行研 | 磷酸三钙与羟基磷灰石，选哪个？

健康 2024-11-06 00:00 江苏

近年，越来越多的人工骨产品被用于医疗美容注射。这类骨科产品基本分为磷酸钙和生物玻璃两类，而磷酸钙又主要分为羟基磷灰石（hydroxyapatite，下文简称HAp）与磷酸三钙（Tricalcium phosphate，下文简称 TCP）。

磷酸三钙包括 α-TCP 和 β-TCP，α-TCP 是由 β-TCP 加热或通过适当组成的非晶态前体热结晶形成的，β - α 相变分别发生在1125°C，在元素杂质存在的情况下，这个温度变化范围非常广泛。α-TCP 具有单斜晶系结构，而 β-TCP 属于三方晶系。α-TCP 的溶解性较高，能够迅速水解为钙缺乏的羟基磷灰石。

有人在犬背部肌肉中注射了 α-TCP 与 β-TCP。注射后的任何时间内，α-TCP 多孔支架的内部都没有看到骨形成的痕迹，也没有巨细胞/巨噬细胞；相反，术后第30天 β-TCP 的孔内有一定数量的细胞长入，一些样本在150天结束时在多孔支架内发现有新骨形成，但支架内的骨组织中没有骨髓的痕迹，并且骨细胞的数量不足。尽管α-TCP和β-TCP材料的形状、化学组成和合成过程几乎是完全相同的，但它们的高低温相差异导致了不同细胞攀爬长入、骨生成的能力。

我们之前大量地介绍了羟基磷灰石类产品的特性，今天我们主要来介绍一下 β-TCP。

TCP 的基本信息

我们之前的文章曾介绍过，HAp植入物通常是通过高温烧结或通过微波水热处理合成的，而且其钙磷原子比（1.67）非常接近天然骨骼。高温合成的 HAp 有很高的结晶度（高于天然的骨），在化学上更稳定，因此在植入时通常被认为不可降解或者降解极为缓慢。这也是 HAp 微球在用于医美注射时引起最常见的担忧和争议。此外，用于骨修复材料时，缺乏降解性可能导致骨骼畸形，以及由于脆度较高而增加骨折风险。

与烧结的 HAp 相反， β-TCP的钙磷比是 1.5，这个比率使其化学上不稳定，更容易被溶解吸收，溶解度接近天然的骨成分。然而，β-TCP 在单纯的生理盐水中是不溶的，但是可以通过细胞引起局部酸化来溶解，这种溶解/降解机制在 HAp 上面也是同样存在的，HAp 比 β-TCP 更加不耐酸。

在过去的几年里，与β-TCP 相关的研究每年有数百篇，尤其是在 2005 年之后，大量的研究推动了β-TCP 的研究，这些文章主要是和骨修复领域相关。

理化性质

β-TCP 是磷酸钙（CaP）的一种高温相，通常通过无定形磷酸钙或钙缺乏的羟基磷灰石在650-750°C以上合成。纯 β-TCP 是一种白色固体，其颜色可能会因杂质的存在而改变，如，掺杂锰的β-TCP呈强烈的粉红色，掺杂铜则呈蓝色。

β-TCP 属三方晶系，一个 β-TCP 晶胞包含 63 个钙（Ca）原子和 42 个磷酸根（PO4）基团，如下图所示。

如上文所述，TCP 和 HAp 具有不同的钙磷原子比（Ca/P）。HAp 在体温下是最稳定和最不溶的，Ca/P化学计量比为1.67，非常接近天然骨骼，而 TCP 是较不稳定和具有吸收性，Ca/P 比为1.5。由于 Ca/P 影响生物陶瓷的溶解度和吸收性，它也影响复合材料中离子的释放，如Ca2+离子。钙活性是生物活性过程中最重要的点之一，TCP 和 HAp 这类生物陶瓷就是利用钙离子的释放来促进成骨性。

β-TCP 的降解

体外结果确实表明，β-TCP 在pH 7.4的模拟体液中不溶解，甚至在pH 6.0时也可能不溶解。研究发现，β-TCP 在植入后不会自发溶解，而是通过涉及巨噬细胞和多核巨细胞（MNGCs）的细胞介导过程被吸收。这种降解机制同理也发生在 HAp 上。

破骨细胞向局部释放乳酸及柠檬酸等，在酸性条件下，骨内无机矿物质自皱褶缘吞饮，于皱褶缘基质内形成一些吞饮泡或吞噬泡。于破骨细胞内，无机质被降解，以钙离子的形式排入血流中。无机质的丢失使骨基质内的胶原纤维裸露，破骨细胞分泌多种溶酶体酶，特别是组织蛋白酶K和胶原溶解组织蛋白酶。破骨细胞离开骨表面后，其皱褶缘消失，细胞内发生变化，进入静止期。

如下图左所示，在狒狒体内植入6个月后的 β-TCP 多孔颗粒的组织学切片：紫色的区域对应植入的 β-TCP 。两个白色箭头显示 TRAP 阳性的多核巨细胞（深红色的圆点），也可称为破骨细胞（骨吸收细胞），可以看到这些破骨细胞已经将 β-TCP “啃”掉一大块。下图右可见到细胞内被吞噬的颗粒（黑色箭头）。

MNGCs 附着在 β-TCP 表面，在接触面打开细胞膜，并分泌酸性物质，使局部pH值降低3-4。由于 β-TCP 的溶解度随着pH值的降低而迅速增加，导致 β-TCP 在局部被溶解。

这些破骨细胞不仅在颗粒表面攻击 β-TCP，还吞噬在该过程中脱落的 β-TCP 颗粒。如上图左，整个灰色部分都是光滑的 β-TCP 表面，而白色条带是经过破骨细胞“酸腐蚀”后的“疤痕”。白色矩形框放大即是上图右，在破骨细胞“腐蚀”后，通常可见垂直于表面的针状结构。上图右白色箭头指向未被破骨细胞破坏的 β-TCP 区域（光滑、完整）；黑色箭头显示了一些被破骨细胞优先攻击的颗粒边界（粗糙、针状、残缺）。

这种降解是由外至内的，在表面致密（例如上图左面这种表面光滑的颗粒）的颗粒上，这种降解时间通常需要更久，因为破骨细胞接触到的面积有限，但同时它也会有更加温和的炎症反应，这类致密的表面通常都有更低的比表面积，其生产工艺中也包括更高的烧结温度；与此相反，粗糙的颗粒有更高的比表面积，能够与之接触的破骨细胞数量更多，腐蚀的速度更快，因此降解更迅速，但也有更强烈的炎性反应，但相对地，这种炎症也可能会导致更高的胶原蛋白生成。这与我们之前的研究与期望相符（点击阅读：羟基磷灰石比表面积 - 被忽视的属性 2）。

下一步，就可以通过深入研究，用不同比表面积、尺寸、粒径的微粒（微球）配成混合制剂，就可以获得同时具备良好的降解周期、不良反应、胶原再生的适用于面部注射的 β-TCP 复合粉剂了。

软组织填充剂

β-TCP 和 HAp 微球同样作为胶原再生材料，加上一个良好的凝胶载体就可以作为面部注射材料了。尤其可以利用 β-TCP 的多孔，让其吸附一些带有营养成分的凝胶，比如PRP。有研究者使用微孔 β-TCP 混合自体血小板（下文简称TCP-PRP）作为填充剂，分别注射到10只6-8周龄的黑毛雌性小鼠一侧脸颊；另一侧作为对照，在8周后进行组织学评估。

结果如上图显示，直径 4mm 的 TCP-PRP 被软组织包裹，整个植入物分布在真皮和骨骼之间；β-TCP 形成一团聚集体，不规则地分布在网状真皮的整个横截面，TCP-PRP 的分布也可以通过注射后的积极按摩来调整。β-TCP 的扩散在与皮肤垂直的方向上更加受限（即上图右中的纵向），这可能是因为真皮细胞排列相当紧致，这也代表想要将任何含有微球的凝胶注射至真皮层是非常困难的。

TCP-PRP 被结缔组织（CT）所包裹（如上图），没有观察到肌成纤维细胞的诱导。没有检测到肉芽肿，有一些孤立的巨噬细胞随机分布在真皮中。

下图中，皮肤结构在形态上完好无损，注射所有 TCP-PRP 的区域都没有引起炎症，代表β-TCP 的惰性和生物相容性。

需要注意的是，下图中打在骨上方的 TCP-PRP 招募了成骨细胞形成了新骨（NB），所以如果只是想要刺激真皮增厚，而非是骨相的填充，那么一定要谨慎操作注射深度。

TCP-PRP 中的 β-TCP 直径为20-30 μm，具有生物相容性、可生物降解性和免疫学惰性。而PRP 是天然的营养来源，频繁地用于骨修复、医美、生发等领域，β-TCP 的多孔性可以吸收 PRP 中的营养成分并缓慢释放它们。这些营养加上 β-TCP 颗粒本身的刺激，使得这种材料一定会导致较高的再生能力。

组织形态测量学显示组织厚度为 4±0.6 mm，每个视野中的成纤维细胞数量为 57±7 个。在空白对照组中，组织厚度为 1.5±0.2 mm，每个视野中的成纤维细胞数量为 37±4 个。所有实验组均显示出组织厚度的增加。相比空白对照组，TCP-PRP 组中的组织厚度和每个视野中的成纤维细胞数量存在更高且具有高度统计学意义的差异。

β-TCP 如同 HAp 微球一样，免疫反应极低，惰性高，通过机械转导力，能温和且持久地引起体积增加，促进胶原的生成，这种生物刺激安全且自然。此外，研究者还观察到靠近原生骨的新骨形成，但这种观察在实心的 HAp 微球上很难得。

我们在之前的文章（点击阅读：羟基磷灰石与骨生成）中曾经推论过，生物陶瓷类物质诱导骨生成，其需要多个影响因子，例如比表面积、注射深度、对成骨细胞的招募能力。上文中 β-TCP 这种比较明确的成骨能力，可能和其多孔、注射深度、其本身性质有关。因此成骨性应通过多个纬度来控制，比如控制烧结温度，这种材料具有更高的开发自由度，可同时往骨相和软组织层面来开发。

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来源：HerostemLab汇融实验室

整理：小麦（ID：Medactive）

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