磷酸鈣骨水泥的研究進展*

余 積，朱曉明，劉小玲，2**，孟令旺，壽曦緣

(1.湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學院核技術與化學生物學院；3.輻射化學與功能材料湖北省重點實驗室)

先天性缺陷、創傷、感染、腫瘤以及退行性骨關節疾病等引起的骨缺損，雖然通過自體骨、異體骨和異種骨移植可以解決，但自體骨移植需二次手術，給患者帶來痛苦，異體骨和異種骨移植會在患者體內出現免疫排斥現象[1]。因此，國內外學者在尋找一種新型的骨修復材料。在此之前所采用的聚甲基丙烯酸甲酯(polym-ethyl methacrylate，PMMA)因生物相容性差，無法與骨組織形成骨性愈合，而且在其固化的過程中會釋放大量的熱量使周圍的組織細胞損傷，降解產物具有細胞毒性，從而不能廣泛應用在骨修復手術中[2]，具有與天然骨組織組成相似的磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)因其良好的生物相容性、骨誘導性及操作簡便等優勢，被認為是將來臨床應用最具潛力的生物材料之一。與其他傳統的骨修復材料相比，CPC的使用方法較為簡單，只需將其固相粉體與固化液按一定比例混合，自行固化后就能達到一定的強度，而且還具有優良的可塑性，能根據骨缺損的形狀利用3D打印進行個性化定制和精密塑形，適合未來臨床操作的需求，是一種發展前景良好的骨修復材料。

1 CPC概述

1.1 CPC定義

1986年Brown和Chow發明了自固化CPC，是骨修復領域的重大進程[3]。CPC由固、液兩相組成，固相是磷酸三鈣(TCP)、磷酸四鈣(TTCP)、二水磷酸氫鈣(DCPD)、磷酸二氫鈣(MCPM)及無水磷酸氫鈣(DCPA)等磷酸鈣鹽中兩種或多種組合制成，液相可以是水或磷酸鹽的溶液。固相與液相按照一定比例混合后就能達到任意塑形目的，CPC具有可注射性和自行固化能力以及力學性能，而且CPC在固化過程中釋放的熱量少，對周圍組織損傷小，相比PMMA骨水泥聚合釋放高熱量而言具有顯著優勢[4]。

1.2 CPC的性能及特點

1.2.1 易塑形性

由于骨缺損因人而異，因此，無法事先設計出替代物的形狀將其投入使用。在某些情況下，骨缺損的形狀是相當復雜的，因此，更難制造精確缺損處替代物。CPC與傳統的支架或結構相比，是一種非牛頓流體，能夠在使用時形成所需的形狀，滿足使用過程中的限制需求[5]。同時，固化成型后，可使固體制品保持特定的形狀不發生變化。

1.2.2 生物相容性

CPC水化反應后的最終產物是羥基磷灰石或透鈣磷石。在大多數產品中，羥基磷灰石通常是自固化反應最終階段的產物。羥基磷灰石是天然骨中的主要無機成分，其水化產物具有良好的生物相容性和生物安全性[6]。水化產物與周圍組織共存，不會致組織變性或壞死，沒有明顯的炎癥反應和免疫排斥現象。同時，由Ca2+和PO43-組成的降解產物無毒，不會引起正常生理過程中的病理改變或紊亂。沈晴昳等[7]研究表明CPC是一種無毒無熱源反應且具有良好的生物活性和生物相容性的骨修復材料。

1.2.3 可降解性

由于水化反應是在室溫或體溫下進行的，在自固化過程中不涉及高溫。因此，磷酸鈣的最終產物通常是結晶度較低的羥基磷灰石。磷酸鈣材料的溶解度與結晶度密切相關，結晶度越高，溶解度越低。因此，水化產物結晶度低的材料具有較好的降解性，這是骨修復的一個重要因素。研究發現[8]，β-磷酸三鈣在生理溶液中降解速度更快。此外，孔隙度的增加提高了CPC與流體接觸的表面積，從而導致降解速度更快。通過調節骨水泥的降解性，可以實現新骨形成與骨水泥降解之間微妙而復雜的平衡，有利于患者的康復。

1.2.4 骨誘導性

骨誘導性是誘導成骨的能力，并通過非骨(異位型)位點骨的形成來證明。王京旗等[9]進行了CPC生物性能的動物實驗，取新西蘭大白兔雙后腿外側髁進行造模，在造模后4周、12周、24周處死取骨缺損周圍組織，染色處理后，進行組織學評價，計算新骨生成率，結果表明實驗組新骨生成率明顯高于對照組，說明CPC可促進成新骨生成，具有良好的骨誘導性。張鷹等[10]研究了CPC復合透明質酸和姜黃素后對骨細胞增殖和成骨能力的影響，將成骨細胞與復合后的骨水泥一起培養，評估復合骨水泥對成骨細胞的影響，結果表明骨水泥可促進骨細胞的增殖，同時也能提高其成骨能力。

1.2.5 可注射性

注射性是影響CPC性能的重要因素之一。由于其特殊的流變性能，骨水泥首先形成一種可以成型的漿料，將其注射到特定部位后硬化，為修復部位提供足夠的機械強度[11]。由于不需要復雜的處理，避免了二次損傷和相關傷害。相反，對于傳統的骨替代物，如支架和結構，通常需要進行二次手術，因為將這些替代物植入缺損部位并不容易。手術過程中，患者不時發生繼發性損傷，延長患者的康復和住院時間。

1.3 CPC的應用

用于胸腰段骨折的臨床治療，胸腰段椎體是脊柱骨折中發生率最高的部位，骨折后特別容易導致脊髓神經損傷。孫彥豹等[12]通過回顧性分析60例患者，發現采用經皮椎弓根釘內固定結合磷酸鈣傷椎強化治療胸腰段骨折可以改善患者胸腰椎功能防止術后椎體高度丟失，創傷小、恢復快，是一種安全有效的手術方式。Ruskin等[13]將磁性CPC用于骨腫瘤的熱療法。由于四氧化三鐵(Fe3O4)具有良好的磁刺激響應性，將Fe3O4和CPC復合后通過微創注射的方式植入骨腫瘤內部，在交變磁場的作用下產熱殺傷骨腫瘤。研究表明Fe3O4最佳摻入量產生的熱量應在40℃～45℃。此外，這種含Fe3O4的CPC具有較好的生物活性和細胞相容性。也有研究[14]在CPC固化液中添加抗腫瘤藥物或者抗生素，液相與骨水泥固相均與混合后，藥物在骨水泥中便能達到分布均勻的效果，將骨水泥填補到病變部位固化后，藥物將位于水化后晶體之間，并且可以通過連續擴散方式釋放，這樣便能維持局部高劑量，從而有效控制和治愈癌癥，同時減少副作用。劉彥寧等[14]已經探索了CPC和順鉑之間的最佳比例，結果表明，CPC/順鉑復合物不僅有利于骨缺損的修復，而且當順鉑含量達到0.1%時，也限制了腫瘤的生長。

2 CPC的改性研究

2.1 提高CPC的成骨能力

許多人工生物活性物質被用來促進肌肉骨骼組織的再生。其中，CPC作為一種可注射的無機生物材料已廣泛應用于創傷或病理損傷引起的骨折等臨床骨修復中。CPC具有低溫自固化、表觀孔隙率高、注射性好、骨傳導性好等特點，同時也可用作藥物載體。盡管如此，CPC的臨床應用仍然受到其在骨修復中成骨能力差的限制，因此，提高CPC的成骨能力也是當前骨水泥研究的重點之一。氨基酸是蛋白質的重要組成部分，將賴氨酸、N-乙酰半胱氨酸、谷氨酸整合到CPC中以提高其成骨能力。也有研究[15]引入生物活性離子，鍶離子(Sr2+)、鋅離子(Zn2+)、鎂離子(Mg2+)、錳離子(Mn2+)等，來誘導骨缺損區域的細胞分泌成骨相關蛋白促進成骨、分泌血管內皮生長因子(VEGF)等促進生成血管的細胞(如內皮細胞、成纖維細胞等)形成新血管，從而提高骨組織的原位修復[16]。另外有研究[17]表明硅(Si)對軟骨和黏多糖的形成有利，能促進骨組織的形成、骨缺損的修復。在動物模型實驗中，膳食性Si缺乏會導致骨的異常生長，膠原形成減少和生長遲緩。硅在生物礦化的初期階段可作為鈣化的活性位點在鈣化的后期階段會以水合硅酸的形式[Si(OH)4]誘導羥基磷灰石(HA)從電解質溶液中沉淀[18]。Si對細胞活性有刺激作用，如促進類成骨細胞的增殖和分化，成骨細胞的礦化和間質干細胞的成骨分化等[19]。

2.2 改善CPC的機械強度

現代生物醫用材料應該具有刺激機體自我修復的能力，在機體愈合過程中，骨組織逐漸取代移植物，但是在這個過程中又不能失去機械支撐。單一的CPC強度較低，易發生脆性斷裂，這一缺點使CPC僅用于非承重方面，因此，要設法增強CPC的力學強度。CPC的力學強度與孔隙度密切相關，強度隨孔隙度的降低而增大，Ishikawa等[20]通過調整CPC的臨界孔隙率來獲得理想的機械強度。采用不同固液比CPC漿料，在不同壓力(0～173MPa)下，將不同孔隙度的CPC裝入模具，結果表明，CPC的力學強度(直徑拉伸強度，DTS)隨孔隙率的降低而增大。但是，適當的孔隙率有利于細胞的生長和存活，不應盲目降低孔隙率以增加強度。另一種改善CPC力學性能的方法是將復合材料滲透到多孔結構中。研究人員發現[21]，纖維的加入可以提高材料的強度和抗斷裂性能，在一項研究中，使用體積分數為5.7%，纖維長度為75mm的三種不同的纖維來復合CPC，分別為芳綸、碳、E-玻璃；復合后的極限強度：芳綸為(62±16)MPa，碳為(59±11)MPa，E-玻璃為(29±8)MPa。相比之下，未添加復合材料的CPC的極限強度為(13±3)MPa。此外，纖維長度和纖維體積分數也為關鍵的微觀結構參數控制CPC復合材料的力學性能。復合材料的極限強度隨纖維長度的增加而增強。有研究在CPC中添加硅酸鹽提高機械抗壓強度，Motisuke等[22]將以α-磷酸三鈣為基本原料制備出CPC將其與一定質量分數的硅酸鈣進行復合，并對復合后的α-磷酸三鈣/硅酸鈣骨水泥進行力學性能測試，結果表明，當未添加硅酸鈣時，α-磷酸三鈣骨水泥具有較低的機械強度為14.5MPa，當添加5%的硅酸鈣時，機械強度達到最大為50.4MPa，當添加量達到10%時，機械強度較前開始降低，但仍高于傳統CPC。也有研究[23]在CPC中添加納米二氧化鈦和無定形納米硅發現其力學強度明顯改善，而CPC的其他性能不受影響。

2.3 提高CPC的降解速率

CPC具有良好的性能，被廣泛應用于骨缺損的修復中，但由于CPC降解速度慢，限制了其在組織工程中的應用。提高CPC降解速度也是其應用過程中要克服的一個缺點。Pooput等[24]采用快速降解麥芽糊精微帶(MDMS)制備管狀大孔CPC，并探討其固化時間、力學性能、微觀結構及降解性等性能。結果表明，在生理條件下將MDMS包埋的復合材料浸泡于模擬體液1d，MDMS大孔骨水泥迅速分解70%以上，并在一周內完全降解。隨著MDMS的降解，CPC復合材料的抗壓強度平均值降低。孔隙率和孔隙連通度隨MDMS含量的增加而增加。此外，MDMS包覆的CPC有良好的細胞粘附性，極可能成為骨移植的替代品。Zhu等[25]制備出含鍶CPC(Sr-CPC)并研究了Sr-CPC在不同Sr含量下的體外降解速率、微觀結構演變、固化時間、抗壓強度等，最后發現固化后的骨水泥是由纏結的Sr-HAP針狀納米和鵝卵石狀的Sr-β-TCP亞微米顆粒組成。Sr含量對CPC的相組成、抗壓強度、凝結時間、體外降解率有顯著影響。隨著Sr含量的增加，降解速率顯著增加，當添加4%Sr時，在模擬體液中水化24h后，復合骨水泥降解64%以上，預期在CPC中引入Sr是改善其降解性能的有效策略。

3 總 結

CPC因為其諸多的優點成為當下研究熱點，但也因為其目前存在的一些不足限制它的臨床應用。提高CPC的成骨能力、機械強度以及降解速率進一步優化骨水泥的綜合性能，使其滿足臨床應用的需求將成為未來的研究熱點。