生物材料在骨科的应用进展
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发布者：lunwenchina
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时间：2010年9月23日 16:21
生物材料是指“以医疗为目的，用于和活组织接触以形成功能的无生命材料”，包括具有生物相容性的材料。在骨科应用的生物材料按其性质主要分为，医用金属材料、医用高分子材料和医用无机非金属材料等，现就其应用综述如下。
1 医用金属材料
骨科生物金属材料是指能够植入人体，治疗骨 骼疾病、替换骨组织，恢复骨骼的正常生理功能的一种生物惰性材料，由于具有较高的强度和韧度，金属材料是骨科中应用最多的植入材料，广泛用于骨科的各类疾 病的治疗，金属作为一种植入材料一般要求是：①有足够的力学强度和抗疲劳性能；②有极好的耐腐蚀性能，无磁性；③材料必须无毒、无致癌性与过敏反应；④应 具有良好的光洁度[1]。现在常用于临床的医用生物金属材料主要包括医用不锈钢、钴基合金、医用形状记忆合金等。
1.1医用 不锈钢：根据临床对硬度，韧度的要求，医用不锈钢的材料有多种，最好的不锈钢合金是316L型，一直作为器具材料广泛使用。具有较好的机械性质，易于加工 制造且价格便宜，但同钴基合金相比有较大的局部腐蚀敏感性[2]，主要用于接骨板、骨螺钉、人工关节等。
1.2 合金类：主要 包括①钴基合金：钴基合金具有良好的耐磨性和抗蚀性，适于长期应用于体内承载条件苛刻的植入，是目前医用金属材料中最优良的材料之一，已列入ISO国际标 准，但缺点是机械性能低于不锈钢，而且加工困难、产量低、价格贵，常被选择为永久性植入材料。多用于骨折固定和制作人工关节。②钛合金：具有优于前两种材 料的机械性能，质轻，组织相容性良好，生物界面结合牢固，在机体内有极高的惰性和抗腐蚀性，是理想的植入材料，缺点是耐磨损性差和难以加工。钛合金微型钢 是颌骨骨折复位内固定的首选内固定物[3]，目前对膝、髋等大的人工关节多使用钛合金。③如钴、镍、铬及钼合金，是通过多步骤精制而成的一种新型植入材 料。其抗腐蚀性和生物相容性与锻造的钴铬合金相似，机械强度大，具有不锈钢和钴铬合金的许多优点，作为骨折内固定物有广阔的应用前景。④镍钛记忆合金：该 材料有形状记忆效应，其理化性能表现为强度高，耐磨、耐腐蚀、无磁、无毒等特点，而且其硬度和刚度跟人体骨组织最接近，被认为是最理想的生物内固定植入材 料。
金属材料普遍的缺点是植入人体后，长期存在人体，金属中某些元素离子进入人体组织液、血液、器官，如铬、镍离子对人体具有 致敏作用，甚至诱导机体发生癌变，另外长期受力的金属还会发生金属受力疲劳和内部结构的改变，从而引起远期手术的失败等问题。是其普遍缺陷。
2 医用高分子材料
2.1 非生物降解型高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯等，具有稳定性好，不发生降解，交联或物理磨损等，而且有良好的机械性能，对机体不产生明显毒副作用，主要用于 制作组织工程软、硬组织，人工器官等。如硅橡胶是含有硅原子的特种合成橡胶的总称，无毒、无味、通气性能好，能耐高温低温，具有良好的生理惰性和抗凝血性 能，有弹性，宜清洗、灭菌，在骨外科可作引流管、人工腱鞘等。利用辐射接枝改性技术可制成医用硅橡胶水凝胶膜，该材料具有高纯度、亲水性、吸水后形成稳定 的水凝胶及生物相容性优良等特点。在治疗骨关节损伤疾患和肌腱断裂手术中植入该膜，可预防组织粘连[4]。高密度聚乙烯：其用于制造人工髋臼的分子量多在 200～500万左右，其摩擦系数低，约为0.03～0.06，抗冲击性强，耐磨性强，年磨损率约为0.1～0.2 mm，是目前国际上普遍用于制造人工 关节的较好材料。
2.2 生物降解型高分析材料 有聚酯类、胶原、甲壳素、纤维素等，其中最主要的是聚乙交酯(PGA)、聚丙 交酯(PLA)及其混聚物，聚酯类似一类亲水性非常强的高分子降解材料。聚酯类能在体内降解，最终被分解代谢成CO2和H2O2从人体排出。PLA具有一 定机械强度和良好的加工性能。PGA可支架诱导促进成骨细胞的黏附增殖和分化，但其降解过快，且降解产物积聚会造成局部PH值下降，导致细胞中毒死亡。 PGA与PLA形成的混聚物可通过二者的比例来调节其机械强度和降解速率[5]。聚酯类生物降解材料可以制成棒、针、螺钉、接骨板等，受其降解速度限制， 固定部分在愈合期间不能承受较大的应力。是目前组织工程中广泛应用的支架，临床上多用于固定骨折愈合相对较快的骨骼，亦可用于关节镜下膝前十字韧带的损伤 后重建、半月板损伤的修复，在骨组织工程学领域也是一种很有前景的细胞培养支架材料[6]，但不适于长骨干骨折固定，因其临床愈合所需时间较长，骨折断端 应力大。生物降解材料作为内固定材料，在手术操作过程中不易割伤软组织，即使在加压情况下也不会损伤松质骨[7]，在所固定的组织愈合之前能够保持足够的 强度，可随着骨组织的愈合机械强度适当衰减，使骨折断端得到正常的应力刺激，没有金属材料存在的应力遮挡、腐蚀反应等缺点，可使患者避免清除植入物的第2 次手术，亦不影响MR或CT等影像学复查，使用起来比金属制品要安全和方便。但如果内植物的降解产物超过组织的清除能力，可发生迟发性无菌性炎症，局部突 然发红、疼痛、肿胀、有波动感，反应严重者，可发生广泛性皮肤坏死[8]，降解速度快的PCA比降解速度慢的PIA炎症发生率高，血运不佳的部位更易并发 炎症反应[9]，因此应权衡利弊，谨慎选择。
3 医用无机非金属材料
3.1生物活性陶瓷，主要 有磷酸钙陶瓷、生物活性骨水泥及生物活性玻璃等，生物活性陶瓷具有骨传导性，它作为一个支架，成骨在其表面进行，还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。目 前最常用的主要有羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)及两者结合使用3种。HA与TCP的复合物既保存了单纯HA的优点，又可根据需要通过调整两者的 复合比例来控制其植入后的降解速度，是较理想且具有较大临床应用前景的骨组织工程细胞载体[10]。骨水泥很少引起免疫反应，系统毒性也微不足道，具有良 好的生物相容性，并能和骨直接融合，在骨科临床上已经应用于股骨颈骨折的内固定增强和桡骨远端骨折内固定等[l1]。由于此类材料在生物学上缺乏有效的骨 诱导性，脆性较大，抗张、抗扭和抗剪力差，为保证固化正常进行，应用时要求受区相对干燥，因此单纯此类材料临床应用较少，仍需进一步改进。
3.2 生 物惰性陶瓷 氧化铝：氧化铝是一种生物陶瓷，其硬度大，耐磨，生物相容性好，单晶氧化铝可用于骨折内固定，多晶氧化铝即刚玉，可制作人工关节。研究发现 将氧化铝晶体纳米化合物团块浸在与生物体液相似的溶液中，其表面可生成骨样磷灰石层，提示在活体内可能形成生物陶瓷如HAP、TCP等[12]。此外还有 氧化锆陶瓷被做成人工股骨头用于全髋关节置换。最近还报道研制出一种结合了氧化铝的生物特性及铠氧化锆的机械特性的新型物质，这种混合陶瓷比氧化铝陶瓷的 磨损率低，在模拟人上进行的初步实验结果具有一定的应用前景[13]。
3.3碳素材料：碳纤维有利于生物组织攀附生长，可用于 人工肌腱和韧带的置换[14]。低温裂解碳又称各向同性碳，是将烃类气体在高温下炭化，可以直接蒸镀在人工关节的运动磨损表面，作为减磨涂层。类金刚石膜 (DLC)亦称金刚石样碳素膜，是一种非结晶的碳氢化合物，具有良好的细胞相容性、血液相容性及高耐磨性高硬度等特点，可以沉积于人工关节表面。作为聚乙 烯的对抗面，DLC同氧化铝、钴基合金的耐磨相当，可显著改善矫形装置的磨损[15]。是一种很有发展前景的膜材料。
近年来，随着生物医学工程、材料科学、纳米技术的的迅速发展， 对于生物材料的研究也日益深入，各种复合材料以及更加与各类型骨折愈合相适应的可降解性生物材料在骨科领域应用日趋广泛。人工骨不仅具有良好的组织相容 性，而且能诱导正常骨的形成，最终达到完全的骨修复，。随着医学分子生物学和基因工程及组织工程学的快速发展，利用不同的生物材料复加工，组配成理想中具 有多种生物活性的人工骨将成为现实。
参 考 文 献
[1] 胥少汀，葛宝丰，徐印坎．实用骨科学．第2版．北京：人民军医出版社，2003．357-360．
[2] 梁成浩，牟战旗．模拟体液中316L不锈钢和Co-Cr合金生物材料腐蚀行为研究．中国生物医学工程学报，2000，19(4)：432．435．
[3] 李青．钛合金表面涂层应用生物骨的研究．生物骨科材料与临床研究，2004，3(4)：46-49．
[4] 方月娥，史天义，梅宝珊，等．硅橡胶水凝胶膜预防骨外科手术组织粘连的临床应用．生物医学工程学杂志，1998，15(3)：228．230．
[5] Valentin J E,Badylak J S,McCabe G P, et al．Extracellar matrix bioscaffolds for orthopaedic applications. A comparative histologic study [J]. J Bone Joint Surg Am,006，88(12)：2673-2686．
[6] Jeon O.Song S J.Kang S W Enhancement of ectopic bone formation by bone morphogenetic protein- 2 released from a heparin-conjugated poly (l-lactic-co- glycolic acid) scaffold [J].Biomaterials, 2007,28(17)：2763-2771．
[7] Barber FA．Tripled semitendinosus- callcellous bone anterior cruciate1igament reconstruction with bioscrew fixation．Anhroscopy，1999，5(4)：360-367．
[8] Bostman OM．Osteoarthritis of the ankle after foreign- body reaction to absorbable pins and screns：a three-to nine year follow- up study．J Bone Joint Surg(Br)，1998，80(2)：333-338．
[9] 王立．可吸收内固定器的炎性异物反应．国外医学：骨科分册，2002，23(2)：101-103．
[10] Oreffo RO，Tnffitt JT．Future potentials for using ostegenic stem cells and biomaterials in orthopedics．Bone，1999，25(2suppl)：5-9．
[11] Goodman SB，Bauer TW，Carter D，et aI．Norian SRS cement augmentation hip fracture treatment labomtoryand initial clinical results．Clin Orthop，1998，348：42-50．
[12] Ozturk A.Yetkin H.Memis L Demineralized bone matrix andhydroxyapatite/tri-calcium phosphate mixture for bone healing in rats[J].Int Orthop,2006,30(3):147-152.
[13] Kim H.Camata R P.Vohra Y K Control of phase composition in hydrox-yapatite/tetracalcium phosphate biphasic thin coatings for biomedical applications [J].J Mater Sci Mater Med, 2005,16(10):961-966.
[14] 张修强．碳素纤维-人工肌腱的临床应用．小儿麻痹研究，1993，3：141-143．
[15] Xu T，Pruitt L Diamond-like carbon coatings for orthopedic applications：An evaluation of triboloical perforrnallci．J Mat
1 医用金属材料
骨科生物金属材料是指能够植入人体，治疗骨 骼疾病、替换骨组织，恢复骨骼的正常生理功能的一种生物惰性材料，由于具有较高的强度和韧度，金属材料是骨科中应用最多的植入材料，广泛用于骨科的各类疾 病的治疗，金属作为一种植入材料一般要求是：①有足够的力学强度和抗疲劳性能；②有极好的耐腐蚀性能，无磁性；③材料必须无毒、无致癌性与过敏反应；④应 具有良好的光洁度[1]。现在常用于临床的医用生物金属材料主要包括医用不锈钢、钴基合金、医用形状记忆合金等。
1.1医用 不锈钢：根据临床对硬度，韧度的要求，医用不锈钢的材料有多种，最好的不锈钢合金是316L型，一直作为器具材料广泛使用。具有较好的机械性质，易于加工 制造且价格便宜，但同钴基合金相比有较大的局部腐蚀敏感性[2]，主要用于接骨板、骨螺钉、人工关节等。
1.2 合金类：主要 包括①钴基合金：钴基合金具有良好的耐磨性和抗蚀性，适于长期应用于体内承载条件苛刻的植入，是目前医用金属材料中最优良的材料之一，已列入ISO国际标 准，但缺点是机械性能低于不锈钢，而且加工困难、产量低、价格贵，常被选择为永久性植入材料。多用于骨折固定和制作人工关节。②钛合金：具有优于前两种材 料的机械性能，质轻，组织相容性良好，生物界面结合牢固，在机体内有极高的惰性和抗腐蚀性，是理想的植入材料，缺点是耐磨损性差和难以加工。钛合金微型钢 是颌骨骨折复位内固定的首选内固定物[3]，目前对膝、髋等大的人工关节多使用钛合金。③如钴、镍、铬及钼合金，是通过多步骤精制而成的一种新型植入材 料。其抗腐蚀性和生物相容性与锻造的钴铬合金相似，机械强度大，具有不锈钢和钴铬合金的许多优点，作为骨折内固定物有广阔的应用前景。④镍钛记忆合金：该 材料有形状记忆效应，其理化性能表现为强度高，耐磨、耐腐蚀、无磁、无毒等特点，而且其硬度和刚度跟人体骨组织最接近，被认为是最理想的生物内固定植入材 料。
金属材料普遍的缺点是植入人体后，长期存在人体，金属中某些元素离子进入人体组织液、血液、器官，如铬、镍离子对人体具有 致敏作用，甚至诱导机体发生癌变，另外长期受力的金属还会发生金属受力疲劳和内部结构的改变，从而引起远期手术的失败等问题。是其普遍缺陷。
2 医用高分子材料
2.1 非生物降解型高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯等，具有稳定性好，不发生降解，交联或物理磨损等，而且有良好的机械性能，对机体不产生明显毒副作用，主要用于 制作组织工程软、硬组织，人工器官等。如硅橡胶是含有硅原子的特种合成橡胶的总称，无毒、无味、通气性能好，能耐高温低温，具有良好的生理惰性和抗凝血性 能，有弹性，宜清洗、灭菌，在骨外科可作引流管、人工腱鞘等。利用辐射接枝改性技术可制成医用硅橡胶水凝胶膜，该材料具有高纯度、亲水性、吸水后形成稳定 的水凝胶及生物相容性优良等特点。在治疗骨关节损伤疾患和肌腱断裂手术中植入该膜，可预防组织粘连[4]。高密度聚乙烯：其用于制造人工髋臼的分子量多在 200～500万左右，其摩擦系数低，约为0.03～0.06，抗冲击性强，耐磨性强，年磨损率约为0.1～0.2 mm，是目前国际上普遍用于制造人工 关节的较好材料。
2.2 生物降解型高分析材料 有聚酯类、胶原、甲壳素、纤维素等，其中最主要的是聚乙交酯(PGA)、聚丙 交酯(PLA)及其混聚物，聚酯类似一类亲水性非常强的高分子降解材料。聚酯类能在体内降解，最终被分解代谢成CO2和H2O2从人体排出。PLA具有一 定机械强度和良好的加工性能。PGA可支架诱导促进成骨细胞的黏附增殖和分化，但其降解过快，且降解产物积聚会造成局部PH值下降，导致细胞中毒死亡。 PGA与PLA形成的混聚物可通过二者的比例来调节其机械强度和降解速率[5]。聚酯类生物降解材料可以制成棒、针、螺钉、接骨板等，受其降解速度限制， 固定部分在愈合期间不能承受较大的应力。是目前组织工程中广泛应用的支架，临床上多用于固定骨折愈合相对较快的骨骼，亦可用于关节镜下膝前十字韧带的损伤 后重建、半月板损伤的修复，在骨组织工程学领域也是一种很有前景的细胞培养支架材料[6]，但不适于长骨干骨折固定，因其临床愈合所需时间较长，骨折断端 应力大。生物降解材料作为内固定材料，在手术操作过程中不易割伤软组织，即使在加压情况下也不会损伤松质骨[7]，在所固定的组织愈合之前能够保持足够的 强度，可随着骨组织的愈合机械强度适当衰减，使骨折断端得到正常的应力刺激，没有金属材料存在的应力遮挡、腐蚀反应等缺点，可使患者避免清除植入物的第2 次手术，亦不影响MR或CT等影像学复查，使用起来比金属制品要安全和方便。但如果内植物的降解产物超过组织的清除能力，可发生迟发性无菌性炎症，局部突 然发红、疼痛、肿胀、有波动感，反应严重者，可发生广泛性皮肤坏死[8]，降解速度快的PCA比降解速度慢的PIA炎症发生率高，血运不佳的部位更易并发 炎症反应[9]，因此应权衡利弊，谨慎选择。
3 医用无机非金属材料
3.1生物活性陶瓷，主要 有磷酸钙陶瓷、生物活性骨水泥及生物活性玻璃等，生物活性陶瓷具有骨传导性，它作为一个支架，成骨在其表面进行，还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。目 前最常用的主要有羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)及两者结合使用3种。HA与TCP的复合物既保存了单纯HA的优点，又可根据需要通过调整两者的 复合比例来控制其植入后的降解速度，是较理想且具有较大临床应用前景的骨组织工程细胞载体[10]。骨水泥很少引起免疫反应，系统毒性也微不足道，具有良 好的生物相容性，并能和骨直接融合，在骨科临床上已经应用于股骨颈骨折的内固定增强和桡骨远端骨折内固定等[l1]。由于此类材料在生物学上缺乏有效的骨 诱导性，脆性较大，抗张、抗扭和抗剪力差，为保证固化正常进行，应用时要求受区相对干燥，因此单纯此类材料临床应用较少，仍需进一步改进。
3.2 生 物惰性陶瓷 氧化铝：氧化铝是一种生物陶瓷，其硬度大，耐磨，生物相容性好，单晶氧化铝可用于骨折内固定，多晶氧化铝即刚玉，可制作人工关节。研究发现 将氧化铝晶体纳米化合物团块浸在与生物体液相似的溶液中，其表面可生成骨样磷灰石层，提示在活体内可能形成生物陶瓷如HAP、TCP等[12]。此外还有 氧化锆陶瓷被做成人工股骨头用于全髋关节置换。最近还报道研制出一种结合了氧化铝的生物特性及铠氧化锆的机械特性的新型物质，这种混合陶瓷比氧化铝陶瓷的 磨损率低，在模拟人上进行的初步实验结果具有一定的应用前景[13]。
3.3碳素材料：碳纤维有利于生物组织攀附生长，可用于 人工肌腱和韧带的置换[14]。低温裂解碳又称各向同性碳，是将烃类气体在高温下炭化，可以直接蒸镀在人工关节的运动磨损表面，作为减磨涂层。类金刚石膜 (DLC)亦称金刚石样碳素膜，是一种非结晶的碳氢化合物，具有良好的细胞相容性、血液相容性及高耐磨性高硬度等特点，可以沉积于人工关节表面。作为聚乙 烯的对抗面，DLC同氧化铝、钴基合金的耐磨相当，可显著改善矫形装置的磨损[15]。是一种很有发展前景的膜材料。
近年来，随着生物医学工程、材料科学、纳米技术的的迅速发展， 对于生物材料的研究也日益深入，各种复合材料以及更加与各类型骨折愈合相适应的可降解性生物材料在骨科领域应用日趋广泛。人工骨不仅具有良好的组织相容 性，而且能诱导正常骨的形成，最终达到完全的骨修复，。随着医学分子生物学和基因工程及组织工程学的快速发展，利用不同的生物材料复加工，组配成理想中具 有多种生物活性的人工骨将成为现实。
参 考 文 献
[1] 胥少汀，葛宝丰，徐印坎．实用骨科学．第2版．北京：人民军医出版社，2003．357-360．
[2] 梁成浩，牟战旗．模拟体液中316L不锈钢和Co-Cr合金生物材料腐蚀行为研究．中国生物医学工程学报，2000，19(4)：432．435．
[3] 李青．钛合金表面涂层应用生物骨的研究．生物骨科材料与临床研究，2004，3(4)：46-49．
[4] 方月娥，史天义，梅宝珊，等．硅橡胶水凝胶膜预防骨外科手术组织粘连的临床应用．生物医学工程学杂志，1998，15(3)：228．230．
[5] Valentin J E,Badylak J S,McCabe G P, et al．Extracellar matrix bioscaffolds for orthopaedic applications. A comparative histologic study [J]. J Bone Joint Surg Am,006，88(12)：2673-2686．
[6] Jeon O.Song S J.Kang S W Enhancement of ectopic bone formation by bone morphogenetic protein- 2 released from a heparin-conjugated poly (l-lactic-co- glycolic acid) scaffold [J].Biomaterials, 2007,28(17)：2763-2771．
[7] Barber FA．Tripled semitendinosus- callcellous bone anterior cruciate1igament reconstruction with bioscrew fixation．Anhroscopy，1999，5(4)：360-367．
[8] Bostman OM．Osteoarthritis of the ankle after foreign- body reaction to absorbable pins and screns：a three-to nine year follow- up study．J Bone Joint Surg(Br)，1998，80(2)：333-338．
[9] 王立．可吸收内固定器的炎性异物反应．国外医学：骨科分册，2002，23(2)：101-103．
[10] Oreffo RO，Tnffitt JT．Future potentials for using ostegenic stem cells and biomaterials in orthopedics．Bone，1999，25(2suppl)：5-9．
[11] Goodman SB，Bauer TW，Carter D，et aI．Norian SRS cement augmentation hip fracture treatment labomtoryand initial clinical results．Clin Orthop，1998，348：42-50．
[12] Ozturk A.Yetkin H.Memis L Demineralized bone matrix andhydroxyapatite/tri-calcium phosphate mixture for bone healing in rats[J].Int Orthop,2006,30(3):147-152.
[13] Kim H.Camata R P.Vohra Y K Control of phase composition in hydrox-yapatite/tetracalcium phosphate biphasic thin coatings for biomedical applications [J].J Mater Sci Mater Med, 2005,16(10):961-966.
[14] 张修强．碳素纤维-人工肌腱的临床应用．小儿麻痹研究，1993，3：141-143．
[15] Xu T，Pruitt L Diamond-like carbon coatings for orthopedic applications：An evaluation of triboloical perforrnallci．J Mat
