自然珊瑚石人工骨的基礎(chǔ)及臨床研究現(xiàn)狀

1、自然珊瑚石人工骨的基礎(chǔ)及臨床研究現(xiàn) 張智勇 歸來 試圖尋求一種理想的骨生物代用品用于骨缺損的修復(fù)，避免或減少自體骨 的應(yīng)用以及由此帶來的相關(guān)并發(fā)癥，一直是人們努力研究探索的課題。目前研 究的重點致力于找出具有良好理化性質(zhì)和生物學(xué)特性的材料作為骨移植替代 品。70 年代初，人們開始致力于多孔生物材料的開發(fā)研究工作。 1975年， Chiroff 1發(fā)現(xiàn)以自然珊瑚石中的濱珊瑚 (Porites) 為模板經(jīng) Replamineform 技術(shù)制成的多種多孔生物材料具有良好的骨引導(dǎo)作用，并發(fā)現(xiàn)濱珊瑚的 CaCo3 骨骼，即自然珊瑚石，不僅具有引導(dǎo)新骨長入的能力，且植入 1 年后珊瑚骨完 全吸收并為新骨替

2、代，引起人們對自然珊瑚石作為骨生物移植材料的注意。 1985年， Souyris 等2首先報道了兩種自然珊瑚石人工骨的動物實驗及臨床 應(yīng)用。 1987年， Guillemin 等 3對珊瑚人工骨做了進一步的動物實驗。 1988 年，Roux 5報道了珊瑚人工骨在顱頜面外科中的初步應(yīng)用。曾融生 6 9、苗林1012自90年代初開始國產(chǎn)珊瑚石人工骨的系列研究工作。通 過近 10 多年的研究，發(fā)現(xiàn)珊瑚人工骨具有良好的生物相容性，骨傳導(dǎo)性，并具 有生物降解性，被認(rèn)為是一種有前途的骨生物移植材料。 1 珊瑚人工骨的理化結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性 1.1 自然珊瑚石的理化結(jié)構(gòu) 目前用于移植材料的珊瑚石包括 35：濱

3、珊 瑚 (Porites) 、角蜂巢珊瑚 (Favites) 、葉狀珊瑚 (Lobophylia) 、鹿角珊瑚 (Acropora) 、石芝珊瑚 (Fungia) 、角孔珊瑚 (Goniopora) 和杯狀珊瑚 (Pocillopora) 等，其中以濱珊瑚的研究較多。這些珊瑚均屬造礁珊瑚的石珊瑚 目(Madrepora)。珊瑚石的主要成分為 CaCO3占99% 以文石(Aragnite)的形 式存在，其余 1%為有機成分，主要是氨基酸 3。珊瑚石在結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分 上非常類似礦化骨。 珊瑚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈多孔狀，但不同種類及產(chǎn)地的珊瑚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔徑及 孔率各不相同，具有不同的密度和機械強度。濱珊瑚

4、和角孔珊瑚其內(nèi)部所有孔 道互相通連，結(jié)構(gòu)類似松質(zhì)骨，濱珊瑚的孔率 (Porisity Volume)為 49%，平均 孔徑250Mm(150400Mm) 34。鹿角珊瑚的結(jié)構(gòu)類似濱珊瑚，但其骨骼 較濱珊瑚致密，具有較高的機械強度，孔率為 12%平均孔徑500Mm(200 800Mm)4 。角蜂巢珊瑚、葉狀珊瑚的結(jié)構(gòu)與骨干的密質(zhì)骨非常相似，由致 密的外壁包繞內(nèi)部較薄的分隔狀結(jié)構(gòu) 3。石芝珊瑚與濱珊瑚具有相同的孔 徑，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈縱行管狀，互不相通，管內(nèi)由致密的壁分隔2。杯狀珊 瑚由非常致密堅硬的外壁和內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成，非常類似骨結(jié)構(gòu)，孔率14%， 內(nèi)部的平均孔徑 725Mm17。 1.2 自然珊

5、瑚石的生物學(xué)特性 1.2.1 生物相容性 珊瑚人工骨具有良好的生物相容性，動物實驗及臨床應(yīng)用 尚未見發(fā)生排異反應(yīng)的報道。曾融生等6選用濱珊瑚作為實驗材料，分別用 生理鹽水、5%酉精和植物油三種溶劑制成浸出液，以小鼠為實驗動物進行急性 毒性、細(xì)胞毒性、皮膚刺激性實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)珊瑚材料無急性毒性作用及皮膚 刺激作用，細(xì)胞毒性為0級。苗林等10將濱珊瑚植于大鼠的皮下及肌肉， 發(fā)現(xiàn)植入部位無明顯的炎癥反應(yīng)及排斥反應(yīng)，無組織壞死。 1.2.2 生物降解性 珊瑚石人工骨的生物降解性已為眾多實驗證實。Chiroff 1將濱珊瑚制成直徑0.5cm,長1cm的圓柱狀植于狗的股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端 內(nèi)，首次發(fā)現(xiàn)珊瑚人

6、工骨具有生物降解性，術(shù)后12個月時，顯微放射X線檢查 發(fā)現(xiàn)，植入的9個部位中，只有2個部位能看到珊瑚痕跡，且珊瑚骨與臨近骨 質(zhì)無明顯界限；組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)新生骨與臨近骨小梁互相連續(xù)，殘留珊瑚石周 邊為骨小梁，未發(fā)現(xiàn)纖維組織包裹及排異現(xiàn)象。Guillemin等3將珊瑚人工 骨植入狗的皮質(zhì)骨缺損區(qū)(8mnK 5mm和松質(zhì)骨缺損區(qū)(長20mm直徑8mm)術(shù) 后8周時皮質(zhì)骨缺損區(qū)人工骨全部吸收，代之以新生的編織骨(Woven Bone); 松質(zhì)骨缺損區(qū)所植人工骨于術(shù)后 6周時已完全吸收并由新生的編織骨填充。 珊瑚人工骨植入后的降解及新骨形成過程可分為以下三個階段4，13: 首先，源于骨髓的肉芽組織連同新

7、生血管侵入珊瑚骨腔隙內(nèi)，珊瑚內(nèi)部相互 連通的孔隙有利于血管長入整個植入物內(nèi)；珊瑚界面的破骨細(xì)胞導(dǎo)致珊瑚的 逐漸降解吸收，同時，成骨細(xì)胞的沉積形成編織骨不斷填充空白區(qū)域；新生 的編織骨通過Haversain氏改建過程轉(zhuǎn)化為成熟的密質(zhì)骨。 珊瑚人工骨的降解機理：Guillemin等34認(rèn)為破骨細(xì)胞在珊瑚降解 中具有重要作用。破骨細(xì)胞內(nèi)含有碳酸酐酶 (Anhydrase)，能夠催化下列可逆反 應(yīng)，CO2+H2O HCO3 +H+。珊瑚石的主要成分為 CaCO3破骨細(xì)胞產(chǎn)生和釋 放的H+導(dǎo)致CaCO3吉構(gòu)的破壞，最終導(dǎo)致珊瑚的降解。苗林12、Ohgushi 13在動物實驗中均發(fā)現(xiàn)植入的珊瑚界面有多核巨

8、細(xì)胞(Multi nu cleated Gia nt Cell)的存在，而這種多核巨細(xì)胞是否為破骨細(xì)胞 (Osteoclast)尚有爭 議。 珊瑚人工骨的降解與新骨形成的動態(tài)平衡對于骨缺損的修復(fù)至關(guān)重要，若 降解速度大于新骨形成的速度，則導(dǎo)致骨缺損的修復(fù)不全。影響其降解速度的 可能因素有：珊瑚內(nèi)部孔隙率的大?。簧汉髦锈}的密度；植入的部位。 Guillemin 4對比了兩種不同孔徑及孔率的珊瑚的吸收速度，發(fā)現(xiàn)孔率大者 吸收快、新骨沉積也快，對其它可能影響因素尚需進一步研究。 1.2.3 珊瑚人工骨的骨引導(dǎo)性O(shè)hgushi等13將珊瑚植于大鼠的皮下，術(shù) 后8周時處死動物，發(fā)現(xiàn)植入珊瑚內(nèi)部孔隙有纖維

9、血管組織侵入，未發(fā)現(xiàn)新骨 或軟骨的形成，苗林等10也有同樣的實驗結(jié)果，說明珊瑚人工骨不具骨誘 導(dǎo)性。但若將珊瑚植于骨缺損部位或?qū)⒔泄撬杓?xì)胞的珊瑚植于皮下時，則于 珊瑚的表面有新骨形成，證明珊瑚人工骨結(jié)構(gòu)具有引導(dǎo)新骨形成的能力3， 4, 13。多孔材料的孔徑必須大于100Mm時才有利于成骨細(xì)胞侵入以及所形 成骨單位的礦化1。Holmes 14通過研究發(fā)現(xiàn)濱珊瑚人工骨的特定內(nèi)部結(jié) 構(gòu)具有良好的骨引導(dǎo)作用，為新骨的長入提供足夠的空間，并發(fā)現(xiàn)在新骨的形 成過程中，首先在孔隙的表面形成新骨，然后向孔隙的中心延伸。在珊瑚引導(dǎo) 的新骨形成過程中，未發(fā)現(xiàn)軟骨骨痂，而是直接成骨，新骨與珊瑚界面之間無 纖維組織

10、間隔3, 13。 2珊瑚人工骨用于骨缺損修復(fù)的實驗研究 Souyris等2于豬的下頜骨水平支下緣造成 4cmK 1cm的缺損，用相應(yīng) 大小的濱珊瑚植于缺損部位，鋼絲固定。 4月后發(fā)現(xiàn)珊瑚完全吸收，缺損由部 分新生骨填充，組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)為正常的下頜骨骨質(zhì)，但僅修復(fù)原缺損的 60%。在其另一項實驗中，采用另一種致密型珊瑚，石芝珊瑚，植于狗及狒狒的 下頜骨缺損處， 6 月后珊瑚體積仍保持不變，骨缺損在形態(tài)上明顯修復(fù)，肉眼 無法確定珊瑚與臨近骨的界限。X線檢查發(fā)現(xiàn)珊瑚與臨近骨有一界面。上述實 驗結(jié)果說明不同結(jié)構(gòu)的珊瑚骨，其降解速度不同，降解速度過快可導(dǎo)致骨缺損 修復(fù)不全。Guillemin等3將30只

11、雜種狗的股骨造成2.8cm的橫斷缺損， 分為 3 組，每組 10只，分別于骨斷端植入濱珊瑚、角蜂巢珊瑚，空白對照，并 用夾板作內(nèi)固定。術(shù)后 12個月時 ，對照組有 9只骨斷端發(fā)生骨不愈合，其間 由纖維軟骨組織填充，實驗組骨質(zhì)均愈合。 3 珊瑚人工骨骨膜下填充植骨的實驗研究 有關(guān)珊瑚骨膜下填充植骨的報道很少。 Alpaslan 等15將塊狀珊瑚人工 骨以及由顆粒狀多孔HA與膠原制成的人工骨植于豚鼠顱骨骨膜下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 珊瑚組術(shù)后 30 天時，骨膜下可見較厚的新骨形成，所植珊瑚骨完全吸收 （作者 未報告植入物的大小 ）， 60天時，骨膜下新生骨較 30天時變薄并可見板狀骨形 成，90天時新骨轉(zhuǎn)化

12、為板狀骨。HA組各個時期均未見新骨形成跡象。苗林等 16將塊狀濱珊瑚（8mmK5m材2mm植于兔顱骨骨膜下，觀察珊瑚人工骨在皮 質(zhì)骨表面的骨傳導(dǎo)作用，結(jié)果顯示：珊瑚植于顱骨表面 2周時即有新骨質(zhì)長入 珊瑚孔內(nèi)，珊瑚被進行性吸收； 12周時珊瑚塊大部分被吸收，新骨改建成板層 骨，新骨所修復(fù)的骨高度較珊瑚塊高度低；珊瑚組新骨修復(fù)的高度明顯大于空 白對照組。認(rèn)為珊瑚骨在皮質(zhì)骨表面有良好的骨傳導(dǎo)作用。 4 珊瑚人工骨的臨床應(yīng)用研究 Souyris 等2于 1985年將珊瑚人工骨用于唇腭裂患者鼻梨狀孔區(qū)的重 建以矯正鼻底部不對稱畸形，同時還將塊狀珊瑚石嵌于 Le Fort 截骨后上頜結(jié) 節(jié)與翼板之間用于

13、截骨后的固定，并用于顱骨創(chuàng)傷后凹陷畸形的修復(fù)，近期效 果良好。由于病例少，隨訪時間短，尚不能對其效果作評價。 Roux等5將濱珊瑚制成的人工骨成品，包括珊瑚塞 （Coralcorks，長 11mm 直徑 9mm）珊瑚塊（10mmX 15mM 20mm 10mM 20mrK 30mm 40mm或 50mm分別用于顱骨鉆孔后的骨缺損以及創(chuàng)傷和腫瘤切除后顱前凹底部缺損的修 復(fù)。術(shù)后810個月，珊瑚塞的體積明顯縮小，術(shù)后 1年，約有50%勺珊瑚塞 完全吸收，另外 50%發(fā)生不完全吸收；塊狀珊瑚骨術(shù)后 1 年時的吸收率不超過 其體積的 40%。無感染及并發(fā)癥發(fā)生。通過塞狀及凸面塊狀人工骨植入，避免 了術(shù)

14、后凹陷畸形的發(fā)生。 12例顱底修復(fù)者，術(shù)后 1年隨訪效果良好，無腦脊液 漏發(fā)生。說明珊瑚人工骨的體積大小對其吸收也有影響。 關(guān)于珊瑚人工骨骨膜下填充植骨的臨床報道很少。Pap acharalambous等 17將塊狀鹿角珊瑚用于半側(cè)小面畸形、上頜骨發(fā)育不良、小頦畸形、 Treacher-Collins 綜合征患者骨缺損處的填充植骨，近期效果良好，隨訪時 間634個月，植入物保留植入時體積，但對植入物的遠(yuǎn)期命運如何，作者認(rèn) 為尚需進一步的動物實驗和臨床觀察。 5 存在的問題 自然珊瑚石人工骨具有良好的生物相容性，骨引導(dǎo)性，且具有生物降解 性，加之其來源廣泛，加工制做工藝簡單，因而被認(rèn)為是一種有前

15、途的骨生物 移植材料，但還存在如下問題。 5.1 珊瑚降解過塊，導(dǎo)致骨缺損修復(fù)不全。自然珊瑚石人工骨最早作為骨生物 代用品提出時，認(rèn)為其最主要的優(yōu)點在于其具有生物降解性，并理論上推測隨 著珊瑚的逐步降解和新骨的逐漸長入，所植珊瑚石最終能夠被宿主骨完全替 代。近年來通過進一步的實驗研究及臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，自然珊瑚石作為骨生物代 用品的主要弊端是降解過快，導(dǎo)致骨缺損修復(fù)不全，并對其骨引導(dǎo)能力提出質(zhì) 疑。Roy 18將自然珊瑚石經(jīng)熱液交換反應(yīng)，使珊瑚碳酸鈣轉(zhuǎn)化為珊瑚多孔羥 基磷灰石 (Coralline Hydroxy-Apatite Porous CHAP)，并保持珊瑚的孔隙結(jié) 構(gòu)，解決了植入后降解問

16、題，并有成品在市場出售。由于其價格昂貴，使其應(yīng) 用受到一定程度限制。將自然珊瑚石人工骨與骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (Bone Morphogenic Protein) 聯(lián)合應(yīng)用，使其不但具有骨引導(dǎo)性，同時賦予其誘導(dǎo)新 骨生成的能力，加速成骨，可能是解決骨修復(fù)不全的途徑之一。最近，張森林 19、馬秦等20將濱珊瑚與重組人骨形成蛋白2(hBMP-2)復(fù)合，制成復(fù) 合人工骨，用于兔顱骨缺損和下頜骨缺損的修復(fù)，結(jié)果顯示：復(fù)合骨組的成骨 量明顯高于同期珊瑚組。 5.2 骨膜下填充植骨是顱頜面外科臨床實踐中常用的一種植骨方式，對增加局 部骨體積，改善面部形態(tài)具有重要作用。生物性填充植骨材料植入后能否骨化 并保持植入

17、時體積一直是人們關(guān)注的一個問題。苗林等16將較疏松的塊狀 濱珊瑚植入兔顱骨骨膜下，發(fā)現(xiàn) 2 周時即有新骨自顱骨骨面向珊瑚孔內(nèi)長入， 珊瑚被進行性吸收， 12周時珊瑚塊大部分吸收，新骨改建成板層骨 ，但新骨 的厚度較植入時珊瑚厚度低。 Alpslan 等15也有與上述相同的實驗結(jié)果。 這種較疏松的濱珊瑚骨膜下植入后的進行性吸收和所形成新骨的逐漸變薄顯然 不適合作為臨床填充植骨材料。 Souyris 等2認(rèn)為非常致密的珊瑚石植入后 并不隨時間的推移而發(fā)生降解，這類珊瑚僅由結(jié)締組織固定。如果確實如此， 這種不發(fā)生降解的珊瑚將會是非常良好的填充植骨材料，對此尚需作進一步的 研究。 作者單位：張智勇(

18、100041 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)整形外科醫(yī)院 顱頜面外科) 歸來(100041 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)整形外科醫(yī)院顱頜面外科) 參考文獻 1 ， Chiroff RT, White EW, Weber KN, et al. Tissue ingrowth of replamineform implants. J Biomed Mater Res, 1975, 9(4): 29. 2， Souyris F, Pellequer C, Payrot C, et al. Coral, a new biomedical material. Experimental and firs

19、t clinical investigations on Medreporaria. J Maxillofac Surg, 1985, 13(2): 64. 3，Guillemin G, Patat JL, Fourine J, et al. The use of coral as a bone graft substitute. J Biomed Mater Res, 1987, 21(5): 557. 4，Guillemin G, Meunier A, Dallant P, et al. Comparison of coral resorption and bone appostion w

20、ith two natural corals of different porosities. J Biomed Mater Res, 1989, 23(7): 765. 5，Roux FX, Brasnu D, Loty B, et al. Madreporic coral: a new bone graft substitute for cranial surgery. J Neurosurg, 1988, 69(4): 510. 6，曾融生 , 任材年, 于秦曦. 珊瑚骨修復(fù)頜面骨缺損 . 生物相容性及骨親和性 探討. 中山醫(yī)科大學(xué)學(xué)報 , 1991, 12(4): 276. 7，曾融生

21、 , 任材年, 于秦曦. 珊瑚人工骨作為頜面骨修復(fù)材料的初步報告 . 中 華口腔醫(yī)學(xué)雜志 , 1991, 26(6): 345. 8，曾融生 , 任材年, 古向生. 珊瑚人工骨填充頜骨腔性缺損及促進骨修復(fù)的臨 床探討. 臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志 , 1993, 9(4): 218. 9，曾融生 , 任材年, 李春陽 . 致密型珊瑚骨修復(fù)皮質(zhì)骨缺損的實驗研究 . 中華 口腔醫(yī)學(xué)雜志 , 1997, 32(1): 16. 10，苗 林, 劉寶林 , 孫慶妹 , 等. 珊瑚人工骨皮下肌肉種植的組織學(xué)觀察 . 實用口腔醫(yī)學(xué)雜志 , 1995, 11(2): 86. 11，苗 林, 劉寶林. 珊瑚人工骨的研究現(xiàn)

22、況 . 國外醫(yī)學(xué)口腔醫(yī)學(xué)分冊 , 1994, 21(2): 91. 12，苗 林, 劉寶林 , 孫慶妹 , 等. 珊瑚人工骨修復(fù)兔顱骨缺損的骨組織形態(tài) 測量學(xué)研究 . 中國修復(fù)重建外科雜志 , 1997, 11(3): 132. 13， Ohgushi H, Okumura M, Yoshikawa T, et al. Bone formation process in porous calcium carbonate and hydroxyapatite. J Biomed Mater Res, 1992, 26(7): 885. 14， Holmes RE. Bone regeneration within a coralline hydroxyapatite implant. Plast Reconstr Surg, 1979, 63(5): 6