聚乙二醇在骨水泥中的应用

谢洪海，刘海林，沙帅，张垠

聚乙二醇在骨水泥中的应用

谢洪海1，刘海林2，沙帅2，张垠2

(1. 山东鲁泰环保建材有限公司，山东 鱼台 272350；2. 南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211816)

聚乙二醇(PEG)因其良好的溶解性和生物相容性在生物医学和医疗领域有诸多应用。骨水泥又称骨粘固剂，是一种常用的骨修复材料。本文综述了近年来聚乙二醇在骨水泥中的发展和应用。聚乙二醇在骨治疗、骨修复的众多方面都有良好应用，主要体现在改善骨水泥的骨传导性、机械强度、生物相容性等方面。同时在骨蜡、3D成型和自修复中，聚乙二醇改性骨水泥材料都显示出良好的应用前景。

聚乙二醇；硅酸钙；骨水泥；骨修复

0 引 言

近年来，外科手术中骨组织缺陷的病例数量不断增加，导致了相对应如自体骨移植、异体骨移植，生物合成材料应用于医学手术中的需求量增加，从而促进了其应用与发展。自体骨移植仍然是修复重要骨面缺损的金标准[1，2]，但是本身也存在相应的缺点。比如成本昂贵，并且需要两个手术部位。这与供体部位的发生率高度相关[3]，而且自体骨供应有限。生物相容性人工合成材料为自体骨移植提供了一种更具成本效益且更容易的替代品，可用于缺陷处理；并且合成生物材料可提供骨传导性和骨诱导性的细胞类似物，促进细胞分化以形成新的骨骼[4]。

聚乙二醇(PEG)是以二甲基环氧乙烷(EO)为主要重复单元的新型聚醚类有机聚合物。随着其分子量的增加，其外观由普通的无色粘稠状液体(聚合物分子量小于1000)逐渐转变为一种白色或者石蜡状的固体[5]。聚乙二醇具有很好的化学亲和性，既可直接溶于水，也可以直接溶于乙醇氯仿等大多数有机溶剂。但它不可以直接溶于弱稳定极性的溶剂、非极性或非稳定极性的有机溶剂，如甲基乙二醇等。另外，聚乙二醇在化学中具有很好的且可以相互调节的亲水性。其亲水性随分子量增加而提高，随温度的上升而降低。聚乙二醇还具有良好的化学相容性，非免疫原性和抗原性以及良好的抗凝活性等优异特点。因此，它是生物医学、医疗设备及其行业生产过程中被广泛应用的辅助材料、溶剂、添加剂和改性剂[6，7]。

骨水泥是通过以固定比例混合固相和液相而形成的粘结体系，因硬化后的性质和外观而得。其主要用于骨修复和骨疾病的治疗及移植。在骨水泥领域，它拥有修复细胞相对应的机械强度、良好的生物相容性、促进细胞附着和形成的能力以及骨形成的能力。目前，从技术上研究的主要原因是注射性骨水泥，需要特别注意是否具有良好的注射性，凝结时间是否能保证临床操作要求[8，9]。

本文将对聚乙二醇在骨水泥相关领域中近年的应用及其进展进行回顾，并对未来展望进行分析。

1 应用进展

骨水泥主要包括磷酸钙骨水泥(CPC)、硫酸钙骨水泥(CSC)、硅酸钙水泥(CSCs)几种类型，其中，硅酸钙骨水泥，特别是硅酸三钙(C3S)骨水泥的使用最为广泛。另外，也可以在其中进行金属掺杂，例如镁、锶、锌、钡、锆或稀土元素[10]。这样的骨水泥与水接触后凝固生成的羟基磷灰石(HAp)具有和骨成分相似的结构和良好的生物学特性。聚乙二醇在上述骨水泥中的应用，在较早进入市场(20世纪90年代后期)的硅酸钙骨水泥中有集中表现。

硅酸三钙(C3S)作为代表的基质生物骨水泥材料，是一种广泛使用的骨修复材料。尽管C3S骨水泥具有许多优点，但在水化过程中会生成氢氧化钙(Ca(OH)2)，这会引起周围pH环境碱度值偏高并在移植早期引起组织细胞的不适应。先前的实验证实，通过引入CO2使之与水化产物Ca(OH)2反应可降低因水化产物氢氧化物引起的pH值过高的现象。研究表明，含球霰石的硅酸三钙(V-C3S)具有出色的形成羟基磷灰石(HAp)的能力。但是，与纯C3S相比，碳酸化会降低机械强度。

血液和生物医学材料直接接触会由于免疫排斥反应从而引发诸多生物反应并形成血栓。因此，有必要制造出一种有如下优点的生物医学材料，例如人造心脏、人造血管、人造心血管辅助设备，各种医疗设备，导管和功能性支架，它们必须进入或保留在血管中，并与血液直接接触并且必须具有良好的血液相容。研究表明[11]，改变材料表面的特征结构可以提高材料的血液耐受性。PEG链的长度与其流动性和对血液的抵抗力密切相关。PEG在生物材料钝化层通过化学接枝或与本体的共聚，可以将PEG化学接枝或本体在各种生物医学材料的表面上连接形成长链亲水通道。钝化层可以减少血浆蛋白和血小板等的表面粘附，并减少吸附到物质表面而引起的各种副作用，有效提高生物医学物质的血液耐受性。结果表明，当接枝密度达到一定程度时，材料的抗凝血性明显提升。PEG分子链具有柔性，独特的细胞亲和力，同时降低免疫反应，从而可与聚乳酸结合以改善其缺乏亲水性引起的发炎反应。

Yang等[12，13]通过差示扫描量热法研究了标准外科单纯型X线不透射线骨水泥的聚合反应，以探究掺杂甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)对聚合反应速率的影响。结果表明，发现改性丙烯酸类骨水泥的聚合反应近似为一级反应，确定反应速率常数(k)。发现HEMA和EGDMA含量对聚合速率和聚合热的影响可以通过频率因子和活化能来解释。HEMA含量的增加趋向于导致频率因子和活化能的值均增加；而EGDMA含量的增加趋向于引起频率因子和活化能的降低。从而发现在这项研究中，在等温条件下，随着HEMA含量的增加，聚合曲线向更长的时间移动。在反应峰时间之后，凝胶效应变得明显并且速率常数急剧增加。随着骨水泥中HEMA含量的增加，活化能E和频率因子Z均随HEMA含量的增加而提高。含有EGDMA含量的骨水泥与没有EGDMA的骨水泥相比，在聚合反应开始之前具有较短的诱导期。随着EGDMA含量的增加，活化能和频率因子均趋于降低，说明骨水泥硬化时间可调。所以，把聚乙二醇通常用作均聚物以改善骨水泥的性能。Goncalves等[14]研究检查了硅酮和PEG对水泥的可注射性，凝结时间和机械性能的影响。发现不仅可注射性和凝固时间、机械性能且形态结构、生物特性、抗溃散性等都可以调节。

除了直接用于硬化的辅助溶剂外，聚乙二醇由于其固有的亲和性。在随后的预混合骨水泥开发中也有重要的作用[15-19]，还可作为骨水泥药物缓释微球[20]和复杂相硅酸钙骨水泥[21]中的聚合物载体。

2 典型应用

2.1 直接改善骨水泥的性能

PEG主要是在5 wt.%以下且分子量不超过6000时用于掺杂骨水泥。

Pina[22]等人使用PEG2000和柠檬酸作为溶液研究了含镁的硅酸钙骨水泥系统。在此，聚乙二醇在制药系统中起增塑剂的作用。初凝时间可以在9—18 min之间调整，这更适合临床应用范围之内。结果表明，含镁β-TCP的抗压强度比空白对照组高，他们认为这是因为镁可以稳定β-TCP。

Roy等[23]评估了聚乙二醇(PEG)添加对透钙磷石水泥固化时间，抗压强度和体外生物相容性的影响。通过将β-磷酸三钙和磷酸—钙—水合物混合来制备透钙磷石水泥。在该液体引入含量为2.0—5.0wt.%的PEG，发现延长了初凝时间和终凝时间。对机械强度的影响在第3天下降，但在培养7天后明显增加。所以，PEG的引入导致初始和最终凝固时间略有增加，但对抗压强度影响较大。通过使用人类胎儿成骨细胞(hFOB)研究了PEG掺入对透钙铁石水泥体外生物相容性的影响。扫描电子显微镜图像和免疫组织化学分析表明，纯的和PEG掺入的透钙磷石水泥都可促进细胞粘附，增殖和分化，更少的细胞表达粘固蛋白中具有增加的PEG含量的长春花蛋白。发现细胞增殖随PEG浓度增加而提高，而细胞分化随PEG含量增加而增加，表明碱性磷酸酶(ALP)活性增加。这一结果更好地了解添加PEG的透钙磷石水泥的体外生物相容性，可根据应用需求定制水泥组合物。

李继彦[24]首次采用分子量分别为200、400和1500的聚乙二醇水溶液对磷酸钙水泥硬化的表面进行改性。经PEG处理固化后的水泥体表面覆盖有规则的层状晶体。形成的主要原因可能是因为PEG的加入增加了溶液的离子浓度使得离子在溶液中的扩散速度明显降低；同时PEG与Ca2+螯合使得HAp与Ca2+的结合机会减少，从而使得结晶速度降低[24]。HAp的结晶速率的降低，为晶体的发育提供了良好的条件。细胞实验结果表明，这种规则的叶片拓扑结构对细胞的增殖和分化起到积极作用。

金晶等人[25]研究了添加PEG对CPC骨水泥流变性能的影响。结果显示，添加PEG溶液后体系粘度增加，稳定性也会改善。将一定浓度PEG溶液作为固化液加入CPC浆体，并考察流变性能，发现不同分子量的PEG可以改善浆体的流变性能。结果表明：CPC是一种假塑性浓悬浮体，随着PEG溶液浓度增大(0.005≤w≤0.30)，其粘度增大，触变性增强，表明PEG具有增加体系粘稠性，改善分散体系稳定性的作用。综合评价后得出，PEG浓度在0.01≤wPEG≤0.10范围内对体系的流变性能有较好的作用。

2.2 预混合骨水泥中的应用

虽然C3S骨水泥的良好表现使其在骨修复应用越来越多，通过开发新材料也获得了便利性和可靠性，不断完善并且越来越符合临床要求。但是，在某些方面距离临床要求仍有差距。例如，在临床手术中，通常需要将骨颗粒预先混合并固化8h，这在延长没必要的手术准备时间的同时还可能在后续的修复过程中产生未知风险。

Sugawara[21]等人提出的预混合骨水泥的原型是将骨水泥粉和非水液体无限期混合的糊剂。非水液体应易于与水混合。因此，在确保将糊剂填充到缺损部位后，骨水泥糊剂和体液发生交换，在液相中，体液和糊剂开始凝固[17，19]。普通的非水液体可以使得该系统处于无水状态，以防止发生水固化反应，因此可以长时间保存。在存储期间需要避免与周围的水分接触。这种方法优点在于它可以充分混合，临床医生可以避免预混合直接使用，还可以长期保存，便捷性大大提高。由于该系统利用非水溶剂的低分子量聚乙二醇，据报道该低分子量聚乙二醇的主要分子量为600左右[16]，分别制备了甘油和分子量为600的PEG和β-磷酸三钙/磷酸钙—水合物。CSC具有快速固化性，可洗性和稳定的储存性(仅发生固化)，并且在暴露于水中时的机械强度和与松质骨匹配的机械强度，可以根据患者的位置进行塑形。

Engstrand等[17]研究了具有固有的高拉伸性能的聚合物材料掺入可能有助于提高磷酸钙水泥的机械性能。在这项研究中，将由PEG 400增塑的聚丙交酯—共—乙交酯制成的聚合物微粒(PLGA/PEG微粒)，添加量最高达5 wt.%，添加到预混合的酸性磷酸钙水泥中，添加的PLGA/PEG微粒在37 ℃时会发生形状转变，与缺乏该特性的聚合物微粒相比，可以使聚合物微粒和陶瓷胶结剂之间的结合更好。结果表明，掺入1.25 wt.%的PLGA/PEG微粒使其抗压强度提高了约20 %达到15.1 MPa，而径向拉伸强度保持恒定。与纯陶瓷水泥相比，凝固后PLGA/PEG微粒的掺入增加了透钙磷石与莫纳石的比率。所以，将少量PLGA/PEG微粒掺入预混合的酸性磷酸钙骨水泥中可以提高其机械性。

3 新应用进展

近年来，在开发硅酸钙骨水泥新技术方面，掺杂聚乙二醇的研究又有了新的进展。

3.1 骨蜡

骨蜡是用于骨科和脑外科的一种止血材料，常用的骨蜡由不可生物降解的蜂蜡/凡士林混合物组成。由于其组成原因，有易感染、易引起炎症和骨阻塞等缺点。Bruckner[26]等人发现一种基于硅酸钙骨水泥的自固化骨蜡可以克服这些缺点。Bruckner为了解决传统骨蜡(蜂蜡)的使用问题，提出了一种基于亲水性聚乙二醇(PEG)和羟基磷灰石(HA)形成磷酸钙骨水泥(CPC)的自凝骨蜡体系。其中，加入不超过10 wt.%的预糊化淀粉作为止血剂。将该材料置于潮湿环境后，PEG相溶解并通过渗透水进行交换，该水与HAp前驱体(磷酸四钙(TTCP)/透钙石)相互作用，通过溶解/沉淀反应形成高度多孔的纳米晶HAp(如图1所示)。同时，预糊化的淀粉可以胶凝并为骨蜡提供液体密封功能。该新型骨蜡制剂具有粘连性、可延展性，并且在水性条件下硬化后，具有骨类似的机械性能和抗菌性能。

图1 可延展的自凝骨蜡止血示意图[25]

3.2 3D打印成型

Bergmann等[27]通过3D无挤压成型工艺，使用柠檬酸钠和β-TCP，PEG作为基本原料制备了骨支架材料。该材料的比表面积为1.84 m2/g，晶粒尺寸的d90值为16.3μm。研磨后，表面积扩大到3.38 m2/g，晶粒尺寸的d90值减小到5.0μm。喷雾干燥之后的颗粒具有致密的球形形状。在优化制备工艺后，确定了用于制备支架的骨水泥组合物为柠檬酸三钠、PEG和水，该糊状物具有可在室温下干燥而不破坏所制备支架的完整性的特性。最终骨水泥组合物的密度为1.66g/cm3、抗压强度为1.2 MPa。X射线衍射分析表明，存在四种物相，即菱镁矿、羟基磷灰石(Ca5(PO4)3OH)，褐铁矿(CaHPO4)和钠钙磷酸盐(Ca10Na(PO4)7)(如图2所示)。用磷酸硬化支架，得到固体磷酸钙组合物。用水洗涤之后经过一连串干燥步骤，得到了由透辉石和羟基磷灰石组成的固化组合物。在水泥中添加PMMA不会影响支架的制造过程，也不会影响其机械稳定性。此外，在标准培养条件下孵育培养4周不会影响支架结构的完整性。结果表明，该材料具有优秀的吸收性，可用作临界尺寸骨缺损修复的候选材料。

3.3 自修复水泥

陈景帝等[28]在乙二醇壳聚糖溶液中混合三维水泥骨，磷酸钙和醛糖酸，形成三维骨水泥钙凝胶复合材料，并将PEG壳聚糖引入硅酸钙中。自修复骨水泥采用乙二醇壳聚糖与CPC骨水泥和醛基官能化藻酸盐复合的动态可逆席夫碱(Schiff base)反应，制备了具有可注射和自修复功能的天然高分子水凝胶。其中，乙二醇壳聚糖中的氨基和醛基官能化的藻酸盐中的醛基在磷酸盐缓冲液中于37 ℃交联，形成具有热力学动态平衡特性的共价键——亚胺键。它在一定程度上维持了共价键的稳定，使得水凝胶具有动态可逆性。在多种外界环境因素的相互作用影响下，键的断裂和形成可以使水凝胶达到一种动态可逆的平衡，为天然水凝胶的自我修复和应用提供了良好的基础。与此同时，可直接注射的天然磷酸钙骨水泥与磷酸乙二醇壳聚糖骨胶复合后与人体骨的化学成分相似，具有良好的骨传导性，可降解性和生物相容性。因此，由此方法制备的可注射自修复的天然聚合物水凝胶总是具有活性基团，其可以在结合磷酸钙的同时在骨损伤部位重新交联。同时，结合CPC骨水泥的诱导骨增殖的性能，为水凝胶注射，自我修复和骨修复做准备。故自修复骨水泥具有良好的生物相容性在骨修复领域具有良好的应用前景。

注：菱形表示菱锰矿；星号表示褐铁矿；圆形表示磷酸钠钙；三角形表示羟基磷灰石。

4 结 论

聚乙二醇的亲水性、亲脂性和生物相容性，增强了骨水泥的性能，特别是在改善骨水泥的流变性、固化性能、机械强度和生物学性能方面有优异特性。传统骨水泥材料经过PEG掺杂处理或改性，其应用性能得到了极大提高，但与人体自然骨还不能相媲美。此外，高浓度低分子量PEG由于是一种亲水材料，在一定条件下会产生生物毒性，会出现抵抗蛋白质吸附和细胞粘附的情形。因此，在将PEG组分引入骨水泥材料时，必须注意含量的控制以及合理降解或交换机制。随着预混操作等新工艺的发展、跨学科的兴起以及不同领域尖端技术的结合，聚乙二醇在生物材料中的发展与应用将得到进一步扩大和深化。

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Application of Polyethylene Glycol in Bone Cement: a Systematic Review

XIE Honghai1, LIU Hailin2, SHA Shuai2, ZHANG Yin2

(1. Shandong Lutai Environmental Protection and Building Materials Co., Ltd., Yutai, 272350 , Shandong, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, 211816,Jiangsu, China)

Polyethylene glycol (PEG) has many applications in the biomedical and medical fields because of its good solubility and biocompatibility. Bone cement, a widely used bone repair material, is the common name for bone alternative forming agent. This article reviews the development and application of polyethylene glycol in bone cement in recent years. PEG has good applications in many aspects of bone treatment and bone repair, especially in the improvement of bone conductivity, mechanical strength, biocompatibility, etc. Meanwhile, PEG modified bone cement material holds promise in bone wax, 3D molding and self-repair.

Polyethylene glycol; Calcium silicate; bone cement; bone repair

TQ174.75

A

1006-2874(2020)04-0030-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2020.04.007

2020‒04‒15。

2020‒04‒18。

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015B128)。

张垠，男，教授。

2020‒04‒15.

2020‒04‒18.

ZHANG Yin, male, Professor.

2457039803@qq.com