骨科医疗器械临床试验介绍6-骨修复材料-磷酸钙,硫酸钙,生物活性玻璃,生物活性骨BMP
骨科临床试验试验介绍6-骨修复材料--磷酸钙,硫酸钙,生物活性玻璃,生物活性骨BMP
乔阳
一、背景介绍
因疾病和事故导致的骨疾病与缺损严重地威胁着人类的健康,对骨修复材料的探索与研究贯串着整个人类文明发展史。早在公元前,玛雅人就开始利用天然玉器材料来修复自身的骨缺损[3]。公元1550年,医学文献中已有使用金属材料作为生物材料的记载[4]。1880年,Macewen首次使用同种异体胫骨移植治疗1例因感染造成肱骨缺损的4岁男性患儿获得成功[5]。1892年,Dreesman发表了第1篇关于利用熟石膏填充骨缺损的报告[6]。第一次世界大战造成的大量人员受伤,使不锈钢和其它金属材料成为矫形植入材料的主要原料[7]。在20世纪80年代,磷酸钙材料的应用和生物玻璃的开发,则大大推动了生物陶瓷材料的研究进程[8]。而后组织工程概念的提出,使生物材料的研究步入到组织和器官再造的新时代[9]。近30年来,随着高新技术的发展,骨修复材料的研究取得了令人瞩目的进展,对骨修复材料的研究从根据经验逐渐转入根据需要进行有目的性的设计,进入到一个更高的层次[10]。
理想的骨缺损修复材料应该具有以下特性:(1)良好的生物相容性;(2)足够的力学性能和良好的生物力学适应性;(3)骨传导性;(4)骨诱导性;(5)提供成骨细胞,直接成骨;(6)良好的材料——骨组织界面;(7)可塑形。目前临床应用的骨修复材料中没有一种能符合上述全部条件,只是具备上述条件中的一部分,但在临床应用中,对骨缺损的修复,往往只需满足部分条件即可,我们可以根据修复对象的具体情况选取合适的材料。现将近年来骨修复材料的研究和应用讨论如下:
1、自体骨
长期以来,自体骨移植是骨损伤修复广泛采用的植入材料。在下颌骨缺损修复[11,12]、脊柱融合、创伤或肿瘤[13]切除后应用较多,但自体骨移植存在取材有限、失血、延长手术时间、增加病人痛苦等缺点,而且会引起取材部位并发症,造成二次伤害[14],这些缺点限制了自体骨移植的发展和临床应用。
2、同种异体骨
自从1880年Macewen首次使用同种异体胫骨移植治疗1例因感染造成肱骨缺损的4岁男性患儿获得成功经验后,经过一个多世纪的发展,同种异体骨移植在骨缺损治疗中已得到广泛的应用[5]。同种异体骨移植取材方便,数量形状不受限制,对已被破坏的骨折周围的内环境,有着迅速恢复、改善和重建血循环快捷等特点,而且来源也不像自体骨那样受到限制等,诸多独特的优势和应用价值使得同种异体骨在临床上应用较多[15],但也存在一些目前难以彻底解决的问题,如免疫排斥[16]、疾病传播[17,18]、愈合慢[19-22]、异体骨骨折[23]等问题,而且制备、处理和存贮的成本很高,所以其应用受到很大限制,临床上多应用于关节部位及大段骨干的缺损修复[5]。
3、异种骨
异种骨来源广泛,价格低廉,主要有牛骨、猪骨、羊骨、兔骨等。其中猪骨和牛骨原材料易得,是研究最多的异种骨材料[24]。但由于种属间的抗原差异,存在免疫排斥反应,直接植入人体必然引起强烈的免疫排斥反应而导致骨修复的失败。
目前消除免疫原性的方法是煅烧法与脱脂、脱蛋白、脱钙法。煅烧法是指异种骨通过在高温炉中煅烧,可将骨中具有抗原性的有机物氧化清除,彻底消除异种抗原,同时还能保留动物骨中原有的无机盐骨架并形成高度多孔的结构而适合成骨细胞移行并快速修复骨缺损[25]。郑启新等通过实验证明经过二次煅烧的牛松质骨具有一定的强度,合适的孔径,微孔互相连通,有可靠的生物安全性,生物降解性良好,可作为植骨材料用于临床[26]。脱脂、脱蛋白法是通过化学试剂处理,如氢氧化钠煮沸、过氧化氢浸泡、脂溶剂脱脂及丙酮干燥等方式去除有机物质。消除或减轻由于异种骨组织相容性差异而产生的排斥反应.但同时能保留一定的成骨诱导能力。人们利用以双氧水为代表的氧化剂,消除异种骨的抗原性,制得部分脱蛋白异种骨。氧化剂引起的蛋白质的非特异性变性使制得的材料天然结构遭到破坏,力学强度下降。Kiel骨是经过脱脂部分脱蛋白等一系列处理的小牛骨,已经过FDA批准,是目前在国外唯一达到商品化的异种骨,经临床和实验证实,因缺乏诱导成骨能力,效果不满意[27,28]。
4、生物惰性材料
“生物惰性”骨缺损修复无机材料主要是金属和一些氧化物陶瓷如氧化铝,氧化锆等。这类植入材料是以“物理充填”方式取代患病或缺损骨组织(即形态结合),对材料的理化性质和生物学性质要求较低,只须其物理特性与骨组织基本匹配以及对机体无显著的毒害作用[29]。金属材料一般有医用不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金、钽、铌等。金属材料具有强度高,一定的延展性,可进行精确加工等优点[30,31],常用作关节置换材料。金属材料植入人体后,宿主骨对其具有排斥作用,在材料一组织界面形成纤维性包囊层,材料与组织的结合强度低。同时,材料的弹性模量是骨的3倍以上,材料一组织界面存在较大“应力屏蔽”,导致植入体周围的骨吸收,使植入体松动、脱落,必要时要进行二次手术。同时,人体液是一种由无机盐、蛋白、酶等组成的具有较强腐蚀性的液体。在该环境中,植入材料或多或少都会与体液发生反应。“惰性材料”释放的离子和磨损的碎片往往会对人体造成伤害。比如Ti合金关节的替换后使人体血浆中的Ti离子在3年后仍为正常人的三倍[32],316L不锈钢和Co-Cr-Co合金植入后使血清中的Fe、Ni、Cr等离子浓度大幅上升[33],这些离子在体内容易诱发炎症,甚至引起毒副作用。因此,现在所使用的惰性材料往往要对其表面进行改性,改善材料表面与组织的结合,降低有害离子的释放速度[34,35]。目前,人们多采用等离子喷涂、电化学沉积等表面改性技术,在材料表面覆盖轻基磷灰石层,使植入体能够与周围的机体组织紧密结合,并降低金属离子的溶出[36]。
5、生物活性材料
1969年,美国Florida的Hench教授等发现一定组成的玻璃和玻璃陶瓷植入体内后其表面不形成纤维包裹层,而是与骨组织形成紧密的结合,其结合面的强度甚至高于骨和材料本身,在此基础上研制出了45S5生物玻璃并提出了生物活性的概念[37,38]。生物活性材料指能够在材料/组织界面上诱导生物或化学反应,使材料与组织之间形成较强的化学键合,达到组织修复的目的。与以往的生物惰性材料相比,生物活性材料在骨组织修复能力上有了很大提高。一方面由于植入体在生理环境中发生一种特殊的表面反应,与骨组织形成化学性结合界面(即生物活性结合),使植入体牢固地固定于骨组织内;另一方面生物活性材料还具有优良的骨传导能力和良好的细胞及组织亲和性。
对众多生物活性植入体与骨组织的结合界面观察发现,材料与骨组织的结合往往通过一层富含Ca、P的过渡层,并且它是发生骨性结合的关键物质,破坏性试验还发现界面断裂最初都不是从结合面开始的,而是发生在材料或组织内部,说明植入体与周围组织有牢固的界面结合[39-43]。生物活性材料与组织接触的界面反应是一种特异的物理化学现象,无论在体内细胞和蛋白调控的生理环境还是体外模拟生理环境的无机盐电解质溶液中,材料表面均会发生溶解-沉淀反应,形成一层类似于骨组织中的无机矿物质碳酸羟基磷灰石[40,44]。
目前不少人工合成无机材料的植入体能直接与骨组织发生紧密结合,植入体周围不会形成纤维层隔膜,主要有两类材料:一类是以钙-磷(CaO-P2O5)为基础的传统生物陶瓷,如HA、磷酸钙等都具有生物活性,其在体液环境中,通过溶解沉淀形成新的类骨HA层,然后与骨组织形成键合,以CaO-P2O5体系为基础的典型生物活性材料有羟基磷灰石(HA)、α-磷酸三钙(α-TCP)、β-磷酸三钙(β-TCP)以及HA/TCP陶瓷和磷酸钙骨水泥(CPC)等[45-51];另一类为以钙-硅(CaO-SiO2)体系为基础的生物玻璃和玻璃陶瓷,在体液环境中,其表面形成一层富硅层,诱导HA的沉积,从而显示出生物活性[37],以CaO-SiO2体系为基础的生物活性材料有CaO-SiO2-M(M为P2O5,Na2O,K2O,MgO,Al2O3)玻璃、硅灰石和A-W玻璃陶瓷等[52-60]。
与磷酸钙生物材料相比,生物玻璃和玻璃陶瓷的组分范围要广,各种对人体无害和能促进骨组织生长的离子都可以添加到生物玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃优良的生物活性和可调节的化学组成,其性能如活性、降解性和力学性能都可以人为调节和控制。除了少数几种生物活性材料如A-W玻璃陶瓷外,大部分生物活性玻璃和陶瓷如羟基磷灰石、磷酸钙、45S5生物玻璃、溶胶凝胶生物玻璃等力学强度都较低,主要用于不承力和承力较小的部位。
6、生物降解材料
生物可降解材料指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用,在组织长入的过程中不断从体内排出,修复后的组织完全替代植入材料的位置,而材料在体内不存在残留[61]。理想的骨修复材料应该是可以降解的,其降解速度能与骨组织的生长速度匹配,在骨组织的生长过程中,材料逐步降解,最后完全被新骨替代。最早使用的可降解无机骨修复材料为石膏,其在体内4周左右能完全降解,降解速度过快,使新骨的生长速度跟不上材料的降解速度[62-64]。
目前应用较多的生物可降解的材料主要有两类,一类是磷酸钙盐材料,包括α-TCP、β-TCP、磷酸四钙等,这些材料都属于CaO-P2O5体系范畴。α-TCP和β-TCP陶瓷溶解速度比HA快得多,但几乎不能诱导类骨CHA在陶瓷表面沉积,在体内与骨键合的机制也与HA陶瓷相似,与骨组织直接结合,界面结合强度不高[65,66,67,68]。这些材料植入体内后的成骨能力和降解速率不仅受到材料性质影响,还与所选择植入部位骨组织的类型(骨皮质、骨松质和骨髓腔)有关。在骨皮质内成骨能力最强但是降解最慢,骨髓腔内降解速率最快但是成骨能力最差,在骨松质内材料完全被降解吸收也需要1.5年以上[67,69]。不少生物降解材料除了优良的生物活性,在体内外也表现出良好的降解性[70-72]。这种由无机氧化物通过特殊工艺制备形成的非结晶材料,在体液中各种电解质的作用下,很容易被“腐蚀”而溶解,溶出的无机离子参与细胞的生长代谢过程,材料本身形成大量孔隙供新生组织长入[72-74]。生物降解材料在生理溶液中的溶解速率与材料的制备工艺有密切联系。溶胶-凝胶法制备的生物降解材料比表面积大,孔隙率高,容易被生理溶液腐蚀;高温熔制的生物降解材料结构比较致密,溶出速率比前者慢得多[70,71]。
应用较多的第二类材料是可降解的高分子材料,主要有聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)、甲壳素等。高分子聚合材料的延伸性好,可以制造成多孔三维支架、纤维状、板状、微球状等,可降解性能好,并且不会造成疾病的传播。PLA机械强度好,加工性能好。PGA在体内无毒,无积蓄,具有良好的生物相容性,已被美国FDA批准广泛用于临床,但也存在一些不足,如强度不足,热稳定性差,降解后的酸性产物不利于骨细胞生长等[75]。甲壳素为白色无定型固体,属氨基多糖高分子材料,常与蛋白质以共价键结合存在,具有生物相容性好、无毒、无剌激、可降解等优点。甲壳素可制成骨缺损支架材料。单纯将甲壳素及其衍生物作为骨科材料用于临床的研究不多见,但常与其他材料复合用作骨科材料。通过对甲壳素进行分子设计,采用组织工程方法进行关节软骨修复和重建。
7、第三代生物材料
由于目前临床应用的骨修复产品仍然存在各种缺陷,随着研究的发展和深入,Hench等提出了第三代生物材料的概念[76]。在第三代生物材料中,生物活性与生物可降解性已融合为一个整体,生物活性材料可被吸收,而可吸收聚合物材料被修饰后也具有生物活性。第三代生物材料可从分子水平上对细胞产生特定的作用,促进细胞的增殖与分化,加快细胞外基质的分泌与组织的生长。
近年来的研究表明,生物活性玻璃和玻璃陶瓷具有良好的降解性能和溶解速度,可以与骨组织生长速度匹配[77-79]。其次,生物活性玻璃和玻璃陶瓷具有良好的生物活性,在体液环境中,不仅能诱导类骨羟基磷灰石的沉积,而且具有骨传导和骨刺激作用,促进骨组织的修复[80-89]。同时,玻璃陶瓷支架脆性高,不易加工,在操作过程中容易碎裂。
2.临床试验评价路径
骨修复材料种类较多,如磷酸钙,硫酸钙,生物活性玻璃,生物活性骨BMP等;开展临床研究,联系西格玛医学。
西格玛医学与全国骨科、脊柱外科,创伤科,足踝外科等有大量试验在开展,并已经取得大量注册证。
三、西格玛医学
南京西格玛医学技术股份有限公司(SIGMAMED),地处南京,辐射全国。西格玛医学是一家专业从事医疗器械临床研究的创新型CRO,证券代码:873450,致力于为医疗器械提供临床试验专项服务、临床研究、方案撰写、统计分析、数据管理、监查、器械SMO、受试者招募、第三方稽查和注册申报的整体解决方案。自2009年成立至今,已成功为国内外近百家客户提供专业技术服务,成功完成医学方案设计撰写、统计、稽查、临床试验、注册申报等,并建立长期稳定的合作关系。涉及主要的20余个治疗领域,骨科、眼科、肾内、护理、整形美容、IVD、血管外科、泌尿外科,麻醉科,护理部,皮肤科,心内科,心外科等,与全国20个省份近千家医院开展合作,并在国内主要省市设立一站式服务,与全国80%的临床试验机构密切合作,拥有一支中、高层稳定并按照国际标准(ICH-GCP)操作的专业团队,具有完整规范详细的标准操作规程(SOP),成功完成医疗器械Ⅱ、Ⅲ类产品临床试验1000余个,并顺利取得注册证。项目多次通过NMPA、江苏局、广东局,山东局,浙江局,四川局,福建局,北京局,天津局等和外部审核和稽查。为更好服务方便客户,我们特别开设了上海南格、深圳西格玛分公司及北京、杭州、武汉、西安等驻点办事处。