可注射骨修复材料的研发与展望

吕维加 李朝阳

由于人口老龄化的加剧，每年因骨质疏松、骨肿瘤、骨髓炎、创伤等疾病导致大量的骨缺陷或损伤[1-2]。自体骨移植是骨缺损修复的金标准，但其来源有限；而传统的骨修复材料一般需要体外塑型后植入。尽管已有传统骨修复材料取得一定疗效，但仍可能存在术后骨质流失、创伤恢复较慢以及伤口范围较大的局限。与传统手术相比，可注射骨修复材料针对骨折的预防、治疗可以实现微创化。可注射修复材料具有一定的强度、良好的生物相容性、操作简单、术后疼痛小等潜在优势，因此近年来在临床应用中备受关注[3-5]。这些材料不仅可用于关节假体固定、椎体骨折治疗、螺钉强化，还可用于髓内固定、骨缺损修复等[5-8]。可注射骨修复材料的选择应考虑材料的生物相容性、力学强度、降解性能等。目前，可注射骨修复材料主要分为：丙烯酸树脂类(主要为聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，PMMA)、磷酸钙/硫酸钙盐类、高分子凝胶类；其中PMMA和磷酸钙/硫酸钙盐类材料是目前临床上主要使用的骨修复材料。

一、PMMA类可注射材料

PMMA骨水泥属于丙烯酸树脂类自固化可注射材料，它为生物惰性。传统关节骨水泥主要用于人工关节置换术，填充植入物和关节之间的空隙、固定假体。PMMA骨水泥可在长达10～15年的时间内为股骨干提供足够的固定；尤其是PMMA优异的力学性能、无可比拟的可塑性和化学稳定性，被广泛用于关节置换术中骨水泥型假体固定[9]，至今尚无可替代的其他类型关节骨水泥。

PMMA骨水泥亦可用作骨科填补和固定材料、修复各种复杂的骨缺损。1984年，法国Amiens大学医学放射科医生Deramond经皮注射PMMA成功地治疗了1例颈2椎体血管瘤患者，开创了经皮椎体成形术(percutanous kyphoplasty,PKP)的先河。之后上市的微创治疗椎体压缩性骨折的高显影性PMMA骨水泥，通常经历从流体状态或粘性状态到面团状的转变，该状态可通过针头或套管轻松注入骨折部位，进而变为具有固定几何形状且具有稳定的机械强度，从而能迅速稳定损伤的椎体、快速缓解患者症状[10-11]。

目前国内外的骨水泥产品已形成多品种并系列化，国外较知名的有德国贺利氏生产的Palacos系列关节骨水泥及Osteopal V系列脊柱骨水泥，美国史赛克公司的Simplex P系列关节骨水泥、不透射线脊柱骨水泥，法国Teknimed的脊柱骨水泥Spine-fix，和强生公司的中、低粘度骨水泥等。国产品种主要有天津市合成材料工业研究所研制生产的丙烯酸树脂关节骨水泥、威高集团下属的山东明德生物医学工程有限公司的脊柱骨水泥(MT-V)等。

脊柱和关节骨水泥都是由液态MMA单体和粉末状PMMA聚合物组成，还带有不透射线的显影剂(BaSO4或ZrO2)，其成分的区别主要在于脊柱骨水泥的显影剂含量高于关节骨水泥。PMMA脊柱骨水泥主要用于椎体增强术中，可用于经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)和PKP的可注射材料，它们是骨质疏松性椎体压缩性骨折(osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF)的主流微创外科治疗方法[12-13]。尽管在微创手术中使用越来越普及，但长期的临床研究发现，PMMA骨水泥不能降解、缺乏生物活性、聚合时温度高容易造成周围组织坏死；脊柱骨水泥自身强度过高，容易导致相邻的椎骨继发性骨折等[14]。为改善部分缺陷，可在PMMA骨水泥中加入活性组分[15]。

使用天然羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)或合成羟基磷灰石、壳聚糖等改性PMMA骨水泥，不仅可改善骨水泥的孔隙率和骨传导性，还降低力学强度。HA植入体内后，能促进骨细胞的增殖与分化，并最终引导新骨长入材料基体，形成新骨，具有优异的骨整合性能[16]。锶元素(Sr)改性的HA(SrHA)具有好的骨再生能力，SrHA改性的PMMA骨水泥可与骨形成牢固的结合，增加骨与材料间的界面结合力[17]。壳聚糖改性的PMMA骨水泥中，植入体内一段时间后，壳聚糖逐渐降解，在骨水泥表面和内部形成孔隙，为骨传导提供多孔空间。多孔的骨水泥使骨骼向内生长，与光滑的表面相比，改性骨水泥对周围组织锚固相对更稳定[18]。使用有机组分如矿化胶原、亚油酸、透明质酸等改性后的PMMA骨水泥具有与松质骨相似的弹性模量，改善了骨传导性，同时保留了适当的抗压强度。矿化胶原改性PMMA骨水泥诱导人源骨髓间充质干细胞向成骨分化方面有显著提高；在植入动物体内一段时间以后，其表面的矿化胶原颗粒被逐渐降解吸收，同时引导新生骨组织长入矿化胶原降解后形成的孔隙结构中，形成稳定的植入物-自体骨界面[19-20]。用亚油酸、透明质酸改性的PMMA骨水泥，其机械性能更好的匹配松质骨，可能是由于亚油酸或透明质酸充当增塑剂对聚合物进行了化学改性[21-22]。此外，采用生物活性较高的组分如生物活性玻璃和硅酸盐陶瓷作为PMMA的填料，其力学性能得到降低和改善[23-24]。

PMMA骨水泥不仅需满足患者对力学性能的需求，还应具备一定的生物活性，以促进骨组织与骨水泥界面有效融合，延长使用年限。目前配合PVP或PKP使用的主要为PMMA骨水泥，其强度远高于椎体松质骨。尽管通过PVP/PKP可强化椎体，但由于患者自身已有一定程度的骨质疏松、骨小梁稀疏，需适当降低PMMA 骨水泥的强度、开发与椎体松质骨力学性能匹配的填充材料；同时，需谨慎将PMMA与磷酸钙或其它生物材料直接混合来降低强度、改善生物活性，因为PMMA的化学固化过程等会发生改变。

二、磷酸钙类可注射材料

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)的使用初衷与PMMA骨水泥相似，即用于骨损伤骨折的修复及加固，但CPC的优势主要在于良好的生物相容性，且在体内固化过程中不会放出大量的热而造成组织损伤[25]。然而，CPC为无机陶瓷材料，力学性能要弱于PMMA骨水泥，且在注射与固化过程中，其溃散性也在一定程度上限制了其临床应用[26]。CPC在PVP或PKP中的使用较少，有研究发现CPC可恢复椎体的强度而不是刚度[27]。Blattert等[28]的一项研究比较了Norian SRS水泥和PMMA水泥在PKP中的应用的结果显示，Norian SRS在AOspine分型A1型骨质疏松性椎体骨折中表现良好；然而，在更复杂的A3型骨折中，这种骨水泥明显失效。故研究者和制造商均不推荐在球囊后凸成形术治疗A3型骨折中使用Norian-SRS，而赞成使用PMMA治疗所有骨质疏松性椎体骨折。

当前对于CPC改性的研究主要集中在增强力学性能、改善抗溃散性、掺杂生长因子等。壳聚糖纤维和明胶作为增强剂可以提高CPC的力学性能[29]，在水泥中加入柠檬酸和磷灰石都能提高水泥的强度[30]。也有研究表明淀粉、聚谷氨酸(γ-PGA)等生物大分子可使CPC的抗压强度提高到20 mPa，是纯CPCs的1.5倍左右[31]。

CPC骨水泥在注射过程中易溃散主要是体内离子环境会减缓其水化过程，且尚未完全固化的CPC浆料也容易被流动的体液冲散。聚丙烯酸钠(PAAS)、魔芋葡甘聚糖或瓜尔胶等可改善CPC抗冲刷性能[32-33]。从生物活性和生物相容性的角度看，自固化CPC是理想的骨组织替代物;但在不使用外源生长因子的情况下，其几乎无成骨诱导作用。一些元素的掺杂可改善CPC的骨诱导作用，如锶离子能够促进骨髓间质成骨细胞分化，促进成骨细胞增殖。锶离子与骨结合能够增加成骨位点数量，同时抑制破骨细胞对骨的再吸收，从而提升骨量与骨密度，促进骨愈合[34]。此外，锶离子能够取代HA中的钙离子，增加溶解度。为了调控CPC的降解速度与成骨过程匹配，同时增加材料的骨传导性。Kuang等[35]在CPC中掺杂了不同摩尔比的锶的研究结果表明，Sr的掺杂对CPC有促进降解及提高骨传导性的双重作用。与CPC组相比，10% Sr-CPC组体外降解率高，成骨细胞增殖率高，碱性磷酸酶活性增强。动物实验中，相比未掺杂Sr组，10% Sr-CPC组也观察到更好的CPC吸收与新骨的形成。亦有研究发现锶改性可提高固化后骨水泥的强度和影像学对比度,骨水泥释放出的Sr2+离子可促进骨祖细胞增殖和成骨分化[36]。

CPC复合生物相容性较好的有机生物大分子材料，可提升其弹性模量及抗压强度，有望将CPC作为可注射骨修复材料应用于承重部位。将CPC负载骨生长因子如rhBMP-2，或功能性离子如Sr、Cu等，能够促进植入材料与新骨组织紧密结合。总之，进一步发掘其在生物相容性上的优点与可能性，磷酸钙骨水泥在临床场景的使用范围会越来越广。

三、硫酸钙(calsium sulphate,CS)类可注射材料

与CPC相比，硫酸钙骨水泥(calcium sulphate cement, CSC)具有更高的综合机械强度，同时其降解速率要远远快于HA，但具体降解速度受纯度、相组成和晶体结构的影响，所以部分医用硫酸钙具有特定的形状与晶体结构，从而一定程度上控制降解速率[37]

硫酸钙主要有无水硫酸钙、半水硫酸钙及二水硫酸钙。而由于具有较合适的降解速率以及相对稳定力学性能，半水硫酸钙已成为主流骨替代材料[38]。半水硫酸钙是由二水硫酸钙在一定条件下脱去1.5个水分子制得,不同的脱水过程会得到α与β两种不同晶型。与α半水硫酸钙不同，β半水晶体结构不均匀，降解的速度不如α半水硫酸钙可控，会阻碍新骨的爬行替代。在固化后有较高孔隙率导致强度下降及性能不稳定，降解速率过快，难以胜任承重部位的骨缺损修复[39]。

Osteoset可吸收颗粒系列是由美国Wright公司开发的含高纯度α-半水硫酸钙与微量元素的颗粒状骨缺损填充产品，适用于非稳定性骨骼结构所固有的骨腔或缝隙;并且后期经过不断改良，负载不同的抗生素或微量元素形成新的产品。随后Wright公司又研发出了MIIG可注射α半水硫酸钙产品;其特有的真空搅拌器在使用过程中可取代手工搅拌，在混合时抽出空气以保证混合料浆具有更低的疏松孔隙率。此产品在具备Osteoset优良性能的同时具备良好的注射型以及骨缺损填充能力，同时固化放热量较低不会灼伤组织及神经。

注射用硫酸钙制造商通常会宣称其产品体内降解速率可匹配新骨生长速率。然而由于患者个体情况，如既往病史及并发症等因素，新骨形成和材料吸收可能不一定完全匹配，从而阻碍新骨长入或导致早期承重失效。Jepegnanam等[40]报道了2例使用MIIG注射用硫酸钙骨填充物的早期吸收，认为此情况存在灾难性植入失败和桡骨截骨术后矫正损失的术后风险。研究发现，将纳米多孔锂掺杂硅酸镁(nl-MS)引入半水硫酸钙中制备硫酸钙复合骨水泥，可改善nl-MSC水泥的体外降解性能、中和硫酸钙的酸性降解产物、防止pH值下降[41]。Shams等[42]通过使用静电纺丝制成生物活性玻璃纤维(bioactive glass fiber，BGF)掺杂入硫酸钙骨水泥，CSC/15%BGF纳米复合材料的生物活性和生物相容性均获改善。Lum等[43]报道了使用Stimulan硫酸钙水泥作为基底，加入纯妥布霉素、万古霉素和头孢唑林浸渍后用于高危患者感染的一级预防，或在接受初次或翻修的膝关节和髋关节置换术的患者中消除已有感染，认为将硫酸钙基底作为抗生素载体对于翻修手术的感染抑制具有良好效果。

硫酸钙在骨科的应用已有超过一个世纪, 但有关控制及影响其吸收的局部因素、作为承重材料的力学稳定性等还需进一步研究。将硫酸钙与生物活性因子结合，可充分利用其优势的同时改善骨诱导活性，进而开发更理想的骨移植材料。

四、可注射骨修复水凝胶

水凝胶是一种由亲水性大分子链交联形成的具有网络状分子结构的材料；其交联方式主要分为物理作用(包括氢键、疏水作用和链段缠结等)和化学作用。因其具有与人体组织相似的保水特性和力学性质，水凝胶被广泛应用于多种组织器官修复和重建。相较于其他给药途径和植入方式，可注射水凝胶具有多项优势。

1.操作便捷性：可注射水凝胶的预聚体在影像导航下以微创注射方式填充各类不规则的骨创伤部位，减小了外科手术的侵入性和病人的痛苦。相较于PMMA与CPC类骨水泥短暂的面团期，可注射水凝胶在生理条件下具有可控的溶胶凝胶转变过程，为手术操作人员提供了充足的操作窗口期。

2.与天然软组织相似的结构：水凝胶体系内的高含水量的特性，同时可以通过化学改性或物理共混等方式赋予水凝胶生物活性，使其在结构和功能上可模拟细胞外基质成分。一方面有效锚定或释放细胞因子或药物等活性物质；另一方面对氧气、营养物质及其他代谢产物的高度通透性，为细胞的增殖和分化，以及支持细胞的增殖和迁移提供所需场所。

3.良好的可吸收性与生物安全性：由天然大分子(如胶原蛋白、透明质酸、壳聚糖、纤维蛋白和丝素蛋白等)为基体的可注射水凝胶已被广泛地研究与应用。此类天然大分子水凝胶的弱抗原性，良好的细胞粘附性已被证实，天然大分子水凝胶有利于细胞增殖、分化活动，为细胞长入、胶原沉积和新血管形成等过程提供微环境支持。

骨修复领域所采用的可注射水凝胶体系通常由天然大分子(包括明胶体系、壳聚糖体系、透明质酸体系、海藻酸钠体系、纤维蛋白体系等)或合成聚合物(包括聚乙二醇、聚乙烯醇等)为主体经由材料学手段改性构建而成[44-45]。

明胶是由三股肽链超螺旋缠绕的胶原经酶或酸碱性环境水解后得到的单链大分子。尽管胶原具有良好的生物相容性和力学性能，但胶原不溶于冷水与热水的特点限制其应用范围。相较于胶原，明胶保留了胶原部分特性，可为细胞的粘附提供支持并和介导支架的矿化，同时改善了水分散性和热稳定性；其水分散体系可随温度的变化发生溶胶凝胶转变，从而赋予其良好的可注射性。Zhao等[46]将明胶、水与甘油按照一定配比进行物理共混得到的三元体系具有良好的可注射性。该体系可用作药物递送的载体，负载于该三元体系的脱矿骨基质赋予其促进骨再生的能力。此外，明胶分子链中氨基酸残基所含有的氨基和羧基等活性基团均可作为明胶化学修饰的位点。甲基丙烯酸酐化明胶(gelatin methacryloyl,GelMA)是明胶链段上经甲基丙烯酸化修饰的一类常见的明胶衍生物。甲基丙烯酸功能基团中的所携带的碳碳双键可在自由基引发剂(如I2959、LAP和过硫酸铵等引发体系)的引发下发生聚合反应从而形成共价交联网络状分子结构。Ning等[47]采用负载骨质疏松治疗药物Abaloparatide的GelMA以注射的方式植入大鼠股骨缺损部位。预聚物中的光引发剂LAP经405 nm蓝光活化后引发GelMA交联成胶。GelMA水凝胶所负载的药物在骨缺损部位局部释放并有效地促进了骨组织的再生。此外，通过对明胶分子链修饰主客体识别分子可构建出可注射超分子水凝胶。其中以环糊精家族与金刚烷、二茂铁、聚乙二醇及多种芳香性化合物的主客体识别为基础的水凝胶分子设计较为普遍。Xu等[48]开发了基于环糊精与芳香性残基主客体识别的超分子水凝胶用于骨髓间充质干细胞的负载和相关药物分子的局部递送。动物实验结果表明该水凝胶可通过注射方式植入损伤关节部位并有益于关节软骨的修复。

壳聚糖是几丁质经脱乙酰化后获得的产物。几丁质来源于自然界中的甲壳类动物如虾、螃蟹等的外骨骼，是产量最为丰富的天然大分子之一。壳聚糖的分子链由氨基葡萄糖和N-乙酰葡糖胺随机排列，其链段上富含的氨基与羟基等活性基团并带有正电荷，赋予其一定的抗菌能力。壳聚糖与β-甘油磷酸钠可形成热敏性可注射水凝胶[49]。该杂化水凝胶具有制备简单，成胶条件温和并可负载生物活性因子等优点，可在骨缺损治疗当中起到细胞负载和药物递送的作用。然而，壳聚糖分子内存在着大量的氢键作用与较高的分子结晶，只在酸性环境中可形成溶液，限制了壳聚糖的改性加工手段，因此通常将壳聚糖进行羧甲基化或羟乙基化改性以改善其水溶性。利用乙二醇壳聚糖与多醛基聚乙二醇之间的席夫碱反应形成动态共价键交联水凝胶[50]。该水凝胶具有可注射性，并在细胞实验中维持了软骨细胞的形态与活性。

天然高分子水凝胶普遍存在学强度偏低，分子结构和材料性状的可调范围较窄且不同来源和批次间的原料品控差异较大等弊端，限制了天然高分子水凝胶的产品化进展；而人工合成聚合物在一定程度上可克服此类不足。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)是一类已获批应用于临床的人工合成聚合物；根据其合成分子量的高低差异表现出从蜡状固体至黏稠液体的性状变化；根据其性状的不同可作为药物分散剂、增稠剂、润滑剂等。PEG缺乏与蛋白质相互作用的亲和位点，需要对其端基进行修饰以改良其生物相容性与功能性。常见的端基修饰基团为硫醇、丙烯酸酯类、马来酰亚胺、降冰片烯以及RGD序列肽段等[51-53]。后续发展出的四臂PEG、八臂PEG等多种树枝状分子结构为PEG的修饰与交联提供更多的位点选择。Li等[54]开发了一种以四臂聚乙二醇氨基与四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺基戊二酸酯的端基交联为基础可注射聚乙二醇水凝胶，并负载端基修饰了治疗骨质疏松药物阿仑膦酸钠的线性聚乙二醇作为骨修复活性成分，在动物实验中对骨质疏松兔的骨量有较好的改善作用。

相较于PMMA骨水泥与CPC骨水泥，水凝胶体系的机械强度显著地低于前两者，因而可注射骨修复水凝胶应用于：(1)非负重或低负重部位的骨缺损的填充；(2)骨质疏松椎体的填充强化与椎体压缩性骨折的填充固定；(3)骨肿瘤清除后的缺损填充；(4)配合内固定器械对非负重或低负重部位的骨缺损的填充。

可注射水凝胶以其良好的组织相容性、无毒副作用、在生物体内可吸收性而广泛应用于组织工程领域。但由于水凝胶的诸多性能具有矛盾性，如生物相容性和力学强度等。在未来的发展中，可注射骨修复水凝胶性能提升主要包括：开发生物安全的水凝胶制备工艺，避免引入具有生物毒性的添加剂或单体成分；提高水凝胶力学强度，以匹配受损部位对植入物的力学承载要求；控制降解速率，保证水凝胶的降解速率与组织的再生速率相匹配；水凝胶的结构与功能化修饰，以满足组织再生所需微环境的模拟。

志谢感谢香港大学李嘉诚医学院矫形及创伤外科王成旻、天津大学材料科学与工程学院张宴铭、山东明德生物医学工程有限公司李梦霞参与本文撰写。