磷酸钙骨水泥的研究进展*

2021-12-09朱晓明刘小玲孟令旺寿曦缘

湖北科技学院学报(医学版) 2021年5期

余积，朱晓明，刘小玲，2**，孟令旺，寿曦缘

(1.湖北科技学院药学院，湖北咸宁 437100；2.湖北科技学院核技术与化学生物学院；3.辐射化学与功能材料湖北省重点实验室)

先天性缺陷、创伤、感染、肿瘤以及退行性骨关节疾病等引起的骨缺损，虽然通过自体骨、异体骨和异种骨移植可以解决，但自体骨移植需二次手术，给患者带来痛苦，异体骨和异种骨移植会在患者体内出现免疫排斥现象[1]。因此，国内外学者在寻找一种新型的骨修复材料。在此之前所采用的聚甲基丙烯酸甲酯(polym-ethyl methacrylate，PMMA)因生物相容性差，无法与骨组织形成骨性愈合，而且在其固化的过程中会释放大量的热量使周围的组织细胞损伤，降解产物具有细胞毒性，从而不能广泛应用在骨修复手术中[2]，具有与天然骨组织组成相似的磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)因其良好的生物相容性、骨诱导性及操作简便等优势，被认为是将来临床应用最具潜力的生物材料之一。与其他传统的骨修复材料相比，CPC的使用方法较为简单，只需将其固相粉体与固化液按一定比例混合，自行固化后就能达到一定的强度，而且还具有优良的可塑性，能根据骨缺损的形状利用3D打印进行个性化定制和精密塑形，适合未来临床操作的需求，是一种发展前景良好的骨修复材料。

1 CPC概述

1.1 CPC定义

1986年Brown和Chow发明了自固化CPC，是骨修复领域的重大进程[3]。CPC由固、液两相组成，固相是磷酸三钙(TCP)、磷酸四钙(TTCP)、二水磷酸氢钙(DCPD)、磷酸二氢钙(MCPM)及无水磷酸氢钙(DCPA)等磷酸钙盐中两种或多种组合制成，液相可以是水或磷酸盐的溶液。固相与液相按照一定比例混合后就能达到任意塑形目的，CPC具有可注射性和自行固化能力以及力学性能，而且CPC在固化过程中释放的热量少，对周围组织损伤小，相比PMMA骨水泥聚合释放高热量而言具有显著优势[4]。

1.2 CPC的性能及特点

1.2.1 易塑形性

由于骨缺损因人而异，因此，无法事先设计出替代物的形状将其投入使用。在某些情况下，骨缺损的形状是相当复杂的，因此，更难制造精确缺损处替代物。CPC与传统的支架或结构相比，是一种非牛顿流体，能够在使用时形成所需的形状，满足使用过程中的限制需求[5]。同时，固化成型后，可使固体制品保持特定的形状不发生变化。

1.2.2 生物相容性

CPC水化反应后的最终产物是羟基磷灰石或透钙磷石。在大多数产品中，羟基磷灰石通常是自固化反应最终阶段的产物。羟基磷灰石是天然骨中的主要无机成分，其水化产物具有良好的生物相容性和生物安全性[6]。水化产物与周围组织共存，不会致组织变性或坏死，没有明显的炎症反应和免疫排斥现象。同时，由Ca2+和PO43-组成的降解产物无毒，不会引起正常生理过程中的病理改变或紊乱。沈晴昳等[7]研究表明CPC是一种无毒无热源反应且具有良好的生物活性和生物相容性的骨修复材料。

1.2.3 可降解性

由于水化反应是在室温或体温下进行的，在自固化过程中不涉及高温。因此，磷酸钙的最终产物通常是结晶度较低的羟基磷灰石。磷酸钙材料的溶解度与结晶度密切相关，结晶度越高，溶解度越低。因此，水化产物结晶度低的材料具有较好的降解性，这是骨修复的一个重要因素。研究发现[8]，β-磷酸三钙在生理溶液中降解速度更快。此外，孔隙度的增加提高了CPC与流体接触的表面积，从而导致降解速度更快。通过调节骨水泥的降解性，可以实现新骨形成与骨水泥降解之间微妙而复杂的平衡，有利于患者的康复。

1.2.4 骨诱导性

骨诱导性是诱导成骨的能力，并通过非骨(异位型)位点骨的形成来证明。王京旗等[9]进行了CPC生物性能的动物实验，取新西兰大白兔双后腿外侧髁进行造模，在造模后4周、12周、24周处死取骨缺损周围组织，染色处理后，进行组织学评价，计算新骨生成率，结果表明实验组新骨生成率明显高于对照组，说明CPC可促进成新骨生成，具有良好的骨诱导性。张鹰等[10]研究了CPC复合透明质酸和姜黄素后对骨细胞增殖和成骨能力的影响，将成骨细胞与复合后的骨水泥一起培养，评估复合骨水泥对成骨细胞的影响，结果表明骨水泥可促进骨细胞的增殖，同时也能提高其成骨能力。

1.2.5 可注射性

注射性是影响CPC性能的重要因素之一。由于其特殊的流变性能，骨水泥首先形成一种可以成型的浆料，将其注射到特定部位后硬化，为修复部位提供足够的机械强度[11]。由于不需要复杂的处理，避免了二次损伤和相关伤害。相反，对于传统的骨替代物，如支架和结构，通常需要进行二次手术，因为将这些替代物植入缺损部位并不容易。手术过程中，患者不时发生继发性损伤，延长患者的康复和住院时间。

1.3 CPC的应用

用于胸腰段骨折的临床治疗，胸腰段椎体是脊柱骨折中发生率最高的部位，骨折后特别容易导致脊髓神经损伤。孙彦豹等[12]通过回顾性分析60例患者，发现采用经皮椎弓根钉内固定结合磷酸钙伤椎强化治疗胸腰段骨折可以改善患者胸腰椎功能防止术后椎体高度丢失，创伤小、恢复快，是一种安全有效的手术方式。Ruskin等[13]将磁性CPC用于骨肿瘤的热疗法。由于四氧化三铁(Fe3O4)具有良好的磁刺激响应性，将Fe3O4和CPC复合后通过微创注射的方式植入骨肿瘤内部，在交变磁场的作用下产热杀伤骨肿瘤。研究表明Fe3O4最佳掺入量产生的热量应在40℃～45℃。此外，这种含Fe3O4的CPC具有较好的生物活性和细胞相容性。也有研究[14]在CPC固化液中添加抗肿瘤药物或者抗生素，液相与骨水泥固相均与混合后，药物在骨水泥中便能达到分布均匀的效果，将骨水泥填补到病变部位固化后，药物将位于水化后晶体之间，并且可以通过连续扩散方式释放，这样便能维持局部高剂量，从而有效控制和治愈癌症，同时减少副作用。刘彦宁等[14]已经探索了CPC和顺铂之间的最佳比例，结果表明，CPC/顺铂复合物不仅有利于骨缺损的修复，而且当顺铂含量达到0.1%时，也限制了肿瘤的生长。

2 CPC的改性研究

2.1 提高CPC的成骨能力

许多人工生物活性物质被用来促进肌肉骨骼组织的再生。其中，CPC作为一种可注射的无机生物材料已广泛应用于创伤或病理损伤引起的骨折等临床骨修复中。CPC具有低温自固化、表观孔隙率高、注射性好、骨传导性好等特点，同时也可用作药物载体。尽管如此，CPC的临床应用仍然受到其在骨修复中成骨能力差的限制，因此，提高CPC的成骨能力也是当前骨水泥研究的重点之一。氨基酸是蛋白质的重要组成部分，将赖氨酸、N-乙酰半胱氨酸、谷氨酸整合到CPC中以提高其成骨能力。也有研究[15]引入生物活性离子，锶离子(Sr2+)、锌离子(Zn2+)、镁离子(Mg2+)、锰离子(Mn2+)等，来诱导骨缺损区域的细胞分泌成骨相关蛋白促进成骨、分泌血管内皮生长因子(VEGF)等促进生成血管的细胞(如内皮细胞、成纤维细胞等)形成新血管，从而提高骨组织的原位修复[16]。另外有研究[17]表明硅(Si)对软骨和黏多糖的形成有利，能促进骨组织的形成、骨缺损的修复。在动物模型实验中，膳食性Si缺乏会导致骨的异常生长，胶原形成减少和生长迟缓。硅在生物矿化的初期阶段可作为钙化的活性位点在钙化的后期阶段会以水合硅酸的形式[Si(OH)4]诱导羟基磷灰石(HA)从电解质溶液中沉淀[18]。Si对细胞活性有刺激作用，如促进类成骨细胞的增殖和分化，成骨细胞的矿化和间质干细胞的成骨分化等[19]。

2.2 改善CPC的机械强度

现代生物医用材料应该具有刺激机体自我修复的能力，在机体愈合过程中，骨组织逐渐取代移植物，但是在这个过程中又不能失去机械支撑。单一的CPC强度较低，易发生脆性断裂，这一缺点使CPC仅用于非承重方面，因此，要设法增强CPC的力学强度。CPC的力学强度与孔隙度密切相关，强度随孔隙度的降低而增大，Ishikawa等[20]通过调整CPC的临界孔隙率来获得理想的机械强度。采用不同固液比CPC浆料，在不同压力(0～173MPa)下，将不同孔隙度的CPC装入模具，结果表明，CPC的力学强度(直径拉伸强度，DTS)随孔隙率的降低而增大。但是，适当的孔隙率有利于细胞的生长和存活，不应盲目降低孔隙率以增加强度。另一种改善CPC力学性能的方法是将复合材料渗透到多孔结构中。研究人员发现[21]，纤维的加入可以提高材料的强度和抗断裂性能，在一项研究中，使用体积分数为5.7%，纤维长度为75mm的三种不同的纤维来复合CPC，分别为芳纶、碳、E-玻璃；复合后的极限强度：芳纶为(62±16)MPa，碳为(59±11)MPa，E-玻璃为(29±8)MPa。相比之下，未添加复合材料的CPC的极限强度为(13±3)MPa。此外，纤维长度和纤维体积分数也为关键的微观结构参数控制CPC复合材料的力学性能。复合材料的极限强度随纤维长度的增加而增强。有研究在CPC中添加硅酸盐提高机械抗压强度，Motisuke等[22]将以α-磷酸三钙为基本原料制备出CPC将其与一定质量分数的硅酸钙进行复合，并对复合后的α-磷酸三钙/硅酸钙骨水泥进行力学性能测试，结果表明，当未添加硅酸钙时，α-磷酸三钙骨水泥具有较低的机械强度为14.5MPa，当添加5%的硅酸钙时，机械强度达到最大为50.4MPa，当添加量达到10%时，机械强度较前开始降低，但仍高于传统CPC。也有研究[23]在CPC中添加纳米二氧化钛和无定形纳米硅发现其力学强度明显改善，而CPC的其他性能不受影响。

2.3 提高CPC的降解速率

CPC具有良好的性能，被广泛应用于骨缺损的修复中，但由于CPC降解速度慢，限制了其在组织工程中的应用。提高CPC降解速度也是其应用过程中要克服的一个缺点。Pooput等[24]采用快速降解麦芽糊精微带(MDMS)制备管状大孔CPC，并探讨其固化时间、力学性能、微观结构及降解性等性能。结果表明，在生理条件下将MDMS包埋的复合材料浸泡于模拟体液1d，MDMS大孔骨水泥迅速分解70%以上，并在一周内完全降解。随着MDMS的降解，CPC复合材料的抗压强度平均值降低。孔隙率和孔隙连通度随MDMS含量的增加而增加。此外，MDMS包覆的CPC有良好的细胞粘附性，极可能成为骨移植的替代品。Zhu等[25]制备出含锶CPC(Sr-CPC)并研究了Sr-CPC在不同Sr含量下的体外降解速率、微观结构演变、固化时间、抗压强度等，最后发现固化后的骨水泥是由缠结的Sr-HAP针状纳米和鹅卵石状的Sr-β-TCP亚微米颗粒组成。Sr含量对CPC的相组成、抗压强度、凝结时间、体外降解率有显著影响。随着Sr含量的增加，降解速率显著增加，当添加4%Sr时，在模拟体液中水化24h后，复合骨水泥降解64%以上，预期在CPC中引入Sr是改善其降解性能的有效策略。