磷酸钙生物材料固有骨诱导性的研究现状与展望

磷酸钙陶瓷因与骨的无机组成相似,具有良好生物相容性和骨引导性,无抗原性,被广泛应用于骨缺损修复,但一直认为磷酸钙陶瓷是一类仅具有骨引导性,而无骨诱导性的生物活性材料。大量研究表明通过材料自身组成和结构优化,可赋予磷酸钙陶瓷骨诱导性。本文对磷酸钙骨诱导现象发现和确证、骨诱导过程和机制、影响骨诱导性的材料学因素和骨诱导与动物种属关系、骨诱导相关的间充质细胞来源、以及骨诱导性材料的应用研究现状进行综述,并对磷酸钙生物材料骨诱导性及相关的研究方向予以展望。     

骨诱导性双相磷酸钙陶瓷的研究与应用

背景：双相磷酸钙陶瓷是由羟基磷灰石和β-磷酸三钙两相成分构成的陶瓷,其化学组成与骨组织的无机成分相似,目前体内外研究表明双相磷酸钙陶瓷除具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性以外,还具有骨诱导性,因此有望成为理想的骨替代材料。然而,双相磷酸钙陶瓷骨诱导的影响因素及相关机制尚不明确。 目的：综述影响双相磷酸钙陶瓷骨诱导性的因素及机制。 方法：应用计算机检索Ovid Medline和PubMed数据库中1985年1月至2013年1月关于双相磷酸钙陶瓷骨诱导性的文章,在标题和摘要中以“bone graft substitutes, biphasic calcium phosphates, osteoinduction”为检索词进行检索。选择文章内容与双相磷酸钙陶瓷的骨诱导性有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志的文章,最终选择34篇文献进行综述。 结果与结论：综合相关文献发现双相磷酸钙陶瓷的化学组成通过影响钙磷的降解和再沉积速率,进而影响其骨诱导性的发挥;同时双相磷酸钙陶瓷的物理结构通过影响骨形成相关蛋白的吸附、血管生成、组织长入、局部微环境并进一步诱发干细胞的骨向分化来影响双相磷酸钙陶瓷的骨诱导性;另外双相磷酸钙陶瓷植入动物的种属,植入部位及植入体大小也可对其骨诱导性产生影响。因此通过对双相磷酸钙陶瓷骨诱导性影响因素及相关机制的研究可为制备具有稳定骨诱导性的骨替代材料提供依据。     

脂肪间充质干细胞复合骨诱导性磷酸钙陶瓷支架的异位成骨CSCD

背景:生物材料的骨诱导现象已经在多种动物实验中被证实。目的:考察磷酸钙陶瓷自身固有的诱导骨生成能力在其作为骨组织工程支架时的表现。方法:取健康家犬10只,在每只的背部肌肉内分别植入骨诱导性磷酸钙陶瓷与自体脂肪间充质干细胞复合物、非骨诱导性磷酸钙陶瓷与自体脂肪间充质干细胞复合物、骨诱导性磷酸钙陶瓷及非骨诱导性磷酸钙陶瓷,植入后8,12周,取出植入材料及其周围组织进行Micro-CT检测和组织形态学检测,评价成骨情况。结果与结论:组织学观察结果显示,骨诱导性磷酸钙陶瓷组及骨诱导性磷酸钙陶瓷与自体脂肪间充质干细胞复合物组均有有异位骨生成,并且骨诱导性磷酸钙陶瓷与自体脂肪间充质干细胞复合物组的成骨量显著大于骨诱导性磷酸钙陶瓷组(P<0.05);其余两组均无异位成骨。Micro-CT检测结果与组织形态学检测结果一致。结果表明骨诱导性磷酸钙陶瓷作为骨组织工程支架材料有明显的成骨优势,而脂肪间充质干细胞作为种子细胞对异位成骨有明显的促进作用。     

磷酸钙支架材料促血管生成影响的研究

支架材料对血管生成的诱导作用可以提高成骨的容积以及骨组织移植的成功率,所以血管生成是骨组织形成的先决条件之一。如何在支架材料中构建血管网络或在材料诱导成骨中促进血管的生成,已经在世界范围内广泛开展。研究表明,磷酸钙作为骨组织工程研究中最常用的支架材料,可以通过结构优化赋予其良好的骨传导性和骨诱导性,但磷酸钙支架的应用研究还没有充分认识到其在血管生成方面的影响和所起的关键作用。综述磷酸钙支架材料对血管生成的影响,并强调其在骨组织工程中促血管生成的重要性。     

在不同动物肌肉中磷酸钙陶瓷表面类骨磷灰石的形成研究

磷酸钙陶瓷材料植入动物体内后其表面类骨磷灰石层的形成对骨的形成有非常重要的作用，并被认为是骨诱导发生的先决条件。我们将相同大小的孔壁有微孔的多孔材料和致密磷酸钙陶瓷材料植入猪，狗、兔和鼠的背肌或腿肌内，研究陶瓷表面类骨磷灰石的形成，以了解类骨磷灰石层的形成与骨诱导的联系。结果表明：磷酸钙陶瓷材料植入动物的肌肉内14d后，狗，兔和鼠体内的多孔材料孔隙内表面（包括陶瓷表面较深孔隙）有一层类骨磷灰石层形成；植入猪体内的多孔材料内外表面都形成了一层类骨磷灰石，致密材料在几种动物体内都未观察到类骨磷灰石层形成，类骨磷灰石层形成的快慢次序与动物组织学观察到的在不同动物的肌内骨诱导性高低的次序不一致。证实了类骨磷灰石层的形成的确是骨诱导的先决条件。但还有其它因素影响骨诱导的发生。     

诱导多能干细胞在骨外科组织再生修复中：如何尽快实现临床应用？

背景：干细胞结合替代材料修复骨科组织缺损具有良好的应用前景,其中诱导多能干细胞有着比其他干细胞更优的来源及细胞特性,已成为干细胞领域的研究热点。 目的：综述诱导多能干细胞的研究历史、制备方法、细胞特性及目前在骨科领域的研究进展。 方法：利用计算机检索中国知网、PubMed等数据库1999至2014年间关于诱导多能干细胞及其应用于骨科领域研究的文献,选取具有代表性、创新性的研究成果进行内容论证。 结果与结论：研究表明诱导性多能干细胞在骨组织修复工程中表现出了相当有应用前景的优势,诱导性多能干细胞与各种支架材料都有着良好的相容性,在不同的支架中都保持着良好的成骨分化潜能。软骨再生方面的各种检测技术、小分子化合物等已逐步被发现,但如何有效地将诱导性多能干细胞向软骨方向诱导分化并实现临床应用仍需进一步研究。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞;骨髓干细胞;造血干细胞;脂肪干细胞;肿瘤干细胞;胚胎干细胞;脐带脐血干细胞;干细胞诱导;干细胞分化;组织工程     

HA/TCP双相陶瓷肌内长期植入诱导成骨的实验观察

通过肌内长期植入研究了Ca-P生物材料骨诱导性及诱生新骨的生长状况。HA／TCP多孔陶瓷植入狗背部肌内15月后，植入体为一层很薄的纤维结缔组织膜包裹。3种形态的组织，即间充质组织，骨和骨髓在植入体内部孔中有规律地分布：植入体内部所有的孔中都有骨组织存在；但中部内孔中的骨为较成熟的板状骨，有明显的骨陷窝，已形成髓腔和骨髓，边缘外孔中的骨组织为未成熟的编织骨，与间充质组织相连，无髓腔和骨髓形成，这表明HA／TCP具有骨诱导性，在非骨环境中确实能够诱导成骨，而且，各种组织有规律地分布在植入材料孔中，表明植入体内部骨组织形态的发生和发展遵循特定的时空顺序。     

镁黄长石浸提液诱导多潜能干细胞的成骨分化

背景：镁黄长石属于硅酸盐生物活性陶瓷,在生物体内具有降解作用,降解溶出的离子产物能够诱导细胞成骨分化,是组织工程骨支架材料的良好选择。目的：通过研究不同浓度的镁黄长石浸提液对诱导性多潜能干细胞增殖和成骨分化的影响,确定镁黄长石浸提液促进诱导性多潜能干细胞成骨分化的最佳浓度。方法：将诱导性多潜能干细胞培养于不同浓度的镁黄长石浸提液中,用MTT法检测细胞的增殖情况;在第7,14,21天时,分别收集培养上清液,检测其中碱性磷酸酶、骨钙素、Ⅰ型胶原蛋白含量。结果与结论：镁黄长石浸提液促进诱导性多潜能干细胞增殖的作用具有时间依赖性,第3天时,诱导性多潜能干细胞增殖明显,第5天与第3天相比差异无显著性意义,至第7天时则明显减弱。同时,1/4浓度浸提液组促进诱导性多潜能干细胞增殖作用最强。作为细胞成骨分化标志的碱性磷酸酶和骨钙素含量随时间增加而增加,1/4浸提液浓度组含量最高。作为细胞成骨分化早中期标志的Ⅰ型胶原蛋白在第7天时各组均未检出,第14,21天时,同样是1/4浓度浸提液组含量最高,这些说明镁黄长石浸提液中的Ca、Mg、Si离子参与了诱导性多潜能干细胞的成骨分化,其中1/4浓度浸提液(Ca离子2.37 mmol/L、Mg离子1.12 mmol/L、Si离子1.05 mmol/L)促进诱导性多潜能干细胞体外成骨分化的效果最好。中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞;骨髓干细胞;造血干细胞;脂肪干细胞;肿瘤干细胞;胚胎干细胞;脐带脐血干细胞;干细胞诱导;干细胞分化;组织工程全文链接：     

亚微米拓扑结构磷酸三钙陶瓷的研制及骨诱导性能

背景：人工合成的磷酸钙陶瓷材料与天然骨组织无机成分相似,通过表面形貌和化学组成进行功能化设计可赋予其优异的骨传导和骨诱导性能,研发具有骨诱导性能的磷酸钙陶瓷材料是目前的研究热点。目的：通过材料形貌调控和功能化设计赋予亚微米拓扑结构磷酸三钙陶瓷骨诱导性能,检测其理化性能及骨诱导性能。方法：采用高温烧结法制备亚微米拓扑结构的磷酸三钙陶瓷,以市场可供商品化的骨修复材料Bio-Oss骨粉为对照组,表征两种材料的表面形貌、蛋白吸附能力及体外矿化性能。将第3代人牙周膜干细胞与两种材料浸提液共培养,采用CCK-8法检测细胞增殖,茜素红染色检测细胞矿化性能;将第3代人牙周膜干细胞分别接种至两种材料表面,采用碱性磷酸酶染色检测早期成骨,qR T-PCR检测成骨相关因子的表达。结果与结论：(1)扫描电镜下可见两种材料均具有颗粒状纹理的微孔表面,Bio-Oss颗粒明显小于磷酸三钙陶瓷,两种材料的总孔隙度、大孔隙度和微孔隙度相似,磷酸三钙陶瓷主要为亚微米级孔隙,晶粒粒径100 nm-1.0μm,Bio-Oss骨粉主要为纳米级孔隙;体外矿化实验显示,磷酸三钙陶瓷表面诱导骨磷灰石沉积的能力强于Bio-Oss骨粉;...     

羟基磷灰石基人工骨的研究进展

目的 研究羟基磷灰石基人工骨作为最有发展前途的生物硬组织替代材料之一，在生物医用材料和医学研究领域的应用。方法制备具有良好生物相容性、力学性能、骨诱导性与治疗功能的羟基磷灰石基人工骨，用于人体骨组织的缺失的修复，及相关疾病的治疗。结果通过制备性能优良的羟基磷灰石粉体，结合纳米技术、组织工程技术和生物技术将不同材料通过合适的方法组合成羟摹磷灰石人工骨，从而获得良好的临床应用性能。结论从临床角度，综合了国内外近十年相关文献的基础上，评述了羟基磷灰石人工骨的研究进展。     

Recent advances in gene delivery for structural bone allografts

In this paper, we review the progress toward developing strategies to engineer improved structural grafting of bone. Three strategies are typically used to augment massive bone defect repair. The first is to engraft mesenchymal stem cells (MSCs) onto a graft or a biosynthetic matrix to provide a viable osteoinductive scaffold material for segmental defect repair. The second strategy is to introduce critical factor(s), for example, bone morphogenetic proteins (BMPs), in the form of bone-derived or recombinant proteins onto the graft or matrix directly. The third strategy uses targeted delivery of therapeutic genes (using viral and nonviral vectors) that either transduce host cells in vivo or stably transduce cells in vitro for subsequent implantation in vivo. We developed a murine femoral model in which allografts can be revitalized via recombinant adeno-associated virus (rAAV) gene transfer. Specifically, allografts coated with rAAV expressing either the constitutively active BMP type I receptor Alk2 (caAlk2), or the angiogenic factor vascular endothelial growth factor (VEGF) combined with the osteoclastogenic factor receptor activator of NF-kappa B ligand (RANKL) have remarkable osteogenic, angiogenic, and remodeling effects that have not been previously documented in healing allografts. Using histomorphometric and micro computed tomography (muCT) imaging we show that rAAV-mediated delivery of caAlk2 induces significant osteoinduction manifested by a mineralized callus on the surface of the allograft, which resembles the healing response of an autograft. We also demonstrate that the rAAV-mediated gene transfer of the combination of VEGF and RANKL can induce significant vascularization and remodeling of processed structural allografts. By contrast, rAAV-LacZ coated allograft controls appeared similar to necrotic allografts and lacked significant mineralized callus, neovascularization, and remodeling. Therefore, innovations in gene delivery offer promising therapeutic approaches for tissue engineering of structural bone substitutes that can potentially have clinical applications in challenging indications.     

Osteoinduction of porous bioactive titanium metal

This is the first report of bone induction in a non-osseous site by titanium metal, which has long been recognized as a non-bioactive material. After undergoing specific chemical and thermal treatments, porous bioactive titanium induced bone formation without the need of additional osteogenic cells or osteoinductive agents. Four types of titanium implants were implanted in the dorsal muscles of mature beagle dogs, and were examined histologically after periods of 3 and 12 months. Chemically and thermally treated titanium, as well as pure titanium, was implanted either as porous blocks or as fibre mesh cylinders. Bone formation was found only in the chemically and thermally treated porous block implants removed after 12 months. The present study shows that even a non-soluble metal that contains no calcium or phosphorus can be an osteoinductive material when treated to form an appropriate macrostructure and microstructure. This finding may elucidate the nature of osteoinduction, and lead to the advent of epochal osteoinductive biomaterials for tissue regeneration.     

Recent advances and current developments in tissue scaffolding

A bio-scaffold can be broadly termed as a structure used to substitute an organ either permanently or temporarily to restore functionality. The material that can be used varies with the application intended. Tissue engineering is one such application demanding certain requirements to be met before it is applied. One of the applications in tissue engineering is the tissue scaffold, which provides either a permanent or temporary support to the damaged tissues/organ until the functionalities are restored. A biomaterial can exhibit specific interactions with cells that will lead to stereotyped responses. The use of a particular material and morphology depends on various factors such as osteoinduction, osteoconduction, angiogenesis, growth rates of cells and degradation rate of the material in case of temporary scaffolds, etc. The current work reviews the state of art in tissue scaffolds and focuses on permanent scaffold materials and applications with a brief overview of temporary scaffold materials and their disadvantages.     

构建人工椎间盘组织工程支架

背景：组织工程技术的发展为已退变椎间盘功能的恢复提供了可能。 目的：综述椎间盘组织工程中支架的研究进展。 方法：由第一作者检索PubMed 数据库中1990-01-01/2012-12-31 有关椎间盘组织工程中支架的文献,以 “tissue engineering, intervertebral disc, scaffold”为检索词。 结果与结论：支架材料是组织工程研究中的一项重要组成部分。椎间盘纤维环支架材料有3大类,包括天然生物材料、人工合成材料及复合材料。椎间盘纤维环支架材料种类繁多,各有优缺点,尚无公认的最合适的支架材料,支架材料选择仍需进一步的实验研究。纳米级生物材料是研究发展的一个必然趋势,另外,利用仿生学原理,在模拟人椎间盘组织的过程中对支架材料进行改进同样是一个发展趋势;此外,可注射型支架同样是另一个研究热点,可注射型支架材料的选择范围主要集中在壳聚糖、Ⅱ型胶原、透明质酸、纤维蛋白、弹性蛋白、藻酸盐身上,目前将壳聚糖作为支架的研究相对较多。     

纳米生物材料及其表面对成骨细胞生物学行为影响的研究进展

骨组织工程是再生医学的重要组成部分，支架材料和种子细胞是其关键。近年来，随着纳米技术等相关学科的发展，在骨组织工程领域，研究人员对成骨细胞株的选择和培养、纳米材料的元素组成、表面形态、表面粗糙度及表面改性等方面进行了大量研究，并在纳米材料对成骨细胞生物学行为的影响方面取得了重要的研究成果和进展，本文对近年来在该领域内的研究进展作一综述。     

Investigation as to the osteoinductivity of macroporous calcium phosphate cement in goats

For bone formation in critical-sized or poor healing defects, osteoinductive behavior of synthetic bone grafts is crucial. Although the osteoconductive behavior of calcium phosphate (CaP) cement is generally accepted, its osteoinductive potential is less reported. In this study, osteoinduction of porous CaP cement was investigated. Four goats received each six subcutaneous placed prehardened porous CaP cement implants. Implantation time was 3 and 6 months. After explantation, histological evaluation and scoring with a histological grading scale for soft-tissue implants were performed. The histological sections revealed that the implants degraded for more than 50% over time. The implants had lost their macroporous structure from 3 months on. A medium-thick fibrous capsule with a few inflammatory cells surrounded the implants after 3 months. This capsule significantly decreased in thickness after 6 months. Throughout the implant ingrowth of fibrous tissue was seen with scattered foci of inflammatory cells. Cement particles were surrounded by a layer of inflammatory cells. The massive inflammatory response in the interstice was seen after 3 months, which disappeared after 6 months implantation. No bone formation was detected in any of the specimens. The fast degradation and thereby collapsing of the porous structure of our CaP cement implant might have prevented osteoinduction.     

透明质酸在骨组织工程研究中的应用现状

背景：用组织工程学方法促进骨组织再生,是近年来骨缺损修复的研究热点。支架材料是骨组织工程研究的重要内容。 目的：分析透明质酸作为骨组织工程支架材料的应用进展。 方法：对CNKI、PubMed数据库进行文献检索,以“透明质酸,骨”为中文检索词、“hyaluronic acid, bone“为英文检索词。提取文献进行透明质酸作为骨组织工程支架材料的应用研究的分析。分析了透明质酸的物理特性,透明质酸在骨组织工程中的应用,以及相关文献的发表情况。 结果与结论：透明质酸是一种重要的细胞外基质,透明质酸及其衍生物有优良的特性,是构建组织工程支架的优良材料,且可作为生长因子及细胞的输送载体。国家自然科学基金是资助透明质酸作为骨组织工程支架材料的应用的相关文献最多的基金,湖北中医学院、解放军总医院、广州中医药大学、华南理工大学发表相关文献较多。近年透明质酸在骨组织工程上的应用研究引起了越来越多的关注,但其临床研究较少。     

Synthetic thermoreversible polymers are compatible with osteoinductive activity of recombinant human bone morphogenetic protein 2

Recombinant human bone morphogenetic protein 2 (rhBMP-2) is currently in clinical studies as part of an implantable device that contains a biomaterial carrier. Implant retention of rhBMP-2 by the biomaterial carrier is important for the osteoinductive activity. To control in situ retention of rhBMP-2, thermoreversible polymers were synthesized and characterized, and their compatibility with rhBMP-2-induced osteoinduction was investigated. The results indicated that polymers with a controlled "solubility <--> insolubility" transition temperature could be prepared from N-isopropylacrylamide, ethylmethacrylate, and N-acryloxysuccinimide (NASI). NASI-containing polymers were able to conjugate to rhBMP-2 without additional cross-linkers. Implantation in the rat ectopic model, where alkaline phosphatase and calcium deposition were utilized as markers of osteoinductive activity, indicated that rhBMP-2 mixed with the polymers were effective for osteoinduction. Moreover, rhBMP-2 conjugated to the chosen polymers was as effective as native rhBMP-2 in inducing ALP activity and calcium deposition. We conclude that thermoreversible polymers are compatible with rhBMP-2-induced osteogenesis and can serve as novel biomaterials for rhBMP-2 delivery.