鎂基骨粘合劑與骨組織的界面粘接性能研究進(jìn)展

摘要：鎂基骨粘合劑具有生物相容性、且與骨組織具有一定粘接特性而成為深部骨組織粘接修復(fù)的候選粘合劑之一，但其粘接能力有限尚無(wú)法滿足臨床要求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出通過(guò)分析鎂基骨粘合劑與骨組織的界面粘接行為，探索獲得高粘接強(qiáng)度的誘導(dǎo)因素及粘接機(jī)理，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展高粘接特性鎂基骨醫(yī)用粘合劑的研究構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：鎂基骨粘合劑;界面粘接行為;粘接機(jī)理

中圖分類號(hào)：TQ584+.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0013-03

傳統(tǒng)醫(yī)用粘合劑在深部骨組織粘接方面或因難以克服的生物相容性差（如PMMA等）、或因其與濕骨組織無(wú)粘接能力（如CPC等）而難以滿足深骨組織粘接修復(fù)的要求。隨著磷酸鎂陶瓷材料作為骨移植材料在2009年獲得美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)入市，加之鎂基醫(yī)用粘合劑（主要成分為磷酸鹽和氧化鎂，Magnesium-based?bone?adhesive，MBA）的可降解特性、生物相容性及其在與骨組織粘接方面所呈現(xiàn)的粘接特性等”，引起了學(xué)術(shù)界濃厚的研究興趣和醫(yī)學(xué)界對(duì)其應(yīng)用開(kāi)發(fā)的極大關(guān)注。迄今為止，已有研究對(duì)其固化反應(yīng)過(guò)程P5、生物學(xué)行為“.1等進(jìn)行了表征，而對(duì)MBA與骨組織界面間的粘接特性也僅僅局限于評(píng)價(jià)其粘接強(qiáng)度".”。盡管這些工作對(duì)MBA從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用具有推動(dòng)作用，但MBA與骨組織粘接強(qiáng)度不足仍是短板。本文主要評(píng)述了MBA研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)分析其與骨組織界面粘接機(jī)理及改善途徑。

1鎂基骨粘合劑研究現(xiàn)狀

1.1固化機(jī)理

Ding博士叫指出MBA的固化（反應(yīng)）屬于酸堿中和反應(yīng)的范疇，反應(yīng)過(guò)程中磷酸鹽迅速溶解使溶液.pH值降低并產(chǎn)生PO;在酸性條件下MgO開(kāi)始溶解并釋放Mg*，Mg*迅速結(jié)合水分子形成Mg（H：O）2”;最后PO、Mg（H2O）+及磷酸鹽中的陽(yáng)離子（Na*，K*，NHA）等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并固化形成MBA，如公式（1）所示。

1.2反應(yīng)速率

已有學(xué)者研究通過(guò)控制氧化鎂的化學(xué)活性明、磷酸鹽溶解度及添加緩凝劑等方面實(shí)現(xiàn)對(duì)其固化反應(yīng)速率的控制，進(jìn)而避免水化放熱反應(yīng)可能引起的高溫感染現(xiàn)象;王愛(ài)娟等也通過(guò)對(duì)氧化鎂的煅燒處理并調(diào)節(jié)液固相比例以實(shí)現(xiàn)控制反應(yīng)速率進(jìn)而調(diào)控放熱溫度的目的，結(jié)果表明放熱溫度可降低至40C以下。

1.3生物學(xué)評(píng)價(jià)

Yu等分別采用艾姆斯試驗(yàn)、細(xì)胞微核實(shí)驗(yàn)及非常規(guī)DNA合成等手段對(duì)MBA有無(wú)致突變性、致畸變性及對(duì)DNA損傷性等性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明具有生物可降解吸收特性的MBA對(duì)生物體是安全的;Waselau等以成年馬的跖骨修復(fù)治療為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)物植人實(shí)驗(yàn)，結(jié)果亦表明其對(duì)馬的內(nèi)臟無(wú)明顯毒副作用。

1.4粘接特性

雖不如固化行為及生物學(xué)行為研究豐富，但也有學(xué)者就MBA與骨組織界面間的粘接強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。吳建國(guó)等指出與磷酸鈣骨水泥相比，MBA在與骨組織在生理環(huán)境下具有一定粘接強(qiáng)度、且對(duì)體內(nèi)電解質(zhì)干擾小，可以用于骨折的粘接固定;美國(guó)Gulotta醫(yī)生等！叫以新西蘭大白兔的前交叉韌帶修復(fù)為研究對(duì)象，植入6周后對(duì)其進(jìn)行組織學(xué)和生物力學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明MBA能明顯增加肌腱與骨交界組織愈合的速率，同時(shí)能明顯提高兩者粘接強(qiáng)度。

MBA與骨組織界面粘接性能不足成因分析目前，普遍認(rèn)為MBA自身的內(nèi)聚強(qiáng)度要高于0.9MPa、而其與骨組織粘接強(qiáng)度主要集中在0.1～1.0MPa，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院戴克戎院士指出標(biāo)準(zhǔn)體重成，人所需的骨粘合劑一骨界面粘接強(qiáng)度最小值為0.92MPa”。由此可見(jiàn)，MBA自身的內(nèi)聚強(qiáng)度基本能夠滿足骨粘合劑一骨界面粘接強(qiáng)度最小值0.92MPa的要求，也就意味著MBA與骨組織界面粘接強(qiáng)度低的根本原因應(yīng)該在于二者界面結(jié)合強(qiáng)度不高。作為連接骨組織與MBA的中介，界面性質(zhì)直接影響乃至決定著整個(gè)組織的力學(xué)和生物學(xué)行為。為了實(shí)現(xiàn)獲得高粘接強(qiáng)度的目標(biāo)，首先要明確影響MBA-骨組織界面粘接強(qiáng)度的主要因素、探明粘接機(jī)理及高粘接強(qiáng)度的誘導(dǎo)因素，從而保證骨粘合劑一骨界面所需最低粘接強(qiáng)度的要求。

3MBA與骨組織界面粘接機(jī)理分析

粘接本身是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及到粘合劑與粘接對(duì)象的相互作用，包括潤(rùn)濕與粘附、化學(xué)反應(yīng)、界面元素互擴(kuò)散等。顯然，粘接劑與骨組織的粘接可能涉及到上述全部或者部分作用。基于粘合劑粘接行為的差異，比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)Erasme醫(yī)院的Donkerwolcke博士等叫在Biomaterials雜志上發(fā)表論文，提出將醫(yī)用粘合劑大致分為醫(yī)用膠和醫(yī)用水泥兩類。其中，醫(yī)用膠（如a-氰基丙烯酸酯系及甲基丙烯酸甲酯類等）與粘接對(duì)象之間一般存在化學(xué)鍵，而醫(yī)用水泥（磷酸鈣系列等）則以粘接界面處兩者的機(jī)械咬合力為主。有關(guān)MBA與骨組織界面間粘接強(qiáng)度的是以機(jī)械咬合力為主，還是二者間存在化學(xué)鍵的問(wèn)題還有爭(zhēng)議。

一方觀點(diǎn)認(rèn)為MBA應(yīng)屬于水泥基粘合劑范疇，如Donkerwolcke博士等認(rèn)為MBA固化前具有一定流動(dòng)性，借助自身流動(dòng)度及施加的外力作用，很容易滲人至泡沫狀多孔結(jié)構(gòu)的骨組織內(nèi)部進(jìn)而與其相互咬合，在機(jī)械咬合力的作用下獲得一定粘接強(qiáng)度。美國(guó)紐約州立大學(xué)Miller等吲針對(duì)粘合劑的粘度對(duì)粘接特性的影響做了系統(tǒng)研究，他們也認(rèn)為粘合劑的粘度影響了其滲入骨組織內(nèi)部的形態(tài)，從而影響了粘合劑與骨組織的粘接強(qiáng)度。Dennis?Janssen等！叫結(jié)合有限元分析亦認(rèn)為作為水泥基粘合劑，MBA與骨組織的力學(xué)行為僅與粘合劑與骨組織間的摩擦作用有關(guān)，而與二者間是否產(chǎn)生化學(xué)鍵合無(wú)關(guān)。

而另一方觀點(diǎn)則認(rèn)為MBA與骨組織界面存在化學(xué)鍵，如Thomopoulos博士等叫認(rèn)為當(dāng)粘合劑中含有大量的PO廣、OH等基團(tuán)存在時(shí)，這些基團(tuán)會(huì)與骨組織內(nèi)無(wú)機(jī)組分中的PO-，Cat及OH等產(chǎn)生化學(xué)鍵，便于在粘接界面處產(chǎn)生牢固鍵合;Schendel等！也認(rèn)為既然MBA與骨組織的組分中都含有PO3、OH一等基團(tuán)，那么在粘接界面處應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的化學(xué)鍵。此外，有研究已經(jīng)表明當(dāng)處于體液中時(shí)骨組織的主要無(wú)機(jī)成分一羥基磷灰石組分中的Ca2t、OH離子等易與其它離子交換，另外還會(huì)因Ca2+的溶解而形成Ca（1）、Ca（2）吸附點(diǎn)，如羥基磷灰石的上述特性能與具有降解特性的MBA中所釋放出的PO，、OH、Mg*等基團(tuán)發(fā)生相互交換或者吸附作用，從而論證了Thomopoulos及Schendel等學(xué)者提出的存在化學(xué)鍵的觀點(diǎn)。

4提高M(jìn)BA與骨組織界面粘接強(qiáng)度途徑

粘接界面處MBA與骨組織一般不大可能達(dá)到原子間的接觸狀態(tài)而形成密集的化學(xué)鍵連接，但當(dāng)二者具有能夠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的活性基團(tuán)時(shí)，有可能形成一定數(shù)量的化學(xué)鍵，這必然將利于進(jìn)一步提高粘接強(qiáng)度"。再者，即使MBA與骨組織間產(chǎn)生的化學(xué)鍵較少或者沒(méi)有化學(xué)鍵的存在，那么可通過(guò)向MBA加人與骨組織內(nèi)活性基團(tuán)類似或者能與其發(fā)生化學(xué)鍵合的添加劑以促進(jìn)化學(xué)鍵的產(chǎn)生，從而在一定程度上進(jìn)一步提高二者粘接強(qiáng)度。此外，MBA與骨組織在粘接界面處的接觸程度是產(chǎn)生強(qiáng)粘附作用的關(guān)鍵，而二者的浸潤(rùn)作用是MBA在表面擴(kuò)散和產(chǎn)生粘附作用的必要條件。為了使MBA能夠浸潤(rùn)骨組織內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)并潤(rùn)濕固體表面，MBA對(duì)固體的潤(rùn)濕角越小，潤(rùn)濕效果越佳。因此，如果能夠調(diào)控MBA制備工藝獲得其與骨組織潤(rùn)濕性能的潤(rùn)濕劑，應(yīng)該能夠促進(jìn)MBA滲入骨組織內(nèi)的速率，從而在一定程度上提高粘接強(qiáng)度。

5結(jié)語(yǔ)

隨著MBA與骨組織界面粘接特性研究的不斷深人，通過(guò)優(yōu)化界面特性以進(jìn)一步提高二者間粘接強(qiáng)度，進(jìn)而滿足成人所需的最低界面粘接強(qiáng)度的要求，這必將加速M(fèi)BA從實(shí)驗(yàn)室研究走向臨床應(yīng)用。本文認(rèn)為提高M(jìn)BA粘接強(qiáng)度有兩種有效途徑：①向MBA加入與骨組織內(nèi)活性基團(tuán)類似或者能與其發(fā)生化學(xué)鍵合的添加劑以促進(jìn)化學(xué)鍵的產(chǎn)生，從而在一定程度上提高二者間粘接強(qiáng)度;②調(diào)控MBA制備工藝獲得其與骨組織潤(rùn)濕性能的潤(rùn)濕劑，應(yīng)該能夠促進(jìn)MBA滲人骨組織內(nèi)的速率，從而在一定程度上提高粘接強(qiáng)度。

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