骨生物材料通过细胞途径降解的研究进展

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骨生物材料通过细胞途径降解的研究进展

来源：生物工程学报作者：焦鑫;王栋梁

发布于：2020-04-24 共7515 字

　　细胞生物学课程论文（优选范文 8篇）之第三篇

　　摘要：生物材料作为移植物已广泛应用于骨组织修复，在应用生物材料时需要考虑材料各

个方面的性能，如生物兼容性、力学强度、可塑性等。材料的可降解性也是骨修复材料不得不

考虑的方面。既往研究表明，生物材料可以通过物理、化学和生物三种方式进行降解。在材料

的生物降解过程中，经细胞途径降解是其中重要的一环。这种降解途径主要是通过巨噬细胞、

破骨细胞的生物学行为及其所分泌的生物活性氧、酶、酸性代谢物等作用机制进行。认识细胞

作用对生物材料的降解有助于更好地理解细胞的生物学行为，精准设计、制造更合理的骨修复

材料，既利于材料植入时的初始稳定，也可以符合材料降解与新骨形成的匹配，促进骨再生和

骨修复。

　　关键词：生物材料,细胞途径,细胞生物学,巨噬细胞,骨修复

随着骨修复技术的快速发展，对可植入生物材料的要求也不断提高。理想的生物材料应具备

[1,2,3]以下几个特点：良好的生物兼容性；良好的生物降解性(图1)；具有三维立体多孔结构、

可塑性和一定的生物强度；良好的细胞-材料界面；支架材料易于消毒、保存，且消毒后材料

内部结构完整。目前，生物材料主要分为天然材料、人工合成材料及复合材料 3类。天然材料

包括天然骨、天然高分子聚合物、珊瑚骨[4]。人工合成材料包括生物陶瓷、高分子聚合物及金

属材料[5]。复合材料是指两种或两种以上材料复合形成的材料或材料与其他物质(生长因子、

无机物等)复合形成的材料[6]。

其中，生物材料的降解性成为骨再生医学领域评价生物材料一项极其重要的指标。生物材料在

体内的降解机制主要包括物理降解、化学降解及生物降解。物理降解通常包括磨损、断裂、碎

裂[7]、溶解等过程。化学降解包括水解[8,9]和腐蚀[10]。生物降解主要包括各种细胞、细胞产

物等参与的材料降解过程。生物材料降解受多种因素影响，主要分为材料因素及微环境因素两

大类。材料因素包括材料的成分、体积、形状、孔隙率等。微环境因素包括 pH、离子、细

胞、血管、神经等。除此之外，生物材料作为非自体移植物，在移植入体内后可能会产生排异

反应，Klopfleisch 等在关于生物材料在体内引起的排异反应病理的综述[11]中将排异反应分为 5

个阶段：(1)蛋白吸附期，(2)急性炎症期，(3)慢性炎症期，(4)异物巨细胞形成期，(5)纤维化或

纤维包膜形成期，并提到在异物巨细胞形成期，异物巨细胞形成后会产生许多生物活性物质，

如生物活性氧(ROS)、降解酶及酸等，这些都会导致生物材料的降解，甚至移植失败。本文对

骨科可降解生物材料通过细胞途径降解的最新研究进展作一综述。

Fig.1 Degradation rate of scaffold versus regeneration rate of tissues.(A)Degradation rate is slower

than regeneration rate.(B)Degradation rate matches regeneration rate.(C)Degradation rate is faster than

regeneration rate.

　　 1　经细胞途径生物陶瓷的体内降解

生物陶瓷按生物学性能分类为生物惰性陶瓷及生物活性陶瓷，生物惰性陶瓷化学性能稳定，几

乎不与周围组织液发生反应，在体内不易降解[12]，如氧化锆、氧化铝等，生物活性陶瓷在体

内可部分降解或全部降解，有良好的骨诱导性[12]，如生物活性玻璃、羟基磷灰石(HA)陶瓷、

磷酸三钙(TCP)等[13]。生物陶瓷具有良好的生物相容性、力学相容性、稳定的理化性质等优点

[14]，但同时也有脆性高、骨诱导性差等缺点[15]。目前广泛使用的生物陶瓷是羟基磷灰石、

磷酸三钙等钙磷生物陶瓷(Ca-P 生物陶瓷)。

Ca-P 生物陶瓷降解与细胞的生物学行为(细胞接触行为的生物降解)及细胞分泌的生物活性物质

(细胞旁分泌作用的化学降解) ——有关。一方面与巨噬细胞的生物学行为胞吞作用及胞吐作用

有关。Lu 等[7]提出，在 Ca-P 生物陶瓷的细胞途径降解过程中，巨噬细胞或多核巨细胞在遇到

材料颗粒后被活化，通过胞吞作用吞噬材料颗粒。而对于体积较大的材料颗粒，巨噬细胞或多

核巨细胞可以黏附颗粒，胞吐出溶酶体内容物至微环境中，引起细胞外降解。另一方面与细胞

分泌的生物活性物质如生物活性氧、酸性酶及其他酸性代谢物有关，Ma 等在对添加 Li 的磷酸

钙的研究[16]中发现添加低剂量 Li 磷酸钙在与 MG63 人成骨肉瘤细胞培养时降解更高效，这可

能是因为细胞释放的酸性代谢产物或酸性酶加速了支架的降解，而Li 离子的释放促进了MG63

细胞增殖，从而引起更多的酸性物质的产生。

Ca-P 支架的降解主要与下列两方面因素有关[17]:1)材料的理化性质，如多孔性、孔隙形状、比

表面积、断裂、离子交换等。Barba 等在关于材料的纳米结构及微孔结构对材料骨诱导性影响

的研究[18]中，将CDHA-Foam(钙缺乏羟基磷灰石泡沫支架)、CDHA-Rob-250(利用 robocasting

技术打印的钙缺乏羟基磷灰石支架，制作喷嘴内径为 250μm)、CDHA-Rob-450(利用 robocasting

技术打印的钙缺乏羟基磷灰石支架，制作喷嘴内径为 450μm)、BCP-Foam(磷酸二钙泡沫支架)

及β-TCP-Foam(β-磷酸三钙泡沫支架)5 种材料肌内降解情况进行比较发现，6周时CDHA-Foam

降解率超过20%，其他 4种材料的降解率均小于10%，而12 周时，CDHA-Foam 及β-TCP-

Foam 的降解率相似，约为40%，但其他 3种材料的降解率均小于20%。在对 5种材料的微观

结构、孔隙率及比表面积等方面进行研究后发现，CDHA-Foam 的高降解率是由于其晶体颗粒

直径为纳米级，导致其比表面积(38.49 m2/g)大；BCP-Foam 的降解率低，是由于烧结HA 的低

溶解度及其微观结构导致的比表面积(0.42 m2/g)小，这说明钙磷生物陶瓷的降解速率与材料的

比表面积呈正相关。而CDHA-Foam 与CDHA-Rob 之间的对比表明，尽管二者的化学成分相

同，纳米结构(总孔隙度：CDHA-Foam 76.5%,CDHA-Rob-250 65.4%,CDHA-Rob-450 64.8%；孔

隙率：CDHA-Foam 49.5%;CDHA-Rob-250 48.7%,CDHA-Rob-450 46.5%)及比表面积(CDHA-

Foam38.49 m2/g,CDHA-Rob-250 32.35 m2/g,CDHA-Rob-450 32.02 m2/g)相似，但由于CDHA-

Foam 的孔隙为凹状孔隙，而Robocast 支架的孔隙为凸状棱柱形孔隙，导致 CDHA-Foam 孔隙

中的多核破骨细胞样细胞的数量比 Robocast 支架多，故推测 CDHA-Foam 的降解速度比

CDHA-Rob 快，这说明钙磷生物陶瓷的降解速率与材料的孔隙形状有关。2)细胞活性，例如，

由巨噬细胞及多核巨细胞产生的生物活性氧及酸性环境。Barba 等在对 CDHA-Foam 及CDHA-

Rob 的骨内降解研究[19]中发现，6周时二者降解率基本一致，12 周时CDHA-Foam 的降解率

约为CDHA-Rob 的4倍。同时可以观察到 CDHA-Foam 中的所含破骨细胞样细胞的数量比

CDHA-Rob 多，尤其是 12 周时。还可以观察到多核破骨细胞样细胞对材料的腐蚀，且 12 周时

CDHA-Foam 的凹形孔隙中的破骨细胞样细胞的数量比 CDHA-Rob 的凸形孔隙多得多，这表明

CDHA 的降解是一个由细胞介导的过程，而非被动过程，且孔隙的结构对破骨细胞样细胞的活

——性及材料的降解有重要影响 CDHA-Foam 的凹形孔隙为巨噬细胞提供了充足的空间，并利

于破骨细胞生成。反过来，活化破骨细胞分泌的成骨生长因子

(BMPS、Wnts、S1P、OSM、PDGF-BB、CTHRC1)及破骨细胞吸收 CaP 材料释放的钙离子及

磷酸根离子，不仅可以引起成骨细胞活化，也可以引起间充质干细胞分化成骨形成细胞，最终

导致新骨生成。结合之前的研究不难发现，6周时CDHA-Foam 肌内降解速率比CDHA-Rob 快

很多，而骨内降解速率无明显区别，这可能是因为肌内与骨内的炎症瀑布反应及其所导致的细

胞微环境不同，同时还受不同组织的机械刺激影响。

　　 2　经细胞途径高分子生物材料的体内降解

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骨生物材料通过细胞途径降解的研究进展来源：生物工程学报作者：焦鑫;王栋梁发布于：2020-04-24共7515字　　细胞生物学课程论文（优选范文8篇）之第三篇　　摘要：生物材料作为移植物已广泛应用于骨组织修复，在应用生物材料时需要考虑材料各个方面的性能，如生物兼容性、力学强度、可塑性等。材料的可降解性也是骨修复材料不得不考虑的方面。既往研究表明，生物材料可以通过物理、化学和生物三种方式进行降解。在材料的生物降解过程中，经细胞途径降解是其中要的一环。这种降解途径主要是通过巨噬细胞、破骨细胞的生物学行为及其所分泌的生物活性氧、酶、酸性代谢物等作用机制进行。认识细胞作用对生物材料的降解有助于更好地理...

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