骨是人體內(nèi)最重要的結(jié)締組織之一,在維持人體正常活動、保護(hù)體內(nèi)器官、產(chǎn)生血液細(xì)胞等方面發(fā)揮著不可替代的作用。
骨骼雖然堅硬,但有時也會遭受損傷,如:由創(chuàng)傷、年老骨脆或疾病引起的骨折,還有意外、先天殘疾等引起的大面積骨組織缺損等。這些損傷僅靠骨組織的自我修復(fù)很難愈合,必須通過修復(fù)重建手術(shù)來恢復(fù)其形狀和功能,而這個過程需要借助骨修復(fù)與替代材料,并產(chǎn)生較大的醫(yī)用消費。那么,有沒有一類骨修復(fù)材料能夠做到性能更好,價格更低呢?
(資料圖)
圖1 常見骨缺損及其骨修復(fù)
過去,戰(zhàn)士們征戰(zhàn)負(fù)傷,通常會用珊瑚、象牙、金屬、人骨、動物骨、甚至木材來替代或幫助修復(fù)骨缺損。而這些就是最早期的骨修復(fù)與替代材料。
圖2 早期的骨修復(fù)與替代材料
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展,人們逐漸擁有了更好的骨修復(fù)與替代材料:
早期的人工骨修復(fù)材料屬于生物惰性材料,主要追求材料的理化特性與被替換的組織相匹配,并對人體產(chǎn)生最小的毒性反應(yīng),即“巋然不動”型;第二代人工骨修復(fù)材料出現(xiàn)于1960年代,稱為可生物降解或生物活性材料,這一代骨修復(fù)材料開始注重植入材料與人體之間的相互作用,追求良好的生物相容性或可觀的降解能力,即“相敬如賓”型;第三代人工骨修復(fù)與替代材料是既具有生物活性又可降解的生物材料,不僅能誘導(dǎo)新骨的生成,植入體還會隨之降解,即“此消彼長”型??山到馍锘钚蕴沾桑褪瞧渲械牡湫?。圖3 骨修復(fù)與替代材料的發(fā)展
第三代人工骨修復(fù)與替代材料具體好在哪里呢?這要從骨組織的構(gòu)成說起。
**骨組織是由特殊的細(xì)胞和蛋白纖維混合于水、無機(jī)鹽和碳水化合物所形成的膠凍狀的基質(zhì)中而構(gòu)成,由65%的無機(jī)鹽和約35%的有機(jī)物組成。**其中的無機(jī)物主要是磷酸鈣,因此磷酸鈣類生物陶瓷在骨修復(fù)方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。
目前,應(yīng)用最廣的磷酸鈣類生物陶瓷是羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)。磷酸鈣類陶瓷具有良好的生物相容性,植入體內(nèi)不僅安全、無毒,還可傳導(dǎo)骨生長。主要用于不承力部位的骨缺損修復(fù)與替換,如骨缺損腔填充、牙槽脊增高、耳聽骨替換及藥物釋放載體等。
圖4 部分羥基磷灰石陶瓷產(chǎn)品圖片
圖5 部分磷酸三鈣生物陶瓷產(chǎn)品圖片
那么,什么是“生物活性”呢?
1970年代初,美國的生物材料學(xué)家Larry Hench教授發(fā)現(xiàn)一種含硅的玻璃可以與骨組織形成骨性結(jié)合,并可誘導(dǎo)新生骨組織的形成,調(diào)控骨的發(fā)育和生長。他據(jù)此提出了“生物活性”的概念,自此開創(chuàng)了骨修復(fù)材料的新方向——生物活性陶瓷材料。
圖6 硅的存在對生長發(fā)育的重要性
在骨修復(fù)領(lǐng)域,生物活性主要指生物材料與活體骨產(chǎn)生化學(xué)鍵合的能力。人們通常把植入材料在生理或者模擬生理環(huán)境下能否誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石沉積,作為判定材料是否具有生物活性的判據(jù)之一。
硅酸鹽類生物活性材料在植入人體內(nèi)后,能夠在材料表面形成一層類骨羥基磷灰石,并通過這層類骨羥基磷灰石與骨組織形成牢固結(jié)合。因為擁有良好的生物活性,在骨骼修復(fù)、創(chuàng)口愈合、覆蓋修復(fù)材料甚至美容護(hù)膚高檔化妝品中,你都能見到硅基生物陶瓷粉體的身影。
既然磷酸鈣類陶瓷和硅基生物陶瓷都這么優(yōu)秀,讓它們強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手,性能會不會更強(qiáng)大?
科學(xué)家們正是這樣做的。近年來,他們更加聚焦于**“鈣-磷-硅系生物活性陶瓷”的開發(fā)和研究工作。比如硅磷酸鈣(Ca5(PO4)2SiO4,CPS)生物活性陶瓷——它擁有良好的生物相容性,在模擬生理環(huán)境下能誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石的快速形成。而且由于硅元素的加入,它獲得了比傳統(tǒng)的羥基磷灰石更優(yōu)異的骨長入能力及降解能力**,能夠完美地做到“花落草長、此消彼長”。
此外,鋅、鐵、鎂、鍶、銅等多種生物活性元素?fù)诫s的生物陶瓷材料也正在研究中。如果這些新型生物活性陶瓷能夠早日進(jìn)入臨床,無疑是傷者的福音。
目前,為了得到具有集生物安全性、生物相容性、骨誘導(dǎo)性和高力學(xué)強(qiáng)度一體的生物醫(yī)用陶瓷,為了賦予生物陶瓷更多優(yōu)異的功能,使其在機(jī)體內(nèi)實現(xiàn)更好的臨床功效,科研工作者仍在不懈努力。
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