摘要 合成材料组织工程骨移植物是当前骨移植材料研发重点，发展迅速，但是，目前研发的各类支架材料性能存在缺陷，还不能完全满足临床要求；细胞体外筛选、扩增、分化和为能在局部持续释放细胞因子而采用的转基因细胞移植或腺病毒转染局部细胞等技术还存在安全隐患，回植体内后不能保证细胞活性，细胞骨组织工程种植体构建质量、及时性，储存、运输等方面还不具临床规模化应用的可行性。目前，无细胞人工合成材料在临床上脊柱融合、良性骨肿瘤刮除后填充等方面应用较普遍，细胞骨组织工程移植物应用仅见于散在病例报道。
关键词 骨组织工程；支架；干细胞；细胞因子；
临床上严重创伤、肿瘤切除、骨感染、骨坏死等原因导致的的骨缺损、骨折不愈合以及人工假体置换及翻修、脊柱、关节融合等十分常见，自体皮质-松质骨移植仍是无法被替代的“金标准”，但是，存在诸如供区新的创伤、感染、疼痛等并发症，特别是，来源有限不能满足临床需要，因此，同种异体骨以较好的骨传导、诱导性，成为继自体骨移植之后的首选[1]，但是，来源仍然有限，其他缺陷如：新鲜异体移植存在疾病传播、免疫排斥和难以保存等问题；深低温或冻干处理可降低免疫原性和疾病传染，但成骨诱导性能降低；异体脱钙骨（demineralized bone matrix ，DBM)的骨诱导性也较差，并受加工方法和供体年龄等因素的影响等。在自体和异体骨越来越不能满足临床需要的的情况下，组织工程化骨人工合成材料的研发与应用成为重点。
1. 组织工程化骨修复材料的临床应用现状 器官的组织工程的一般技术路线是在体外用支架、种子细胞、细胞活性因子有机结合，构建有生命的种植体，植入缺损部位，以替代病损组织器官，恢复正常的生理结构和功能。骨组织结构、生化代谢和生理功能相对较简单，与软骨、肌腱、神经等组织工程再造相比，骨组织工程又具有一定的特殊性，其种植体的构建除经典的支架+细胞+细胞活性因子模式外，还有支架+细胞和支架+细胞活性因子等。从1965年Urist发现骨形态发生蛋白质（Bone Morphogenetic Protein,BMP），40年来研究者着力构建了承载BMP的缓释系统（Drug Delivery 作者单位： 200025 上海交通大学医学院瑞金医院骨科上海市伤骨科研究所 基金项目： 上海市“登山计划”，No.06DZ220202 System,DDS），这种支架+细胞活性因子植入体内后，局部持续释放BMP，作用于随血管和肉芽长入的基质干细胞和血液中骨髓干细胞，诱导成骨促进骨修复。学者将这种无细胞种植体归为广义组织工程骨范畴，而且后者省掉了细胞分离培养、复合等复杂环节，不涉及细胞移植的伦理学问题，生产、保存、运输方便，更贴近临床规模化应用，成为骨组织工程的重要补充。 无细胞人工材料普遍用于良性骨瘤刮除后填充和脊柱融合等 [2、3] ；细胞型组织工程骨 在2001年后陆续应用于临床。Vacanti用羟基磷灰石支架（hydroxyapatite scaffolds，HAS）复合经过体外扩增的骨膜细胞后，立即植入体内修复再造外伤性缺失的拇指远节指骨[4]，证明了此方法临床有效性；Quarto等[5]体外培养扩增自体骨髓基质干细胞（bone mesenchymal stem cells ，BMSCs)，与HAS复合构建细胞+支架移植物，立刻植入4-8cm骨干缺损处，证明对大骨缺修复有促进作用，7年随访效果满意；柴岗等[6]等用自体BMSCs复合DBM修复颌面部骨缺损成功；杨志明等[7]用异体骨膜复合支架修复多部位骨缺损、骨不连取得良好效果；Warnke等[8、9]利用钛合金网填充牛骨松质颗粒，复合自体BMSCs、BMP-7和Ⅰ型胶原（collagen type-Ⅰ）后立刻植入背阔肌袋中使血管化，7W后二次移植到下颌骨缺损处，成功再造下颌骨；Kitoh等[10]报道在用牵张成骨方法来治疗2例软骨发育不良、1例先天性胫骨假关节遗留下肢不等长（3个股骨、2个胫骨）时，在局部注射经体外扩增和诱导向成骨样细胞分化的自体BMSCs、混入凝血酶（thrombin）、钙离子(calcium)的富含血小板的血浆（platelet-rich plasma ，PRP) ，可加快成骨并安全微创；Morishita等[11]将自体BMSCs体外扩增、成骨诱导，在2-4d分化为成纤维细胞是与HA复合，经过4W增殖分化，通过检测证明成骨构建了体外再生骨，并用于3例良性骨肿瘤治疗，术后影像学结果显示，骨修复速度比文献报道的单纯HA明显加快。.此外，组织工程技术在口腔颌面外科重建腭骨[12]牙周组织[7] 牙槽骨裂成型 [13] ，以及上颌窦底加强 [14] 、牙槽骨脊重建 [15] 等都有报道。迄今， 临床应用只是一些零星报道和初步观测，对该技术临床全面评价尚缺乏足够的资料[16]
2． 规模化临床应用面临的主要问题和对策
2.1 目前制约骨组织工程临床规模化应用的是基础研究的各个环节存在的技术瓶颈。 首先，目前开发的单一支架材料各有优缺点，如天然胶原和纤维蛋白凝胶组织相容性较好，但机械性能差；可降解是聚乳酸等人工材料优点，但亲水性及组织相容性差；以磷酸为基础的骨水泥、陶瓷或生物活性玻璃等材料的生物相容性及骨传导性较好，但力学性能差、易碎裂而不能满足临床要求。复合材料性能一定程度上可产生优势互补，但距临床要求存在差距。目前临床应用的主要是羟基磷灰石。其次，细胞选择、培养等环节存在安全隐患。自体BMSCs的应用最贴近临床，但干细胞在骨髓中含量极低（0..003—0.015%） [17] ,必须先获 取并在体外扩增，然而，研究表明最大24-40次倍增就会进入老化或生长停滞期，从而限制了临床应用[18]。基因工程方法异位表达端粒酶反转录酶，可以消除因多次细胞分裂引起染色体端粒的缩短，细胞可无限分裂，从而无限延长细胞寿命 [19] ，但出于安全考虑只限于实 验室。干细胞从体内到体外，细胞会出现行为变异与转型[20]，体外扩增细胞输入体内后也会异常生长 [21] ，一项研究显示鼠类的骨髓基质干细胞经过体外长期培养后导致染色体积累 损伤，最后出现恶变[22]；细胞体外培养常规在培养液中加胎牛血清，不可避免会传染疾病如疯牛病[23]或由异体蛋白触发免疫反应[24]。此外，也有研究者立足自体成体细胞，利用转基因技术，将4种基因[25]OCT4、NANOG、SOX2、LIN28或OCT3/4、SOX2、C-MYC和KLF4 [26] 转入到人的体细胞中，得到类似于胚胎干细胞的多能干细胞，增强增殖分化能力， 满足治疗需要，但潜在致瘤风险只限于实验室。自体来源的种子细胞不能用来储备建细胞库，急需时方可着手准备，体外扩增时间长，患者不得不长时间等待。同种异体细胞可作为细胞库种子细胞预先储备，但是，除了遇到与自体细胞相同培养问题外，涉及更为复杂的免疫原性问题。研究发现基质干细胞具有免疫调节作用[27]，包括促进I型辅助T细胞向Ⅱ型转变、下调NK细胞释放干扰素--γ(IFN-γ)、和B细胞合成抗体，并且，为避免牛血清培养带来风险，用人冰冻血浆 [28] 或血小板裂解液 [29] 代替牛血清，发现不仅可提高增值率，而且不改变 形态学、免疫表型和分化能力,也没有基因异常[30、31]、并且保持了免疫修饰，抑制异体蛋白导致淋巴细胞增殖[32]，对裸鼠不具致瘤性[33]，这为用异体基质干细胞作为种子细胞建库提供支持；另外，研究发现CTLA4-Ig（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen4-Ig）是一种融合免疫球蛋白，可以选择性地阻断CD28与B7的信号传导通路，阻断T细胞杀伤作用和产生免疫耐受。将CTLA4-Ig基因转到异体MSCs，改变移植细胞的性状，逃避或阻止宿主识别，降低异体细胞免疫原性，以此构建组织工程骨成功实现了异位成骨 [34] ；除了干细胞 外，有研究证明胎儿骨细胞在免疫原性和成骨性能上优于骨髓干细胞[35]，少量来源就可满足种子细胞建库需要；以上发现有待于长期观测论证。第三，目前构建的缓释系统对成骨因子缓释不能完全模拟体内过程。常用的一些基因技术手段如转基因细胞移植或腺病毒转染局部细胞在局部生产细胞因子，有导致免疫反应、传染疾病、细胞恶变之嫌[22、23、24、35]。 。第四，种植体在体内外构建过程中细胞生存状态不确定，因为，细胞生存要求稳定外环境，包括温度、PH值和营养和氧气供应 [37] ，体内细胞和毛细血管距离20-200μm，细胞通过弥散 获取营养和氧气[38]，在体外，100-200μm距离也可实现[39],细胞在体外三维结构中，营养和氧气获取困难，复合细胞的结构质量逐渐下降[40、41、42、43]；在静态培养条件下发现三维支架