
组织工程材料与人工器官---软组织修复与重建 组织工程是指用生命科学与工程的原理构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。 组织工程的基本原理和方法 组织工程三要素：种子细胞、支架材料、生长信息分子 二、组织工程材料―软组织修复与重建 1、组织工程材料应具备的条件
(1)材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最大限度地获取营养物、生长因子和活性药物分子；
(2)在某些场合能防止细胞激活(如外科手术、防粘连的场合)； (3)指导和控制组织的反应(促进某一组织反应，抑制其他反应) (4)促进细胞粘附及激活细胞(皮肤修复中成纤维细胞的粘附和增殖)
(5)抑制细胞的粘附和激活细胞(防止血小板粘附在血管上)：
(6)防止某一生物反应的攻布(在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞)。 (7)易于加工成三维多孔支架： (8)支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，并待成熟后能自行降解； (9)低毒、无毒、可消毒； (10)能够释放药物或活性物质如生长激素等。
2、生物降解材料：生物降解材料通常分为天然生物降解材料与合成生物降解材料。 天然生物降解材料：与细胞的相容性比较好
1)Ⅰ型胶原
2)氨基葡聚糖
4)聚羟基烷基酸酯
5)发展中的可降解材料
3、合成生物降解材料
合成降解材料则具有强度高、来源充足、易于加工等优点，被广泛应用于组织工程领域。 聚羟基乙酸及其共聚物
2)聚ε-己内酯
3)聚原酸酯和聚酐
5)聚氨基酸 4、组织引导材料 5、组织诱导材料 6、组织隔离材料 以下介绍组织工程支架的几种制备方法：
1)纤维连结法
2)溶剂浇铸和孔隙制取法
3)层压膜法
4)熔融膜压法
5)纤维增强法
6)相分离法
7)原位聚合法
四、细胞与材料的界面反应 1、细胞与材料界面反应的评价方法
1)细胞的粘附和扩散 最简单的测定方法分三步： ①将细胞分散到聚合物表面； ②进行细胞培养； ③在一定作用力下脱附那些贴附较弱的细胞，最后统计贴壁的细胞数。 2)细胞的迁移
3)细胞的聚集
4)细胞的功能 2、材料化学表面对细胞的影响 聚合物表面的化学组成对细胞的贴附和扩散有重要影响。 3、降解材料及一般聚合物表面修饰对细胞的影响 4、材料物理表面对细胞的影响
植入体微观形态对细胞生长有重要影响。 5、细胞与悬浮聚合物的影响 在组织工程中，有时需要贴壁细胞附着在聚合物微载体上：在人工肝支持装置中，微载体的表面性质对细胞生长具有重要影响。 组织工程另一重要研究领域是将细胞悬浮在微囊里，用囊膜来保护细胞不受抗体的攻击，这一方法己用于人工胰。 五、组织与细胞的微环境
它们之间的相互作用决定了细胞的定位、迁移和生长，组织微环境主要涉及三个方面，即：细胞要素、可溶性生长因子、胞外基质。 六、组织工程中的人工器官 组织工程可以分为两个方面： 第一方面，在体外用分离的细胞建造人工组织； 第二方面，在体内调整细胞的生长和功能，例如植入聚合物导管促使损伤的神经细胞生长并连接。 人工皮肤 2、人工肝支持装置 3、人工血液 人工神经 5、人工血管 6、人工胰 7、组织工程材料研究方向探讨
近年来组织工程的发展对医用材料提出了更高的要求：材料不应只是“惰性”植入体，还要能引导和诱导细胞组织器官修复再生。
硬组织修复与骨组织工程材料
一、生物活性陶瓷 生物活性陶瓷，是指能与活体骨组织、活体软组织形成化学键合的陶瓷材料。典型的生物活性陶瓷主要包括两类：一类是生物活性玻璃和玻璃陶瓷，另一类是磷酸钙基生物陶瓷。 1、生物活性玻璃陶瓷及其骨键合机制
1)生物活性玻璃
2)生物活性玻璃与骨的键合机制
玻璃陶瓷与活体骨组织键合，是通过在体内环境中玻璃陶瓷表面形成的磷灰石层实现的，玻璃陶瓷体相中的磷灰石相在键合形成中不起作用。在体内环境中形成表面磷灰石相，是通过玻璃陶瓷体相中的硅灰石和玻璃相降解，释放的Ca2+和HSIO3-间的反应完成的。
3)生物活性玻璃陶瓷
2、羟基磷灰石生物活性陶瓷及其骨键合
1)羟基磷灰石和磷灰石
2)羟基磷灰石生物活性陶瓷
3)HA生物活性陶瓷的生物学性能及其与骨键合
3、可降解生物陶瓷及其降解机制 材料的生物降解是指在生命体系中材料从形态上由整体分化成部分和化学成分上由复杂变成简单的过程。可降解生物陶瓷是一种暂时性的替代材料。
降解机制：可降解生物陶瓷植入体内后，将被体液溶解和组织吸收而导致解体。其生物降解和吸收通过下述机制进行： (1)生理化学溶解
(2)物理解体
(3)生物因素的作用主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷颇粒。 4、磷酸钙基骨水泥 5、生物活性陶瓷复合增强 二、钛合金的表面生物活化 1、医用全属表面生物活化原理
骨替换材料植入体内后，与骨组织的结合方式分为形态固定、生物固定、骨键合。后者也称生物活性结合。 上述各种方法的应用主要归纳为两类：
(I)在医用金属材料表面涂覆HA或其他磷酸盐涂层；
(2)针对钛和钛合金进行特有的生物活化处理，即在钛表面制备活性二氧化钛层。 三、金属植入材料的功能涂层 1、等离子喷涂羟基磷灰石涂层及其作用 2、电化学沉积磷酸钙涂层方法
1)电泳沉积
2)电化学结晶法
3)阳极氧化法：以待处理的金属为阳极，在―定组成的电解液中制备阳极氧化膜。 3、多孔钛涂层和生物固定
1)多孔钛涂层的种类
2)多孔钛涂层的生物固定作用
四、聚台物基骨替换复合材料
1、纤维增强高分子复合材料
2、钙磷增强高分子复合材料
五、骨衍生材料 由于天然骨具有优异的生物、力学等多种特性，合成材料难以全面满足要求。 1、骨支架材料 2、骨基质材料
1)脱钙骨基质(DBM)
2)脱蛋白骨基质
3)重组合异种骨基质 6、骨组织工程
骨组织工程，利用工程和生命科学的原理与方法，再生新的骨组织，以修复、替代病变缺损骨组织，或增进其功能的技术。
采用组织工程的方法构建新的骨组织，或恢复病变骨组织的功能，通常有三条以下途径：
(1)在生物材料支架上种植细胞，在体内或体外培养活体组织，随后将它们植入缺损或病变的部位；
(2)将骨生长生物化学信号分子(如生长因子)与控释载体材料复合，植入体内，诱导间充质细胞向成骨细胞分化，进而再生新骨；
(3)将骨组织细胞及其他生物活性物质，注入或移植到病变或骨缺损部位，以恢复病变组织功能，或再生新骨。
1、骨生长因子及其与支架材料的复合
1)骨生长因子概述
2)骨形态发生蛋白(BMP)
3)BMP复合材料
2、骨诱导材料及骨诱导材料体内成骨
1)骨诱导和骨传导
2)磷酸钙生物材料诱导成骨作用的机理 发生骨诱导必须满足三个条件： ①存在可分化为成骨细胞的间无质细胞(即靶细胞)； ②存在引导问充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信号，如骨生长因子； ③适当的成骨环境。 3、骨组织的三维立体培养及组织工程化骨替换材料
1)骨组织细胞的三维立体培养
2)骨组织工程支架材料
3)软骨的三维培养 4、软骨和骨组织工程进展
专题4 生物医用材料表面改性 生物材料必须具有良好的生物相容性：不引起生物体发生毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等的不良生物反应。 生物相容性取决于材料表面性质：材料表面成分、表面结构、表面形貌、表面能量状态、表面亲水性、表面电荷、表面导电性等。 一、表面形貌与生物相容性
表面平整光洁的材料与组织接触一段时间，周围形成的是一层较厚的、与材料没有结合的包裹组织。这种包裹组织由成纤维细胞平行排列而成，容易形成炎症和肿瘤。 控制材料表面的粗糙化主要合以下方法：
(1)用精密的机械加工方法在材料表面加工出约500μm尺寸的螺线、台阶和孔；
(2)用微机械和微刻蚀技术获得3μm-10μm深度且距离和形状均可精确控制的粗糙表面；
(3)用等离子体喷涂复型方法、离子束轰击方法，获得精确的表面显微形貌。 二、生物医用材料的表面修饰 制备出类似于生物体的表面结构，称为表面修饰。进行表面修饰有以下几种方法： 1)种植内皮细胞 2)涂布白蛋白涂层 3)聚氧化乙烯表面接枝 4)磷脂基团表面 三、等离子体表面改性
等离子体表面改性有三种类型：等离子体表面聚合、等离子体表面处理、等离子体表面接枝。 四、离子注入表面改性 五、表面涂层与薄膜合成 生物材料表面合成薄膜有两类，陶瓷薄膜和高分子薄膜。
1)生物陶瓷涂层
2)低温液相沉积
3)气相沉积 4)离子束薄膜合成
5)溶胶凝胶方法 原理：金属的烃基氧化物，在乙醇等挥发性溶液中，在酸催化剂作用下，水解，形成含有金属氧化物的薄膜，再加热处理形成晶态薄膜。 六、自组装单分子层
专题5 生物玻璃
生物玻璃的最大优点是具有很高的生物活性，快速与骨组织结合；但它的缺点是强度太低，目前仅用于涂层、颗粒和不受力的场合。 生物玻璃是软的玻璃，最后的形状尺寸由机械加工得到。 生物玻璃与骨组织结合的原理 生物玻璃与骨组织化学结合的本质是在体液中的化学反应，在生物玻璃表面发生的反应导致生成羟基磷灰石层，羟基磷灰石层则可直接与骨发生结合。
专题6 生物医用复合材料的研究进展及趋势 一、概述 定义：生物医用复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。 为什么要复合：利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能。 生物医用复合材料组分材料的选择要求：
生物医用复合材料根据应用需求进行设计：基体材料+增强材料或功能材料。 复合材料的性质取决于组分材料的性质、含量、组分间的界面。 生物医用组分材料必须满足下面几项要求： (1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象； (2)具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应； (3)具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能； (4)具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。 (5)生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制。
二、生物医用复合材料的种类
1、陶瓷基生物医用复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过引入颗粒、晶片、晶须、纤维等增强体材料或者生物活性材料而获得的一类复合材料。 2、高分子基生物医用复合材料
3、金属基生物医用复合材料
金属材料与机体的亲和性、生物相容性较差，在体液中存在材料腐蚀、渗出离子等问题。 三、生物医用复合材料的研究趋势与展望
1、整体材料性能按梯度变化 2、生物医用复合材料研究与生物材料的生理活化研究相结合
3、生物医用复合材料研究与仿生材料研究相结合
4、生物医用复合材料研究与组织工程材料研究相结合
专题7 人工心瓣膜 机械式瓣膜的特点： （1）使用寿命长，适合年轻的患者使用； （2）尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力仍然低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血。 生物瓣膜的特点和适应症： (1) 生物瓣膜使用寿命较短，血液回流比机械瓣大； (2) 相对来讲，生物瓣膜抗凝血性能优于机械瓣，因此适合于年老的患者，或不能长期服用抗凝血药物的患者。 机械式瓣膜材料选用金属钛、聚合物、碳纤维等制作，表面有涂层。
生物瓣膜用猪或牛心包，采用生物固定技术，经交联处理后制得。固定交联剂一般采用戊二醛。因此存在戊二醛渗出的毒性问题和寿命短问题，优点是生物相容性优于机械式瓣膜的涂层，不用服抗凝血药物，适合于老年人。 生物瓣膜质量的关键是交联。 机械式瓣膜需要进一步开发优良涂层，生物瓣膜需要更好的交联剂，第三个方向就是用组织工程制备心脏瓣膜。
专题8 纳米的小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
（ 1 ） 特殊的光学性质
（ 2 ） 特殊的热学性质
（ 3 ） 特殊的磁学性质
（ 4 ）特殊的力学性质
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
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