1、硫酸鈣在骨修復治療中的作用         10-05-05 16:16:00     編輯：studa20               作者：游永剛，唐輝，陳克久，徐永清【關鍵詞】  骨修復     隨著人口的增長和老齡化，因創傷、腫瘤或骨病等原因造成骨缺損的病人越來越多。對骨移植材料的

2、需求大大刺激了人工骨移植材料發展，成為骨缺損修復的重要手段，并對骨修復治療提出了新的認識和要求。成功的骨修復治療是基于骨再生的生物學基礎，需要3種基本元素的相互作用：細胞、生長因子和良好的支架載體材料1，亦即所謂的骨組織工程學。作為一種骨移植材料硫酸鈣用作骨缺損填充修復治療已達百年之久。動物實驗和臨床研究2,3都證實硫酸鈣的生物相容性和用作骨移植材料的可行性。而且硫酸鈣來源廣泛，價格便宜，與同等量的膠原、磷酸鈣骨水泥相比有明顯價格優勢，在臨床上顯示出它受歡迎的程度。    1  硫酸鈣的概述    硫酸鈣(calcium s

3、ulfate，CS)是一種無機陶瓷類材料，它可以分為3大類：（1）二水硫酸鈣；（2）半水硫酸鈣；（3）無水硫酸鈣。二水硫酸鈣，分子式為CASO4·2H2O。半水硫酸鈣，是二水石膏脫去1.5水分子后形成，再次水化(即每分子半水硫酸鈣結合1.5水分子)又變成二水石膏。    目前臨床使用的較多的硫酸鈣產品為20世紀90年代美國Wright醫療技術有限公司以硫酸鈣為基質研制生產出新一代骨移植替代產品OsteoSet，相繼又有Profusion(Bio Generation，Inc)、Stimulan(Biocomposites，Inc)推向市場。3種產品均為外

4、科手術級的醫用硫酸鈣，是使用特殊的方法制成的醫用半水硫酸鈣(CaSO4·12H2O)。1996年通過了ASTM、IS010993標準生物相容性測試，包括細胞毒性、致敏性、遺傳毒性、體內植入實驗、系統毒性以及皮內注射實驗等，經美國FDA(美國食品及藥物管理局)的認證，同年獲得歐洲CE標志，獲準在臨床使用的一種骨移植替代物。其制備過程中通過晶體化工藝，使硫酸鈣成為單一的晶體結構，  以便控制其體內降解速度2，具有可降解性和高效誘導成骨活性，植入體內無排斥、過敏和毒性反應，是一種安全可靠的骨移植替代品。目前在骨科領域廣泛用于修復由于創傷、假體松動、腫瘤刮除引起的骨缺損， 

5、; 以及融合脊柱和治療單純骨囊腫。近年來，Wright公司又研制出了可注射性的硫酸鈣骨替代材料，其操作簡便，能夠注射入骨缺損處，原位固化，適應骨缺損進行塑形，符合微創外科的發展的要求，再次受到了廣泛的關注4。    2  硫酸鈣在骨生物學中的作用    從生物學的觀點來看，骨是一個有生命的活組織，在人體內執行著幾個關鍵的功能。骨不僅提供支持保護身體器官的結構，而且與礦物質的新陳代謝有關。此外，在生命中通過不斷更新過程，它能夠維持最佳的結構和功能。也能對外界機械環境的變化產生反應在形態與功能之間維持最佳的平衡，即Wolffs定

6、律5。在骨折愈合和改型期間，生物化學的信號分子刺激導致骨髓間充質干細胞群的增加。然而，局部的環境也決定成骨性細胞的分化途徑，最終導致成骨細胞或成軟骨細胞的演變進展6。    由美國Wright公司生產的醫用硫酸鈣具有純度高，雜質少，結構均一，生物相容性好，在體內能夠完全被降解吸收，對周圍組織不產生炎癥和異物刺激作用。硫酸鈣在降解過程中局部形成的微酸環境，引起局部骨組織脫鈣和自身降解產生的鈣離子形成一個高鈣濃度的環境7，這些鈣離子能夠對成骨細胞提供刺激作用。細胞外鈣離子濃度是調整成骨細胞和破骨細胞活動的一個重要因素8。通過改變成骨細胞細胞膜表面鈣離子通道受體的表達，

7、調整成骨細胞的增殖和分化從而使骨達到生物學修復的目的。研究發現，骨壞死部位鈣離子濃度遠遠超過生理濃度，可以達到40 mmol/L，在這種情況下，通過負反饋調節可以刺激成骨細胞的增殖和抑制破骨細胞介導的骨吸收。也就是說，較高鈣離子濃度可促進成骨細胞的分化9。Shinichi10用體外細胞培養研究了鈣離子濃度和成骨細胞行為的關系，發現單層成骨細胞能夠在含20 mmol/L濃度鈣離子培養液中緩慢增殖，而在三維培養中20 mmol/L濃度鈣離子可以促進成骨細胞增殖。研究10顯示515 mmolL鈣離子濃度最有利于成骨細胞的增殖，520 mmolL最有利于成骨細胞的分化和礦化。X線晶體衍射分析鈣沉積本質

8、為成熟的磷酸鈣成分，即羥基磷灰石。提示成骨細胞對不同濃度硫酸鈣溶液反應可以解釋硫酸鈣作為骨移植替代物促進新骨形成的生物學機制。    硫酸鈣在無骨或骨膜存在的條件下不能刺激骨生成，而在骨或骨膜存在的情況下，能促進骨再生。體外研究表明，成骨細胞附著于硫酸鈣，在此基礎上成骨，而破骨細胞吸收硫酸鈣，形成生物降解11。它在骨缺損區作為空隙的填充物，形成微酸環境有利于血管和成骨細胞的長入，提供了骨形成所需的基質，并阻止軟組織長入11,12。這也說明了硫酸鈣的成骨機制是依賴于骨自身的生物學基礎。    3  硫酸鈣對骨的化學介導作用&#

9、160;   早在1892年，Dressman就用硫酸鈣填充治療18例骨缺損病人并獲成功。經過不斷的研究和臨床應用證實了它在骨缺損修復治療方面的效果，對其作用機制也有了進一步的認識。目前文獻報導多集中于硫酸鈣的骨傳導性，也是目前唯一通過美國FDA認證具有骨傳導作用的人工骨。而對其骨誘導活性看法不一，這可從硫酸鈣材料的界面化學中得到解釋。材料適合界面化學有助于成骨細胞在其表面支持骨形成。材料不同的化學性質可產生不同的反應。局部周圍環境中離子、多肽、信號細胞釋放的蛋白質和移植物表面的信號分子通過信號轉導機制13，這樣生長因子作用于細胞使其分裂增殖。Walsh等14用成年雜種閹羊

10、建立股骨遠端的網狀骨缺損模型，發現硫酸鈣組和自體骨組在缺損區域的新骨形成相似，硫酸鈣組新骨更厚但不成熟；通過增強免疫組化染色都可看到骨形態蛋白(BMP2、BMP7)、轉化生長因子和血小板釋放的生長因子等表達增加。這說明硫酸鈣降解吸收后形成的局部微觀環境間的化學作用有助于增強BMPs等生長因子的表達而產生誘導成骨作用。    Dalby15、DiSilvio16等認為材料的界面化學支配行為是，通過材料表面的電荷密度和附著的原子序列所具有的潛能來影響細胞群的表面電荷和蛋白質的構象，例如蛋白基質或生長因子，吸附在材料的表面對局部細胞行為產生影響。體外研究顯示，室溫下將2

11、0片硫酸鈣片劑溶于50 ml磷酸鹽緩沖液(pH7.4)中，24 h持續攪動并連續檢測pH值，發現pH值下降并穩定在5.1；推測局部pH值下降繼發周圍骨組織脫礦作用和BMPs的釋放，從而促進成骨作用。De Leonardis等17在硫酸鈣植入骨缺損術后6個月的患者中發現骨小梁周圍有一些非結晶的嗜紅性微粒，其周圍成骨細胞活性較強；馮·科薩染劑染色后發現嗜紅性微粒和周圍骨小梁組織鈣離子濃度較高；認為這種嗜紅性微粒可能是硫酸鈣的殘余或生成物。這也許可通過上述理論來解釋硫酸鈣移植物觀察到的不同臨床結果。    另外，一些學者認為材料的內在化學性質直接與骨誘導活性作

12、用相關，通過溶解和釋放特殊關鍵的離子，直接作用于局部細胞基因表達的調節和影響細胞的分化。鈣是細胞交織中重要的信號分子，在細胞的運動、酶調節、碳水化合物的釋放、神經和肌肉細胞中發揮功能。局部鈣離子濃度的增加并在體外顯示出重要的礦化作用與骨修復密切相關18。這可說明硫酸鈣植入后降解吸收后釋放鈣離子產生高鈣濃度對成骨細胞的作用7。因此，骨移植材料的最佳化學作用可大大提高臨床上對骨缺損修復治療成功的機會。    4  硫酸鈣作為支架在骨組織工程中的載體作用    一種理想的骨移植材料不僅是暫時的替代缺失骨，而且能提供一個使宿主骨和血

13、管網再生愈合的框架結構。并應具有支架可充當載體的作用，給新骨、血管和軟組織生長與骨碎片的連接提供支持，在骨與移植材料之間形成一個骨橋加強移植部位的穩固。另外，還應能和宿主組織相互作用，募集甚至促進成骨性干細胞的分化。其結構特征也會影響生物學的反應，從而影響成骨作用的過程。不同骨移植材料的機械行為很大程度上隨孔隙結構改變，機械因素調節許多類型的細胞，包括成骨細胞和骨細胞因子19。通過動力傳導過程，可使機械的壓力改建成為生物學的信號和生理學的反應。而且，機械刺激近來顯示出刺激骨祖細胞的成骨性分化20。骨移植材料的微孔性對生物活性有明顯的影響21,22。證據提示，這是通過復合增強血管發生作用22和細

14、胞粘附作用21,23，推測是通過吸附蛋白或骨移植材料內微孔的誘獲產生的吸附作用。    硫酸鈣是一種能快速吸收后遺留硫酸鈣網狀結構的材料，并促進骨再生。在光學顯微鏡下可看到骨小梁的存在，沒有硫酸鈣殘留物。透射電鏡顯示，與移植物表面相接觸的面積，有許多成熟骨細胞的特征。在材料表面的成熟骨有無定形的層面和類骨質樣骨縫的分離24，并且多孔性的網狀結構有利于成骨細胞及血管長入25。這些作用或許能夠從上述理論中得到答案。    硫酸鈣作為支架在骨組織工程中更多的是發揮著載體的作用。作為局部植入的載體具有幾個優點26,27：（1）良好的耐受性；（

15、2）空間填充特性，吸收速度與新骨形成速度相當；（3）生物吸收完全；（4）骨傳導作用。尤其是在感染的病例中，硫酸鈣復合抗菌素也能夠作為一種局部抗生素釋放裝置，被作為一種生物可降解的釋放系統負載抗生素實施給藥。經動物實驗，含妥布霉素硫酸鈣在治療伴有感染情況下，作為一種生物可降解的局部抗生素釋放系統具有潛在效用28。    Kai29等用硫酸鈣作為載體復合骨髓間充質細胞衍生的成骨細胞和人重組骨形態蛋白在腰椎融合術中的治療效果說明硫酸鈣是一種良好可供選擇的材料。Bibbo30等用萬古霉素DBM-硫酸鈣骨移植替代物治療33例踝關節內跟骨骨折并伴有中心部位松質骨缺損的病人獲得

16、了較好的效果。Papagelopoulos31等對一個24歲伴有綠膿桿菌和奇異變形桿菌導致慢性跟骨骨髓炎的婦女，經過廣泛徹底清創去除壞死骨手術后，應用含妥布霉素硫酸鈣釋放系統治療，3個月后，實驗室檢查，包括全血細胞計數、血沉和C-反應蛋白都正常。2年后，患者達到全重量支撐功能，感染沒有再復發，觀察到自體骨和硫酸鈣完全滲入到宿主骨。Tsai32等用浸漬過妥布霉素的硫酸鈣治療感染的脛骨骨不連，隨訪3年，各自的脛骨顯示較好的結合，并且沒有再出現感染，認為妥布霉素浸漬過的硫酸鈣是一種處理受感染的脛骨骨不連可選擇的方法。     10-05-05 16:16:00

17、     編輯：studa20    5  硫酸鈣在骨修復治療中應用的前景    硫酸鈣經過一個世紀的發展，在骨缺損、脊柱融合、骨不連和慢性骨髓炎的修復治療中顯示出它的優良作用，并且在臨床應用中也取得了良好的效果。作者可以看出它在骨修復治療中生物學、化學和組織工程的重疊交錯作用，尤其是硫酸鈣能作為一種生長因子和抗生素的釋放載體，盡管這種應用在臨床過程中沒有完全的開發利用33，但有關硫酸鈣局部作用的分子學機制、影響其吸收的局部因素、作為支架材料的穩定作用等還需進一步研究。探索理解硫酸鈣的

18、骨誘導活性機制和局部化學和物理環境之間的相互作用，將為以后發揮硫酸鈣更佳效能和骨修復治療鋪路。相信隨著科學技術的發展，硫酸鈣能夠通過正確的化學作用，刺激宿主適合的反應，并作為骨組織工程中一種適合的支架結構將會成為理想的骨移植材料，甚至可充當病毒攜帶者傳遞的載體，從而實現骨折的基因治療。【參考文獻】  1 Karin A， Hing. Bone repair in the twentyfirst century:biology, chemistry or engineeringJ.Phil Trans R Soc Lond, 2004, 362:2821-2850.2 Gitelis

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20、ettage, and grafting with medicalgrade calcium sulfate pellets for unicameral bone cysts in children:a new minimally invasive techniqueJ.J Pediatr Orthop, 2005,6:804-811.5 Wolff, J. Uber die innere architektur der knochen und ihre bedeutung f"ur die fragen yom mnochenwaehsthumJ. Virchows Arch P

21、ath Anat Physiol, 1870, 50:389-450.6 Bourne GH. The biochemistry and physiology of boneJ. 2nd edn, 1972,Academic.7 Bell WH. Resorption characteristics of bone and bone substitutesJ . Oral Surg Oral Med Oral Pathol, 1964,17:650-657 .8 Duncan RL, AkanbiKA, Farach Carsib MC. Calcium signals and calcium

22、 channels in osteoblastic cellsJ.Semin Nephrol, 1998,18:178-190.9 Silver IA, Murrills RJ, Etherington DJ. Microelectrode studies on the acid microenvironment beneath adherentmacrophages and osteoclastsJ. Exp Cell Res, 1988, 175: 266-276.10Shinichim, Yasuo N, Hideo M, et al. The effect of calciumion

23、concentration on osteoblast viability, proliferation and differentiation in monolayer and 3D cultureJ.Biomaterials, 2005,26:4847-4855.11Sidqui M. Osteoblast adherence and resorption activity of isolated osteoblasts on calcium sulphate hemihydratelJ. Biomaterials,1995,16:1327-1332.12 Oh CW, Kim PT ,

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25、ous defectJ. Clin Orthop Relat Res, 2003,406:228-236.15 Malby MJ, Di Silvio L, Harper EJ,et al. Increasing hydroxyapatite incorporation into poly(methylmethacrylate) cement increases osteoblast adhesion and responseJ. Biomaterials,2002,2：2569-2576.16Di Silvio L, Dalby MJ, Bonfield W. Osteoblast beha

26、viour on HA/PE composite surfaces with different HA volumesJ. Biomaterials, 2002,1:101-107.17De Leonardis D, Pecora GE. Prospective study on the augmentation of the maxillary sinus with calcium sulfate: histological resultsJ . J Periodontol, 2000,6:940-947.18Chang YL, Stanford CM, Keller JC. Calcium

27、 and phosphate supplementation promotes bone cell mineralization: implications for hydroxyapatite (HA)-enhanced bone formationJ. J Biomed Mater Res, 2000,2: 270-278.19Frost HM. Bone mass and the mechanostat : a proposalJ. Anat Rec, 1987,2:1-9.20Mauney JR, Sjostorm S, Blumberg J,et al. Mechanical sti

28、mulation promotes osteoge     10-05-05 16:16:00     編輯：studa20    5  硫酸鈣在骨修復治療中應用的前景    硫酸鈣經過一個世紀的發展，在骨缺損、脊柱融合、骨不連和慢性骨髓炎的修復治療中顯示出它的優良作用，并且在臨床應用中也取得了良好的效果。作者可以看出它在骨修復治療中生物學、化學和組織工程的重疊交錯作用，尤其是硫酸鈣能作為一種生長因子和抗生素的釋放載體，盡管這種應用在臨床過程中沒

29、有完全的開發利用33，但有關硫酸鈣局部作用的分子學機制、影響其吸收的局部因素、作為支架材料的穩定作用等還需進一步研究。探索理解硫酸鈣的骨誘導活性機制和局部化學和物理環境之間的相互作用，將為以后發揮硫酸鈣更佳效能和骨修復治療鋪路。相信隨著科學技術的發展，硫酸鈣能夠通過正確的化學作用，刺激宿主適合的反應，并作為骨組織工程中一種適合的支架結構將會成為理想的骨移植材料，甚至可充當病毒攜帶者傳遞的載體，從而實現骨折的基因治療。【參考文獻】  1 Karin A， Hing. Bone repair in the twentyfirst century:biology, chemistry or

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31、 WN, Moroz L, et al. Percutaneous intramedullary decompression, curettage, and grafting with medicalgrade calcium sulfate pellets for unicameral bone cysts in children:a new minimally invasive techniqueJ.J Pediatr Orthop, 2005,6:804-811.5 Wolff, J. Uber die innere architektur der knochen und ihre be

32、deutung f"ur die fragen yom mnochenwaehsthumJ. Virchows Arch Path Anat Physiol, 1870, 50:389-450.6 Bourne GH. The biochemistry and physiology of boneJ. 2nd edn, 1972,Academic.7 Bell WH. Resorption characteristics of bone and bone substitutesJ . Oral Surg Oral Med Oral Pathol, 1964,17:650-657 .8

33、 Duncan RL, AkanbiKA, Farach Carsib MC. Calcium signals and calcium channels in osteoblastic cellsJ.Semin Nephrol, 1998,18:178-190.9 Silver IA, Murrills RJ, Etherington DJ. Microelectrode studies on the acid microenvironment beneath adherentmacrophages and osteoclastsJ. Exp Cell Res, 1988, 175: 266-

34、276.10Shinichim, Yasuo N, Hideo M, et al. The effect of calciumion concentration on osteoblast viability, proliferation and differentiation in monolayer and 3D cultureJ.Biomaterials, 2005,26:4847-4855.11Sidqui M. Osteoblast adherence and resorption activity of isolated osteoblasts on calcium sulphate hemihydratelJ. Biomaterials,1995,16:1327-1332.12 Oh CW, Kim PT , Ihn JC. The use of calcium sulfate as a substituteJ. J Orthop Surg, 1998,2:1