磷酸鎂骨水泥及其復合物在骨修復應用的研究進展

郭良煜 郭衛春

在磷酸鎂骨水泥被引入之前，有許多材料應用于骨修復領域，比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、磷酸鈣骨水泥(CPC)等。但都存在明顯的缺點，例如PMMA生物相容性差，無法與骨組織形成骨性愈合從而提供足夠的強度。CPC初始強度低，缺乏黏結性能和降解時間長[1,2]。因此，需要研制一種新的材料來彌補以上缺點。近幾年通過評估MPC的生物相容性及理化性能后，開始研究MPC在骨修復材料方面的應用[3]。并且以前的研究中報道了Mg2+主要存在于骨中，可以調控整合素黏附的活性從而影響成骨細胞的黏附、表型、增殖和分化[4]。并且MPC形成的微孔表面可以增強纖維狀肌動蛋白(FA)的形成和細胞內肌動蛋白的聚合，隨后通過肌球蛋白Ⅱ(RhoA-ROCK-MLCK)途徑刺激細胞成骨分化[5,6]。

截止到目前，已有大量關于MPC的固化過程、生物學行為和使用途徑等方面的研究。美國Bone Solutions Incorporated(BSI)研制的磷酸鎂骨水泥獲得美國 FDA(Food and Drug Administration,FDA)認證，成為骨缺損填充材料并開始在美國使用；劉昌勝等依據MPC可降解、具有良好的生物相容性的特點并且兼具膠黏性好、初始強度高、固化時體積微膨脹的特性將其引入骨修復領域。

一、磷酸鎂骨水泥

磷酸鎂骨水泥(MPC)是一種新型的無機材料。其主要原料為煅燒后的氧化鎂(MgO)、磷酸鹽、緩凝劑等。視實際需要可加入復合性改劑提高MPC的性能。其中MgO是MPC最重要的成分，MgO的活性對MPC的固化反應速度起到至關重要的作用。據研究表明，MgO的活性和其煅燒溫度和顆粒大小密切相關，其活性隨著煅燒溫度的增加而降低，隨著顆粒的減小而增加。磷酸鹽作為MPC中的主要成分，要提供水化反應所需的酸性環境以及磷酸根等離子。目前使用的磷酸二氫鹽主要有磷酸二氫胺(NH4H2PO4)、磷酸二氫鈉(NaH2PO4)、磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2]和磷酸二氫鉀(KH2PO4)。最早使用的磷酸鹽是磷酸二氫胺，主要生成磷酸胺六水合物(MgNH4PO4·6H2O)，俗稱鳥糞石[7]。在制備MPC的過程中，反應會釋放大量熱量，導致制備凝固時間合適的MPC較困難。而使用緩凝劑可延緩水化放熱速率、減緩反應進程和緩凝[8]。

針對MPC在骨修復材料的應用，其首要任務是要評估MPC對人體的安全性。Yu等[9]應用Ames測試、微核測試和非計劃DNA合成測試對MPC遺傳毒理學進行了研究。用宏觀組織學、組織形態學和掃描電子顯微鏡方法探討骨折愈合和降解行為，評估MPC的生物相容性。結果表明MPC沒有毒性，它不會引起DNA損傷和基因突變，同時MPC將與宿主骨形成直接結合。定期置入的樣品在體內表現出良好的降解模式，這為動物試驗和臨床應用提供了依據。臨床上經常會出現關節內骨折，通常此種骨折為不穩定骨折，需要達到解剖復位，但即使應用最小的內固定物也難以達到解剖復位的標準，術后會出現患者活動不便、關節無法恢復至活動范圍等情況。同時對于粉碎性骨折，目前臨床上廣泛采用內固定，通常是微孔螺釘內固定或髓內固定，這些方法對大骨折塊有效，卻難以固定小骨折塊。此外，在松質骨區域中，對于大量的骨折，螺釘內固定方法只能提供很弱的強度，容易導致術后螺釘松動，影響術后效果，甚至要進行二次手術[10]。所以，用MPC作為潛在的可生物降解骨置入材料變成了可能。

近年來對MPC生物相容性、抗壓強度和成骨效應的研究發現，將MPC以合適的粉-液比(P/L)混合后具有良好的注射性，可以用于微創手術[11～13]。并且，將MPC與其他材料進行混合，能更好地提升MPC在骨科的應用價值。

二、磷酸鎂骨水泥復合物

1.硅酸鈣/磷酸鎂復合物(C3S/MPC) ：C3S是三氧化二鐵聚集體(MTA)的主要活性成分之一。它可以在體外誘導骨樣磷灰石礦化，其Si / Ca比率可以調節細胞的附著和增殖[14],其離子提取液可以刺激骨相關細胞的增殖和成骨分化。并且從硅酸鹽材料中釋放的Si離子在刺激骨形成相關細胞的增殖、分化和成骨基因的表達中起重要作用[15]。所以，可將C3S的生物活性和磷源為磷酸二氫鈉(MPC)的高強度和快速固化性能相結合，制成C3S/MPC復合物。通過C3S和MPC的質量比來調節其抗壓強度和凝固時間，在此之中調節出來的C25M75的抗壓強度最高為86MPa，接近人體皮質骨的下限(90～209MPa)，遠高于C3S和MPC。并且C3S/MPC的孔隙率高于MPC，使得骨組織能夠更容易的長入。此外，C3S/MPC體外顯示良好的細胞生物相容性，與MPC比較，在濃度低于12.5mg/L時，C3S/MPC更能刺激MC3T3-E1成骨細胞增殖，其原理可能是C3S/MPC中的Si2+和Mg2+對細胞的協同刺激作用。同時C3S/MPC在SBF溶液中有良好的磷灰石礦能力，形成了羥基磷灰石[16]。機制是Ca2+首先從C3S釋放形成富含Si離子層，然后誘導形成Ca-P聚集在進一步形成磷灰石晶體。這樣可以使得骨骼和材料可以形成化學鍵，形成更好的骨整合[17]。

2.硫酸鈣/磷酸鎂骨水泥(CSMPC)：硫酸鈣(CS)有著良好的生物相容性，骨傳導性和可以完全再吸收而被應用于骨。盡管有以上這些優點，但CS仍存在缺點。一是CS的機械強度低，不能為骨缺損部位提供足夠的長期機械支撐。另一方面是CS顯示幾乎沒有生物活性，導致CS移植物和組織之間的黏合不良。最重要的是置入后CS吸收太快難以匹配骨再生[18]。而MPC是一種快速修復材料，具有快速凝固和可降解的特點，同時MPC具有良好的生物活性[19]。因此，可以將MPC(磷源為磷酸二氫胺)與CS混合從而開發新的硫酸鈣/磷酸鎂水泥(CSMPCs)。

本實驗中制作了3種CSMPC(改變MPC的含量得到了CSMPC40、CSMPC50和CSMPC60)，這3種CSMPC凝固時間在6～12min，而MPC凝固時間為3min，所以CSMPC的凝固時間更適合于外科醫生注射水泥或將其調節到用于臨床應用的所需形狀。通過增加MPC的含量，使得CSMPC機械強度逐漸增高并且高于MPC，具有更好的抗壓強度；并且80天后其降解率高于MPC，表明其降解性能比MPC好。在體外SBF實驗中，CSMPC復合材料表明形成骨樣磷灰石，同時溶液pH值約為9，MPC溶液的pH值為7.42。在之前的研究中堿性環境有助于形成磷灰石，而且磷灰石晶體的成核速率在pH值為9時比pH值為7時更快，表明該材料有良好的生物相容性，在置入人體時能和周圍骨組織形成更好的結合。同時CSMPC比MPC更能增加細胞活力和刺激細胞的增長。CSMPC有望成為骨移植物的替代材料[19]。

3.磷酸鎂/磷酸鈣復合物(CMPC)：CPC和MPC都是用于骨科的無機材料，但CPC由于其初始機械性能差，體內生物降解速率低和凝固時間相對較長而具有一定的局限性，但MPC的凝固時間短且與周圍組織的生物相容性良好[20]。Wu等[21]通過將MPC(磷源為磷酸二氫胺)與CPC結合起來，制出了CMPC。制備的CMPC與CPC相比具有更短的凝固時間和更高的抗壓強度。CMPC的降解率高于CPC和MPC，降解速率隨CMPC 中MPC含量的增加而加快。CMPC可以支持MG-63細胞的附著和增殖，且細胞增殖率明顯高于CPC和MPC，說明CMPC具有良好的生物相容性。置入骨缺損的CMPC觀察表明，置入物體內無異物反應，無炎性反應，無壞死。組織學評估證實，CMPC置入物與宿主骨形成直接結合，表現出高效的骨再生。

CMPC和CSMPC的磷酸鹽都是磷酸二氫胺，這種磷酸鹽雖然應用廣泛，但缺點明顯，一是會產生氨氣污染環境，二是在凝固過程中MPC會釋放氨氣產生堿性環境從而導致細胞毒性。所以應采用磷酸二氫鹽類替代磷酸二氫胺，來彌補缺點，例如采用磷酸二氫鈣和磷酸二氫鉀，其中磷酸二氫鉀不僅彌補了此缺點，而且與磷酸二氫胺相比還具有較小的解離常數和較低的溶解度，使得反應速率更加容易控制[22]。

與Wu等一樣，Zhang等通過把CPC粉末、MPC粉末和水泥液體(超純水)混合在一起組成MPCP(理化性質與CMPC一樣)，但不同的是所用的磷酸二氫鹽為磷酸二氫鈣。在MCPC中調節MPC的重量百分比在0～20%的范圍內，獲得具有不同鎂密度的MCPCs，在這之中，5(10)比例MPCP的效果最好。實驗結果表明MPC的并入可以加快水合環境，提高CPC的抗壓強度，同時對自凝性能沒有明顯的影響。并且在培養基浸泡后，MCPCs不僅改善了Ca2+和Mg2+的溶解度以及CPC的降解能力，也在一定程度上降低了CPC的堿化。不僅如此，將MPC摻入CPC不僅可以增強BMSCs細胞的黏附和擴散，還能促進體外細胞的成骨分化，其原理是MCPC可以調節吸收的Fn的構象，使其具有更多的細胞親和力，并且上調細胞膜上整合素α5β1的表達，不僅促進了BMSCs對材料的黏附，也刺激成骨分化，使骨骼再生增強[23]。但研究發現Mg2 +的釋放速率不依賴于MPC的含量，這可能與培養基中吸附蛋白的抑制能力有關[24]。

4.明膠微球/磷酸鎂骨水泥：骨科疾病中最常見的臨床表現就是骨缺損，骨缺損往往是由創傷、骨腫瘤等疾病導致的。創傷所導致的骨缺損可以單獨采用MPC填充。但骨腫瘤臨床上的治療主要采取手術治療，會廣泛切除腫瘤周圍的骨組織，單純采用MPC無法根除病因。所以，將藥物載入骨水泥中治療骨缺損和骨疾病成為了可能。Lopez-Heredia 等先將PX(紫杉醇)溶液進行細胞活力測定，得到PX組中骨肉瘤細胞和轉移性乳腺癌細胞活性均低。并且發現PX對骨肉瘤細胞抑制效應好。隨后將PX載入磷酸鈣骨水泥中并進行細胞實驗, 得到載藥組中骨肉瘤細胞和轉移性乳腺癌細胞的活性均比不載藥組低，并且載藥組使得骨肉瘤細胞數量減少的同時抑制了轉移性乳腺癌細胞的增殖, 說明載藥組有藥物治療的效果。但將藥物載入已固化的骨水泥后, 藥物會釋放太快而無法達到理想的治療效果，而利用選擇生物相容性及生物降解性好、無毒、無抗原性的明膠為原料機微球將藥物包裹起來, 再載入骨水泥中, 可提高藥物的緩釋性能[25，26]。

在此基礎上，余素春等[26]將用明膠水配置的明膠微球與MPC(固相為磷酸二氫鈣+磷酸二氫鉀)混合，在骨水泥的粉相中分別加入不同質量百分比載藥明膠微球, 制備出的復合載藥骨水泥分別為MPBC-2 、MPBC-4、MPBC-6、MPBC-8并進行降解實驗和釋藥實驗。發現在相同降解時間下復合磷酸鎂基骨水泥比MPC 降解快，但在最初的時間MPBC的孔隙率低于MPC，這是由于明膠微球還未降解。隨著微球的降解, 空隙率逐漸增加，這些孔可為細胞遷移及骨組織生長提供通道，加速骨缺損的修復。在釋放前期(0～10h), 藥物釋放速度較快, 之后藥物釋放明顯減緩; 釋藥7天后, 微球幾乎降解完全, 藥物釋放率達到60%～89%, 達到了一定的藥物緩釋效果。

三、展 望

MPC是一種通過水化反應生成的無機材料，具有高強度、快速固化性能和可吸收的特點，同時又有著良好的生物相容性而開始應用于骨修復領域。研究者對MPC展開了大量的研究，證實了MPC沒有毒性，不會引起DNA損傷和基因突變。并且在動物實驗中也成功證實了MPC對骨折愈合有很好的效果，例如可促進成骨細胞的增殖和分化，與骨組織形成骨性愈合。此外，往MPC中加入不同的材料所得到的復合物其性能會產生變化，例如通過調節MPC的含量來調整抗壓強度和凝固時間從而使其更好的應用于臨床，具備比MPC更好的生物相容性和根治病因，如骨缺損的病因；獲得特殊的性能，例如抗菌性能。因此，MPC是一種具有潛力的無機材料。

但不同研究者所用的MPC體系不同，并且各個體系之間的優缺點未做充分說明。因此，應進一步開展MPC各體系的研究，深入了解各體系的優缺點和它們之間的聯系。同時研究MPC材料的微觀結構、反應機制和力學生物性能，充分認識MPC的優點與缺點，從而指導MPC的合成與其他材料之間的復合，不斷研制出性能更為優異的MPC及其復合物。最后MPC的臨床實驗相對匱乏，也應加大研究。這樣可以增加MPC在醫學領域，特別是骨修復領域的應用。