形狀記憶高分子材料在骨缺損修復(fù)再生領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉育豪 張?zhí)?/p>

1.口腔疾病研究國家重點(diǎn)實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院口腔頜面外科 成都 610041；

2.口腔疾病研究國家重點(diǎn)實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院全科門診 成都 610041

骨是人體最重要的器官之一，在維持體內(nèi)鈣磷代謝穩(wěn)態(tài)、儲存干細(xì)胞、造血功能等方面發(fā)揮重要作用[1]。然而，衰老、疾病、創(chuàng)傷等因素可造成骨缺損，進(jìn)而引起骨組織生物功能的降低，因此需要有效療法以實現(xiàn)骨缺損的修復(fù)和再生。在過去的數(shù)十年中，骨移植（bone grafting）是治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)，至今每年全世界范圍內(nèi)仍進(jìn)行200多萬次骨移植手術(shù)[2]。然而，骨移植的大規(guī)模應(yīng)用受到限制，主要原因有骨移植材料來源匱乏、異體骨移植的供體骨組織不健全、手術(shù)操作復(fù)雜、感染與并發(fā)癥風(fēng)險等[3-4]。骨移植替代物的研發(fā)已受到學(xué)者關(guān)注，脫細(xì)胞基質(zhì)[5]、生物玻璃和磷酸鈣骨水泥[6]等生物材料已被用于骨缺損修復(fù)，但這些材料很難用于深部的骨組織缺損，且難以完全匹配復(fù)雜骨缺損的不規(guī)則三維形態(tài)[7]。

組織工程及再生醫(yī)學(xué)（tissue engineering and regenerative medicine）是對受損組織進(jìn)行修復(fù)并促進(jìn)再生的一個極具前景的研究領(lǐng)域[8]。組織工程的3個要素為支架、干細(xì)胞和信號分子。制備具有良好的生物相容性、生物降解性、力學(xué)穩(wěn)定性以及能夠負(fù)載細(xì)胞或信號分子的支架材料是首要條件[1,9]；近年來，學(xué)術(shù)界對支架材料提出了微創(chuàng)性、精確匹配不規(guī)則骨缺損（如顱頜面骨缺損和脊柱骨缺損）等更高的要求。近年來，“智能響應(yīng)型生物材料”（stimuli-responsive biomaterials）已被引入骨缺損修復(fù)領(lǐng)域，其能夠感受溫度、光照、水分和磁場等外界物理化學(xué)刺激，進(jìn)而在三維形狀、固液相態(tài)等性質(zhì)上觸發(fā)轉(zhuǎn)變[10]，最終產(chǎn)生可注射性[11]、自愈合性[12]、形狀記憶性等新穎性能，成為新穎的支架材料。

本文對形狀記憶高分子材料（shape memory polymer，SMP）的原理、生物學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用潛能作一綜述。

1 形狀記憶材料的發(fā)展歷程

SMP是智能響應(yīng)型生物材料的一種，其宏觀三維立體形狀或微觀表面形態(tài)可在物理化學(xué)刺激下發(fā)生“初始態(tài)”與“臨時態(tài)”之間的轉(zhuǎn)變。1932年，瑞典科學(xué)家在金鎘合金中觀察到“形狀記憶”現(xiàn)象，即加熱可使變形的金鎘合金恢復(fù)原狀。1941年，Vernon指出甲基丙烯酸酯具有“彈性記憶”效應(yīng)，使高分子材料學(xué)界開始關(guān)注形狀記憶效應(yīng)的研究。隨后，1960年交聯(lián)聚乙烯熱收縮膜的商業(yè)產(chǎn)品問世， 1980年SMP發(fā)展迅速，其形變性能日益優(yōu)異，在生物醫(yī)學(xué)、紡織業(yè)、航空航天、機(jī)器人科學(xué)等諸多領(lǐng)域得以應(yīng)用[13]。

21世紀(jì)以來，形狀記憶材料已在血管移植、心血管支架、肌肉重建、骨缺損修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到關(guān)注[14-16]。對于骨缺損修復(fù)，其應(yīng)用特點(diǎn)為可由植入性形態(tài)（棒狀、薄片狀等）轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則骨缺損的三維形態(tài)（圖1A），對于實現(xiàn)微創(chuàng)修復(fù)、匹配復(fù)雜骨缺損（如顱頜面骨缺損與脊柱骨缺損）、促進(jìn)骨缺損的再生等極具前景。形狀記憶合金已用做脊柱矯形器、骨連接器等承力性材料，其顯著優(yōu)勢為材料強(qiáng)度高、耐疲勞性好（重復(fù)形變次數(shù)遠(yuǎn)高于SMP）；相比于形狀記憶合金，SMP雖然強(qiáng)度較低，但顯著優(yōu)勢包括密度低、絕緣性/耐腐蝕性高、過渡溫度可調(diào)、形狀設(shè)計靈活、形變時長可控[17-18]、形變率/回復(fù)率高（≥90%）[19-20]等。更為重要的是，多孔性SMP可作為組織工程支架以加載信號分子或干細(xì)胞，有望實現(xiàn)骨缺損的再生，而形狀記憶合金至今僅可實現(xiàn)骨缺損的充填修復(fù)。

2 SMP的形狀記憶原理

大多數(shù)SMP的研究中，其形狀記憶效應(yīng)是溫敏型，即形狀轉(zhuǎn)變由溫度變化觸發(fā)。一個典型的溫敏型形狀記憶循環(huán)包括以下幾個步驟（圖1B）：將“初始態(tài)”SMP升溫至“過渡溫度”（transition temperature）以上，開啟形狀記憶循環(huán)；應(yīng)力作用下SMP發(fā)生形變，制備“臨時態(tài)”SMP；溫度降低至臨界溫度以下，使分子鏈運(yùn)動受到限制，將SMP“鎖定”在臨時態(tài)；溫度回升至臨界溫度以上，分子鏈活動度提升，使SMP回復(fù)到初始態(tài)；溫度回降至臨界溫度以下，冷卻SMP，循環(huán)終止[14]。

溫敏型SMP材料可良好匹配骨缺損形態(tài)。例如Zhang等[3]制備了一種過渡溫度為55 ℃的SMP支架，溫度高于55 ℃時SMP軟化并具有可塑性，利于填入骨缺損模型中并擴(kuò)充至邊緣吻合；溫度低于55 ℃后SMP被鎖定在臨時態(tài)且剛性增強(qiáng)，以較好的力學(xué)穩(wěn)定性維持其三維形態(tài)。然而，若將SMP用于活體組織，其過渡溫度需調(diào)控至接近體溫。Liu等[21]將SMP支架的過渡溫度設(shè)計為42 ℃，更接近活體體溫。將其用于兔頜骨缺損中，該SMP支架可在體內(nèi)實現(xiàn)形狀記憶性能，且未因溫度變化引起活體組織的明顯損傷，具備良好的生物相容性。

除溫敏型SMP外，Correia等[22]制備了基于殼聚糖的SMP支架，該支架通過乙醇脫水可固定在臨時態(tài)，而在吸水時可恢復(fù)至初始態(tài)。該“水敏型”SMP支架可良好匹配骨缺損模型，且其可能利用活體組織內(nèi)的水分進(jìn)行形狀轉(zhuǎn)變，避免了外加溫度刺激導(dǎo)致的潛在組織損傷，因而有望后續(xù)深入研究與應(yīng)用。

圖1 形狀記憶效應(yīng)圖示Fig 1 Diagram of shape memory effect

3 SMP對骨缺損的生物學(xué)效應(yīng)

3.1 形狀記憶效應(yīng)與骨缺損

對于復(fù)雜形狀骨缺損（例如顱頜面骨缺損）而言，傳統(tǒng)的生物材料以既定形狀植入后難以與骨缺損邊緣形態(tài)產(chǎn)生良好匹配，常導(dǎo)致邊緣不密合進(jìn)而發(fā)生材料吸收，難以實現(xiàn)骨缺損的均勻修復(fù)[3]。自智能響應(yīng)型生物材料問世后，溫敏型可注射水凝膠率先在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)勢[1]。該類材料以液態(tài)注射至骨缺損內(nèi)并充滿缺損空隙，后隨溫度改變而轉(zhuǎn)化為凝膠態(tài)且與缺損邊緣密合良好。然而該類材料較弱的力學(xué)性能限制了其深入應(yīng)用，尤其是承力區(qū)骨缺損的應(yīng)用。近年來，SMP用于骨缺損，其應(yīng)用特點(diǎn)為植入性形態(tài)與復(fù)雜三維形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，在微創(chuàng)性與骨缺損形態(tài)匹配性上極具優(yōu)勢，類比于可注射水凝膠的液態(tài)-凝膠態(tài)相互轉(zhuǎn)化。另一重要因素是，SMP作為固態(tài)材料，較之凝膠材料具有更好的力學(xué)性能，更利于骨缺損修復(fù)。

近年的體外研究中，SMP對于不規(guī)則骨缺損模型的形狀記憶性能與匹配性能已受到學(xué)者肯定。然而SMP尚未用于不規(guī)則骨缺損的動物實驗，這可能是因為活體骨形態(tài)的掃描重建技術(shù)及SMP相關(guān)的三維打印技術(shù)尚不成熟。目前的動物實驗中，SMP主要基于收縮-舒張效應(yīng)以修復(fù)規(guī)則形狀骨缺損，取得了較好的效果。例如，Baker等[23]將聚多巴胺涂層SMP支架用于小鼠股骨缺損，該支架以致密壓縮態(tài)植入體內(nèi)約1 min后舒張?zhí)顫M骨缺損并恢復(fù)多孔性。雖然未見新骨形成，12周后該支架與周圍骨組織穩(wěn)定整合，其扭力穩(wěn)定性與骨移植材料相似。類似地，Xie等[24]將聚氨酯/羥磷灰石復(fù)合SMP支架用于兔股骨缺損，其植入體內(nèi)約1 min后體積膨脹并與缺損邊緣密合，12周內(nèi)骨可由材料邊緣逐漸向內(nèi)長入材料孔隙，伴有明顯的血管化及骨改建過程。以上研究初步肯定了SMP在微創(chuàng)性與骨缺損形態(tài)匹配性上的優(yōu)勢，后續(xù)研究應(yīng)基于不規(guī)則骨缺損或較大骨缺損的動物實驗進(jìn)行深入探究。

3.2 SMP的改性方式

對SMP進(jìn)行改性以提升其生物學(xué)效應(yīng)已受到學(xué)者們的關(guān)注[25]。值得注意的是，形狀記憶效應(yīng)本身可用作一種表面改性方式。Lee等[26]研發(fā)了基于甲基丙烯酸酯共聚物的SMP，其獨(dú)特性能為時間依賴性表面動態(tài)微粗糙度。首先模擬臨床應(yīng)用的鈦種植體表面在SMP表面制備粗糙形貌，后壓縮為光滑表面，其可在24 h內(nèi)回復(fù)粗糙形貌。因光滑表面利于成骨細(xì)胞增殖而粗糙表面利于成骨細(xì)胞分化，該SMP表面微觀粗糙度的動態(tài)變化對細(xì)胞增殖分化的促進(jìn)作用優(yōu)于常規(guī)表面。此外，已有研究將多巴胺或聚多巴胺用作SMP支架涂層材料，其作用為提高支架表面親水性進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖與骨礦化[3,27]。另有研究將生物活性玻璃納米粒子及納米羥磷灰石引入SMP組分制備復(fù)合支架，這類納米材料的引入不僅能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖與骨礦化，并且能夠提高材料剛性[19,22]。

作為組織工程支架以裝載干細(xì)胞或信號分子的SMP也受到學(xué)者們的關(guān)注。例如，Liu等[21]將骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）填入多孔SMP支架。該支架植入兔頜骨缺損后發(fā)生形狀轉(zhuǎn)化，約10 min后材料孔隙直徑由33 μm回復(fù)至160 μm，使得BMP-2以可控速率均勻釋放至骨缺損中，有效促進(jìn)骨再生。用作細(xì)胞載體的研究中，Tseng等[28]將脂肪源性干細(xì)胞接種于聚多巴胺涂層SMP支架內(nèi)，并探究形狀記憶性能對干細(xì)胞功能的影響。該SMP支架收縮-舒張形狀轉(zhuǎn)化所需時長約為24 h，與非形狀記憶支架對比，形狀轉(zhuǎn)化期間及轉(zhuǎn)化后其礦物沉積、堿性磷酸酶活性、成骨相關(guān)基因表達(dá)均沒有顯著差異。Hendrikson等[29]將間充質(zhì)干細(xì)胞接種于SMP支架內(nèi)，發(fā)現(xiàn)支架形狀轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的力學(xué)刺激可對間充質(zhì)干細(xì)胞造成顯著影響，使其細(xì)胞形態(tài)變得更為狹長。以上的研究初步支持了SMP支架裝載干細(xì)胞用于骨組織工程的可行性，但目前的SMP通常只能保證不降低干細(xì)胞活性，未見SMP促進(jìn)干細(xì)胞增殖、分化的報道。

綜上所述，在裝載細(xì)胞的SMP支架用于活體植入之前，并考慮裝載細(xì)胞種類的復(fù)雜性，SMP性能仍需進(jìn)一步完善。首先，過渡溫度應(yīng)更接近體溫，因為較明顯的溫度變化可能對細(xì)胞造成不可逆損傷[30]。其次，形狀記憶回復(fù)時長應(yīng)合理設(shè)計，過快的形狀回復(fù)不利于材料植入且可能使組織受力明顯而破壞穩(wěn)態(tài)[14,21]，而緩慢的形狀回復(fù)可能使裝載細(xì)胞從支架中逃逸[30-31]。更重要的是，SMP形狀轉(zhuǎn)變速率、孔隙直徑變化程度等因素對細(xì)胞數(shù)量、形態(tài)、活性、增殖及分化等功能的影響應(yīng)進(jìn)行深入研究[32]。

4 SMP的應(yīng)用潛能與性能優(yōu)化

作為一種新穎的智能響應(yīng)型生物材料，SMP在骨缺損修復(fù)應(yīng)用中已展現(xiàn)以下三方面優(yōu)勢：1）微創(chuàng)性，即以利于植入體內(nèi)的三維形態(tài)（棒狀、薄片狀等）植入骨缺損后回復(fù)至骨缺損三維形態(tài)，對機(jī)體創(chuàng)傷??；2）修復(fù)不規(guī)則骨缺損，即SMP可對復(fù)雜骨缺損的三維形態(tài)進(jìn)行記憶，植入體內(nèi)并發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變后可與骨缺損邊緣良好吻合，有利于缺損的均勻、緊密的充填與修復(fù)；3）促進(jìn)骨再生，即作為支架材料裝載各類生物活性因子或細(xì)胞后，可促進(jìn)骨缺損內(nèi)的新骨形成。然而，SMP在獲得進(jìn)一步應(yīng)用前，后續(xù)研究應(yīng)對SMP的性能繼續(xù)進(jìn)行完善，可能從以下幾個方面來考慮。

1）兼顧材料力學(xué)性能與生物學(xué)效應(yīng)。相對于軟骨或肌肉等低模量組織缺損，骨缺損修復(fù)對材料力學(xué)性能要求更高[33]，尤其是復(fù)雜形態(tài)骨缺損。在前述的對SMP進(jìn)行改性的研究中，部分改性方式，例如加入生物活性玻璃納米粒子組分，可提升材料力學(xué)性能；而裝載BMP-2或干細(xì)胞等對于材料的生物學(xué)效應(yīng)的提升作用更為明顯，但裝載所需的支架孔隙可降低材料力學(xué)性能。如何在維持較好力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高材料的生物學(xué)效應(yīng)，仍需深入摸索。

2）促進(jìn)對復(fù)雜三維形狀的記憶性能。一方面，可結(jié)合最新的活體掃描與三維打印技術(shù)，更精確地記錄骨缺損形態(tài)的三維信息并復(fù)制于材料[4]；另一方面，可嘗試使材料對3個甚至更多個不同形狀進(jìn)行記憶并實現(xiàn)多向形態(tài)轉(zhuǎn)化[13,34-35]，以期更為靈活地修復(fù)復(fù)雜骨缺損。

3）探究形狀記憶性能能否持續(xù)發(fā)揮效應(yīng)。在本文所述的SMP的主要優(yōu)勢中，其材料自身可實現(xiàn)的微創(chuàng)性與形態(tài)轉(zhuǎn)化主要在植入時發(fā)揮作用；而裝載BMP-2或干細(xì)胞等成分進(jìn)行改性，在植入后可分別通過BMP-2的釋放及對周圍細(xì)胞的效應(yīng)、材料本身所載干細(xì)胞的成骨分化，來發(fā)揮成骨作用。值得思考的是，SMP在植入體內(nèi)后能否基于其自身性能發(fā)揮持續(xù)的生物學(xué)效應(yīng)。一個值得借鑒的研究是，Jung等[36]將SMP用于牙齒的正畸治療，該材料形狀轉(zhuǎn)化后可對牙齒施加一定的牽引力，該力對于正畸而言大小適中且能夠穩(wěn)定持續(xù)約20 d。對于骨缺損修復(fù)而言，也應(yīng)考慮SMP形狀轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的持續(xù)性牽引力或壓力是否有“用武之地”，可參考牽張成骨技術(shù)的原理與應(yīng)用。

綜上所述，SMP作為一類智能響應(yīng)型生物材料，可在外界物理化學(xué)刺激下發(fā)生宏觀/微觀的形狀轉(zhuǎn)化。靈活的形狀轉(zhuǎn)化一方面賦予其極佳的微創(chuàng)性，另一方面使得復(fù)雜三維骨缺損的修復(fù)成為可能。此外，裝載信號分子或細(xì)胞可進(jìn)一步提升SMP的成骨性能，促進(jìn)骨缺損的再生。因此，SMP已成為骨缺損修復(fù)研究中極具前景的植入性材料。后續(xù)研究應(yīng)對其性能進(jìn)行更全面、更深入的優(yōu)化，以期推動其臨床應(yīng)用。