磷酸钙骨水泥生物学特性及在口腔学应用中的研究进展

高昊辰，吴鉴今综述，曹志中审校

0 引 言

临床治疗中，为了修复缺损的骨组织，寻求一种理想的植骨材料已成为众多学者所关心的课题。好的植骨材料应具备良好的生物相容性，可诱导新骨形成以修复现有的骨缺损，以及良好的稳定性，不引起炎症反应及并发症。治疗骨缺损的方法主要有自体骨移植、异体骨移植以及人工材料作为骨替代物。然而自体骨和异体骨移植都存在一定的局限性。磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)是1种或多种磷酸钙粉末和其他含钙化合物粉末与适当比例的水或水溶液调和形成糊状物，其具有良好的生物相容性、可降解性、自固化能力、成骨活性和可注射性［1］。本文对其生物学特性及在口腔中的应用作一综述。

1 CPC 的生物学特性

1.1 磷酸钙骨水泥的主要成分 磷酸钙骨水泥最早是由美国的Brown 和Chow 于20 世纪80 年代提出，一般由1 种或几种磷酸钙盐粉末(一水磷酸二氢钙、无水磷酸二氢钙、二水磷酸氢钙、无水磷酸氢钙、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙)的混合物与调和用的溶液发生水化反应所生成的糊状物［2］。目前磷酸钙骨水泥包括自固化型和非自固化型，非自固化型的特点为植入到体内不发生自固化反应，双相磷酸钙骨替代材料为其典型代表。而自固化骨水泥被移植到体内后可在体液环境下自固化最终水化形成羟基磷灰石。

1.2 生物相容性 材料的生物相容性优劣是生物医用材料设计中首先考虑的重要问题，具有良好生物相容性的骨移植材料需要具备对人体无毒、无热原反应、对周围组织无刺激作用等特性。CPC 固化产物与机体骨质无机成分类似，其生物相容性目前已得到公认，商品化产物BoneSourceTM 已获得美国食品和药物管理局认证。该材料已被广泛用于颌面骨缺损、畸形以及由骨折引起的非承重部位的局部缺损填充修复。江捍平等［11］分别用昆明小鼠及白化兔等进行急性毒性实验、热原实验、皮内实验、肌肉植入实验、骨植入实验等生物相容性实验证明CPC 具有无毒，无热原反应，对皮肤无刺激的特性;肌肉和骨长期植入实验中，动物伤口愈合好，组织反应小，在骨缺损处可引导新骨形成，有良好的组织相容性和骨缺损修复功能。

1.3 骨传导性 CPC 主要通过“爬行替代”的方式形成新骨修复骨缺损，而不是由纤维组织转化为骨组织的过程，CPC 本身并无成骨作用，但它能作为支架引导骨组织长入缺损区。江捍平等［11］将CPC 植入白化兔的肌肉中未见骨组织生成，而植入大白兔骨缺损处12 周后可见大量骨痂形成，材料和骨质呈融合状态。罗毅等［3］在扫描电镜下观察到，注入兔骨缺损处的多孔型磷酸钙骨水泥，在大孔隙之间有90 μm 左右的小孔道贯通，类似松质骨结构;此外可观察发现在不同时期，均可见骨水泥与周围骨紧密结合，新骨形成活跃，同时CPC 可逐渐降解，与新骨交织成网状结构，最终与周围骨组织达成生物结合，16 周时骨缺损已大部分被新生骨填充。

1.4 力学性能 CPC 的力学性能依赖于它的微观结构特征，例如磷灰石晶体的孔大小、数量、形态、分布，此外这些微观结构特征与CPC 制造的技术因素有关。与固有微孔用于生物学流体的浸透一样，大孔有助于骨生长因子长入CPC，此外可提高它的生物吸收并加速被新骨替代的速度。然而较大的空隙会引起CPC 力学性能的急速下降。虽然固化的骨水泥与松质骨相似具有一定的机械强度，但与皮质骨相比其机械抗压性能仍较低。Sverzut 等［4］采用磷酸钙骨水泥材料为10 位患者进行了上颌窦提升术，种植区域活体组织检查和射线得出结论:患者无术后并发症，该材料表现出很好的生物相容性，并且可见材料附近形成编织骨，但这种用于上颌窦提升术的传统磷酸钙骨水泥脆性大，抗压强度不够，骨生成量不足仍是需要解决的问题。为了解决抗压强度的问题，Thürmer 等［5］在α-磷酸三钙(α-tricalciumphosphate，α-TCP)骨水泥中掺入了水凝胶，开发了双凝固水泥系统，通过组合α-TCP粉和水凝胶以产生复合材料，结果显示该复合物表现出约24 MPa 的抗压强度，浸透在模拟体液后，样品的表层形成一层羟基磷灰石状晶体，提示这种新研发的骨水泥的生物活性，以及用于生物材料的发展潜力。此外，将硅酸钙纤维加入磷酸钙骨水泥中，通过硅酸钙水解作用可引发磷灰石沉淀，从而CPC抗压强度提高了250%(从14.5 到50.4 MPa)［6］。Zhao 等［7］发现，载入壳聚糖和聚乳糖的CPC 抗压强度和挠曲强度较CPC 显著提高。而在CPC 中掺入1.25%(重量)的聚乳酸-羟基乙酸共聚物［poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA］/聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)微粒可以增加抗压强度约20%达15.1 MPa，径向抗张强度保持恒定［8］。除此之外，适量的添加纤维蛋白胶及丝蛋白均可提高CPC 的固化强度，还可更好地刺激骨再生［9-10］。

1.5 固化时间 除了良好的生物相容性，CPC 在人体内体温下的可注射性和自固化性能成为了众所周知的优点。CPC 的固、液两相按一定比例混合，首先形成一种可任意塑形的、能用于注射的糊状物，然后通过结晶反应，最终形成羟基磷灰石或磷酸钙而固化。在固化过程中未见体积和热量的变化，固化时间为15 ～30 min。而固化时间又分为初凝固化时间和终凝固化时间，在2 个时间间隔内为了避免可能发生的裂缝和固化进程被干涉，骨水泥不能再被塑性。这就使得骨水泥的固化时间不能过短，以便留给医师足够的塑型时间。然而固化时间过长的磷酸钙糊可导致许多问题，例如当CPC 无法完全固化时可发生剧烈的炎性应答。因此找到合适的凝固时间至关重要，我们可以通过改变骨水泥的固液比、固化温度、固化液浓度改变凝固时间，同时固化时间的改变也可使骨水泥浆体凝固过程中弹性贮能模量、黏性耗散模量和复黏度改变。此外通过添加有机物或无机物也可缩短或延长固化时间，将生物活性玻璃(bioactive glass，BG)加入CPC 和CPC/PLGA 复合材料，观察到其初始和最终凝固时间可随掺入BG的增加而增加［12］。此外，添加明胶可缩短自固化CPC 的初步凝结时间至(5.31±1.18)min，对照组初步凝结时间为(20.72±4.13)min。

1.6 作为载体 由于磷酸钙骨水泥仅具有骨引导作用，其骨生成量并不能满足临床所需，故常将可诱导骨形成的生长因子、蛋白等载入磷酸钙骨水泥中。例如将骨形态发生蛋白-2 引入磷酸钙骨水泥可使其具有骨诱导活性，不仅能诱导兔骨髓基质干细胞趋化与增生，加快新骨形成，还可诱导细胞大量表达转化生成因子-β1 与血管内皮生长因子，3 种细胞因子之间的协同作用可加快磷酸钙骨水泥的降解成骨速度［13］。添加了镁的CPC 可更好的促进成骨细胞的增值和分化，并可促进成骨细胞贴附于支架材料上［14］。此外，CPC 可作为药物载体在临床骨缺损修复手术中实现向局部组织长时间释放药物，达到局部药物高浓度，延长药物的有效治疗时间［15］。Ito等［16］在鼠骨质疏松模型上研究发现藻酸盐凝胶里添加非结晶的磷酸钙粉可控制其分解速率，缓冲凝胶内pH，并得出结论磷酸钙可作为缓慢释放药物的载体、保护涂层并可作为pH 缓冲剂而成为有价值的材料。此外，对于感染的开放性骨折疾病，很难同时控制感染与骨缺损修复。为了找出更好的治疗方法，Huang 等［17］拟定了由淫羊藿苷、万古霉素和注射型磷酸钙骨水泥组成的双药物释放系统，结果表明其伴随的抗生素和骨诱导性，对潜在污染的骨损伤或感染骨疾病具有显著的疗效。以上可见，CPC所载药物种类多种多样，然而值得注意的是不同的药物对CPC 的性质有着不同的影响。对于肿瘤造成的骨缺损可在肿瘤切除后于CPC 中载入化疗药物甲氨蝶呤，适量载入后其不改变CPC 的晶体结构、抗压强度、固化时间等［18］。在CPC 中添加冻干辛伐他汀β-羟基酸并不会改变水泥的凝结时间、压缩强度或径向拉伸强度［19］。而加入抗生素类以及阿仑膦酸钠等药物可影响CPC 的固化时间、机械强度等理化性质［20-21］。但无论是何种药物都应该选择添加合适的剂量，以达到CPC 理想的固化时间、抗压强度等物理化学性能。作为药物载体，理想的药物释放速度成为研究的方向。其中药物的释放与CPC 的孔隙率、微孔直径等显微结构参数相关，然而孔隙率等微观结构的改变会影响抗压强度、固化时间等性能的改变，故在不增加载药量的情况下更多的学者尝试向CPC 中加入海藻酸钠、壳聚糖等添加剂来延缓药物释放。Tran 等［22］通过改变角蛋白的浓度调节载体内药物的释放速率。Loca 等［23］向磷酸氢钙中添加聚乳酸，可减少庆大霉素的突释率，延长药物的释放时间至43 d。

2 口腔临床应用

2.1 根管充填材料 注入根管的自固化磷酸钙根管充填剂的主要成分是超细磷酸钙和碘仿，可防腐消炎，干燥、收敛封闭根管，防止渗漏引起的炎症反应，减轻少量超充填引起的不适。磷酸钙是一种强碱性药物，不但能中和根尖炎症所产生的酸性物质，其在根管内与牙本质壁封闭性好，具有优良的生物相容性，可引导根尖钙化组织沉积，完全封闭根尖孔，促进根尖周组织的愈合;此外，充填时超出根尖孔的CPC 不会成为异物，能与新生钙化组织相互融合，使被破坏的根尖部牙周膜重新附着，恢复健康状况。在牙周韧带细胞应答实验中，磷酸钙作为根充材料的主要组成部分与其他根充材料相比其细胞毒性更低，引起炎症的可能性更小［24］。此外在治疗根尖孔呈喇叭口的年轻恒牙患者更是可以简化操作、缩短疗程、提高疗效。磷酸钙骨水泥的封闭性好还体现在可扩散到管壁牙本质小管内，根充后3 ～5 d 逐渐固化，最终转化成为羟基磷灰石，整个过程体积不变。固化后更是增强了牙根的机械强度，减少根折机会。临床疗效研究表明，无论是需要根尖诱导闭合的根管还是可能造成超填的根管，自固化磷酸钙骨水泥都较氢氧化钙糊剂表现出更好的疗效［25-26］。

2.2 髓室底穿孔材料 髓室底穿孔是牙髓治疗、病理性吸收或龋坏等原因造成的髓腔和牙周组织的联通，常导致牙髓治疗失败和患牙被拔除。穿孔区组织受污染及充填材料超填是髓室底穿孔治疗较棘手的2 个问题。而CPC 可作为药物缓释载体，载入替硝唑和碘仿，有效控制细菌污染。Lee 等［27］发现CPC 可以促进人成牙本质细胞增殖分化，可作为髓室底穿孔的充填材料。此外其具有良好的封闭性能，封闭髓室底穿孔处，形成屏障作用，严密隔绝髓腔和牙周组织，消除炎症促进愈合。CPC 生物相容性好，可吸收降解并可引导新骨再生，且引导骨生成速率和其降解速率相协调。Singh 等［28］的实验证明在髓室底穿孔治疗中磷酸钙骨水泥比玻璃离子水门汀具有更好的密封性能。王福军［29］在磷酸钙修补髓室底穿孔的临床研究中发现CPC 作为修补材料，其疗效明显优于氢氧化钙，此外其疗效也与穿孔的大小有关，与穿孔方式无关。

2.3 牙槽骨缺损修复 牙槽骨缺损在口腔颌面部外伤、炎症、肿瘤患者及牙周炎患者中十分常见。CPC 因其具有良好的生物相容性、骨传导性、可降解性等被广泛应用于牙槽骨缺损修复的治疗中。而近几年3D 打印技术应用于各个领域，以临床快速订制做为优势将CPC 作为3D 打印原料，可用于修复颌面部大量骨缺损［30-31］。在牙周炎造成的骨缺损治疗中选取4 名患有慢性牙周炎的患者，将磷酸钙骨水泥植入探诊深度7 mm 以上，骨缺损4 mm 以上的骨缺损处，6 个月后发现患者探诊深度减少，临床附着水平增加［32］。即刻种植修复时在颊舌侧牙槽嵴与种植体之间加入双相磷酸钙，其颊舌侧牙槽嵴宽度术后6 个月基本无变化(术前8.49±1.10 mm;术后8.82±0.90 mm)，而不加双相磷酸钙其颊舌侧牙槽嵴的宽度明显减小［术前(8.12±0.70)mm;术后(7.01±0.40 mm)］。可见双相磷酸钙对于保留即刻种植手术后的颊舌侧牙槽嵴宽度是有作用的［33］。此外，在用CPC 充填修复牙种植体周围骨缺损区的实验研究中，CPC 随时间延长而逐渐发生降解，新生骨组织沿裂隙长入，与种植体发生直接的接触，表明CPC 在修复牙种植体周围骨缺损中展示了较好的引导骨再生性［34］。种植体修复时为了获得良好的抗压强度，CPC 的孔径往往不能过大，这就导致了其降解速度随之减慢，骨引导性也随之减弱。低温磷酸钙骨水泥微粒可增加早期骨形成，并可明显观察到骨重建，此外与其他骨替代材料相比，可有效改善CPC 的降解率，使其完全降解［35］。而Matsumoto 等［36］将含胶原粉末的CPC 与不含胶原的CPC植入犬牙槽骨缺损处，6 个月后可见不含胶原组的牙槽嵴缺损处有新骨形成，但新骨仅围绕在剩余CPC 的周围，并没有长入或者仅有一些长入到CPC的内部，而在植入包含胶原粉末的一侧缺损处，不但在剩余CPC 周围观察到新骨生成，在其内部也有新骨长入。

3 结 语

经过20 多年的不断研究发现，虽然CPC 良好的生物相容性、可降解性、骨传导性、密封性、可注射性等已经得到共识并运用于多项临床口腔治疗中，但是在修复下颌骨等高负重的骨缺损时怎样提高其机械抗压强度并找到合适的固化时间、降解速率等就成为我们日后需要集中解决的问题。随着对CPC改性研究的深入，其理化性能和生物性能也将不断提高，有可能成为骨组织修复领域中理想的骨替代材料。

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