硫酸钙基复合骨移植材料的研究进展

杨 立，张 浩，刘 杰，王 丰，杨雄刚，冯江涛，华堃池，胡永成

（1天津医科大学研究生院，天津 300070；2天津市天津医院骨与软组织肿瘤科，天津 300211）

临床上在进行骨缺损修复重建时，骨移植材料的应用和填充是临床疗效的重要保证，常用的骨移植材料主要分为5类：自体骨、同种异体骨、异种骨、天然材料以及生物陶瓷材料［1，2］。其中，生物陶瓷材料来源广泛、价格便宜、可进行工业化生产，具有广阔的应用前景及研究价值［3，4］。硫酸钙（calcium sulfate,CS）作为生物陶瓷材料的一种，其特点是发生水合作用后可进行自固化和原位塑型，不仅可以作为骨移植材料用于骨缺损的修复，而且可以作为药物载体用于骨髓炎及骨坏死的抗感染治疗［5-7］。然而，硫酸钙仍然存在一些不足，如强度低、脆性大、吸收快等［8，9］。因此，硫酸钙很少被单独使用，需要与其他生物活性材料共同制备复合材料，使其各项性能更加满足临床需要。

1 硫酸钙基复合材料的性能

1.1 力学性能

力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转等）时所表现出的力学特征，研究表明，硫酸钙与有机高分子或者无机陶瓷复合后，其力学强度均能得到有效提高，且介于皮质骨（90～230 MPa）与松质骨（2～45 MPa）之间。

硫酸钙与有机高分子主要通过化学键形成稳定结构。在Lewis等［10］的研究中，磁共振检测CS/羧甲基纤维素复合材料中-COOH与钙离子形成新的化学键；对于不同羧甲基纤维素含量（5%、7.5%、10%），复合材料的抗弯强度分别增加99%、103%、124%；其中7.5%、10%组的抗压强度分别增加88%、85%。Gao等［11］也发现CS和聚乳酸复合时-COOH与钙离子形成化学键；扫描电镜下硫酸钙（硫酸钙含量低于50%）均匀分散在聚乳酸基质中；其中CS含量为40%时，抗压强度最大，为82MPa。

硫酸钙与无机陶瓷材料则主要通过物理连接形成稳定结构，不同材料类型、晶相以及比例均会影响复合材料力学强度。硫酸钙/羟基磷灰石的结构主要靠硫酸钙基质维系，羟基磷灰石只是单纯地整合到其中，因此随着硫酸钙含量降低，力学强度会有所降低［12］。在硫酸钙的所有晶相中，半水硫酸钙通过水合作用可快速自固化为硬度更大的二水硫酸钙，这对于临床上骨缺损重建的早期负重有重要意义［13］。

1.2 可降解性

硫酸钙制备成复合材料可明显改善硫酸钙降解过快的缺陷，植入后可达到较为理想的骨缺损修复。有机高分子结构稳定，分子内大部分酯键被分子间作用力包绕，使得降解酶难以作用于这些靶点，因此植入后不容易被降解［14］。Mamidwar等［15］发现 CS/聚乳酸复合材料中硫酸钙均匀分散在聚乳酸中，在家兔胫骨缺损模型中，复合材料降解速率与新骨形成速率相匹配，术后8周X线片及组织学染色均表明复合材料组骨组织修复良好，16周时已有22%的缺损面积被新生骨组织填充；而硫酸钙组在术后8周时硫酸钙就已完全降解。

硫酸钙与无机陶瓷材料复合后，由于无机陶瓷材料（如磷酸钙、羟基磷灰石、硅酸钙等）本身降解缓慢，因此可调和硫酸钙的降解速率。Hao等［16］对比单纯CS和CS/硅酸钙复合材料植入家兔股骨髁缺损后的吸收速率，4周时3D μ-CT示单纯硫酸钙组仅剩余（5.69±0.40）%，8周时完全降解；而8周时CS/硅酸钙复合材料残留（68.33±3.69）%，12周时残留（47.16±2.85）%，差异有统计学意义；Chen等［17］的研究中也表明CS与HA复合后降解速率与骨组织形成速率相匹配。

1.3 可注射性

目前，硫酸钙主要与羟基磷灰石、硅酸钙和磷酸钙共同复合制备可注射性骨移植材料，组成中硫酸钙以α-半水硫酸钙为主，平均粒径为2～5 μm。α-半水硫酸钙/羟基磷灰石按质量占比60%/40%制成粒径38～125 μm固相材料，并以去离子水为液相，以固液比2.4 g/ml制备的可注射性骨材料，其各项性能均适用于临床；该材料可注射性良好，初始固化时间和终末固化时间分别为：（5.7±1.3） min、（19.6±0.7）min；固化后抗压强度为（7.3±1.2）MPa；抗溃散性也较好［18，19］。

硅元素可促进成骨细胞的增殖、分化，将硅酸钙与硫酸钙复合可提高成骨能力。Huan等［20］研究发现α-半水硫酸钙/硅酸钙质量比为30%/70%，其各项性能均适用于骨科手术治疗。而在Huan等［21］的另一研究中，虽然没有指明硫酸钙的最适含量，但却得出其理想的可注射时间为2～20 min，固化后抗压强度为 12.4～31.5 MPa。

硫酸钙/磷酸钙复合型骨水泥，固相成分多为α-半水硫酸钙、α-磷酸三钙（平均粒径23 μm）复合物，液相多使用2.5wt% Na2HPO4。研究发现硫酸钙的含量不影响材料的固化时间，但却受到固液比的影响，固液比为3.3 ml/g时，固化时间最佳为7 min；硫酸钙含量为20%时，抗压强度为30 MPa，适用于临床；材料的降解速率随着硫酸钙的增多而加快［22］。

2 硫酸钙基复合材料的生物相容性

根据国际标准化组织（International Standards Organization,ISO）定义，生物相容性是指生物材料植入人体后，特定的生物组织环境与生物材料之间产生的相互作用和影响，本文主要从炎症反应、细胞毒性、肾毒性、遗传毒性及植入后局部反应等方面，对硫酸钙复合材料的生物相容性进行介绍。

2.1 炎症反应

硫酸钙是一种酸性盐，植入后造成的酸性环境可能会刺激机体，在局部造成炎症反应，在临床应用中有相关报道［10，23］。鉴于此，不少研究引入偏碱性的生物材料如羟基磷灰石［6］、生物玻璃［13］等，可中和硫酸钙酸性，从而避免炎症反应的发生；此外有机高分子如聚乳酸［15］、明胶［11］、羧甲基纤维素［24］等与硫酸钙复合后，硫酸钙颗粒被有机高分子包裹，与周围组织环境接触减少，也能达到避免炎症反应发生的目的。

2.2 细胞毒性

Alfotawi等［19］将硫酸钙/聚丙烯酸复合材料与鼠L929成纤维细胞系共培养，MTT法结果表明：当细胞浸提液浓度为100 mg/ml、50 mg/ml时，硫酸钙/聚丙烯酸复合材料明显抑制了细胞的生长，pH检测浸提液呈酸性；该复合材料中聚丙烯酸降解产物呈酸性，会使周围环境酸化，在一定程度上会抑制细胞的增殖、分化。Huan等［20］对小鼠L929成纤维细胞系进行培养，研究发现硫酸钙质量占比为10%～40%时，硫酸钙/硅酸钙复合材料能够促进细胞的增殖、分化，硫酸钙含量过高时会抑制细胞活性；可能是由于材料降解后细胞外液硅离子或者钙离子过多，为了维持电解质平衡，细胞失水皱缩导致细胞增殖、分化受到抑制［25，26］。

2.3 肾毒性

硫酸钙复合材料基本不经过肾脏代谢，材料本身并不造成肾毒性；然而当复合材料负载药物时，则需要警惕移植后由于药物浓度过高造成肾脏毒性作用。目前研究最为清楚的医用材料Osteoset®T，以硫酸钙为载体，并负载有浓度为4%W/W的妥布霉素；产品中药物平均半衰期为11.5 h，清除速率为7.14 L/h，体内分布为0.22 L/kg；当材料含400 mg妥布霉素时，该剂量不会对患者肾功能造成损害，但患者基础肌酐清除率下限为10 ml/min；当材料含1 200 mg、2 000 mg妥布霉素时，患者基础肌酐清除率下限分别为 30 ml/min、60 ml/min［27］。

2.4 遗传毒性

Chen等［28］采用掺锶硫酸钙与壳聚糖共同制备复合材料，复合材料移植到小鼠肌间进行体内实验，取小鼠骨髓进行涂片，观察骨髓涂片中多形红细胞的比例评估其遗传毒性作用，发现仅有少量的多形红细胞出现，但不足以认为存在遗传毒性作用，多形红细胞的出现可能是由于锶元素过多造成。对于硫酸钙复合材料，各组分（如骨组织、羟基磷灰石、聚乳酸、壳聚糖等）都被证实无遗传毒性作用，根据GB/T 16886.3的标准，可以安全地移植到机体。

2.5 植入后局部反应

大量研究通过“肌肉植入”［29］和“骨植入”［30，31，32］的途径表明硫酸钙复合材料具有良好的生物相容性，植入后不会造成组织水肿、坏死、肉芽肿等局部反应，而且可以促进骨组织的修复与重建。

3 硫酸钙基复合材料的临床应用

3.1 骨填充

硫酸钙复合材料在骨填充方面具有较好的临床疗效。在24例胫骨平台骨折患者中，进行羟基磷灰石/硫酸钙复合材料重建，术后平均随访2年，所有患者骨折愈合良好，膝关节国际骨与软组织肿瘤协会（MSTS）功能评分26.5，上下关节面间距平均为1.18 mm［33］。在18例进行磷酸钙/硫酸钙重建的股骨头坏死患者中，术后平均随访5年，11例患者（61%）术后早期便出现股骨头塌陷，遂进一步行髋关节成形术［34］。而在 Abramo 等［35］的研究中，15 例桡骨骨折患者进行磷酸钙/硫酸钙重建，术后随访1年，所有患者骨组织愈合良好，尺桡骨畸形较术前有明显矫正。Tan等［36］对21例四肢骨肿瘤切除术后的患者进行磷酸钙/硫酸钙重建，术后平均随访1年，94%患者骨组织愈合良好。本文仅涉及到两种硫酸钙复合材料，因此还需要更多大样本、质量更高的病例对照和随机对照研究，进一步分析不同硫酸钙复合材料在骨缺损重建领域的临床疗效。

3.2 骨支撑

临床上广泛使用聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methyl methacrylate,PMMA）进行经皮椎体成形术，然而PMMA在固化过程中会释放一定热量，有可能会造成脊髓及神经的损伤，此外PMMA具有一定免疫原性，植入后可能产生免疫排斥反应［37］。硫酸钙复合材料则弥补了PMMA的不足。本文纳入文献中，一共报道了102例椎体因骨质疏松导致应力性骨折的患者，所有患者均进行经皮椎体成形术，材料均为可注射硫酸钙/羟基磷灰石（质量比60%/40%），术后疼痛VAS评分、神经功能及生活质量较术前均有明显改善，术后无1例再发骨折情况，所有文献均认为硫酸钙/羟基磷灰石复合材料可替代PMMA，成为新型椎体成形材料［6，38，39］。也有研究将硫酸钙复合材料用于椎体融合，Xie等［40］报道68例经前路颈椎椎体切除+椎体间融合的患者，植入硫酸钙/脱钙骨基质（35例），并与自体髂骨移植对比（33例），术后平均随访2年，融合率分别为94.3%vs100%，差异无统计学意义；JOA评分也无明显差异；但自体髂骨移植整体并发症较多。硫酸钙复合材料力学性能良好，用于椎体成形或椎间融合有利于维持脊柱稳定性，进而避免脊髓及神经进一步损伤。

3.3 药物载体

硫酸钙复合材料作为载体运载抗生素，一方面材料本身具有良好的生物活性，另一方面抗生素可有效用于骨髓炎、骨组织坏死及骨折术后的抗感染治疗。在一项前瞻性病例系列研究中，报道了100例慢性骨髓炎患者，经过手术彻底清创后，植入硫酸钙/羟基磷灰石，并负载有庆大霉素（175 mg庆大霉素/10 mls CS/HA），术后平均随访19.5个月，所有患者骨组织愈合良好，感染控制率达96%，仅4例出现感染复发［41］。对于开放性骨折的抗感染治疗，Bibbo等［42］采用载有万古霉素的CS/DBM复合材料治疗33例跟骨骨折的患者，平均随访22.4个月，均未出现相关并发症；所有骨折均愈合，平均愈合时间为2个月。硫酸钙复合材料作为药物载体的优势在于，不仅可以延长药物的作用时间，减少药物的使用剂量，而且释放的药物主要作用于材料周围的骨组织、骨髓腔等，最大程度达到治疗目的［43］。

4 展 望

硫酸钙基复合型骨移植材料力学性能良好，降解速率适宜，极大地促进了新生骨组织的填充、攀附与沉积，并被广泛运用于骨缺损重建、椎体成形及药物载体等各个领域。需要注意的是，不同硫酸钙复合材料植入机体后所造成的炎症反应尚存在争议，需要进一步研究；作为药物载体时，相关的药物代谢动力学机制研究尚不是很清楚；此外，对于承重骨部位及较大骨缺损的修复，目前相关的临床报道尚少，还需要进行更多大样本的临床研究。相信在不久的将来，随着技术的进步和多学科融合的发展，硫酸钙基复合型骨移植材料将会为临床医师及患者带来更多、更好的选择和希望。