梯度复合羟基磷灰石二氧化锆组织工程骨应用现状及进展

中国组织工程研究第20卷第30期2015–07–15出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJuly15,2016Vol.20,No.30ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH4547邵荣学，男，1980年生，安徽省合肥市人，汉族，浙江中医药大学在读博士，主要从事骨组织工程材料、骨组织损伤与修复的研究。通讯作者：全仁夫，教授，博士生导师，杭州市萧山区中医院，浙江省杭州市311201中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)30-04547-07稿件接受：2016-05-05梯度复合羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨：应用现状及进展邵荣学1，黄小龙1，胡华辉1，全仁夫2，谢尚举2，李希3(1浙江中医药大学，浙江省杭州市310053；2浙江省萧山中医院骨科，浙江省杭州市311201；3上海大学材料科学与工程学院，上海市200072)引用本文：邵荣学，黄小龙，胡华辉，全仁夫，谢尚举，李希.梯度复合羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨：应用现状及进展[J].中国组织工程研究，2016，20(30):4547-4553.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.30.020ORCID:0000-0001-9263-2280(全仁夫)文章快速阅读：文题释义：羟基磷灰石：是一种生物活性材料，其结构与天然磷灰石矿物相近，具有与人体硬组织相似的结构和化学成分，是脊椎动物骨组织的主要无机成分，植入人体后，在体液作用下会被部分降解，释放出人体组织所必需的钙、磷元素并被人体组织吸收、利用，结合入新的组织，使羟基磷灰石植入物和人体骨组织获得良好的结合。二氧化锆：是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸，一般常含有少量的二氧化铪，化学性质不活泼，且具有高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂，亦是人工钻的主要原料。摘要背景：羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨可黏附成骨细胞、骨髓间充质干细胞及软骨细胞等多种细胞，诱导、促进骨折愈合或替代缺损骨质。目的：综述羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨的发展历史及应用。方法：应用计算机以“泡沫陶瓷、骨组织工程、骨形态发生蛋白、诱导性多能干细胞或porousbioceramic,bonetissueengineering,bonemorphogeneticprotein-2,inducedpluripotentstemcells”为检索词，检索CNKI和PubMed数据库1971年1月至2014年12月发表的关于羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨应用的文章，最终选择54篇文章进行综述。结果与结论：多孔羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨可引导新生骨组织长入三维孔隙内部，达到组织工程骨材料与自体骨组织的完美整合；用二氧化锆作为羟基磷灰石的增强体，通过调节材料的比例和孔隙率得到与人体骨弹性模量和断裂韧性均相似、结构相仿的高仿真人工骨材料；新型羟基磷灰石/二氧化锆泡沫陶瓷组织工程骨负载成骨诱导因子骨形态发生蛋白2壳聚糖凝胶缓释系统和iPSCs来源的骨髓间充质干细胞，可望明显提高其成骨性能和骨融合率。关键词：生物材料；骨生物材料；泡沫陶瓷；骨组织工程；骨形态发生蛋白；诱导性多能干细胞；组织构建主题词：组织工程；陶瓷制品；硬羟基磷灰石基金资助：浙江省科技厅计划项目(2012C33114)梯度复合羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨应用计算机检索检索CNKI和PubMed数据库1971年1月至2014年12月发表的关于羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨应用的文章中文检索词为：泡沫陶瓷、骨组织工程、骨形态发生蛋白、诱导性多能干细胞英文检索词为：Porousbioceramic,Bonetissueengineering,bonemorphogeneticprotein-2,inducedpluripotentstemcells共检索到文献1286篇.其中中文文献824篇，英文文献462篇纳入文献54篇排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献17篇探讨了羟基磷灰石的特性及应用，6篇探讨了二氧化锆的性能及其与羟基磷灰石复合制备的组织工程骨的应用，17篇讨论了骨形态发生蛋白2在组织工程骨中的应用，14篇分析了多能干细胞在组织工程骨中的应用及对未来的展望邵荣学，等.梯度复合羟基磷灰石/二氧化锆组织工程骨：应用现状及进展P.O.Box10002,Shenyang110180:QuanRen-fu,Professor,Doctoralsupervisor,DepartmentofOrthopedics,XiaoshanTraditionalChineseMedicalHospital,Hangzhou311201,ZhejiangProvince,ChinaHydroxyapatite/zirconiagradientcompositescaffoldsforbonetissueengineering:currentusesandperspectivesShaoRong-xue1,HuangXiao-long1,HuHua-hui1,QuanRen-fu2,XieShang-ju2,LiXi3(1ZhejiangChineseMedicalUniversity,Hangzhou310053,ZhejiangProvince,China;2DepartmentofOrthopedics,XiaoshanTraditionalChineseMedicalHospital,Hangzhou311201,ZhejiangProvince,China;3SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)AbstractBACKGROUND:Porousgradienthydroxyapatite/zirconiacomposite,whichcanadheretoavarietyofcells,suchasosteoblasts,bonemarrowmesenchymalstemcellsandchondrocytes,caninduceandpromotefracturehealingorreplacebonedefects.OBJECTIVE:Toreviewthedevelopmentandapplicationofporousgradienthydroxyapatite/zirconiacompositeinbonetissueengineering.METHODS:Articlesrelatedtoporousgradienthydroxyapatite/zirconiacompositeinbonetissueengineeringwereretrievedinCNKIandPubMeddatabases(1971-01/2014-12).Thekeywordswere“porousbioceramic,bonetissueengineering,bonemorphogeneticprotein-2,inducedpluripotentstemcells”inChineseandEnglish,respectively.Atotalof54articlesbasedoninclusioncriteriaandexclusioncriteriawereobtainedforthereview.RESULTSANDCONCLUSION:Porousgradienthydroxyapatite/zirconiacompositecanprovideascaffoldtoinducenaturallyformingbonegrowingtofillthethree-dimensionalpores,thusrealizingtheperfectintegrationoftissue-engineeredbonematerialandhost-bonetissue.Aszirconiafunctionsasanenhancerofhydroxyapatite,high-qualityartificialbonematerials,whichhaveelasticmodulus,fracturetoughnessandstructuresimilartohumanbone,canbepreparedbyadjustingtheproportionandporosityofmaterials.Additionally,thenewhydroxyapatite/zirconiafoamedceramicsastissue-engineeredbonecarryingbonemorphogeneticprotein-2/chitosangelsustainedreleasesystemandbonemarrowmesenchymalstemcellsderivedfrominducedpluripotentstemcellswillbeexpectedtoincreaseboneformationandbonefusionratessignificantlyinthefuture.Subjectheadings:TissueEngineering;Ceramics;DurapatiteFunding:thePlannedProjectofZhejiangProvincialDepartmentofScienceandTechnology,No.2012C33114Citethisarticle:ShaoRX,HuangXL,HuHH,QuanRF,XieSJ,LiX.Hydroxyapatite/zirconiagradientcompositescaffoldsforbonetissueengineering:currentusesandperspectives.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(30):4547-4553.0引言Introduction泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代，它是一种具有三维空间网状结构的高孔隙率的多孔陶瓷材料，最初主要用于高温熔融、合金过滤等，后来由于制备工艺的不断发展和改进，泡沫陶瓷的应用领域不断扩大，由热工、过滤等领域逐渐扩展到环境、隔热、吸音、光电、电子、传感、汽车制造及化学和生物领域[1]。泡沫陶瓷可分为开孔(网状)陶瓷材料及闭孔陶瓷材料两类，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷材料，其孔隙是相互连通的；如果存在固体壁面，其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔，则泡沫体称为闭孔陶瓷材料。复习文献发现，1971年Rhinelander等[2]率先把泡沫陶瓷植入成年杂种犬的胫骨平台，同时比较与金属材料的效果差异，术后4个月显示金属材料被新生骨组织及纤维组织包裹，而泡沫陶瓷与宿主骨、新生骨得到严密整合。Benum等[3]将泡沫陶瓷植入羊胫骨，术后3个月发现骨组织已长入泡沫材料内部达2.0-3.0mm，术后12个月可见材料内部4mm内布满新生骨组织，未发现材料相关并发症。同时，一些学者对泡沫陶瓷的组织相容性、机械特性等做了相关研究，结果显示组织相容性较好、机械特性有待进一步改善[4-5]。随后，泡沫陶