磷酸鈣骨水泥/順鉑復合體理化性能研究

西安交通大學第一附屬醫院(西安 710061)

劉 娟 劉彥寧

磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement,CPC)作為一種新型自固化人工骨替代材料的研究正在進行,磷酸鈣骨水泥作為藥物包括抗生素,成骨因子,腫瘤藥物的載體治療伴隨疾病的研究日益受到重視。然而在磷酸鈣骨水泥中引入藥物這一類外加制劑的研究結果表明,載藥骨水泥因加入的藥物種類,劑量不同對磷酸鈣骨水泥的理化性能影響不同[1,2]。

順鉑是一類廣譜抗腫瘤藥物,對很多種類腫瘤起到確切的治療作用,以 CPC為載體復合順鉑制備的局部植入劑可延長其抗腫瘤的作用,可滿足對多種敏感實體瘤的治療。但我們知道CPC是一種強度介于松質骨和皮質骨之間的一種骨替代材料,而 CPC中加入順鉑是否影響其理化性能從而影響其應用。

材料和方法

1 材 料 CPC購自上海瑞邦生物材料有限公司,順鉑購自齊魯制藥有限公司,電子天平為上海精密儀器科學研究所生產,力學測定儀為美國 BIO-MAX公司 MTS858,掃描電鏡為JSM-840型。恒溫箱則由西安交通大學生物與遺傳實驗室提供,針戮計為自制。

2 方 法

2.1 CPC/cisplatin復合體的制備:將順鉑與磷酸鈣骨水泥固相粉末分別按照質量比為0%,0.05%,0.1%,0.2%,0.4%的比例進行混合并充分混勻,按固液比例1g∶0.3ml的比例加入固化液,三者在室溫下調和成糊狀后推入直徑 4.5mm,高度 10mm的預制模具中,分別制成上述質量比的數個直徑 4.5mm,高度10mm的圓柱體,而后置入37℃,濕度 100%的培養箱內繼續固化48h后取出,將兩斷端平行并打磨光滑。同樣方法制備無藥物磷酸鈣骨水泥圓柱體使之直徑為4.5mm,高度為10mm。每試樣包含順鉑量為0mg,0.125mg,0.25mg,0.5mg,1mg。

2.2 CPC/cisplatin復合體固化時間的測定:稱取 CPC和順鉑共計 1g,順鉑與磷酸鈣骨水泥質量比分別為0%,0.05%,0.1%,0.2%,0.4%,按固 /液比率為1g∶0.3ml的比例加入固化液,在清潔干燥的中央呈凹形的塑料板上用硬質塑料調拌刀充分調拌均勻,環境溫度控制在 23±1℃左右,調和時間 60～90s,將調和物呈膏狀體時填充入直徑 4.5mm,高度10mm的預制模具中,調和物填充至水準面。從調和結束后第1min把模板放入37℃,相對濕度大于90%的恒溫箱中,箱內放置一臺壓頭直徑為1mm,壓頭重量為400G的針戮計。每隔30s小心地把壓頭垂直降落到調和物表面,停留5s,直至表面不能觀察到圓形壓痕。從調和結束至調和物表面無圓形壓痕的這段時間定為凝固時間,每組測3個試樣。

2.3 CPC/cisplatin復合體抗壓縮強度的測定:取3個試樣,將試樣上下兩端打平,游標卡尺精確測量每一樣本的直徑和高度,將其置于實驗機平臺上并使其剛好接觸實驗機上下平臺,而后施加荷載速度為1mm/min直至出現裂痕,記錄極限力量數值,根據下面公式計算壓縮強度:C=P/S=(4P)/(л×D2)=P/15.89625(MPa)。在此公式中 C為最大壓縮強度(MPa),P為最大有效破壞負荷(N),S為受壓縮面積(mm2),D為模塊直徑(mm)。對上述試樣碎裂塊留置以用于掃描電鏡觀察。

2.4 CPC/cisplatin復合體掃描電鏡觀察分別取各組碎裂樣本,粘接在樣本板上,真空干燥后,樣本表面噴金處理使其具有良好導電性,而后用掃描電鏡觀察各組樣本的顯微結構并直接測量其孔徑大小。

2.5 CPC/cisplatin復合體孔隙率測定根據排水(乙醇)法[3]來測量樣品中的孔隙率。

附表 CPC/cisplatin復合體抗壓縮強度、孔隙率、固化時間測定

附圖 CPC/cisplatin復合體包含不同比例順鉑時掃描電鏡圖(×2000)

結 果

1 CPC/cisplatin復合體科抗壓強度、固化時間測定結果,見附表。從表中可以看出 CPC載入的藥物量的比例由 0提高到0.2%時,其平均壓縮強度不因所載入藥物量的增加而有所降低,反而有所提高,當載入量達 0.4%時,其平均壓縮強度有所下降,孔隙率則由最初的42.8%增加到44.5%,固化時間則由8.8 min左右提高到9.5min左右。

2 CPC/cisplatin復合體掃描電鏡觀察,見附圖。從掃描電鏡圖可以看出,沒有復合有順鉑的CPC復合體為一均勻松針樣排列,斷面粗糙,有許多不同直徑大小的不規則縫隙存在,孔徑約在2～20μm之間,而復合有順鉑的CPC復合體基本晶體結構沒有改變,呈棒狀或塊狀不規則排列,同樣具有不規則縫隙相互連通,孔徑約在2～20μm之間,而且從圖中可以看出 CPC不因所復合藥物量的增加其顯微結構有明顯變化。

討 論

CPC作為一種理想的骨修復材料在臨床上已有報道,但其作為抗腫瘤藥物的植入材料的研究雖有報道,主要還是集中于CPC作為抗腫瘤藥物的緩釋作用、規律的研究[4,5],而對其強度方面的研究少有報道。

CPC與順鉑復合比例比較低時復合體強度改變不明顯(P＞0.05),認為一方面是與其所復合藥物量少有關外,另一方面可能是順鉑填充于CPC屬于物理填充,不影響 CPC晶體的形成從而不夠成對其強度有所影響。通常認為影響CPC強度的因素很多,其中藥物的載入是影響因素之一,Otsuka對此研究很多[6～8],認為CPC中加入藥物可影響其強度,但這種改變不影響其行使正常的功能。本研究中加入的順鉑量還沒有對CPC的強度構成明顯影響。

順鉑載入CPC中同樣對其中的孔徑、孔隙構成影響,而孔徑、孔隙的多少又直接影響 CPC的骨傳導活性。孔徑過小不利于骨組織的長入,成骨細胞生長所需最低孔徑為70μm[9],最佳孔徑為200～400μm[10]。本研究中伴隨 CPC載入順鉑量比例的增加,孔徑在 5-20μm之間,顯然這樣的孔徑不足以容納骨細胞的直接長入,只有通過外周材料的降解新骨才不斷長入。但事實上由于順鉑作為一類化療藥物當其以CPC作為載體而在局部緩釋時在殺死腫瘤細胞同時對正常的骨組織亦有損傷,此時孔徑的大小相對于順鉑而言作用有限,有關這一方面的研究將在以后的章節中討論。

固化時間是影響臨床應用的一個重要因素,從骨水泥的固化時間上考慮,不但避免了固化時間短造成的水泥調和的困難,也節省了固化時間長所造成的手術時間的浪費。通常而言,當藥物的量在一定的范圍之內時,加有藥物的CPC的固化時間通常不受影響,大約在5～20min之間。研究表明,承載的大部分藥物在一定濃度內可滿足局部用藥的需要并不明顯影響CPC的凝結時間。藥物復合入CPC的機制有物理填充、化學反應和物理化學作用,其作用機理是由該藥物的物理化學性質所決定的。在本組實驗中我們所加順鉑占 CPC總體量不是很大,其填充入CPC應屬物理填充,此外在我們所研究的藥量范圍內復合體的固化時間不因所加藥物量的不同而有所差別(P＞0.05),從而認為本實驗中加入的順鉑量沒有明顯影響 CPC的固化時間,從而認為可滿足臨床的需要

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