用于人工骨的材料计算机人工智能计算机人工智能.pdf

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1、用于人工骨的材料 目前用于骨修复的生物材料分为以下几种:医用生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料、纳米人工骨 一医用生物陶瓷材料 生物活性陶瓷,主要指磷灰石（AP）,包括羟基磷灰石（HAP）和磷酸三钙（TCP）等。目前应用最多的是 HAP 人骨无机质的主要成分是 HAP 它赋予骨抗压强度,是骨组织的主要承力者，人工合成的 HA 是十分重要的骨修复材料，这是由于它的 组成性质与生物硬组织的 HAPS 为相似,并具有良好的生物相容性，可与自然骨形 成强的骨键合,一旦细胞附着、伸展,即可产生骨基质胶原,以后进一步矿化,形成 骨组织。a 2 磷酸三钙（a 2TCP）骨水泥具有水合硬化特性,可作为一种

2、任意塑型的新型人 工骨用于骨缺损填充。它在动物体内形成蜂窝状结构,动物组织可逐渐长入此蜂 窝状结构中,形成牢固的骨性键合3 2TCP 4 属可吸收生物陶瓷,在体内 要被逐渐降解和吸收,但其强度较低,主要用于骨修复或矫正小的骨缺损或骨缺 陷，如骨缺损腔填充。尽管B 2TCP1 入体内可被降解和吸收，新骨将逐渐替换植 入体,但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致,所以不宜作为人体承 力部件。目前磷酸钙陶瓷要用于作小的承力部件、涂层、低负载的植入体。二医用生物高分子材料 高分子聚合物已被广泛用作骨修复材料,可降解聚乳酸（PLA）用于口腔外 科,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥用于骨填充,聚乙

3、醇酸（PGA）作为可吸收螺 钉用于骨固定。生物降解材料制作的接骨材料,其弹性模量较金属更接近骨组织的弹性模量,有利于骨折愈合,且随着骨折的愈合,材料逐渐在体内降解,不需二次手术取出。PLA 5 是一类有应用价值的生物材料,它的降解速度取决于它的分子量、分子 取向、结晶度、物理及化学结构,但其降解的机制主要是因为酯键的水解。目前 PLA 主要用于骨外科部件，例如骨针、骨板。Minori et al 7 用不同分子量的 PLA 和聚乙二醇（PEG）制成 PLA2PEG 共聚物作为骨形成蛋白（BMP）的载体,其 中PLA 6 5002PEG3 000共聚物具有一定的弹性，是较好的 BM 载体。三医用

4、复合材料 复合人工骨 13 的研究近年来取得了很大进展,其基本原理是将具有骨传 导能力的材料与具有骨诱导能力的物质如骨生长因子、骨髓组织等复合制备成复 合人工骨,使它们既具有骨传导作用,又具有骨诱导作用。3.1 磷酸钙复合人工骨 主要包括 TCP 及 HA 与胶原、骨生长因子等复合人工 骨。原位自体骨与磷酸钙人工骨混合植骨应用在脊柱侧凸畸形矫正术中,是一种 实用、简易、可靠的植骨方法。3.2 聚合物复合人工骨 生物降解聚合物是近年生物材料研究领域中的一个 热点,通过技术工可合成各种结构形态,一定的生物降解特性的各种聚合物。但 它们无骨诱导活性,需与其它骨诱导因子复合应用才能取得良好效果。3.3

5、 红骨髓复合人工骨 骨髓由造血系统和基质系统两部分组成。健康红骨 髓的基质细胞中含有定向性骨祖细胞（DOPC 和可诱导性骨祖细胞（IOPC）。DOPC 具有定向分化为骨组织的能力，IOPC 在诱导因子（如 BMP 作用下才能分化成骨。Zakrzewska et al 17 将骨髓细胞与 HAP 吉合,并分别加入成纤维细胞生长因子（bFGF）和（或）成骨蛋白 21QP21）,通过测定胸腺嘧啶掺入到 DN 肿的量、ALP 的活性及新生骨的形成，来了解它们的生物活性。结果表明，bFGF 能刺激骨髓细 胞的增殖,0P21 能增加 ALM 活性及刺激新生骨形成,并能促进骨髓细胞的分 化。四纳米人工骨 纳

6、米级骨材料就是一类由人工合成、具有多种优良理化特性（能自固化成型、机械强度高、使用方便等）和生物学特性（无毒副作用、可以吸收和降解、生物相 容性好、能诱导骨细胞和血管生长等）的新型骨修复材料,其主要用途是修复骨 缺损时作为细胞外支架材料和骨折的固定材料。下面将近年来纳米级骨修复材料 的研究进展介绍如下。4.1 纳米羟基磷灰石（nHAP）国外已制备出含有二氧化锆的 nHA 材料,其硬 度、韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼相应性能。通过调节二氧化锆含量,可使该纳米人工骨材料具有优良的生物相容性。4.2 TCP 成纳米松质骨 Clarke etal 用聚氨酯海绵方法编织出具有三维网络 结构的新型

7、多孔聚磷酸钙骨架材料（CPP）,并进行了离体、在体研究,发现多孔 的 CP 骨架能促进骨生长。多孔 TC 合成松质骨与人体松质骨的结构和化学成份相 似，Yuan et al 20 合成 Vitoss 无填料纳米松质骨，该松质骨具有广泛的孔隙，孔径相通,利于营养连续供给和更多的细胞、组织长入、使骨修复更快、更完全。4.3 氧化锆/氧化铝 Uchida et al 21 将氧化锆/氧化铝晶体纳米化合物 团块浸在与生物体液相似的溶液中,其表面可生成骨样磷灰石层,提示在活体内 可能形成生物陶瓷如 HAP TCP 等。Luke et al 22 将大鼠颅骨的成骨细胞粘附在23 nm 氧化铝上,发现细胞

8、形态具有很好的伸展性,且成骨细胞的黏附能力比在硼硅酸盐玻璃上增 46%,表 明氧化铝纳米颗粒增强了细胞间的相互作用;细胞形态分析和材料毒性评价也表 明:纳米复合陶瓷材料有良好的生物相容性。4.4 纳米复合材料 由于单一类型材料难以满足骨组织工程细胞外基质材料 的要求,研究者将几种单一材料进行适当组合,结合有机材料与无机材料的优缺 点,合成有机/无机、HA/多聚体复合材料，在实际应用中取得良好效果。4.4.1 nHAP/聚左旋乳酸（PLLA）Saeed et al 23 对合成的 HAP 内米棒表面进行修饰,然后与 PLLA 聚合成 nHAP/PLLA纳米化合物。OM 和 OT 化合物有较高的弹

9、力系数,在 HAP/PLLA 纳米化合物中 加入 1%勺 OTS,它的弹力系数上升 40%,使 HAP/PLLA 的负载传导性得到明显改善。4.2 HAP/聚砜、HAP/聚乙烯复合物 多聚体生物瓷性增强研究发现:聚砜是具有一定机械力学特性的多聚体,高密 度聚乙烯是一种具有韧性的热塑性多聚体,两者均被证明具有良好的生物相容 性。HA 与这两种多聚体聚合为新化合物，通过两轴疲劳试验表明：该化合物有良 好的力学性能。4.4.3 纳米 AP/聚酰胺（PA）复合材料 苏勤等用共沉淀法制成了纳米磷灰石/聚酰胺复合材料,通过常压共溶法直接 用纳米磷灰石浆液制备了纳米 HA 晶体/聚酰胺生物活性材料。都获得了

10、高 nHAP 含量和分散均匀的复合材料。测试表明：约 65%勺 HA 以纳米级均匀地分散在 PA 基体中,在复合材料的两相界面间有化学键形成;此复合材料的抗压、抗弯强度和 弹性模量与人体皮质骨类似。4.4.4 硫酸钙/纳米羟基磷灰石复合材料 羟基磷灰石（HA是一种可靠的骨修复材料，而 HA 勺塑型性能很差，体内降 解也比较慢。半水硫酸钙（CSH 也是一种良好的骨诱导材料，其塑型性能颇为 理想，目前国外已开发出 CSH 勺新型骨诱导材料，并在创伤、脊柱外科等领域获 得了广泛的应用和良好的临床效果 4.5 纳米仿生骨天然骨是胶原纤维贯穿于 HA 形成的复合材料、HA 占骨的 7%,胶原纤维骨一医用

11、生物陶瓷材料生物活性陶瓷主要指磷灰石包括羟基磷灰石和磷酸三钙等目前应用最多的是人骨无机质的主要成分是它赋予骨抗压强度是骨组织的主要承力者人工合成的是十分重要的骨修复材料这是由于它的组成性质与生物进一步矿化形成骨组织磷酸三钙骨水泥具有水合硬化特性可作为一种任意塑型的新型人工骨用于骨缺损填充它在动物体内形成蜂窝状构动物组织可逐渐长入此蜂窝状构中形成牢固的骨性键合属可吸收生物陶瓷在体内要被逐渐降解和逐渐替换植入体但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致所以不宜作为人体承力部件目前磷酸钙陶瓷要用于作小的承力部件涂层低负载的植入体二医用生物高分子材料高分子聚合物已被广泛用作骨修复材料可降解聚乳酸用为

12、交联的螺旋状多肽链,赋予骨很好的强度,且使骨受应力时可弯曲。骨 内部保持成骨细胞和破骨细胞的生理平衡,工程化骨就是利用支架培养细胞使骨 组织再生。常用多孔陶（孔径 200400 卩 m）作为支架,在体外培养细胞,使其扩增,形成骨组织再植入体内。HAf 能吸收各种蛋白质，其中包括骨形成与骨吸收相关细 胞因子、生长因子及细胞黏附蛋质。4.5.1 多孔仿珊瑚人工骨 杨加峰等28 用 HA 为原料,采用湿化学法合成 粉料，该粉料微粒呈细针状和类晶须结构，？1550 nm,用粉料制成的块料具有天 然骨类似结构。实验证明,这种梯度结构多孔体的力学性能较普通珊瑚人工骨有 较大提高,其抗压缩强度大于人松质骨的

13、压缩强度,可满足大多数临床需要。4.5.2 纳米磷酸钙/胶原材料 Wei etal 29 在研究大段骨的细胞载体材料 时,根据仿生矿化原理,采用纳米自组装技术研制出成分和结构都与天然骨组织 高度相似的纳米磷酸钙/胶原基骨材料，其磷酸钙/胶原层间距为 1117 nm,与天然 骨组织里的 711 nm 十分接近，即均为倾斜的层状结构。实验证明，成骨细胞在该支 架上能生长并分泌骨基质。4.5.3 脱钙骨基质/胶原材料 胶原表面含有沉积矿物的位点,当与非胶原基 质蛋白特别是生长因子结合,可有效地引发和控制矿化过程,促进骨形成并诱导 至植入物中。L i et al 30 发现，在胶原中加入 HA 和 T

14、CP 制得复合物，其骨再 生能力得到明显提高。脱钙骨基质中含有 BMP 具有骨诱导作用，试验证明：用脱钙 骨基质治疗骨不连、骨肿瘤和纤维损伤等骨科难症获得良好疗效。骨一医用生物陶瓷材料生物活性陶瓷主要指磷灰石包括羟基磷灰石和磷酸三钙等目前应用最多的是人骨无机质的主要成分是它赋予骨抗压强度是骨组织的主要承力者人工合成的是十分重要的骨修复材料这是由于它的组成性质与生物进一步矿化形成骨组织磷酸三钙骨水泥具有水合硬化特性可作为一种任意塑型的新型人工骨用于骨缺损填充它在动物体内形成蜂窝状构动物组织可逐渐长入此蜂窝状构中形成牢固的骨性键合属可吸收生物陶瓷在体内要被逐渐降解和逐渐替换植入体但由于其降解和吸收速度与骨形成速度难达到一致所以不宜作为人体承力部件目前磷酸钙陶瓷要用于作小的承力部件涂层低负载的植入体二医用生物高分子材料高分子聚合物已被广泛用作骨修复材料可降解聚乳酸用