磷酸钙骨水泥在骨修复应用研究的新进展

郭良煜 郭卫春

由于疾病和创伤的原因，全球每年约有数百万患者需要进行骨移植手术[1-3]。其移植类型分为自体移植和同种异体移植。但自体移植和同种异体移植分别存在一些局限性，对于自体移植而言供体部位的缺损、来源有限；同种异体移植其骨移植物来源相对广泛，但移植后一般会产生排斥反应，有二次手术的风险，甚至会导致手术的失 败[4-6]。因此，国内外学者都在进行生物材料的研究以替代骨组织。在此之前所采用的聚甲基丙烯酸甲酯 ( polymethyl methacrylate，PMMA ) 因生物相容性差，无法与骨组织形成骨性愈合从而无法提供足够的强度而不能广泛应用在骨移植手术中。所以需要研制一种新的材料来弥补 PMMA 的缺点从而广泛用于骨修复领域中。根据前期的研究报道中证实了磷酸钙骨水泥 ( calcium phosphate cement，CPC ) 在生物相容性方面具有比 PMMA 良好的性能。同时在细胞实验中证实了 CPC 能够刺激成骨细胞的增殖和分化。同时不会产生细胞毒性[7-10]。以上优点使得 CPC 一经面世便得到骨组织修复领域研究人员的广泛重视。在 1991 年经过 FDA 批准后，CPC 可以作为临床修复骨缺损的生物材料，在骨修复领域开始使用。

一、CPC

CPC 主要通过固相和液相之间的化学反应产生，固相包含一种或几种磷酸钙化合物。液相则是水或含钙或磷酸盐的溶液，且含有壳聚糖、藻酸盐、透明质酸盐等。在混合时会形成两种产物：透钙磷石 ( calcium hydrogenphosphate dihydrate，DCPD ) 和磷灰石，后者如羟基磷灰石或缺钙羟基磷灰石 ( calcium-deficient hydroxyapatite，CDHA ) 等[11-13]。CPC 的这种特点使得它可以用于注射途径并且容易操作，这跟生物陶瓷相比具有独特的优越性[13]。虽然 PMMA 也有硬化功能，但在硬化过程中会产生较高的温度，会损伤周围组织。但 CPC 在常温下即可硬化，对周围组织不会产生明显损伤。同时 CPC 的微孔结构可以使得骨组织长入从而使得材料与骨之间形成骨性愈合[14]。

尽管 CPC 已在临床上使用，但研究人员仍在不断提高 CPC 的性能[15-18]。例如降低 CPC 的粒径 ( 高比表面积 ) 或结晶度或液体 / 粉比 ( L / P 比 )[19-21]；在液相和固相的组合物中加入促进剂等。这些都可以加快 CPC 的凝固时间，但时间不是越快越好，太快会导致医生在未操作之前就凝固。因此，一个具有合适凝固时间 ( 10～15 min ) 是非常关键的，这样医生有足够的时间来进行植入。此外，像 CPC 中加入生物聚合物，如海藻酸钠，羟丙基甲基纤维素 ( HPMC )，透明质酸，壳聚糖和改性淀粉等。这些生物聚合物可显著改善 CPC 的凝聚力和抗冲刷性[22]。CPC 的强度也是临床应用的重点，在 CPC 中加入壳聚糖、柠檬酸和聚丙烯酸等物质可以提高 CPC 的强度，甚至达到人骨密质的抗压强度[23]。但 CPC 缺乏降解性能，使得它现在仅适用于充填骨缺损，而无法用于大段骨缺损的修复。

二、CPC 复合物

1. CPC / 血小板裂解液：血小板裂解液是将浓缩血小板进一步裂解后所获得的液体成分，含有多种生物活性因子比如细胞生长因子 ( growth factor，GF )，细胞因子和对伤口愈合过程有重要意义的结构蛋白等[24-30]。因此制造出大鼠颅骨缺损的模型从而评价 CPC / 血小板裂解液的作用，将造模组分成两组，一组加入 CPC / 血小板裂解液；另一组加入 CPC，通过组织学评估、微型 CT 断层扫描和组织形态计量学分析来评估两组的实验结果，发现 CPC / 血小板裂解液组其新骨生长速度和量均大于 CPC 组，同时微型 CT 断层扫描发现 CPC / 血小板裂解液组有降解，同时在颅骨缺损处覆盖范围大于 CPC 组；最后组织形态学计量分析发现 CPC / 血小板裂解组骨组织的生长速度快于 CPC 组。说明加入了血小板裂解液后能促进 CPC 的降解和增加骨性愈合的概率。并且在整个实验过程中均未发现周围组织产生炎症反应[31-32]。可认为将 CPC 与血小板裂解液混合后的复合物具有良好的性能。

2. CPC / 聚乳酸-羟基乙酸共聚物 ( poly(lactic-coglycolic acid，PLGA )：PLGA 是由由两种单体——乳酸和羟基乙酸随机聚合而成，是一种可降解的高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能[33-34]。因此将 PLGA 和 CPC 混合后，来研究其对 CPC 的影响。建立兔股骨缺损的模型，将 PLGA / CPC 复合物填充在股骨缺损中，在不同的时间段用组织学技术观察，发现第 4 周时，缺损处中的许多 PLGA 微球体已经被骨基质替代；在第 8 周时，多层微球已被骨取代，并且难以辨别植入物的原始边界。但是，植入物的完整性仍然存在。在第 12 周时，所有的 PLGA 微球已经消失，大部分的孔被新形成的骨组织替代。这表明最后孔中的组织大部分都是骨组织，而不是由纤维组织，炎性细胞所组成的聚合物。这样可以形成牢固的骨性愈合，同时也有利于骨组织的长入。同时在复合物与骨界面处的研究显示界面处无软组织界面。虽然 PLGA 的代谢产物会导致所处环境的 PH 降低，但研究人员认为当 PLGA 降解时产生的酸在一定程度上溶解磷酸钙，达到中和。同时钙离子和磷酸根离子总浓度的增加有利于矿化和新骨形成[35]。

3. CPC 支架 / 水凝胶支架：CPC 支架是在 CPC 的基础上加入壳聚糖、明胶微球等物质，随后通过冷冻干燥法、发泡成孔法以及最新的 3D 打印技术制作而成[36]。制作成的 CPC 支架具有大孔隙率，同时水凝胶支架也是具有大孔隙率的支架。后将水凝胶支架和 CPC 支架相混合，并且研究显示水凝胶虽然具有易膨胀的特性，但在与 CPC 支架混合后不会影响 CPC 的大孔隙率。而现在的 3D 打印技术可以将双相支架的直径制作到 5 mm 左右。这种规格的双相支架可以用于大鼠的股骨缺损。提供一个新的治疗方案。最后这种双相支架既具有修复骨缺损的特性又具有载药特性。研究人员将血管内皮生长因子 ( vascular endothelial growth factor，VEGF ) 载入水凝胶中，这样可以在修复骨缺损的同时使得内皮细胞迁移到骨缺损处。并且 VEGF 在水凝胶中可以持续释放，达到持久治疗的目的[37]。

三、CPC 的临床应用

1. 脊柱压缩性骨折：脊柱压缩性骨折多常见于骨质疏松的老年人，其经典的手术治疗方法是椎体球囊扩张成形术加 PMMA 的微创治疗，对患者的损伤小同时疗效好[38]。但在年轻患者中，PMMA 尚未得到广泛接受。这与 PMMA 的潜在毒性有关，并且由于 PMMA 缺乏生物活性并且在硬化过程中会释放出很高的温度，可以引起周围组织的坏死。相反，CPC 表现出良好的生物相容性且在常温下就能硬化。因此，CPC 比 PMMA 更适合成为年轻人脊柱压缩性骨折的材料[39]。在 10 例进行了带有 CPC 的胸椎球囊扩张成形术后 1 年进行活检，观察到，CPC 被骨组织所包绕同时在边缘附近的 CPC 与新骨之间紧密结合在一起。同时可以观察到正常的骨形成和重塑，特别是在 CPC 表面，几乎整个 CPC 表面都被骨覆盖，在 CPC 间隙和空隙中甚至在 CPC 区域的中心也是可以明显看到新骨的形成。在 CPC 表面有一系列类骨质和成骨细胞，表明正在有新骨的形成。这提示 CPC 可以用于脊柱压缩性骨折的治疗，CPC 也有用于椎体爆裂性骨折等较为严重的脊柱骨折的报道[40]。因此，CPC 越来越多地被用作在脊柱外科手术中。

2. 骨巨细胞瘤 ( giant cell tumor，GCTB )：GCTB 是 1940 年首次被 Jaffe 发现，为常见的原发性骨肿瘤之 一[41]。GCTB 侵袭性较高但很少转移，恶性程度上属于交界性肿瘤。原发部位通常在膝盖周围的骨骺，转移后多侵犯长骨，以股骨下端及胫骨上端最多见。它占原发性骨肿瘤的 4%～5% 和所有良性肿瘤的 20%，好发年龄通常为 20～45 岁[43-44]。目前治疗 GCTB 的主要方法仍然是手术切除同时给予辅助治疗 ( 化疗、放疗等 ) 结合使用来保证患肢的功能。而在手术治疗后造成的骨缺损区域则可以使用 CPC 来进行填充。在对患有 GCTB 的 26 例 ( 15 例肿瘤位于股骨远端，7 例位于胫骨近端，2 例位于桡骨远端，1 例位于股骨近端，1 例位于腓骨近端 ) 进行了 CPC 的填充并且进行了长达 34 个月的术后随访，发现 26 例中有 25 例显示 CPC 具有良好的填充骨缺损处。另外 1 例 CPC 没有良好的填充可能原因是手术操作的失误，并且在 CPC 的边缘和中心都观察到了新骨的生成，CPC 的填充对周围骨组织没有明显的影响，也未导致周围骨组织的坏死或是脱落。但在随访的过程中发现了 CPC 的松动，可能与应力有关，因此，建议在手术过程中等到 CPC 硬化后使用螺钉加强固定[45]。