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仿生纳米骨修复材料研究与发展

李玉宝

四川大学纳米生物材料研究中心610041
一、引言
随着科学技术进步和成产力的迅速发展。人们生活水平得以提高。如何改善
临床治疗和修复水平以增进患者的健康和生命质量正日益受到政府和社会的广
泛关注和重视。新材料和纳米技术的飞速发展为实现这一需求提供了可能，其研
究焦点之一集中在对新型生物医用材料的探索上。生物医用材料是对生物机体进
行诊断、治疗及用以置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料，而硬组织修复
材料一直是生物医用材料需求和研究的热点。
我国是一个拥有13亿人口的大国，也是一个骨组织修复和重建材料的需求
大国，目前我国有6000万残疾人，其中致残者约800万人；由风湿和类风湿引
发的大骨节病患者有数百万人；有7000万伴随人口老龄化的骨质疏松症患者；
每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损、骨折和骨缺失患者人数近
1000万；需要行颅颌面和肢体整形、美容的人数也在千万人以上。
目前用于骨组织修复的主要有金属、陶瓷和聚合物几大类。金属材料已成功
应用于关节修复，具有强度好、加工方便等优点。但金属材料缺乏与人体组织结
合的生物活性，加之过于坚硬，其弹性模量较人体骨过高，常常造成对骨的硬力
刺激或对正常应力传递的屏蔽，引起骨吸收和修复失败。陶瓷类材料主要存在质
脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏等不足，因而一般用于非应力的骨修复场合。
聚合物可以具有人骨相近的模量，但不具备与骨组织形成生物键和的活性，因而
通常用于对骨折或金属植入体的机械固定场合。
对仿生纳米复合骨修复和重建材料研究，有助于解决临床日益扩大的骨修复
需求和现有材料品类少、性能不高、没有满意材料可供选择这一突出矛盾。
自体骨和异体骨是当前骨损伤修复广泛采用的材料。自体骨易被患者接受，
但是会给患者带来新的创伤和痛苦；异体骨取材简便，但是在生物安全性上存在
免疫排斥和疾病传播的隐患。所以，临床上越来越多地采用人工制备的材料作为
硬组织修复材料。硬组织修复材料是生物医用材料中发展最重要的一个方向，也
是市场需求最大的一个领域。

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人体硬组织修复材料的研究起步较早。公元前人们就已经尝试用柳条、象牙、
石头等来修复骨骼及牙的缺损。十九世纪中叶开始应用金属板针来固定骨折，这
一方法沿用至今。迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料依然以金属为主。第
一次世界大战的严重伤亡，确立了用不锈钢和其它金属作为矫形植入材料的地
位；第二次世界大战后高分子工业的发展，促进了医用合成聚合物材料的使用。
随后一些惰性陶瓷材料也开始应用于临床，包括氧化铝陶瓷，碳素材料等。
1969年，L.L.Hench研制出生物活性玻璃，并提出“生物活性”这一核心概念。
Jarcho在1976年研究了羟基磷灰石（HA）陶瓷，Corjello研究了β-磷酸三钙
（β-TCP）陶瓷，1984年K.deGroot研究了在金属基体上制备HA涂层的工艺，
1990年后磷酸钙骨水泥的出现进一步拓展了磷酸钙生物材料的使用方法，随后
磷酸钙陶瓷、涂层及骨水泥成为各国学者研究的重点之一。20世纪八十年代以
来，人们开始研究材料与细胞或活性生物大分子的复合，如多孔HA陶瓷与骨形
态发生蛋白（BMP）的复合以及HA陶瓷与细胞结合的组织工程材料的研究等。
对承力硬组织的修复一直是临床上的一个难点，迄今仍没有比较理想的材料
可以使用，临床上迫切需要提供一类具有优异生物学和力学性能的骨组织修复材
料和制品。制备生物相容性和力学相容性好，以及由生物活性的类人体组织替代
和修复材料是当今生物材料研究领域中的前沿性课题，磷酸钙与天然合成高分子
复合生物材料的研究向此类材料开发迈出了重要一步。生物活性磷酸钙/聚合物
复合生物材料发展很快，磷灰石/胶原和磷灰石/聚酰胺极性高分子复合材料便是
这种新一代生物复合材料的代表，它模仿自然骨的结构和功能，从仿生和分子水
平设计和制造人体组织修复和替代材料。
生物医用材料应用于人体，必须与人体组织相接触，由此引起活性组织、细
胞、蛋白等对材料产生响应。任何材料，无论如何其在体内是生物惰性的、生物
活性的还是可被降解或吸收，都存在与生物体之间的相互作用，进而引发出对材
料生物相容性、生物安全性和生物功能性的具体要求。植入体内的骨生物材料在
人体复杂的生理环境中长期受物理、化学、生物等因素的影响，同时各组织以及
器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此医用骨生物材料必须具有良好生物
相容性，良好的生物稳定性或可降解吸收性，与骨组织形成生物性键合的生物活
性，足够的强度和韧性或与骨匹配的力学性能，以及良好的加工、灭菌和临床操

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作性能等。
目前国际医疗器械产业的年销售额已达1800亿美元，其中近三分之一为生
物医用材料所占据。骨科修复器材约占医疗器械