人造骨头与高分子材料

1.人造骨发展历史

1971年人们发现海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，开始应用原始珊瑚碳酸钙作为植骨材料。但珊瑚骨质地脆，吸收快，在骨缺损处只具有支架和骨引导作用，而无骨诱导能力，单纯珊瑚植入机体后有一定的体积丧失。

  由仿生思想的启示，1986年，美国齿科协会科学家L. C. Chow 和W. E. Brown发明了磷酸钙骨水泥，但羟基磷灰石因其强度和韧性较低，使其使用范围受到限制，如何提高其性能便成了研究的热点，羟基磷灰石/胶原类骨仿生复合材料登上舞台，胶原的加入使人工骨更加贴近人体天然骨成分。

近年来，除了应用于骨修复和替代的人工骨，应用于骨髓炎、骨缺损和预防人工关节感染等方面人工骨的开发不断展开，载药人工骨具有药物载体和修复骨缺损的双重作用，主要分为羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥、生物玻璃等，前两者已逐步应用于临床研究及治疗中，生物玻璃是最近比较新的材料。

2.人造骨的分类

无机材料

使用较多的材料有磷酸钙生物陶瓷、氧化硅生物玻璃、羟基磷灰石等。这些作为植入物能满足人工骨的一般要求，但其机械性能较差，硬而脆，易断裂。

有机材料

有机材料是从动物结缔组织或皮肤中提取的，是进过特殊化学处理的蛋白质物质。由于其中含有某些成骨因子，因而具有较好的诱导成骨能力。

(1) 胶原

Nehrers 等用UV交联胶原海绵进行软骨组织工程的研究，显示支架支持细胞生长的效果良好。实验证明,胶原支架是一种可移植的、安全且能够支持软骨细胞生长的基质材料。

(2) α- 聚酯

α- 聚酯为人工合成的有机高分子材料,其中研究较多且结果较理想的材料主要有聚乳酸(polylacticacid ,PLA) 、聚乙醇酸(polygiycolic acid ,PGA) 、聚乳酸- 乙醇酸共聚物( PL GA)Vacanti 等首先将PGA、PLA 用作软骨细胞体外培养基质材料，通过组织工程方法获得新生软骨成功。目前最常用的方法是将天然材料的某些重要氨基酸序列接在合成聚合物的表面。

(3) 骨生长因子

骨生长因子是由骨细胞产生，分泌到骨基质中的一些多肽，它们在骨组织的修复和形成过程中起着重要的调控作用。随着基因工程技术的发展，许多骨生长因子如BMP、bFGF 等已能通过人工基因重组产生。现在急需解决的问题主要有:

(1) 弄清各种生长因子各自的生物学特性以及多种生长因子联合应用时的成骨效应、释放顺序等;

(2) 选择出最理想的骨生长因子的释放方式;

(3) 对其应用的安全性、功效及可靠性建立明确的定义及期望, 以便尽早应用于临床。

复合材料

由于无机材料不易被吸收，尤其是经高温灼烧的无机材料，植入后与周围组织的界面长期存在；而有机材料虽然诱导成骨性能较好，但植入早期缺乏足够的力学强度，且提取量较少；因而人工骨的研究趋向有向复合材料发展，即使材料含有有机和无机两种成分，使之兼具二者的优点。

1) 磷酸钙复合人工骨　主要包括TCP 及HA 与胶原、骨生长因子等复合人工骨。β- TCP/ rhBMP - 2 具有良好的骨诱导作用，是一种较理想的骨移植替代材料。

2) 聚合物复合人工骨　生物降解聚合物是近年生物材料研究领域中的一个热点，通过技术加工可合成各种结构形态，一定的生物降解特性的各种聚合物。

3) 红骨髓复合人工骨 骨髓(Bone marrow ,BM)由造血系统和基质系统 两部分组成。人和动物健康红骨髓的基质细胞中含有定向性骨祖细胞(DOPC) 和可诱导性骨祖细胞( IOPC) 。DOPC 具有定向分化为骨组织的 能力，IOPC 在诱导因子(如BMP) 作用下才能分化成骨。Grundel 等采用TCP(占40 %) 和HA (占60 %) 。bFGF 能刺激骨髓细胞的增殖，OP - 1 能增加AL P 的活性及刺激新生骨形成，并能促进骨髓细胞的分化。

人造骨向活性发展：

1.能生长的人造骨骼    

        活的骨骼是一种复杂的材料。 尽管经常被溶解与更新，但还必须像三维结构网络一样发挥着机械功能。培育人造骨骼的努力已经仅仅集中在补充矿物质的组织上，但是没有能力控制形成的羟磷灰。

2.生物降解泡沫活骨   

   多伦多的生物医学专家约翰·戴维斯和他的同事们利用改造的生物降解泡沫材料，成功地研制出了一种可用于骨骼移植手术的人造骨。他们用生物降解泡沫材料为病人做了一个需修补部位的骨架模型．模型上布满了无数个与人体软骨组织类似的微孔，然后在微孔中植入骨骼生长细胞．这种人造骨骼模型一旦被植入人体，其中的骨骼生长细胞可按骨架方向生长形成新骨．并能被人体很好地吸收．从而达到修补骨骼的目的。