组织工程骨修复骨缺损的应用瓶颈分析李凯【摘要】Bone defects caused by bone cancer treatment are common in clinical, however the only way to repair the defects is bone graft. According to sources, the bone graft material can be divided into autogenous bone, allograft bone ,xenograft bone and artificial bone substitute materials. The rise of bone tissue engineering brings new options for the treatment of bone defects. The use of artificial bone tissue engineering training not only fixes the large area of bone defect, but also can be prepared and shaped in large quantity according to need,which makes it an ideal bone repair material. Here is to make a review' on the application status of tissue engineered bone in the treatment of bone defects.%骨肿瘤的治疗导致骨缺损很常见,修复缺损的方法是采取骨移植.骨移植材料根据来源大致可分为自体骨、同种异体骨、异种骨和人工骨替代材料.骨组织工程的兴起为骨缺损的治疗带来新的选择.利用骨组织工程培养的人工骨不仅可以修复大面积骨缺损,而且可以按需塑形并大量制备,是一种理想的骨修复材料.现就组织工程骨在治疗骨缺损中的应用现状进行综述.【期刊名称】《医学综述》【年(卷),期】2012(018)021【总页数】4页(P3532-3535)【关键词】骨组织工程;骨缺损;骨肿瘤【作者】李凯【作者单位】哈尔滨医科大学附属第三医院骨科,哈尔滨,150081【正文语种】中文【中图分类】R730.59临床上，由于骨肿瘤治疗导致的骨缺损很常见，修复骨缺损是通过骨移植来实现的。

常用的骨移植替代物有自体骨、同种异体骨、异种骨和各种人工骨材料。

这三种骨移植替代物都有各自的不足之处:自体骨移植，其取骨手术不但会给患者增加新的创伤，而且取骨量有限，常不能满足大面积植骨需求;同种异体骨移植的成骨诱导活性差，移植物从植入体内降解到新骨形成达到完全修复所经历的时间较长，而且价格昂贵;异种骨移植排异反应剧烈，经脱钙、煅烧等处理后其活性物质会被破坏殆尽，限制其临床使用。

骨组织工程兴起为骨缺损治疗带来新希望。

组织工程骨是一种人工制备的含有活体细胞的骨替代材料，它能形成新的功能性骨组织，修复大块骨缺损，并可按需塑形及大量制备，是理想的骨修复材料。

目前使用组织工程技术修复骨缺损在动物实验和部分临床研究中均获得了较满意的效果，但是在临床中正式使用尚有一定距离。

1 骨组织工程种子细胞的研究现状1.1 直接的成骨细胞成骨细胞作为直接成骨的细胞是骨组织工程中经典种子细胞。

人工骨的最终归宿是被成骨细胞所形成的自体骨所取代，因而成骨细胞的提取、扩增以及功能调控成为骨组织工程研究的重点。

在人体内，成骨细胞分布广泛，其可以从骨膜、骨小梁及骨髓中直接分离培养，其主要功能是合成、分泌骨基质，促进基质矿化并形成骨组织。

骨膜来源成骨细胞的特点是体外培养容易成活、分裂增殖能力强，其成骨能力高于骨髓基质干细胞和牙槽骨细胞［1］。

但是骨膜取材不方便，增添额外创伤，因而限制其广泛应用。

从胚胎与新生动物颅骨中分离培养亦可得到成骨细胞。

傅德皓等［2］通过改良的组织块培养法可在较短时间内获得大量成骨细胞，所培养的细胞具有典型的成骨细胞形态和功能。

骨组织来源的成骨细胞具有易定向成骨分化的优点，但缺点是可造成供区损伤及来源有限。

骨髓由造血系统和基质系统两部分组成，其中具有成骨作用的细胞是骨髓基质干细胞。

其优点是取材方便，对机体损伤小，体外培养扩增后细胞数量充足，进行自体移植而不存在免疫排斥问题，目前在临床的应用广泛，被认为是骨组织工程中较理想的种子细胞［3］。

1.2 间接的成骨细胞近年来，各国学者在皮肤、脂肪、肌肉等组织和外周血中均分离出具有成骨潜能的细胞，这些细胞在诱导因子的作用下能定向分化为成骨细胞。

下面就常见骨外组织来源的成骨细胞进行分述。

①外周血单核细胞:实验证实外周血中含有少量的间充质干细胞，其细胞表型与骨髓基质干细胞相似［4］。

外周血作为种子细胞其优点是对供体侵袭小，且造血系统可以对其不断地进行补充。

②脐血间充质干细胞:脐血中有大量造血干细胞，同时还含有丰富的造血基质细胞，脐血间充质干细胞就是造血基质细胞的一种。

郑德宇等［5］从人脐血中培养出单个核细胞，经成骨诱导后具有骨细胞特性，且与β-磷酸三钙具有良好的生物相容性。

但是，由于其分离培养成功率较低，制约了广泛应用。

③脂肪间充质干细胞:具有来源广泛、细胞含量多、易获取、培养条件简单且扩增能力强等优点。

目前体外或体内实验虽然证明了脂肪干细胞的成骨潜力，但其分化成骨效能仍有待进一步提高［6］。

尽管如此，随着研究的进一步深入，其仍将可能成为继骨髓基质干细胞之后最具前景的种子细胞。

④胚胎干细胞:其由胚胎内细胞团或原始生殖细胞分离出来的具有多向分化潜能的细胞系，具有发育全能性、分裂增殖能力强的特点。

Tielens等［7］在可降解大孔微载体上添加了白血病抑制因子后进行小鼠胚胎干细胞培养，14 d后观察到细胞仍具有多向分化潜能，将胚胎干细胞在分化培养液上培养，2周后便可观察到成骨性分化。

从理论上讲，胚胎干细胞是骨组织工程中最佳的种子细胞，但是由于细胞获得不易，运用人胚胎干细胞还涉及到伦理问题，从现阶段看，胚胎干细胞应用于骨组织工程还不现实。

从临床适用角度看，在种子细胞领域，骨外组织来源的诱导多能干细胞成为目前的研究热点。

如何能在尽可能短的时间内分离培养出大量纯的细胞，并且成骨诱导后能够稳定表达成骨细胞表型是现在面临的主要问题。

2 骨组织工程支架材料的研究现状2.1 传统单一骨支架材料传统的支架材料往往是单一的有机物或是无机物。

这些材料各有优缺点，现将具有代表性的支架材料分述如下。

①人工合成高分子聚合物:主要是α聚酯类，以聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物为代表，优点是可降解，容易塑形;但其缺点是强度较差，降解时间不能精确计算。

该类材料的研究目前主要集中于材料的改性、表面修饰和复合其他材料三方面。

②胶原:它是常用的天然衍生物，其在组织内是细胞附着的支架，通过介导各种刺激来调节细胞的分化，对种子细胞的早期黏附、随后的增殖分化以及发挥成骨功能均有明显的促进作用。

此种材料具有良好的细胞相容性和生物降解性，但其生物强度较低。

③甲壳素及其衍生物壳聚糖:是一种资源丰富、生物学性能优良的材料，其活性基团、内在抗菌活性和良好的塑形性以及与动物体内糖胺多糖相似的结构使其在骨组织工程支架方面有着重要的研究意义。

缺点是机械性能差，溶解性能差，因此有待进一步研究以拓宽其应用范围。

④脱钙骨基质:其来源于骨组织，是一种可降解的抗原灭活的异种或同种异体骨基质，具有良好的生物相容性和生物降解性，保留了胶原支架的立体多孔状结构，附着在胶原上的骨形态发生蛋白在骨形成中具有重要作用。

目前已在临床中有广泛应用。

⑤人工合成的无机材料:其中羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等材料较为常用，虽具有较好的生物强度和骨传导性，但塑形难、脆性大、生物降解与组织形成速度不匹配，因而应用受到了一定的限制［8-9］。

2.2 新型复合骨支架材料通过以上叙述可以看出，单一材料都存在各自的缺陷。

因此，发挥不同材料的优势，弥补单一材料的不足，研究制造各种复合材料势在必行。

Saito等［10］制备的热敏感的聚乳酸-聚乙烯/人重组骨形态发生蛋白聚合物在较高温度下是液体，注射到体内后该液态复合物会随着体温逐渐冷却而变成半固体状，可以作为骨形成的支架材料，并且在局部可逐渐释放人重组骨形态发生蛋白。

这种可注射支架材料修复骨缺损，具有组织损伤小、操作简便、手术并发症少等优点，具有良好的应用前景。

刘浩怀等［11］研制出具有药物缓释功能的骨组织工程支架，该载药微球支架具有良好的药物缓释功能和抑菌性能，是一种集骨修复和治疗于一体的新型组织工程支架材料。

纳米材料可以形成仿生化的微环境，能影响细胞之间、细胞与基质之间的相互作用，调节细胞的生物学行为。

其最大特点是高比表面积和空隙率，因此有利于种子细胞的接种、迁移和增殖。

纳米羟基磷灰石与胶原的复合材料便是基于上述仿生观念制成的骨替代材料。

宋坤修等［12］使用纳米羟基磷灰石/胶原复合材料作为支架材料，将血管内皮生长因子加入到该材料中使其缓慢释放，试验证实该新型复合人工骨具有良好的骨修复作用。

清华大学的崔福斋［13］从生物学角度提出，只有深刻理解细胞与材料的相互作用，才会在支架材料的设计上有更加明确的标准。

因此，模仿天然骨成分及其结构特征，运用仿生学原理和纳米自组装技术制备纳米级复合材料，并将诱导成骨生长因子、基因等特定分子识别信号固定在材料表面，对其进行加工处理，研制有特定结构和功能的仿生智能化骨组织工程支架材料是当今骨组织工程支架材料研究的前沿课题。

对于支架材料的选择，目前已由天然提取成分构建的简单材料发展为人工合成的高分子聚合物材料;由单一的支架材料发展成各种具有良好性能的复合支架材料及其表面修饰材料［14］。

在生物医学材料领域，仿生思想尤为重要，如何模仿天然骨的成分及结构特征制造骨移植替代物，使其为细胞提供与天然骨相类似的微环境是目前主要的研究方向。

3 构建组织工程化人工骨的研究现状构建组织工程化人工骨的基本战略有两种:①支架材料与成骨因子在体外组装后植入体内，通过成骨诱导因子的作用，使体内细胞成骨分化并生成新骨;②利用体外细胞培养技术获得足够数量的成骨性细胞，在体外与支架材料复合，然后植入骨缺损部位进而生成新骨。

3.1 单纯式组织工程骨培养既往多采用细胞悬液滴入支架材料的静置接种法进行组织构建。

然而，实际上人体内几乎所有的细胞都会受到生物力学因素的影响。

应力刺激会影响成骨细胞的代谢、细胞形态、基因表达、生长因子分泌等多个方面，导致细胞生物学行为发生变化。

通过模拟体内细胞生长所处微环境的动力特征，科学家们发明了动态培养系统，即生物反应器。