作者:中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院脊柱外科
传统生物材料
目前,临床常用的传统生物材料主要分为金属材料、生物陶瓷、高分子材料及复合材料。
金属材料 早期金属材料因物理与机械性能优异被广泛应用于临床,如将铁基材料植入骨骼。目前主流金属植入材料包括不锈钢、钛合金及钴铬合金等。其中,钛及钛合金因生物相容性佳、耐腐蚀、弹性模量接近骨骼,逐渐取代了不锈钢与钴铬合金。但金属材料硬度高于天然骨骼,易引发应力屏蔽,进而导致骨吸收与植入物失效。而且钛合金作为静态植入物,无法响应肿瘤微环境(如pH值变化、酶过表达)释放抗肿瘤因子,难以实现“治疗-修复”协同,限制了骨肿瘤切除术后骨缺损修复效果。
生物陶瓷 生物陶瓷包括生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷两类。生物惰性陶瓷(如氧化铝、氧化锆)机械性能突出,具备高耐磨性与低摩擦系数,适用于人工关节、牙科等高压应力场景。生物活性陶瓷,如羟基磷灰石(HA)、碳酸三钙、生物活性玻璃(BG),兼具天然骨骼类似特性与生物相容性、亲水性、骨传导性、骨诱导性,植入后可降低不良反应及炎症风险;其中HA与BG因能促进组织再生及骨整合,应用更为广泛。但两类生物陶瓷均存在抗肿瘤功能缺失、肿瘤微环境适应性不足的问题,仅能实现骨缺损填充修复,难以满足肿瘤术后骨缺损治疗的临床需求。
高分子材料 高分子材料可分为可降解和不可降解两类。可降解材料,如聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(PLGA]、聚己内酯(PCL),可改善支架机械性能与生物相容性,但生物活性较弱,无法充分发挥骨修复作用。不可降解材料,如超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯,可作为临时垫片填充骨肿瘤术后缺损,同时配合全身辅助化疗,但垫片需后续移除并替换为自体骨移植,且局部复发风险较高,仍为临床治疗的重要挑战。
复合材料 复合材料以陶瓷-金属复合、陶瓷-高分子复合为主,作为骨科植入材料具有加速宿主骨与植入物的固定结合,促进骨植入界面的骨向内/向外生长,生物相容性、化学稳定性及射线可透性良好,且弹性模量接近正常骨骼的优势。但该类材料存在明显局限性,HA涂层在生物环境中易被吸收降解,可能导致涂层解体、涂层-基底结合强度下降及植入物固定失效,同时涂层分层解体可能产生颗粒碎片,加之材料本身生物惰性较强,难以与邻近骨组织良好整合。综上,传统生物材料普遍缺乏抗肿瘤特性,因此研发兼具“抗肿瘤”与“骨修复”的双功能生物材料,对骨肿瘤及骨缺损的协同治疗具有重要意义。
双功能生物材料
双功能生物材料主要包括载体功能化材料、本征活性材料及免疫工程化材料。
载体功能化材料 载体功能化材料依据基质成分差异,可分为无机材料、有机材料及有机-无机复合材料,其核心优势在于通过载体设计实现抗肿瘤与骨修复的协同。
无机材料 无机材料支架以磷酸钙基材料为核心,依靠其优异的骨传导性与生物相容性,通过载药、离子掺杂等方式赋予抗肿瘤功能,成为骨肿瘤术后协同治疗的理想载体。纳米级HA(n-HA)颗粒因比表面积大,试剂负载能力与药物递送效率更优,是无机材料的核心研究方向。Liu等设计硫酸钙(CaS)/HA载体用于阿霉素(DOX)的局部、持续、可控递送;体外实验显示该载体在生理(pH7.4)与酸性(pH5)条件下,4周内药物释放率分别达28%与36%;体内实验中4周药物释放率达63%;通过人骨肉瘤异种移植模型验证,该载体可通过抑制血管生成与细胞增殖显著抑制肿瘤进展,同时形成的骨传导微孔支架可实现骨缺损初步修复。为解决单一载药HA载体骨修复作用有限、功能单一的问题,Gao等制备了硒掺杂棒状n-HA与球形介孔HA(m-HA),载药实验显示棒状n-HA的硒掺杂量为m-HA的3倍,DOX包封率、硒释放量均高于m-HA,提示硒元素不仅提升了n-HA的DOX负载能力,还能调节骨骼细胞增殖分化、促进骨胶原合成,使该材料成为“化疗+硒治疗+成骨”的多功能平台,可同步实现抑制骨肉瘤复发与促进骨生成。此外,针对HA颗粒载体药物分布不均、局部滞留性不足的问题,Zhou等设计了自组装肽水凝胶-
有机材料 聚合物因具备良好的生物相容性、可加工性及药物负载能力,在生物材料领域应用广泛,其药物释放系统可实现多样化给药。Jing等构建了
有机-无机复合材料 有机-无机复合材料综合了有机材料的可加工性、柔性与无机材料的生物活性、骨传导性,性能优于单一成分材料。Vladu等基于冷冻干燥技术制备胶原蛋白-HA多功能支架,结合DOX与
本征活性材料 离子释放型材料 传统载药方式易出现药物突释、包封率低、药物失活及全身毒性等问题,而离子释放型材料通过自身降解释放功能性离子,可有效规避上述局限,同时实现“离子抗肿瘤”与“离子促骨再生”的双重效果。Liu等制备混合价态
磁响应性材料 磁热疗法作为创新肿瘤治疗技术,具有组织穿透性强的优势,可通过氧化铁(Fe2O3)纳米颗粒等磁性元件在外部磁场作用下产生磁热效应,实现肿瘤细胞杀伤;同时磁响应性材料可结合骨修复特性,构建“磁热抗肿瘤-支架促骨再生”的协同体系。Tavares等将原始超顺磁性氧化铁纳米颗粒(pSPIONs)以1.92wt%、3.77wt%、5.54wt%3种浓度掺入壳聚糖/
光响应性材料 光疗包括光动力疗法与PTT,通过光敏剂或光热剂将光能转化为热能或活性氧,利用肿瘤细胞对高温的敏感性实现杀伤。随着3D打印技术的成熟,可根据骨缺损形状定制个性化支架,进一步提升骨修复精准度。Xu等在低温3D打印α-磷酸三钙(TCP)支架中掺入生物活性FePSe3纳米片,制备TCP-FePSe3多功能复合支架。该支架可降解释放硒元素,通过激活半胱天冬酶依赖性凋亡通路抑制肿瘤复发;皮下肿瘤模型显示,光热消融与硒元素抗肿瘤作用联合可有效根除肿瘤,大鼠颅骨缺损模型验证支架释放的铁、钙、磷等活性离子可诱导血管化骨再生,提升骨缺损修复效果。Du等在3D打印BG支架表面原位生成近红外吸收铋(Bi)涂层,制备Bi-BG支架,808nm近红外光照射下光热性能优异,可将支架局部温度精准控制在26~100℃;体外实验显示该支架可诱导95%以上骨肉瘤细胞(Saos-2)死亡,体内实验显示可有效抑制骨肿瘤生长,同时能显著促进大鼠BMSCs成骨分化,加速颅骨缺损新骨形成。Jian等制备鞣花酸(EA)-钌(Ru)修饰的仿生3D打印生物活性微晶玻璃(BGC)支架(EARu-BGC),肿瘤消融阶段通过光热与化学动力学治疗协同诱导肿瘤细胞铁死亡,消融率达90%以上;骨修复阶段可自适应清除局部过量活性氧,构建促愈合微环境,促进成骨分化,BGC支架逐步降解释放矿物质,为新骨形成提供空间;新西兰兔颅骨缺损实验显示,该支架可使骨小梁数量提升、小梁分离度降低,有效平衡抗肿瘤疗效与骨修复能力。
此外,部分光热剂兼具过氧化物酶活性,可利用肿瘤细胞对活性氧的高敏感性,通过近红外光诱导大量活性氧生成,实现肿瘤细胞凋亡。例如,Zhang等在钛(Ti)植入体表面构建氧化镁/铁氧化(MgO/FeOx)纳米片。该双金属氧化物可催化肿瘤微环境中H2O2生成活性氧,同时具备良好光热转换能力,二者协同杀伤肿瘤细胞;还可构建局部碱性微环境,抑制细菌能量代谢并增强光热抗菌效果,含镁离子的碱性环境可促进成骨细胞分化与血管内皮细胞血管生成,加速骨组织形成,构建“肿瘤治疗-细菌清除-骨再生”一体化平台。Xu等通过3D打印制备聚醚酰亚胺/β-TCP多孔支架,表面加载金纳米颗粒和还原氧化石墨烯涂层,得到TrGO@Au支架。该支架可显著上调骨桥蛋白、Runt相关转录因子2及骨钙素等成骨相关基因表达,骨体积/总体积比值最高,新生骨与植入体结合紧密;近红外激发下可产生局部高温与活性氧,金纳米颗粒通过“天线效应”增强光热性能,通过丝裂原活化蛋白激酶通路介导肿瘤细胞核损伤,2周内可显著抑制肿瘤细胞生长。
声响应性材料 超声电疗法以超声为外源性能量源,具有无创、时空控制精准、组织穿透深度大的优势,尤其适用于深部肿瘤治疗。超声作为非电离技术,组织衰减系数低,可在穿透深层组织的同时减少对健康组织的损伤,已广泛应用于诊断成像、超声辅助给药、控药释放及肿瘤诊疗领域。Shuai等构建Ti3C2/CuO2多功能抗肿瘤纳米平台,通过选择性激光烧结技术整合到PLLA支架中,CuO2在肿瘤微环境中释放铜离子,通过芬顿反应辅助化学动力抗肿瘤治疗并生成H2O2;H2O2氧化Ti3C2生成TiO2声敏剂,碳基基质优化声动力载流子传输,增强治疗效果;周期性声动力治疗产生的温和热疗可刺激骨组织再生,支架释放的铜离子、钛离子等活性离子可促进血管生成,加速骨再生。Fang等构建少数层黑磷与
此外,早期神经支配对于启动骨形成至关重要,该过程释放的神经递质与神经营养因子可促进成骨细胞分化与血管生成。其中NGF-TrkA信号通路可调控骨化过程;小鼠实验显示,敲低骨软骨祖细胞中的NGF或抑制TrkA信号通路,会减少骨骼神经长入、抑制血管再生、导致骨量流失。基于此,Xu等构建锗硒(GeSe)共掺杂PLA纳米纤维膜包覆的TCP支架(TCP-PLA/GeSe),模拟骨-骨膜结构,超声照射下产生的超声电刺激可时空调控神经发生分化,通过增加细胞内钙离子浓度激活PI3K-Akt与Ras信号通路,促进雪旺细胞早期神经分化,为骨形成提供神经支配支持;该支架兼具高光热转换效率与持续释放硒元素的特性,可在体外与体内协同清除骨肉瘤,兔大段骨缺损模型验证其可显著促进成骨作用与神经纤维长入。
Xiao等开发超小铋/钛酸锶纳米立方体材料,通过压电场驱动快速电荷分离与表面等离子体共振耦合,高效生成活性氧;将其整合到可注射生物聚合物水凝胶中,近红外与超声联合照射下抗癌效果优异,患者来源异种移植模型(将骨肉瘤患者肿瘤组织移植至小鼠)与胫骨骨肉瘤模型验证,肿瘤抑制率分别达98.6%与67.6%;水凝胶在骨缺损区域填充与保留能力良好,轻度超声辐射下可通过极化及电刺激传递发挥骨修复作用。Wang等采用复合3D打印BG支架,整合负载表观遗传调控因子的多孔压电钛酸锶纳米颗粒,提出“逻辑门控”策略。通过外源性超声照射产生活性氧,结合酸性肿瘤微环境确保表观遗传去甲基化调控,实现肿瘤特异性泛凋亡;具有免疫原性的肿瘤特异性泛凋亡可触发树突状细胞成熟与细胞毒性T细胞激活,放大抗肿瘤免疫反应,骨肉瘤生长抑制率达73.47%±5.2%;掺锶支架的生物活性可加速成骨分化,增强骨再生效果,该平台可产生长效免疫记忆,显著提升治疗安全性。
免疫工程化材料 免疫疗法作为新兴抗肿瘤手段,具有特异性高、疗效持久的优势,但在术后肿瘤治疗中面临两大局限:一是肿瘤特异性抗原可及性低,二是伤口边缘存在强免疫抑制作用。因此,需将化学动力学疗法、PTT与免疫调节相结合,通过协同策略提升抗肿瘤疗效——化学动力学疗法或PTT可诱导肿瘤细胞免疫原性死亡,释放损伤相关分子模式并与免疫细胞表面模式识别受体结合,可触发细胞学反应,激活先天性与适应性免疫应答。Ma等设计了“一体化”仿生纳米支架,即以中空二氧化锰(HMnO2)为核心,内部包载光敏剂IR780,外部包覆M1型巨噬细胞膜;M1型巨噬细胞膜赋予支架“免疫隐形”特性,使其选择性聚集于肿瘤部位;激光照射后,IR780产生活性氧并将光能转化为热能,实现光热与光动力协同抑瘤;HMnO2释放的锰离子可消耗肿瘤内谷胱甘肽,进一步放大活性氧生成,通过半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3介导的气穴蛋白E裂解,实现肿瘤细胞焦亡,释放大量肿瘤抗原激活全身免疫;同时,HMnO2在肿瘤微环境中生成的锰离子可构建促成骨微环境,促进BMSCs向成熟骨细胞转化,实现大鼠股骨骨缺损修复。Liu等在磺化聚醚醚酮表面构建Fe掺杂聚吡咯(Fe-Ppy)与CaO2的多级响应涂层(Fe-Ppy@CaO2)。该涂层通过化学动力学疗法、PTT与联合免疫疗法实现持久抗肿瘤效果。Fe-Ppy通过将-NH-氧化为-N+-来持续补充铁离子,触发芬顿反应并在肿瘤微环境中持续生成活性氧;CaO2选择性响应酸性肿瘤微环境,提供外源性H2O2,促进电子循环,增强芬顿反应效率;铁掺杂增强近红外光吸收,多孔结构减少光子散射折射,共同改善光热转换效率;持续活性氧生成与高效光热转换可增强M1型巨噬细胞激活,促进TNF-α、干扰素等促炎因子分泌,杀伤肿瘤细胞;肿瘤治疗后,该涂层可自适应将巨噬细胞表型从M1型切换为M2型,通过清除过量活性氧与近红外刺激,促进成骨分化,实现抗肿瘤与骨再生的免疫微环境协同调控。
总结与展望
新型双功能生物材料实现了骨肿瘤细胞抑制与骨缺损修复的“一材

载体功能化材料 虽可负载抗肿瘤与骨修复药物并发挥治疗效果,但药物分布不均、局部滞留性不足、精准控释难度大等问题仍未解决,可能对正常细胞产生副作用,需进一步优化药物递送策略,提升靶向性与控释精度。
本征活性材料 依赖磁、光、声等外场能量驱动的疗法,存在组织穿透深度有限、能量转换效率不均、设备依赖性强等局限;同时,材料释放离子的代谢途径尚不明确,潜在生物毒性风险需长期评估,需通过材料改性、能量调控等突破技术瓶颈,确保安全性与有效性的平衡。
免疫工程化材料 虽可激活免疫系统攻击骨肿瘤细胞,但免疫系统激活的方向与强度难以精准控制,易引发过度炎症反应或正常组织“脱靶”损伤;未来通过免疫调控靶点筛选、局部微环境调控等手段,提升免疫激活的特异性与可控性,降低不良反应风险。
临床转化最具潜力材料及关键攻关方向 综合研究进展、材料成熟度及临床适配性,HA基复合载体材料是目前最接近临床应用的双功能生物材料,原因在于:①HA与人体骨骼无机相成分高度同源,生物相容性、骨传导性与骨诱导性好,且临床应用基础深厚,已广泛用于各类骨缺损修复;②HA基材料改性技术日趋成熟,可通过离子掺杂、载药、复合有机材料等方式赋予其抗肿瘤功能,且改性后骨修复基础性能无明显衰减;③该材料制备工艺简便,可通过3D打印实现个性化支架制备,适配骨肿瘤术后不同部位、大小的缺损,临床应用灵活性高。推动该材料临床转化,还需完成三项核心工作:①提升肿瘤靶向性与药物控释精度,解决当前药物被动扩散、缺乏肿瘤微环境精准响应性。②实现降解速率与骨再生速率精准匹配,解决部分材料降解过快致支架早失效、过慢形成异物残留。③开展大型动物长期安全性与有效性评价,弥补当前研究多停留在细胞及小型动物阶段、缺乏大型动物长期体内实验数据且未开展临床前研究的不足。综上述,双功能生物材料为骨肿瘤与骨缺损的协同治疗提供了创新方向,但需在材料设计、机制优化、安全性评估等方面持续突破,才能推动其从基础研究走向临床应用,为骨肉瘤患者提供更高效、安全的治疗方案。
来源:中国修复重建外科杂志2026年4月第40卷第4期