复合或改性羟基磷灰石微球作为支架材料的研究进展

王哲，李毅，赵旭，倪世磊，卢金金，杨亚兰

(1.吉林大学口腔医院儿童口腔科,长春 130021； 2.吉林大学化学学院，长春 130021)

羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAp)，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，是一种天然矿物质，是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分[1]。HAp微球因具有优良的孔隙度、较大的比表面积、稳定的机械性能而被广泛用于细胞学、免疫学、微生物学、分子生物学等众多领域的诊断和治疗。由于HAp具有骨诱导性，常用于骨组织再生工程，是较为理想的替代牙齿或骨骼的新素材。HAp纳米颗粒的生物降解时间较长，这一特性对控制药物释放动力学至关重要。HAp控制的局部给药通过降低血液中药物的浓度，降低药物对其他器官的毒性，且可将药物浓度控制在既不达到毒性水平，又不低于最低有效浓度的范围，避免重复用药。故HAp可作为支架材料负载药物分子、蛋白、生物活性因子，广泛应用于缓释系统。但因HAp自身力学性能的制约存在强度低、韧性差和不易成型等缺点，为改进HAp弱点，解决HAp微球在应用过程中存在的问题，可采用表面改性或包覆、掺杂以及将HAp分散在其他基体中等措施对HAp微球进行功能化修饰，可优化其性能、扩大应用范围[2]。

目前能与HAp复合的材料包括金属、非金属、稀土元素、无机化合物、天然高分子材料以及人工高分子材料等几大类。现就近年来与HAp微球复合及改性材料的研究进展进行概述，为制备出更符合临床需求的HAp复合微球提供理论依据，使其能更好地应用于骨组织及牙再生工程。

1 HAp微球掺杂金属元素

掺杂是材料改性的重要手段之一，通过在某种材料或基质中掺入少量其他元素，从而改善材料或物质的性能，使其具有特定的价值或用途。通过掺杂对HAp微球进行改性，可以克服单一组分的HAp作为植入材料的不足，如抗菌性能、骨诱导能力等，进而增强抑菌功能，促进骨组织修复，减少抗炎药物的使用，提高新生骨的形成速度等。

1.1HAp掺锌 锌是人体内的一种金属元素，对骨骼结构和新陈代谢至关重要。锌对骨生长和矿化有刺激作用，通过抑制破骨细胞的活性和刺激碱性磷酸酯酶的活性减少骨再吸收。锌通过促进细胞增殖、成骨相关基因表达以及细胞外基质合成，促进骨形成和成骨反应[3]。Yu等[4]以磷酸盐作为有机磷源，通过微波-水热法合成锌掺杂介孔HAp微球。由结构单元为HAp纳米片组成的锌掺杂介孔HAp微球显示出分级的中孔空心结构和高比表面积，其保持了HAp的特性，有利于递送药物，同时又在HAp支架中引入微量元素提高了骨诱导潜力，促进成骨细胞增殖、成骨相关基因表达，进而促进骨再生，掺锌的复合微球可应用于骨组织工程[4]。

1.2HAp掺锶 生物材料掺入锶可提高骨再生潜能。Henriques Lourenço等[5]制备了直径为500 μm的掺杂锶的HAp微球用于大鼠干骺端股骨临界尺寸缺损的治疗，结果显示干骺端股骨中心和边缘骨形成增加，且锶可刺激更多的细胞定植，缺损中心厚胶原纤维沉积增加。锶离子的持续释放支持人间充质干细胞黏附、存活和成骨分化，并抑制破骨细胞分化和活性。锶的加入改善了骨诱导性能，提高了骨再生[5]。应用掺杂锶的材料是一种通过微创手术实现骨再生的有效方法。

1.3HAp掺铁 选择性掺杂二价和三价铁离子(Fe2+/Fe3+)可赋予纳米HAp(FeHAp)固有的超顺磁性，并增强成骨特性[6]。生物活性磁性材料通过按需释放生物活性因子或直接磁刺激指导骨再生过程。磁性生物材料的主要优势是增强间充质干细胞、成骨细胞的黏附和分化，通过磁场促进骨组织再生[7-8]。Fernandes Patrício等[9]制备了有功能化表面的新型杂化超顺磁性微球，其骨样组合物具有细胞相容性和成骨特性，此磁性杂化微球可作为生物活性药物递送系统。

2 HAp-非金属元素复合微球

2.1碳HAp 碳HAp是天然骨骼和牙齿的主要无机成分，相应的合成材料由于具有良好的生物相容性、生物活性和无毒性而被作为骨和牙齿的填充材料。Wang等[10]利用天冬氨酸和十二烷基硫酸钠作为空心模板，在大气压和相对低温(50 ℃)下采用一步仿生法合成中空碳HAp微球。中空碳HAp微球直径为2～4 μm，具有中空结构，由短针纳米颗粒构成，具有高载药量和缓释性的特点[10]。与碳HAp相比，中空碳HAp载辛伐他汀的缓释时间可达1 100 h，具有很强的药物递送应用潜力[10]。

2.2氟HAp 天然牙齿中HAp的存在形式为氟取代的HAp。氟HAp的热力学稳定性优于纯HAp，在预防龋齿方面有重要作用。除了高稳定性外，氟HAp还具有优异的生物相容性[11]。氟HAp可作为骨和牙齿替代材料。在口腔环境中，牙齿不断被细菌代谢的酸性产物或酸性食物侵蚀，因此牙齿替代材料的低溶解度和良好的耐酸性非常重要，以保护其不被腐蚀。岳雪涛等[11]采用纳米HAp粉体为原料，在醋酸钠缓冲液中制备氟HAp微球，通过调节缓冲液的pH值，改变微球样貌，得到氟HAp的空心结构、空心有核结构以及实心球结构。制备的氟HAp微球大小较为均匀，结构可控，可作为药物缓释载体材料及牙齿替代材料。

2.3硅HAp 硅是骨骼和软骨形成的基本元素，存在于骨骼生长过程中成骨活性最高的区域。该元素对于细胞外基质中糖胺聚糖的正常合成必不可少。具有生物活性的硅酸盐会上调血管内皮生长因子的表达，两者均参与血管和骨骼的形成。现已证明，硅在HAp中进行少量的离子取代对热稳定性、溶解度、破骨和成骨反应有显著影响[12]。因此，硅取代的HAp的生物活性高于HAp，可延缓破骨细胞样细胞的分化，降低其吸收活性而不影响细胞活力[12]。Casarrubios等[13]证明，硅取代的HAp的纳米结晶度会影响骨细胞/生物材料界面，通过失去细胞锚定，延迟早期破骨细胞样细胞分化，并降低这种细胞类型的吸收活性，诱导骨细胞凋亡。破骨细胞作为主要的骨吸收细胞参与了骨质疏松症的发病。

2.4硒HAp 硒是一种具有多种生物学效应的微量元素，尤其是在骨骼重塑和生长方面，其对多种类型的肿瘤也具有很强的抗癌活性。王艳华等[14]利用碳酸钙作为处理模板，通过共沉淀联合水热法，制备了硒元素掺杂HAp微球。硒HAp给药系统具有高载荷效率、可持续释放、低血毒和抑制肿瘤细胞生长等特点[14]，其作为新型微载体可应用于骨再生工程，也可用于骨关节炎和骨肉瘤的治疗。

3 天然高分子聚合物复合HAp微球

针对HAp微球本身脆性、刚度限制以及降解速率慢、释药突释等缺陷，将HAp分散在可降解聚合物的基体中，形成HAp/生物聚合物复合微球，既改善了HAp微球的机械性、加速HAp在体内的降解，还可以延缓单纯HAp微球作为载体时的药物突释现象[15-17]。因此，一种能将HAp和生物聚合物结合起来模拟真实骨结构的复合体系在骨组织工程中具有一定的应用前景。

3.1壳聚糖HAp 由于壳聚糖具有生物相容性、生物降解性、骨传导能力、较小的异物反应和固有抗菌性质等特点，基于壳聚糖的生物材料被应用于骨组织工程中。Yao等[18]制备了由中空HAp和壳聚糖组成的复合支架治疗兔桡骨临界尺寸缺损，评价壳聚糖HAp作为控制释放重组人骨形态发生蛋白-2载体的能力。壳聚糖不仅能像黏合剂一样将HAp微球结合在一起，使其保持在植入位置，而且能有效改善重组人骨形态发生蛋白-2的释放行为。体外释放曲线证实，此复合支架显著减少了重组人骨形态发生蛋白-2的初始突释，延长释放时间达60 d[18]。体内实验显示，负载重组人骨形态发生蛋白-2的中空壳聚糖HAp支架组的新骨形成速率高于阴性对照组和负载重组人骨形态发生蛋白-2的CS组[18]。

3.2胶原蛋白HAp 天然骨组织主要由HAp和胶原蛋白组成，胶原蛋白HAp复合材料是前景良好的骨植入物的替代材料，其适用性和功效在很大程度上取决于材料的结构特征，如孔隙率、孔径、表面积、材料强度、降解性质和生物相容性[19]。胶原蛋白由于具有生物相容性、胶原支架的微观和宏观结构的可控性、细胞附着配体的天然存在、通过交联反应可改善复合材料的力学性能和降解性能等优点，在组织工程和再生医学领域得到广泛应用[20]。胶原蛋白本身不具有天然的骨诱导作用，抗压强度较低。胶原蛋白复合HAp改善了胶原蛋白的机械性能，并提供了骨诱导和骨传导作用，可应用于骨再生[21]。Cholas等[19]采用喷雾干燥法制备了HAp微球，并通过控制冻干法制备了由胶原蛋白和HAp微球组成的多孔复合支架。胶原蛋白HAp复合材料通过促进细胞黏附、迁移和血管化以及成骨细胞分化，为骨再生提供了合适的细胞微环境。具有介孔结构的微球为蛋白质吸附和细胞附着提供了较高的比表面积，当与具有可调节大孔的聚合物支架结合时，可为细胞浸润、分化和骨细胞外基质的合成提供理想环境。

4 合成高分子聚合物复合HAp微球

4.1聚氨酯HAp 聚氨酯是一种合成的多功能聚合物，因其优异的机械性能、高生物相容性而广泛应用于生物医学中。聚氨酯支架在皮下、心血管和骨组织工程中支持细胞浸润和新组织形成，且最终可生物降解为无细胞毒性的产物[22]。赖欣等[23]采用自乳化法制备了阴、阳离子聚氨酯/HAp复合微球，在静电力作用下进行自组装，微球成球性好，粒度分布均匀，分散性良好，组装材料的弹性模量增强，并具有良好的黏弹性和一定的可注射性。该自组装凝胶体系具有优良的细胞相容性，可应用于骨缺损微创治疗领域。

4.2聚乳酸HAp 聚乳酸不仅具有良好的细胞相容性和生物降解性，且具有相对优异的力学性能，是骨组织工程材料的理想选择[24]。Xiao等[25]先采用火焰干燥法制备了中空HAp微球，然后采用热诱导相分离技术，采用不同比例的聚乳酸/HAp制备多孔复合支架，HAp微球被随机地结合到聚乳酸多孔支架中。聚乳酸/HAp复合支架的抗压强度也随支架中HAp的增加而提高。此外，聚乳酸/HAp复合支架能改善成骨细胞的黏附、迁移和分化[25]。聚乳酸和HAp复合支架具有良好的性能，适合应用于骨组织工程。

4.3聚己内酯HAp 聚己内酯是一种半结晶脂族聚酯，生物相容好且可生物降解，并具有良好的机械性能和热稳定性，其已被用于生物医学领域的药物释放系统[26]。Du等[27]应用聚己内酯和HAp合成均匀的微球，再通过激光烧结构建具有均匀多尺度孔隙度、中等机械性能以及良好生物相容性的三维骨支架。基于微球的三维支架不仅可以操纵多种干细胞行为，包括促进细胞黏附、支持细胞增殖和诱导体外细胞分化，而且还具有优异的组织相容性并诱导新血管形成，可作为仿生骨材料应用于骨再生工程[27]。

4.4聚乳酸羟基乙酸共聚物HAp 聚乳酸羟基乙酸共聚物作为载体和组织工程的支架在药物递送中具有巨大潜力，其突出特征包括：①生物相容性和生物降解性；②可作为药物输送系统；③可控的持续释放性能；④可进行表面改性；⑤保护药物免于降解；⑦根据药物的不同类型，如亲水性或疏水性，有不同的制备和合成方法；⑧可靶向特定器官或细胞[28]。

Lin等[29]采用水包油单乳剂制备了载5-氟尿嘧啶的聚乳酸羟基乙酸共聚物HAp微球。通过加入高特性黏度的聚乳酸羟基乙酸共聚物，实现了复合微球中5-氟尿嘧啶的高包封率。聚乳酸羟基乙酸共聚物HAp微球中的HAp限制了初始释药，5-氟尿嘧啶的线性缓释曲线长达35 d[29]。聚乳酸羟基乙酸共聚物HAp微球作为药物递送系统中的载体通过控制5-氟尿嘧啶的释放，抑制细胞生长，可用于癌症的治疗[29]。

5 三种及以上复合型HAp微球

为使复合微球获得更佳的生物学性能，有时一种物质无法满足临床需求，常掺杂两种或多种物质。Bi等[30]用乳液交联技术制备了HAp/海藻酸钠/壳聚糖复合微球，由于HAp/海藻酸钠/壳聚糖复合微球的三维网状结构和粗糙表面改善了负载药物的数量，其载药量和包封率高于HAp纳米粒子。此外，制备的复合微球因壳聚糖的加入而较HAp纳米颗粒和HAp/海藻酸钠复合微球显示出更佳的细胞黏附和促增殖能力[30]。

由于HAp和Ⅰ型胶原蛋白是天然骨的主要成分，为模拟骨小梁的结构，Yu等[4]通过将锌HAp结合到胶原基质中构建新型仿生锌HAp/胶原蛋白复合支架。而锌赋予了该支架成骨能力，改善了骨诱导潜力，与胶原蛋白和HAp/胶原蛋白支架比较，锌HAp/胶原蛋白支架增强了骨髓间充质干细胞的成骨分化，加快了骨的形成和愈合。两种材料的加入使该复合支架获得更多的性能。良好的机械性能和高的骨传导性能使HAp在骨再生的早期阶段就能很好地与周围骨融合，并引导组织在支架内生长。胶原蛋白具有生物网状多孔结构，其有利于细胞攀附。两者的结合对于刺激形成人体天然骨骼非常重要[31]。

6 结 语

HAp微球的应用虽已取得较大进展，但微球本身不具备多功能特性，需要额外对其进行改性或修饰处理。功能化途径：①HAp微球掺杂金属或非金属单质，使其获得掺杂元素所具备的特定功效；②对HAp微球进行表面修饰或包裹，延长药物缓释时间；③将HAp微球分散在其他材料中改进HAp微球的应用途径等。为了满足生物学应用需求，使HAp微球作为载体或支架材料用于构建缓释系统，今后研究的重点是对HAp微球进行功能化修饰，扩大其应用范围。HAp微球与各种材料复合在骨组织再生工程以及牙再生工程中有潜在的应用价值，将对人类骨骼以及牙齿的健康产生深远影响。