“C位”出道的第三代人工骨修复与替代材料——生物活性陶瓷-天天观焦点

来源: 科普中国 ┆ 时间: 2022-11-07 16:01:41

骨是人体内最重要的结缔组织之一，在维持人体正常活动、保护体内器官、产生血液细胞等方面发挥着不可替代的作用。

骨骼虽然坚硬，但有时也会遭受损伤，如：由创伤、年老骨脆或疾病引起的骨折，还有意外、先天残疾等引起的大面积骨组织缺损等。这些损伤仅靠骨组织的自我修复很难愈合，必须通过修复重建手术来恢复其形状和功能，而这个过程需要借助骨修复与替代材料，并产生较大的医用消费。那么，有没有一类骨修复材料能够做到性能更好，价格更低呢？

图1 常见骨缺损及其骨修复

(资料图片仅供参考)

过去，战士们征战负伤，通常会用珊瑚、象牙、金属、人骨、动物骨、甚至木材来替代或帮助修复骨缺损。而这些就是最早期的骨修复与替代材料。

图2 早期的骨修复与替代材料

随着现代医学的发展，人们逐渐拥有了更好的骨修复与替代材料：

早期的人工骨修复材料属于生物惰性材料，主要追求材料的理化特性与被替换的组织相匹配，并对人体产生最小的毒性反应，即“岿然不动”型；第二代人工骨修复材料出现于1960年代，称为可生物降解或生物活性材料，这一代骨修复材料开始注重植入材料与人体之间的相互作用，追求良好的生物相容性或可观的降解能力，即“相敬如宾”型；第三代人工骨修复与替代材料是既具有生物活性又可降解的生物材料，不仅能诱导新骨的生成，植入体还会随之降解，即“此消彼长”型。可降解生物活性陶瓷，就是其中的典型。

图3 骨修复与替代材料的发展

第三代人工骨修复与替代材料具体好在哪里呢？这要从骨组织的构成说起。

**骨组织是由特殊的细胞和蛋白纤维混合于水、无机盐和碳水化合物所形成的胶冻状的基质中而构成，由65%的无机盐和约35%的有机物组成。**其中的无机物主要是磷酸钙，因此磷酸钙类生物陶瓷在骨修复方面展现出了明显的优势。

目前，应用最广的磷酸钙类生物陶瓷是羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）。磷酸钙类陶瓷具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还可传导骨生长。主要用于不承力部位的骨缺损修复与替换，如骨缺损腔填充、牙槽脊增高、耳听骨替换及药物释放载体等。

图4 部分羟基磷灰石陶瓷产品图片

图5 部分磷酸三钙生物陶瓷产品图片

那么，什么是“生物活性”呢？

1970年代初，美国的生物材料学家Larry Hench教授发现一种含硅的玻璃可以与骨组织形成骨性结合，并可诱导新生骨组织的形成，调控骨的发育和生长。他据此提出了“生物活性”的概念，自此开创了骨修复材料的新方向——生物活性陶瓷材料。

图6 硅的存在对生长发育的重要性

在骨修复领域，生物活性主要指生物材料与活体骨产生化学键合的能力。人们通常把植入材料在生理或者模拟生理环境下能否诱导类骨羟基磷灰石沉积，作为判定材料是否具有生物活性的判据之一。

硅酸盐类生物活性材料在植入人体内后，能够在材料表面形成一层类骨羟基磷灰石，并通过这层类骨羟基磷灰石与骨组织形成牢固结合。因为拥有良好的生物活性，在骨骼修复、创口愈合、覆盖修复材料甚至美容护肤高档化妆品中，你都能见到硅基生物陶瓷粉体的身影。

既然磷酸钙类陶瓷和硅基生物陶瓷都这么优秀，让它们强强联手，性能会不会更强大？

科学家们正是这样做的。近年来，他们更加聚焦于**“钙-磷-硅系生物活性陶瓷”的开发和研究工作。比如硅磷酸钙（Ca5(PO4)2SiO4，CPS）生物活性陶瓷——它拥有良好的生物相容性，在模拟生理环境下能诱导类骨羟基磷灰石的快速形成。而且由于硅元素的加入，它获得了比传统的羟基磷灰石更优异的骨长入能力及降解能力**，能够完美地做到“花落草长、此消彼长”。

此外，锌、铁、镁、锶、铜等多种生物活性元素掺杂的生物陶瓷材料也正在研究中。如果这些新型生物活性陶瓷能够早日进入临床，无疑是伤者的福音。

目前，为了得到具有集生物安全性、生物相容性、骨诱导性和高力学强度一体的生物医用陶瓷，为了赋予生物陶瓷更多优异的功能，使其在机体内实现更好的临床功效，科研工作者仍在不懈努力。