与骨缺损区域骨组织再生相匹配的新型硅酸钙(基)支架的性能优化

摘要

背景:硅酸钙支架因为具有良好的生物相容性、骨诱导性、骨传导活性及具备一定的生物降解性而备受关注,但由于硅酸钙成骨效应不稳定、降解速率快以及力学性能差的原因,目前尚未应用于临床骨缺损修复中.目的:详细回顾近年来优化硅酸钙支架性能的研究进展,总结单相硅酸钙支架在骨缺损修复应用中的潜力和不足,探索其用于临床骨缺损修复的可能性.方法:通过中国知网、万方、PubMed、Elsevier及Web of Science数据库,以"3D print,calcium silicate,osteogenesis,composite modification,angiogenesis,stress distribution,bone defect repairing"为英文检索词,"3D打印、硅酸钙、成骨诱导、复合改性、成血管诱导、应力分布、骨缺损修复"为中文检索词,检索近20年的相关文献,通过纳入、排除标准筛选,最终纳入文献共83篇,基于终筛文献对骨组织工程中硅酸钙(基)支架性能优化的研究进展及挑战进行系统全面的分析阐述.结果 与结论:①硅酸钙材料具有一定的促骨髓间充质干细胞成骨成血管定向分化的潜力,一定的可降解性,游离的Ca2+和Si4+可诱导羟基磷灰石沉积、促进Ⅰ型胶原分泌以及成骨细胞分化,进而增加骨密度,促进矿化环节,目前已成为骨修复领域最有潜力的前沿研究方向.②然而单相硅酸钙支架在机械性能、生物活性和降解速率上难以完全适配骨缺损区域的骨组织再生,故尚未在临床上广泛使用.③目前,针对硅酸钙(基)支架性能优化的研究虽较丰富,但是缺乏系统的整理归纳,文章将硅酸钙(基)支架的性能优化手段归纳为支架结构的优化和支架材料组成的优化共2大类.④硅酸钙(基)支架的结构优化以3D打印技术效果最为突出,3D打印技术通过精确调控支架的孔隙率和孔径大小,可以使硅酸钙(基)支架拥有更优的应力分布模式和成骨成血管效应;⑤硅酸钙支架材料组成的优化是借助复合材料(包括无机离子、分子、有机分子和高分子聚合物等)对支架生物化学结构的多方面影响,以达到改善硅酸钙(基)植入支架机械力学性能及成骨成血管生物诱导性能的目的.⑥因此,综合利用3D打印技术和材料复合改性手段是目前硅酸钙支架优化研究的新思路,基于单相硅酸钙支架在骨缺损修复应用中存在的弊端,通过对硅酸钙(基)支架结构、组成、表面情况等多方面进行优化改性,以期在未来探索出一种能有效促进成骨分化、骨矿化、机械力学性能和降解速率能够与骨缺损区域骨组织再生相匹配的新型硅酸钙(基)组织工程骨支架.