骨组织工程支架的研究应用

常用骨组织工程支架

磷酸钙生物陶瓷支架人体骨骼的无机成分是磷酸钙，故磷酸钙生物陶瓷支架应用最广泛。在不同的磷酸钙中，大部分研究集中在羟基磷灰石（HA），β-磷酸三钙（β-TCP）或HA和β-TCP的双相磷酸钙（BCP）的混合物。Teixeira等用（80±3）%的HA和（20±3）%的β-TCP来制备BCP支架，有70%互连的孔隙率（68%孔隙是400μm，约3%为0.7μm），在免疫缺陷雄性小鼠骨缺损模型上成功完成了新骨形成。Woodard等制作的HA支架含有宏观孔隙和微观空隙的组合，通过观察宏观空隙（250~350μm）和微观孔隙（2~8μm）发现，含有2种空隙的支架新骨形成能力优于仅含有宏观空隙的支架。Tarafder等3D打印β-TCP支架烧结后，孔隙率>60%，能增加成骨细胞的活性，新骨形成加快，抗压强度达到（10.95±1.28）MPa。最近的研究表明，磷酸钙支架添加一些成分后，可以调节支架降解速率、致密程度、机械强度和生物相容性等。

0.5%的SiO2和0.25%的ZnO添加在β-TCP支架材料可让抗压强度增加2.5倍，细胞存活率增加92%以上。研究发现，这2个添加剂中的Zn和Si可提高Ⅰ型胶原COL1基因表达和细胞外信号调节激酶（ERK）的分泌，正调节血管生成，成骨细胞增殖，分化和形态发生。

生物玻璃可吸收支架生物玻璃的主要成分：Na2O约占45%，CaO占25%，SiO2约占25%和P2O5约占5%。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaF2、B2O3等，则可得到一系列有实用价值的生物玻璃，添加这些成分会出现不同的生物学效应。用这种生物玻璃来制造生物支架显示出优越性能。可吸收生物玻璃45S5，由许多不同成分组成，已经研究多年。在体外试验中，含70%孔隙率的多孔3D生物玻璃支架，孔径为300~400μm，显示在碳酸羟基磷灰石（HCA）表面显著提高成骨细胞活性；HCA表面若吸附蛋白和生长因子，在体内可促进新骨形成。研究显示，在介孔生物玻璃支架加入钴（Co），可以促进缺氧状态下骨髓间充质干细胞（BMSC）增殖、分化，分泌血管内皮生长因子（VEGF）、转录因子HIF-1α的表达和骨相关基因表达。

聚合物支架聚合物必须具有生物活性和生物可降解性才可以成为骨组织工程材料。骨组织工程常用的天然聚合物为胶原、纤维蛋白、藻酸盐、丝绸、透明质酸和壳聚糖。聚合物调整化学结构灵活地处理的优势。合成聚合物如聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚己内酯（PCL）降解产生的单体是机体内生化反应本来就有的物质，由生理途径很容易除去。某些聚合物，如聚富马酸丙二醇酯（PPF）显示出高抗压强度，可以和骨皮质相媲美，其降解时间可以被控制在很宽的范围内。

，聚合物支架体内试验显示强度退化速度很快，即使初始强度很高。某些聚合物的降解（PLA，PGA）的降解产物形成了一个局部酸性环境，可以引起组织反应，不利于新骨形成。

复合材料支架复合材料支架指那些由2个或更多不同的材料所构建的支架，如生物陶瓷和聚合物等。一个磷酸钙-聚合物复合材料支架，结合了磷酸钙和聚合物的优点，满足组织的机械和生理需要。聚合物可提高支架韧性和抗压强度，磷酸钙可提高支架的机械完整性和生物活性。用磷酸三钙和聚乳酸制作的复合支架，由孔隙相互连接的TCP支架表面涂有PLA构建，2种材料优势互补。由PGA/β-TCP（重量比1∶3）制作的三维多孔复合支架，采用溶剂浇铸和颗粒浸出法制备的支架孔隙率（88.4±0.7）%，孔径（483.3±113.6）μm，降解率（96.2±3.3）%，植入SD雄性大鼠，其降解时间为90d。HA/聚氨基甲酸酯（PU）复合支架，吸附牛血清白蛋白（BSA），牛血纤维蛋白原和胎牛血清（FCS）支架，也是较好的复合支架。

微型计算机断层扫描（MCT）重建研究表明，多孔HA/PU支架孔隙率（90±2）%，孔径200μm，用传统的盐析/相转化工艺制造。和对照组对比，虽然在血管长入方面差异无统计学意义，但支架的物理性能改善很大。甚至多孔BCP支架的表面改性与HA/PCL复合显示增加了2倍的抗压强度。聚合物/生物玻璃复合支架也应用于骨组织工程支架。胶原蛋白与生物活性玻璃的纳米复合材料在SBF中浸泡3~21d，ALP的表达增加，显示早期骨化。叶向阳等构建的多孔磷酸钙骨水泥负载利福平缓释微球，药物长期释放抗结核菌，支架修复骨缺损，可以用来修复结核性骨缺损。缓释PDGF-BB的纳米珍珠层/聚乳酸/纤维蛋白胶复合支架经研究，表明其能促进MC3T3-EI细胞黏附、生长、增殖和分化，是一种具有良好细胞生物相容性的支架材料。

金属支架金属具有较高的力学强度和优良的耐疲劳性。多孔金属支架主要是由钛（Ti）和钽（Ta）构建，已作为骨替代材料在临床使用多年。孔隙率17%~58%的多孔钛，孔径平均800μm，允许成骨细胞的附着和增殖。，与磷酸钙或聚合物支架相比，生物分子不能被集成到这些支架，而且不能生物降解。还有金属离子释放的问题。在生物活性金属的近期研究中，骨科生物降解金属支架，特别适用于承载应用材料的替代品。镁（Mg）作为骨组织支架材料在体内生物相容性等基础研究还处于早期阶段。Ambrose等制造的金属钽多孔支架负载妥布霉素生物可吸收缓释微球，植入兔桡骨缺损，闭合前用金黄色葡萄球菌污染植入物，和未被污染的对照，研究证实抗生素缓释系统预防感染成功率达到100%，植入物骨结合显著提高。

第3代支架磷酸钙支架对新骨形成和矿化作用显著，而骨诱导为第3代支架的典型特征。用不同的方法使磷酸钙支架具有骨诱导能力，包括添加其他化学成分修改支架，负载骨髓间充质干细胞和不同的生长因子如TGF-β、BMP结合和VEGF。60%孔隙率的Si-TCP/HA比80%孔隙率的多孔隙HA支架材料表现出较好的骨诱导性，这2种支架均同样接种骨髓间充质干细胞和异位植入免疫缺陷小鼠，研究发现成骨能力与2种材料组成和孔隙率有关。

磷酸钙支架负载细胞骨形成、矿化和骨诱导能力都不如自体移植，但在临床应用中，自体骨并不能满足移植骨需要。在骨替代材料方面，磷酸钙支架负载细胞认为是骨替代材料的金标准。BMSC接种（70±5）%孔隙率的多孔BCP（80±5wt%HA和20±5wt%β-TCP）和100%的β-TCP支架材料导致更高的骨形成相对于天然骨移植。Koob等用BMSC与人脐血管内皮细胞结合构建复杂的骨组织支架，当小鼠植入负载BMSC和人脐血管内皮细胞的脱钙处理的牛松质骨（异体骨），发现有复杂三维血管网生成。第3代骨组织工程的发展还通过支架负载生长因子、药物和基因载体来实现。

骨组织工程支架对生物分子的传递作用

骨组织工程支架可用于递送生物分子，以促进骨组织生成或对骨缺损进行修复。支架负载的生物分子是特定蛋白或生长因子，如转化生长因子-β（TGF-β）、BMP、胰岛素样生长因子（IGF）、成纤维生长因子（FGF）和VEGF。造骨原始细胞通过这些生长因子影响成长或分化成特定谱系，这些生长因子控制成骨、骨组织再生和细胞外基质的形成。，负载或结合不同的生长因子和其他生物分子是骨组织工程的特殊功能。如IGF有助于在需要骨愈合不同骨细胞的迁移，BMP诱导造骨原始细胞早期增殖和分化。在动物模型中，骨组织工程支架引入特定的生物分子能够促进骨折不愈合或延迟愈合骨折的愈合，支架和生物分子及生长因子的有效结合可以促进骨缺损修复。

骨组织工程支架中血管再生

正常骨组织高度血管化，骨支架的性能取决于其能够诱导新血管的形成的能力。在体内环境条件下，供给氧气和营养物质是支架内生长的细胞和组织生存必不可少的。支架植入后，伤口愈合炎症反应诱导自发形成血管，形成复杂的血管网络需要数周时间，VEGF可以诱导产生一个复杂的血管网络在支架里面。骨传导或骨诱导骨骨组织工程支架材料不能引起血管化。，不正确和不充分的血管通入氧气和营养缺乏，这可能导致不均匀的细胞分化和细胞死亡。

骨组织工程支架的设计

骨组织是一种胶原和羟基磷灰石的天然复合物，由10%~30%的多孔外层硬质（皮质骨）和30%~90%的多孔内部（松质骨）组成。从松骨皮质到骨松质骨的力学性能变化很大，并且微观伴随着复杂的几何形状。目前很难设计一个“理想的骨支架”用于骨组织工程的原因是：①需要有宏观孔隙（孔径>100μm）和微观孔隙（孔径<20μm），并且相连的开放孔隙用于体内组织内生长；②要有足够的机械强度、可控降解动力学、将适当的负荷转移到相邻的宿主组织；③灭菌、包装、运输、手术过程安全可靠，以及植入后在体内有生物活性；④要有利于细胞生长的环境。

骨组织工程支架的构建

三维（3D）互连多孔骨组织工程支架、固体无模成型（SFF）是应用最广泛的骨组织工程支架制造技术，成功用于制备聚合物、陶瓷、金属和复合骨组织工程支架。SFF是通过计算机辅助设计（CAD）后再于3D空间分层印刷的技术，即3D打印技术（3DP）。3DP是把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面，然后一层一层的打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体的立体模型，也称为增材制造。

3D打印技术的基本步骤是：先由计算机3D软件设计一个CAD文件，根据需要创建支架的几何形状和孔隙度，然后由3D打印机应用3D空间分层印刷技术，一层一层将材料构建成设计的几何形状。3DP技术通过熔融层积成型技术（FDM）、立体平版印刷技术（SLA）、选区激光烧结（SLS）、激光成型技术（DLP）和紫外线成型技术（UV）等实现将材料耗材向设计的空间结构几何形状转化。根据不同的材料采用不同的SFF技术。R&D3D陶瓷支架打印机（PA）的打印步骤是：先在沉积床上铺粉，然后打印机喷头在X、Y轴上做位移在粉末上喷粘合剂，等粘合剂干燥后，沉积床在Z轴向下移动一个层面，重复改过程，一层有一层直到一个3D多孔支架形成。

将喷头换成高能激光就是激光净成型技术（LENS），已被用于制作钛、钽及其合金多孔金属支架。逐层的设定烧结过程使用高功率激光器（500W，2kW）熔化金属粉末，基于CAD数据的三维结构，激光集中到一个金属衬底创建一个熔融金属池，金属粉末在哪里外部送入金属池。在X、Y轴上移动激光头形成一层，下一层是建立在之前的基础之上。然后重复这个过程直到支架整体产生，宏观结构，孔隙结构都可以由激光镜头控制。制作三维复合支架常见的方法还有热诱导相分离法（TIPS），溶剂浇铸/粒子侵出法，微球烧结法，支架包衣法，原位成型法等。静电纺丝法制造的聚合物支架也显示了很大的前途，聚合物溶液通过针头在电场下注入其中一个纺丝表面赋予形状的支架模型，制成所需要的支架立体结构。静电纺丝法主要设计用于制备聚合物支架，但陶瓷和聚合物复合材料也可以使用这种方法制备。