魏岱旭 | 聚羟基脂肪酸酯医用器件在骨科领域应用的研究进展

魏岱旭1, 2，谭友果1 

1. 西南医科大学附属自贡医院 自贡市精神卫生中心 自贡市脑科学研究院（四川自贡  643002）

2. 西北大学生命科学与医学部（西安  710069）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（31900950）；自贡市重点科技计划项目（2022ZCNKY07、2022ZCNKY21）

通信作者：魏岱旭

关键词：聚羟基脂肪酸酯；3-羟基丁酸；生物材料；骨组织工程

引用本文： 魏岱旭, 谭友果. 聚羟基脂肪酸酯医用器件在骨科领域应用的研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(8): 909-917. doi: 10.7507/1002-1892.202211018 

摘　要

目的

对天然生物材料聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，PHA）在骨科领域应用的研究进展进行综述。

方法

查阅近年来PHA在骨缺损、骨修复和骨肿瘤中的相关研究文献并进行综述，从PHA用于骨修复的优势、面向骨修复的PHA医用器件制备及其在骨科的应用等多方面阐述PHA的研究概况。

结果

PHA具有良好的生物可降解性、生物相容性和潜在的骨诱导能力，是较好的骨组织修复材料；除了传统的PHA 医用植入物，利用静电纺丝法、3D打印等技术可设计出多种功能化PHA 医用器件，以满足自发诱导骨再生，可注射微创修复骨组织、抗菌协同骨修复、辅助建立三维骨肿瘤模型、干细胞定向成骨分化等多种骨科临床需求。

结论

PHA在骨科领域的应用是医用转化的研究热点之一，虽然目前还未达到临床使用要求，但其针对骨缺损的组织工程修复优势已经逐步体现，具有较好的骨科应用前景。 

正　文

疾病、损伤导致的骨组织不愈合或骨坏死是骨科临床一大难题，常需要手术植入替代物以弥补骨组织功能。与自体或同种异体骨相比，基于生物材料制备的组织工程骨支架具有来源丰富、价格低、免疫排斥反应小等优势。理想的骨修复材料应具备以下特征：① 能在受损部位完全修复前给予足够的机械支持；② 具有多孔结构，适合新生骨组织和血管生长；③ 具有骨传导活性，能诱导周围干细胞成骨分化；④ 降解速度与新骨生成相匹配；⑤ 降解产物无毒，不会引发急性炎症反应等[1]。随着合成生物学、组织工程和医用材料的快速发展，聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，PHA）作为新型生物材料，在骨组织修复方面显得尤为突出[2]。本文从PHA特性在骨修复中的优势、PHA医用器件制备技术及其在骨科领域的应用进展三方面，对PHA在骨科的应用现状与发展进行综述。

1、PHA概述及其材料学特性

PHA是细菌体内作为碳源和能源的一类聚酯类高分子的统称[3]。自然界中已经发现的不同聚合度PHA，其分子质量可以从几万到几百万道尔顿不等。同时，由于R基团种类和位置的可变性，产生了多种PHA单体（主要是3-羟基脂肪酸），通常把骨架碳原子为3～5个的单体称为“短链PHA单体”，6～16个的单体称为“中长链PHA单体”[4]。不同单体可进行多种组合，使得这一聚酯家族有很多成员，目前已知的PHA单体超过150种，而且实验室利用工程菌还在不断制造新的PHA[5]。不同单体组合也造成了PHA家族成员的理化性能存在较大差异，涵盖从坚硬脆性的塑料体到柔软韧性的弹性体[6-8]。迄今，已有6种商用PHA（PHB、P4HB、PHBV、PHBHHx、P34HB和PHBVHHx）用于骨组织工程研究[2]和其他医疗领域[9-12]，其材料学特征见表1。

2、PHA的生物可降解性和生物安全性研究

由于PHA主链为酯键，其生物降解行为主要依赖于脂肪酶和水解酶，且主要与自身分子质量成正相关性，分子质量越大降解越慢；此外，也与单体成分、单体比例、力学性能和结晶度有关。如在含0.1 g/L脂肪酶的PBS缓冲液中，HHx含量为12%的PHBHHx膜降解速度比PHB、HHx 含量为5%和20%的PHBHHx快[31]。兔皮下植入实验也证明，PHB、PHBHHx和聚乳酸（polylactic acid，PLA）的降解率依次增加[32]。在大多数报道中，PHA的降解速度要比与之分子质量相近的PLA缓慢[33]；而PHB由于结晶度较高，降解速度最慢[32]。因此，PHA固有的生物降解性使其成为有前景的医学生物材料，特别是作为骨修复和药物输送系统材料。除了受PHA解聚酶活性等物理性质（如组成、立体规整性和结晶度）的影响外，PHA的生物降解行为还受表面积和形态、物理形状和形态、pH值、温度和水分等各种外部因素的影响[4, 34] 。

良好生物安全性是医用材料作为骨组织工程材料应用于人体的先决条件[11, 35-37]。大量研究表明，大多数PHA具有良好生物相容性、血液相容性[38]，且不存在致畸性和致癌性[39-40]。对PHA及类似聚酯类生物材料而言，其酸性降解产物及释放情况将影响材料的生物相容性。所释放的酸性降解产物越多越快，材料的生物相容性越差；反之亦然。有研究显示HaCaT细胞在聚合物膜上的生长活性顺序为PHBVHHx > P34HB ≈ PHBHHx ≈ PHBV > PHB > PLA[41]。主要原因为PHA降解产生的3HB或4HB单体或低聚物酸性较弱，其酸度值（pKa）分别为4.70和4.72，比聚乙醇酸降解产生的羟基乙酸（pKa=3.83）和PLA降解产生的乳酸（pKa=3.08）更偏中性，对人体刺激更小，仅引起较小的酸性和炎症反应[42]。同时，Wei等[33]发现在相同条件下，PLA微球释放的乳酸约为PHA（PHBVHHx）微球释放的3HB的2.7倍，证实了单位时间内PHA释放的酸性分子更少。

3、PHA的骨诱导性研究

既往研究认为PHA不具备显著的骨诱导性，只能提供骨相关细胞生长的空间场所。但随着对PHA主要降解产物3HB的研究深入，发现其“促骨”效应并非不可能。

3HB是人体天然的酸性代谢物，在人体血液中浓度为0.03～0.1 mg/mL，可影响人体的代谢和线粒体[10]。Zhao等[43]的体外研究发现，3HB能够刺激成骨细胞MC3T3-E1的增殖、分化（ALP活性）和矿化（在一定浓度范围内，矿化结节的形成随着3HB浓度提高而增多），抑制血清饥饿诱导的细胞凋亡。3HB可刺激细胞外钙离子内流，并引起细胞内平均钙离子浓度升高[43-44]。同时，Zhao等[43]的研究还证实3HB可缓解骨质疏松症大鼠的症状，并提高大鼠血清钙含量，减少骨钙素含量，阻止了骨密度降低，加强了股骨最大负荷和形变，并且提高了骨小梁体积比。这些研究结果表明，3HB可能成为一种抗骨质疏松的药物，PHA及3HB具有用于老年疾病治疗的研究前景。

4、面向骨修复的PHA 医用器件

早期的PHA医用器件主要采用传统熔融铸造法制备。该方法虽然工艺成熟、加工时间短，可大规模工业化生产，但制备的PHA医用器件不够精细化和个性化，在高温作用下PHA分子质量也会显著下降，且易出现后结晶现象。近年，静电纺丝、3D打印、微流控等先进的生物精密制造技术不断用于设计制备PHA医用器件，如各种支架、纤维、微球和纳米颗粒，研究显示部分器件在骨修复中发挥重要作用[9, 36-37, 45-47]，详见表2。

4.1 PHA支架

支架为组织再生提供了物理支持，这对于后续细胞移植至关重要，直到再生组织能够稳定其自然结构。支架也作为细胞外基质（extracellular matrix，ECM）临时替代品，不仅提供结构支撑，而且促进细胞附着、生长、增殖、迁移、分化和ECM沉积[9]。目前常见的支架制备技术包括相分离法、静电纺丝法、盐浸法、3D打印等。

相分离法（也称溶剂铸造法）是将PHA溶解在1，4-二氧六环等有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后倒入合适模具，用液氮快速冷冻，冷冻干燥1～2 d，得到PHA支架[72]。相分离法得到的支架为多孔结构，其微孔大小和排序方式与溶剂种类、有机溶剂移除条件有关[73]。相分离法制备的PHB和PHBV支架均可用于骨组织工程；但在相分离基础上添加了盐析法的颗粒后，所制备的PHBV骨支架具有更好的细胞接种率和成骨效率[50-52]。

通过静电纺丝法制备的纳米纤维也能较好地模仿ECM，但横截面直径<1 μm的纳米纤维在骨科中很少单独使用，因此可利用静电纺丝技术制备数以百万计的PHA纳米纤维，使用接收器得到不同形貌或微观结构的纤维状支架[9]。目前，PHB、PHBV、P4HB和PHBHHx等纳米纤维已被广泛用作骨组织工程支架材料[53-57]，同时也具有作为药物运载载体的潜力[9]。

盐浸法（又称盐析法）是将不同粒径的盐晶体与聚合物混合，置于不锈钢模具中高温高压熔融，然后用多余水将盐浸出，制备多孔聚合物支架[74]。采用盐浸法可以制备具有多孔结构的材料。随着比表面积的增加，P4HB[75]、PHBHHx[76]和PHO[77]支架的细胞相容性提高。另有研究表明，盐浸可提高PHB[58]和PHBV[59-60]复合羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）支架的力学性能。

基于增材制造原理的3D打印技术已经广泛用于制造具有内部多孔结构、形状和尺寸均可控的医用三维支架。近年来，PHA在骨组织工程的应用中，3D打印技术占据了重要地位。采用该技术可制备具有特定内部结构的支架，有利于接种细胞均匀分布，为细胞附着、增殖和分化提供良好微环境，也可以模拟ECM。在PHA家族中，已成功制备出PHBV[61-62]、P34HB[63]和PHBHHx[64-65]3D打印骨组织工程支架。

4.2 PHA微球

直径为10～500 μm的生物聚酯类微球也是潜在的组织工程载体或支架，具有实心、封闭多孔、开放多孔和纳米纤维状等不同结构，同时也存在光滑、高尔夫状、皱纹状、凹凸状、粗糙和双面状表面拓扑结构[2]。常见的微球制备方法主要有乳化法、喷雾干燥法、膜乳化法和微流控法，其中根据体系组分不同，乳化法又可分为单乳法和复乳法，复乳法又细分为W1/O/W2、G/O/W、S/O/W等[2]。

其中，复乳法中W1/O/W2最常见，俗称“水包油包水”。在单乳法体系前先将内水相（W1）与油相混合，形成初乳；再将初乳滴加进含有乳化剂（或稳定剂）的外水相（W2），通过搅拌、匀浆或超声处理将初乳相和油相进行混合乳化，形成复乳液；除去有机溶剂后，即可得到中空或多孔的聚酯微球。Wei等[33, 78]利用此方法，通过调控不同的内水相，制备出表面光滑、内部多孔的中空微球和开放式多孔微球。

近年来，膜乳化技术成为研究热点，因制备成本低、通量高、重复性好，已广泛用于制备微球制剂，但目前还没有该技术制备的微球产品上市。2022年，魏岱旭等[79]利用膜乳化首次制备出多种PHA微球，且粒径均一。

除了上述方法，微流控法也是制备均匀颗粒物的一种新方法，可采用简单一步法实现对微球粒度和粒度分布的控制，但目前还没有微流控技术制备的PHA微球。

4.3  PHA纳米颗粒

PHA纳米颗粒的合成方法有很多，乳化法是最常用方法[80-82]。采用该方法已成功制备出PHB[83]、PHBV[84]、PHBHHx[85]、P34HB[47]和PHBVHHx[41]纳米颗粒。除了乳化时的机械强度，稳定剂类型及含量也在不同程度上影响纳米颗粒的大小[86-87]。

但目前鲜有PHA纳米颗粒用于骨修复的报道，主要原因是促进骨生长和分化的生长因子BMP为蛋白质，乳化法制备PHA纳米颗粒时，因有机溶剂的使用极易导致蛋白质失活。为解决上述问题，Wei等[46]首次提出利用自创的大豆磷脂介导的生长因子修饰技术（soybean lecithin-mediated introduction of growth factors into polyesters， SMIGP）实现骨诱导因子BMP-2的亲水-疏水逆转，提升BMP在PHA纳米颗粒中的负载量和稳定性，避免了生长因子失活和降解等问题。

作者简介

魏岱旭，西北大学生命科学与医学部医学院教授、博士生导师，陕西省高校杰出青年人才、中国生物材料学会材料生物力学分会常委，长期从事生物材料、合成生物学、组织工程与再生医学、脑科学与抗衰老的研究工作。以第一作者或通信作者在Advanced Materials、Military Medical Research、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials等国际学术期刊上共发表SCI学术论文33篇，授权中国发明专利21项，主持或参与国家级科研项目6项。

参考文献：略

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