无生命的生物材料可以通过自身优化设计,而不是外加细胞或活性因子,诱导有生命的组织或器官再生
骨诱导生物材料如前所述,传统观念认为,无生命的生物材料不可能诱导有生命的组织再生。
20世纪90年代初,中国科学家发现并证明一定的多孔磷酸钙陶瓷可以诱导骨再生(图1-3)。
10类不同组成和结构的多孔磷酸钙陶瓷,植入6类不同种属动物非骨部位后,对万余张组织切片的统计分析显示,材料的骨诱导作用是与材料组成、结构和动物种系密切相关的(图1-4)
进一步研究揭示,诱发材料骨诱导作用的必要材料学因素是:
- 多孔且孔壁富含贯通微孔的磷酸钙陶瓷表现出骨诱导性,
三维贯通孔隙结构的存在与否,是材料有无骨诱导性的首要决定因素(图1-5)
基因层面:
多孔结构可上调细胞成骨基因表达,归因于类骨多孔结构有利于新骨形成所需营养和氧的供应,
而表面微孔更易于富集微环境中的离子或蛋白。
此外,骨诱导性材料表面能够在模拟体液或体内生理环境中形成类骨磷灰石(图1-6),
这是一种在生物大分子参与和调控下,结晶不完善的磷灰石微晶所形成的表面层。
宿主微环境亦能影响材料表面类骨磷灰石的形态,不同植入部位、不同相组分的多孔磷酸钙陶瓷能够形成不同形貌及尺寸的类骨磷灰石。
同时,类骨磷灰石表面层的厚度、面积与材料诱导骨生成的量呈正相关趋势,说明类骨磷灰石的形成是材料诱导成骨的关键材料学因素之一。
大量的研究证实,经适当的表面生物活化处理,表面形成类骨磷灰石层的多孔钛金属,植入体内也可诱导骨形成。
此现象既说明: 孔结构和类骨磷灰石两个因素促进材料诱导成骨的普适性,又大大拓宽了生物材料骨诱导理论的应用范围