兔股骨临界尺寸缺损模型中两种不同含硅酸盐磷酸钙合成骨移植材料的骨愈合反应

《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》：Bone Healing Response of Two Different Silicate-Containing Calcium Phosphate Synthetic Bone Grafts in a Rabbit Femoral Critical-Sized Defect Model

　　

当天然骨移植材料不可获得或不适用时，基于磷酸钙（CaP）的合成材料常被用作骨移植替代物。提高其性能的一种策略是掺入硅酸盐离子，因为已知这类离子可通过刺激骨形成来支持骨整合。当前研究旨在评估两种不同的合成含硅酸盐CaP骨移植材料的骨愈合反应，其中一种具有纳米尺度初级结构（OssDsign Catalyst），另一种具有微米尺度初级结构（Actifuse ABX），并采用已建立的兔股骨远端模型进行研究。研究人员将两种骨移植材料植入兔股骨髁部建立的临界尺寸骨缺损中，植入时间分别为4、8、12和26周。骨形成通过X线片和显微计算机断层扫描（μCT）成像进行评估，并辅以组织学和组织形态计量学分析。此外，还对两种材料的钙离子释放及其体外（in vitro）蛋白吸附特性进行了表征。两种材料在4周后均形成新的编织骨，且新骨分布于颗粒表面及颗粒间隙中。然而，OssDsign Catalyst所形成骨组织的数量在4周时即进入约30%的平台期，而Actifuse ABX则在8周后才达到这一水平。4、8、12和26周后，OssDsign Catalyst残余移植材料分别减少32%、43%、49%和60%；而Actifuse ABX分别减少15%、35%、39%和26%。此外，OssDsign Catalyst颗粒释放到生理盐水中的钙离子量以及体外吸附的蛋白质量均显著高于Actifuse ABX颗粒。在这项临床前研究中，纳米尺度含硅酸盐CaP骨移植材料（OssDsign Catalyst）在4至26周的时间进程中表现出持续的移植物重塑，并伴随新骨形成。相比之下，微米尺度含硅酸盐磷酸钙（Actifuse ABX）自4周至26周基本保持不变，仅表现出极少的移植物重塑。在临界尺寸缺损中，合成骨移植材料的材料学性质差异会影响愈合反应，包括移植物在不损害骨修复的前提下持续发生重塑的能力。

该研究发表于《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》，围绕两种含硅酸盐磷酸钙（CaP）合成骨移植替代物在骨缺损修复中的体内表现差异展开。研究背景在于，合成CaP骨移植材料已广泛用于脊柱外科、创伤骨科、足踝外科及口腔外科等领域，作为自体骨移植（autograft）的替代或扩增材料。随着骨修复材料设计理念的演变，研究重点已不再局限于单纯的骨传导性（osteoconduction），而是更加关注材料是否能够主动促进骨修复、血管生成、抗菌以及细胞介导的吸收。含硅酸盐改性的CaP材料因硅酸盐离子可刺激人成骨细胞和人间充质干细胞（mesenchymal stem cells）活性而受到重视。既往研究已提示，纳米合成含硅酸盐CaP材料在脊柱融合和异位成骨模型中具有较快促骨形成和移植物重塑潜力，但在以骨传导为主要成骨机制的临界尺寸骨缺损模型中，其骨愈合反应尚未被系统评价。因此，开展本研究的目的在于比较不同尺度结构的含硅酸盐CaP骨移植材料在标准化创伤缺损模型中的骨修复行为，进一步阐明材料理化性质与骨愈合效应之间的关系。

研究人员选取两种商业化材料进行对比：一种为具有纳米尺度初级结构的含硅酸盐磷灰石（nano-SiCaP，OssDsign Catalyst），另一种为具有微米尺度初级结构的含硅酸盐磷酸钙（micro-SiCaP，Actifuse ABX）。研究采用成熟雌性新西兰大白兔股骨远端双侧临界尺寸松质骨缺损模型，在股骨髁内制备直径6 mm、深10 mm的缺损，并分别植入两种材料，同时设置空白缺损作为阴性对照。研究终点设置为4、8、12和26周，通过X线摄影、显微计算机断层扫描（μCT）、未脱钙组织学观察及组织形态计量学分析，评价新骨形成和移植材料残留情况。研究结果显示，两种材料均具有良好的组织相容性，均能支持新骨形成，但纳米尺度含硅酸盐CaP较微米尺度材料表现出更快的早期成骨和更持续的移植物重塑。研究的重要意义在于，结果提示合成骨移植材料的尺寸尺度、表面积、溶解性及蛋白吸附能力等关键材料属性，会显著影响其在临界尺寸骨缺损中的修复模式；优化材料的微观形貌结构，有望在不牺牲骨修复效果的前提下，实现更理想的移植物重塑动力学，从而提升创伤适应证中的临床应用价值。

研究所采用的关键技术方法主要包括以下几类。首先，体外（in vitro）材料表征方面，通过生理盐水中24 h钙离子释放试验评估材料相对溶解性，采用含1%胎牛血清（FBS）的蛋白吸附实验评估颗粒表面蛋白结合能力，并结合扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒形貌、X射线荧光（XRF）测定nano-SiCaP颗粒硅酸盐含量。其次，体内研究采用35只骨骼成熟雌性新西兰大白兔来源的股骨远端临界尺寸缺损模型。再次，结局评价使用X线片、μCT、未脱钙聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包埋组织学染色以及基于MATLAB的组织形态计量学定量分析，并以方差分析（ANOVA）及t检验进行统计学比较。

在结果部分，论文首先以“3.1 Characterization of the Granules”为题，对两种材料颗粒的体外性质进行了比较。钙离子释放实验表明，nano-SiCaP颗粒在生理盐水中24 h释放的钙离子浓度几乎为micro-SiCaP颗粒的2倍，提示前者具有更高的相对溶解性。蛋白吸附实验显示，nano-SiCaP颗粒吸附的蛋白量约为micro-SiCaP颗粒的3倍，反映其表面与生物分子相互作用能力更强。SEM观察进一步揭示了两种材料在形貌上的本质差异：micro-SiCaP颗粒具有明显的大孔结构、凹面及连通孔窗；nano-SiCaP颗粒则表现为较平滑的不规则颗粒，缺乏大尺度大孔。XRF结果显示，nano-SiCaP颗粒平均硅酸盐含量为19.4 wt% SiO₄，相当于5.90 wt% Si。上述结果说明，两种材料不仅在尺度结构上不同，而且在溶解行为、蛋白吸附能力和硅酸盐含量方面也存在显著差异，这为后续体内骨愈合反应差别提供了材料学基础。

随后，“3.2 Evaluation of the Tissue Response to Implanted Materials”部分系统展示了体内植入后的组织反应。手术植入过程顺利，所有动物总体健康状况良好，植入部位未见明显炎症或不良宿主反应。X线片显示，两种CaP材料在各时间点均清晰存在于缺损区，未见骨异常或感染征象，空白缺损则始终保持空缺状态。μCT结果证实了这一观察，并显示两种材料均与宿主骨良好整合。4周时，两种材料颗粒之间及宿主骨边缘均可见一定程度的小梁骨形成；8周时，缺损边缘宿主骨与颗粒整合更加明显。值得注意的是，随着时间延长，nano-SiCaP充填缺损中的颗粒在12周和26周表现出更明显的重塑迹象，而micro-SiCaP中相应变化较为有限，提示两者在体内降解与替代模式上存在差异。

组织学分析提供了更细致的修复信息。4周时，两种材料表面及颗粒间均可见新生编织骨（woven bone）形成，micro-SiCaP的大孔内部同样有新骨长入，表明两种材料均具备支持骨传导性修复的能力。此时，nano-SiCaP缺损区内已出现新生骨髓腔（bone marrow spaces）发育迹象，而micro-SiCaP部分区域仍可见纤维血管组织（fibrovascular tissue），提示nano-SiCaP在组织成熟进程上更为超前。8周时，nano-SiCaP颗粒表面几乎均被新生骨覆盖，骨髓腔发育更为显著；micro-SiCaP虽然也呈现类似趋势，但部分颗粒表面仍残留纤维组织。12周时，两组均出现更成熟的新骨和发育完善的骨髓腔，micro-SiCaP颗粒表面的纤维组织此时已不再明显。至26周，两组材料均与新生骨实现良好整合，缺损区内存在丰富骨髓腔，但从定性观察看，nano-SiCaP残留颗粒数量少于早期时间点，也少于micro-SiCaP，说明其后期重塑程度更高。

组织形态计量学结果进一步量化了上述观察。两种材料诱导的新骨面积比例最终均在约30%处达到平台，但时间进程不同：nano-SiCaP在4周时即达到约30%，而micro-SiCaP在8周时才达到相似水平，且两者在任一时间点中仅4周的新骨形成差异具有统计学意义。这表明纳米尺度含硅酸盐CaP可更快启动早期骨形成。另一方面，材料残留比例变化更能体现两种材料的核心差别。相较于植入后第0天，nano-SiCaP在4、8、12和26周时剩余材料分别减少32%、43%、49%和60%；micro-SiCaP则分别减少15%、35%、39%和26%。可见，nano-SiCaP在整个4至26周期间持续发生移植物重塑，而micro-SiCaP自4周至26周总体变化相对有限。研究人员据此认为，二者主要差别在于：一是nano-SiCaP更快达到骨形成平台；二是其在不影响骨修复的前提下呈现持续性重塑，而micro-SiCaP则更趋于长期保留。

讨论部分围绕材料性质与生物学反应之间的联系展开。研究指出，nano-SiCaP与micro-SiCaP虽同属含硅酸盐CaP骨移植材料，但在硅酸盐含量、比表面积、颗粒密度和表面形貌等方面存在明显差异。nano-SiCaP颗粒的硅酸盐含量更高，钙离子释放更多，蛋白吸附更强，这些特征可能共同促进了更快的早期骨形成及持续性重塑。研究同时强调，含三钙磷酸盐（TCP）的CaP材料往往体内降解过快，可能导致骨缺损填充不足；相比之下，nano-SiCaP表现出介于缓慢重塑的micro-SiCaP与快速吸收的TCP类材料之间的中间型行为，即既维持骨修复所需的支架作用，又能够逐步被宿主组织重塑替代。这一特性在创伤性骨缺损修复中具有重要价值。论文也坦陈研究局限，包括未设置无硅酸盐对照材料，因而不能直接分离硅酸盐掺入本身的作用；此外，若增加更早期和更晚期时间点，并结合免疫组织化学分析，将有助于更深入理解早期成骨和移植物重塑机制。

研究结论部分可译为：含硅酸盐磷酸钙骨移植材料虽已发展30—40年，但其骨愈合反应仍取决于多种化学和物理变量。近期开发的纳米尺度含硅酸盐磷酸钙（nano-SiCaP）骨移植材料，在临床前临界尺寸缺损模型中，与已建立的微米尺度含硅酸盐磷酸钙（micro-SiCaP）骨移植材料相比，可更快形成新骨，并在26周植入期间表现出持续性的移植物重塑。该数据表明，通过优化合成骨移植替代物的形貌尺寸尺度，有望增强创伤适应证中的骨愈合反应。