骨组织修复材料的仿生合成
侯京朋
长期以来, 缺损骨骼的再生修复一直是骨研究领域的重要内容。
近20年来, 骨的仿生制备已成为缺损骨骼修复研究的重要内容。
几乎所有优异的生物矿化材料都采取有机分子调控无机相生长的策略, 因此, 从生物分子调控水平上去理解骨的形成和矿化过程, 并在此基础上研究骨生物材料的合成是突破这一领域的
关键。
1 分子仿生的原理
受天然生物体结构和功能的启发, 采用仿生的思想进行生物材料的合成设计已有悠久历史。
传统的仿生学设计, 常采用材料合成的方法去模拟生物体系。
但是, 天然矿化组织都是由生物大分子(脂类、蛋白、多聚糖)和无机矿物组成的复合材料, 从宏观到微观、从分子到纳米都是自组装的有序等级结构。
这种结构主要是利用有机大分子(蛋白质、多糖、脂类等)自组装, 无机晶体核化、定向、生长和空间形态等方面的调控作用使其在纳米水平上表现出非凡的有序性, 这些都是传统的材料合成方法所无法实现的。
随着分子生物学、分子物理、化学和纳米技术的发展, 依据生物矿化过程的“有机基质调控”理论, 生物大分子的自组装和纳米合成技术的联合应用, 使仿生学进入了分子水平, 在此基础上形成一门新的分支学科———仿生材料化学。
2 骨组织修复材料仿生合成的现状
2.1 自组装表面活性剂微囊仿生合成无机骨修复材料
通过表面活性剂形成脂质小泡, 原位合成具有复杂微孔结构和精确表面形态的仿生无机材料。
Walsh等首次使用微乳方法合成了高度有序的无机仿生骨材料。
刘景洲以天然来源的卵磷脂为双亲分子, 正十四烷油相和水相形成的微乳胶为磷酸钙矿化的“模板”, 调控、诱导矿化。
获得由卵磷脂与羟基磷灰石(HA)共同构建的具有纳米结构的立体网状、空心棒状、空心球状产物, 制备了具有纳米微观结构的生物活性替代材料。
这些方法主要应用于合成无机生物材料, 而且必须去除表面活性剂。
2.2 钛材表面的仿生涂层
钛及其合金与其他金属材料相比具有优良的机械性能, 具有较理想的生物
学活性, 因而广泛应用于修复人体硬组织缺损的负荷区。
但是其本身缺乏与骨组织的键合作用, 所以基本属于惰性材料范畴。
通过表面改性技术提高其生物相容性, 促进骨性结合的形成是目前钛种植材料研究的重点。
钛材表面的超薄仿生HA涂层是研究的热点。
其步骤首先是基材的活化, 再在钙磷过饱和液中进行矿化。
一般情况下, 钛表面的二氧化钛是致密的钝化层, 引导磷酸盐沉积的能力极差, 甚至不能诱导。
通过适当的处理(酸、碱、酸碱结合、双氧水等强氧化剂、溶胶-凝胶、辉光放电处理等), 制备表面活性的二氧化钛及其溶胶, 发挥表面钛羟基(Ti-OH)的功能, 诱导磷灰石的形成。
另外可在钛材表面自组装SAM或LB
超薄膜, 诱导成核；或者接枝生物大分子诱导成核。
2.3 HA-胶原复合材料的仿生合成
磷灰石-胶原(HA-胶原)复合材料是目前仿生合成中最成功的一类。
胶原是骨组织的主要有机物, 国内外许多学者以胶原为模板仿生合成了HA-胶原有序键
合的纳米复合材料, 模拟了骨组织最低等级的复合结构———纳米磷灰石晶体
的c-轴与胶原纤维(或自组装多肽)的长轴平行取向排列。
常用方法如下:①将含有钙、磷离子的溶液滴加到胶原溶液中, 实现HA形成及其与胶原纤维的组装一步完成。
其设计合成的思路是按照预计的胶原纤维和HA的重量比例, 分别配制胶原纤维溶液和一定浓度的钙磷溶液(钙、磷的摩尔比为1.67)。
合成时, 将钙
磷溶液逐渐滴加到含有胶原的溶液中, 或先将一种离子(如磷溶液)与胶原溶液
混合, 然后再逐渐加入另一种离子的溶液(如钙溶液)。
其特点是有机基质与钙磷溶液反应, 把有机分子的自组装和有机大分子模板对HA晶体的组装同步完成, 即共同组装。
其优点是容易大规模生产, 重复性好, 无机物的含量也能精确控制。
国内外对此方法有大量报道, 但多数结果显示HA晶体无明显的取向。
②胶原纤维膜或胶原纤维海绵在钙磷过饱和液中或分别在CaCl2 和Na2 HPO4溶液中交替浸泡矿化。
Du等将胶原海绵浸入0.56 mol/LNa2HPO4 (pH =14)溶液, 然后再浸入1.12 mol/LCaCl2 溶液, 获得的HA-胶原复合物中无机矿物可达总量的60%～70%, 其拉伸程度在骨的拉伸范围内。
因此可以认为0.56 mol/LNa2 HPO4 是亚
稳定体系, 合成的Na2HPO4 、Na3 P3 O10 · 6 H2 O晶体可有控地释放磷酸根, 控制HA的生成。
③通过温度敏感性载钙、磷脂质体和温度激发的胶原自组装仿
生合成HA-胶原纤维复合物。
Pederson等模拟骨组织矿化过程中的基质小泡形式, 应用交错熔融法,合成载钙、磷脂质体, 通过调节磷脂的组成, 控制磷脂的相变温度, 使之在37℃时的通透性增加, 释放钙、磷离子, 诱导矿化。
另外胶原纤
维在酸性的低温条件下, 保持单股的胶原纤维的形式, 但是当温度和pH升高, 就可以自组装成网状胶体(最低可在20℃,0.1 g/L的条件实现)。
他们综合上述脂质体和胶原纤维的热自组装特性, 当胶原纤维和载钙、磷脂质体的混合悬液从室温升高到37℃时, 脂质体释放钙、磷, 在自组装的胶原纤维中矿化。
脂质体
与胶原纤维存在较强的作用, 脂质体在胶原纤维中呈独立的颗粒状分布和聚集, 矿化物也呈颗粒状聚集, HA晶体呈棒状、板状(5 ～ 10 nm长, 100 ～ 200 nm 宽), 并在胶原纤维表面呈放射状排列。
研究提供了HA-胶原纤维复合物仿生合
成的新途径研究, 但是脂质体的矿化性能需要进一步提高。
④胶原纤维与其他酸性蛋白耦联进行仿生矿化。
对于胶原是促进矿化还是抑制HA晶体的形成一直争论不休, 目前认为胶原纤维在矿化过程中不仅是提供支架的被动过程, 而且是
一个主动的调控因素, 这种调控因素与其特殊的分子聚集态、特殊的分子侧链立体化学、电化学有关。
胶原纤维不能独立完成所有矿化, 酸性的非胶原蛋白(蛋白多糖、磷酸化的蛋白)可能在HA沉积过程中首先起到凝结核的作用, 并在胶原和HA之间桥接。
依据上述理论, Doi等通过热激发胶原自组装, 并与碱性磷酸
酶和卵黄高磷蛋白耦联, 耦联复合物进一步经过碱性磷酸酶处理后, 在β -甘
油磷酸钙溶液中浸泡, β-甘油磷酸盐在碱性磷酸酶的作用下水解, 释放磷酸根, 进一步形成HA晶体。
其设计较理想地模拟了骨组织的矿化过程, 是一个值得深入研究的方法。
HA-胶原仿生复合物有一定的韧性, 但机械强度较差。
为了解决机械强度的问题, 有学者把常用的聚乳酸、聚羟基乙酸与胶原复合, 再进行仿生矿化。
HA-胶原仿生复合显示了优良的生物学性能, 在体内可被吸收, 并参与骨的代谢。
3 骨组织修复材料的分子仿生设计合成存在的问题与展望
目前骨组织修复材料的分子仿生合成还处于初期, 在生物矿化模板的设计上还
存在一定的缺陷。
一方面, 模板的选择不同于天然骨组织生物矿化中与磷灰石成核相关的大分子模板。
与骨组织生物矿化的密切相关的是一些非胶原蛋白, 如牙本质的磷蛋白、骨组织的骨钙蛋白、骨桥蛋白等。
它们共同的特征是一级结构中
含有大量的周期性的负电荷酸性基团(如富含谷氨酸、天冬氨酸、羟脯氨酸、磷酸丝氨酸等)和含有细胞黏附分子整合素的结合位点———特定的氨基酸序列, 如RGD结构。
另一方面, 模板的设计存在生物相容性不良, 或来源有限
和价格昂贵。
目前报道的仿生材料在组成结构上还比较简单, 骨有机基质是由胶原蛋白、非胶原蛋白、生长因子等共同组成的体系, 不具有缓释细胞因子等效应。
尽管如此, 仿生合成方式还是显示了极大的优越性, 特别是纳米材料在二维、三维的组装上显示了极大的优越性, 是实现新一代生物材料的理想途径。
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