复合型磷酸钙骨水泥的研究进展

何晟亮，许锦煌，黄建荣*

(1.广州医科大学附属第五医院，广东 广州 510700；2.广州医科大学附属第四医院，广东 广州 511300)

因疾病、衰老或意外伤害而造成的骨组织缺损和破坏在临床上屡见不鲜，尤其是衰老导致的脆性骨折。目前，中国已经成为世界上老年人口规模最大的国家，且仍处于高速老龄化时期，中老年人群发生骨质疏松性骨折的发病率为21.53%[1]。这种脆性骨折会导致大量骨质丢失，不仅导致了骨缺损，还会造成后期内固定的松动脱出，这时就必须要用到骨填充材料来进行填充修复。

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物相容性、骨传导性、可塑形性、可注射性等优点，已在临床上应用于骨组织替代和修复领域，被认为是最具临床应用前景的骨修复材料之一。但CPC属于无机盐材料，脆性很高，机械强度和骨诱导能力不足，临床应用范围仍有局限，因此，进一步改善CPC的力学性能对于拓宽其临床应用范围非常重要[2]。如果在CPC中添加材料，使其具有PMMA的自凝固性及力学性能，又具有高效成骨能力，那么这种复合材料将能达到比较完美的临床植骨材料的要求。为了达到以上目的，国内外许多专家学者做了各种改性工作，目前正在探索的、具有一定代表性的添加材料包括无机类、有机类和生物类材料等。

1 CPC与无机材料复合

在CPC中添加无机材料制成的复合型骨水泥中，无机材料承受了大部分载荷。尤其是无机纤维类材料，在基体之中起到桥梁的作用，当基体在无机纤维与基体界面发生断裂时，无机纤维可以通过摩擦和桥梁的作用阻止裂纹扩展，从而调整界面应力，改善材料的力学性能。

1.1 玄武岩纤维

玄武岩纤维(basalt fiber，BF)是以天然玄武岩拉制而成的连续性纤维，是一种无机高性能纤维材料，由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。

Li等[3]将BF加入到CPC骨水泥中，研究2wt%以内的BF对CPC力学性能和微观结构的影响，研究结果表明，1wt% BF复合材料组的断裂功(work of fracture，WOF)提升最为显著，比CPC对照组提高了10倍；复合材料抗弯、抗压强度提升不显著，但WOF的提高明显改善了CPC高脆性的缺点。这种复合材料不仅无细胞毒性，而且在一定程度上能够刺激成骨细胞的生长粘附，证明了BF具有一定的细胞亲和力。但在超过1wt%的BF复合材料组中，WOF又会随纤维含量的升高而逐渐下降。这种现象可能是纤维的聚集作用导致的，BF分散性方面还需做进一步的改良研究。

1.2 石墨烯

石墨烯(graphene oxide，GO)由二维共价键连接碳原子组成，是三维石墨和一维碳纳米管的基本结构单元。其固有强度和杨氏模量均超过其他任何材料[4]。此外，GO及其衍生物是非细胞毒性材料，甚至对哺乳动物细胞的生长和分化有一定的增强作用[5]。

Wang等[6]对GO进行还原氧化处理，制备还原氧化GO(RGO)，与CPC充分混合后加入碳纳米管(CNTs)，制备不同含量RGO和CNTs的复合材料样本，研究结果显示，RGO和CNTs含量分别在0.2wt%和0.6wt%时，复合材料样本的抗弯及抗压强度均达到最大值，分别提高了67%和76%。此外，该复合材料的凝固时间大幅度缩短，更贴近了临床中的实际应用条件。Nasrollahi等[7]将天然石墨粉氧化，研究氧化GO对CPC骨水泥的机械强度和生物性能的影响，结果显示，加入2wt%氧化石墨烯的复合材料，抗压强度从12 MPa提高到42 MPa，且复合材料组碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性更高，提升了材料的成骨矿化能力。

1.3 碳纤维

Boehm等[8]用氧化性更强的王水处理碳纤维，使其对钙具有更强的粘附性，再与CPC共混，发现复合材料的WOF提高92倍，抗弯强度提高3倍，而没有经过处理的碳纤维对CPC的WOF的增幅仅达到处理过的碳纤维的1/3。作者认为，经过王水处理的碳纤维表面活性更高，能与CPC中的钙发生化学反应，形成化学键，而单纯的碳纤维仅依靠纤维与基质之间的摩擦拉拔作用对抗应力。但研究也表明，处理过的碳纤维掺入含量高于1wt%之后，对复合材料的WOF不再提供较大的提升。

2 CPC与有机材料复合

骨骼的构成成分不仅有无机物，还有少部分有机物，而骨的韧性很大程度上取决于骨组织中有机物的含量，因此，将有机物与CPC无机材料复合在一定程度上能够更接近天然骨组织成分，并使复合材料的断裂韧性能够得到进一步的改善。

2.1 聚乙烯醇纤维

由聚乙烯醇(polyvinyl alcohol fiber，PVA)制成的纤维已被成功地用于工程凝胶复合材料的增强。由于其较高的抗拉强度和抗拉模量，PVA纤维使混凝土的延展性和断裂韧性得到高度提升。鉴于PVA纤维在土木工程中的高效增强作用和良好的生物性能，近年来也有学者将其作为医学材料运用于骨水泥之中。

罗军等[9]利用摇动式搅拌机将PVA纤维与CPC混匀，通过三点抗弯实验发现，复合材料组的断裂韧性提高3～5倍，但是骨水泥的抗压强度反而随PVA纤维含量的增加而降低，作者认为是纤维聚集作用所致，也可能是PVA纤维过短(仅0.9 mm)，在CPC中并没有起到摩擦拉拔的作用。

Ali等[10]选择了长度分别为8 mm和4 mm的PVA纤维作为增强相，三点抗弯试验及拉伸试验结果表明，混合了8 mm长度PVA纤维的复合材料，其断裂韧性、弯曲强度及拉伸强度提高最为显著，相较于无纤维CPC骨水泥对照组，8 mm PVA纤维复合材料组断裂韧性提高28.7%，弯曲强度提高31.6%，拉伸强度提高20.2%；掺入4 mm PVA纤维的复合材料力学强度提升并不显著。作者认为PVA纤维的嵌入长度是影响CPC力学强度的关键参数。

Kucko等[11]比较了具有亲水性的PVAMini纤维及用疏水涂层处理过的PVAkur纤维对CPC的改性。研究表明，两种纤维均使骨水泥的抗弯强度提高2倍以上，而PVAkur纤维使CPC的断裂韧性提高435倍，但长期来看，其会降低CPC的生物相容性；PVAMini纤维使CPC的断裂韧性提高205倍，虽然不及PVAkur纤维对CPC增幅的一半，但不会影响CPC的生物相容性。与其他研究相比，该研究PVA纤维对CPC增强最为可观，主要原因可能是样本在固化过程中并非静止不动，而是在摇床上匀速旋转，使纤维在样本中均匀散布，避免了纤维的聚集作用；其次，6 mm的纤维长度嵌入骨水泥中也会提供较好的摩擦拉拔作用。

Schickert等[12]不仅加入PVA纤维，提高CPC的机械强度和断裂韧性，还加入了羧甲基纤维素，在不影响复合材料机械强度和断裂韧性的基础上，改善了复合材料的可注射性，为这种新型复合材料替代聚甲基丙烯酸甲酯水泥(PMMA)在椎体压缩性骨折中应用提供了一定的可能性。

以上研究说明将PVA纤维加入CPC中，可以显著提高其强度和韧性，PVA纤维增强CPC在负重骨骼部位的临床应用具有一定的前景。

2.2 壳聚糖

壳聚糖是以甲壳质为原料提炼而成，不溶于水，能被人体吸收，这种天然高分子因其生物相容性、血液相容性、安全性、生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注。

康明等[13]将壳聚糖和CPC共混，检测其体外力学性能，结果发现，抗弯强度提高近3倍，WOF提高4倍，而且壳聚糖的加入，使复合材料表现出了更好的生物相容性及骨诱导能力。为了更进一步提升复合材料的机械性能，作者在壳聚糖/CPC复合材料中加入胡须，胡须作为一种纤维，让复合材料的力学性能再度提升，其抗弯强度和断裂功分别达到(161.83± 18.18)MPa和(2.12±0.51)kJ/m2，更接近了文献[14]报道的皮质骨抗弯强度(100～200 MPa)及 WOF(2.2～2.4 kJ/m2)，具备一定的临床应用价值。

2.3 胶原

Krenzlin等[15]合成了一种仿胶原的新型材料P-15作为CPC的增强相，并将复合材料注入羊椎体骨质疏松模型中，增强椎弓根螺钉的固定，测量椎弓根螺钉的拔出强度发现，CPC/P-15复合材料组的拔出强度足以媲美PMMA。有研究证明，不论是在细胞水平还是动物水平，胶原都使成骨细胞表现出更高的ALP活性，诱导细胞分化，促进新骨基质的形成[16]。同时CPC/P-15也克服了PMMA的放热效应，但是其较差的可注射性限制了临床应用。

2.4 弹性蛋白样多肽

弹性蛋白样多肽(elastin-like polypeptides，ELPs)是一种人工基因工程化多肽聚合物，良好的生物相容性、生物降解性及可高通量制备等优势，使其在生物医学领域展现出广阔的应用前景。

Jang等[17]将CPC与ELPs结合，研究了ELPs对CPC物理性能和生物相容性的影响。结果表明，ELPs的加入提高了CPC的力学性能，在显微硬度和抗压强度方面分别提升了7倍和10倍左右，而且ELPs对CPC的耐冲蚀性也有一定的改善。

2.5 聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维

聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维(polylactic-co-glycolic acid，PLGA)是一种具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性的脂肪族聚酯类高分子材料[18]，已广泛用于骨科内固定装置，如骨板、骨钉、手术缝合线、纺丝等领域。

邹华章等[19]将PLGA/CPC复合骨水泥注入尸体胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折模型中，结合双螺钉横排固定，然后检测模型的力学强度，结果显示，与植入自体松质骨的对照组模型相比，复合材料显著提高了骨折模型的最大载荷和抗压强度，足以满足患者术后早期的即时稳定性和力学支撑性能，但还需动物实验进一步研究动态的力学性能。

Stefan等[20]通过高剪切搅拌器混合PLGA纤维及CPC制得复合材料，体外实验结果显示，掺入的PLGA纤维长度为1 mm时，PLGA/CPC复合材料具有良好的可注射性，但是纤维长度在2 mm时，复合材料的WOF才达到最大值，提高了12.5倍，因此，如何让PLGA/CPC复合材料同时拥有良好的可注射性以及更高的力学性能，还需进一步探究。

Duan等[21]使用尸体椎体建立压缩性骨折模型，比较了PLGA/CPC复合材料组和PMMA对照组之间的力学性能，发现复合材料组的最大载荷和抗压强度依然低于PMMA，并且复合组的可注射性也低于PMMA，但是其优良的降解速率与新骨的形成速率相匹配，克服了吸收速率过慢阻碍新骨长入的问题。

Leonardo[22]和Torrecilla[23]也对PLGA复合CPC进行了研究，结果显示，PLGA/CPC复合材料具有良好的生物相容性和与骨形成相匹配的降解速率，但在生物力学方面并没有提升，甚至PLGA的加入还降低了CPC的抗压强度。为了解决这一问题，Yao等[24]制备了含有地塞米松和重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP2)的丝素/PLGA同轴纳米纤维，然后通过静电纺丝技术将纤维包覆在CPC上，研究显示这种含有PLGA的新型纤维不仅保留了良好的生物相容性，且纤维中含有的活性因子地塞米松和rhBMP2可进一步提高复合材料的成骨能力，生物力学也得到改善，抗弯、抗压强度比CPC对照组提高2倍，这也提示了PLGA/CPC复合材料在骨缺损修复中具有良好的应用潜力。

2.6 聚多巴胺包覆的掺锶聚磷酸钙纤维

研究证明，锶离子具有改善骨形成和抑制骨吸收的双重功能[25-26]。Peng等[27]将锶引入聚磷酸钙(calcium polyphosphate，CPP)基质中，合成了掺锶聚磷酸钙(strontium-doped calcium polyphosphate，SCPP)纤维作为增强相以提高CPC的生物力学性能，同时将聚多巴胺作为粘合剂引入，经聚多巴胺处理过的纤维表面更加粗糙，可以进一步增强纤维与水泥基体之间的拉拔摩擦作用。通过三点抗弯实验发现，复合材料组在抗弯强度以及WOF方面均有提升，而且锶离子和聚多巴胺能有效促进了成骨细胞的生长，提高材料的生物相容性和骨诱导能力，满足了临床应用骨水泥比较理想的基本特征。

3 CPC与生物因子复合

为了弥补CPC缺乏的成骨能力，各种细胞及生物活性因子被引入复合材料领域，比如骨形态发生蛋白(BMP)，这是被研究最多的一类能诱导成骨细胞分化、促进骨再生的生长因子；骨髓间充质干细胞作为种子细胞被广泛应用于生物工程支架中；富血小板血浆可以在骨缺损局部释放大量生长因子，在促进骨形成中起着至关重要的作用。

3.1 重组人骨形态发生蛋白2

Mathilde等[28]用3D打印制备出CPC支架，并在支架上加载重组人骨形态发生蛋白2(rh-BMP2)后植入小鼠的股骨缺损模型中。实验结果表明，与对照组相比，加载了rh-BMP2的CPC支架能非常有效地诱导骨形成，并在6周内使股骨缺损满意愈合，证明了rh-BMP2的诱导骨生成能力。田永福等[29]通过前瞻性的临床随机对照实验证明载有BMP2的CPC能增强骨诱导，促进新骨形成，明显缩短疗程，但仍需进一步探究BMP2和CPC的最佳比例。

3.2 骨髓间充质干细胞

Li等[30]构建了CPC与骨髓间充质干细胞(BMMSCs)相结合的可注射组织工程骨，实验结果表明，CPC与BMMSCs的结合不会影响BMMSCs本身的骨诱导能力，并且在实验的第7天，CPC/BMMSCs复合组的降钙素受体相对表达量显著高于BMMSCs组，说明CPC与BMMSCs在骨诱导方面具有协同作用。

3.3 富血小板血浆

Li等[31]为了更进一步提升CPC的骨诱导能力，在CPC/BMMSCs复合组的基础上又引入了富血小板血浆，富血小板血浆中的血小板释放大量生长因子，在促进骨形成中起着至关重要的作用。作者通过建立雌性小猪股骨的骨缺损模型来检测复合材料的骨诱导能力，结果证实，CPC/BMMSCs复合组的骨诱导能力较CPC组高，而引入富血小板血浆后，又使复合组的骨诱导能力进一步提高，证明富血小板血浆与BMMSCs结合后不仅不会降低对方的骨诱导能力，还产生了叠加作用，进一步提高了CPC的促骨形成性能。

4 研究展望

针对骨质疏松引起的骨折及骨缺损，临床上常用的自体移植物、同种异体移植物、异种移植物在供体来源数量、免疫排斥反应等方面都存在一定的不足和局限性，因此迫切需要一种新型材料来替代生物体移植物。应运而生的CPC因自身良好的生物相容性已经成为了临床上必不可少的材料，但其骨诱导能力缺乏及力学性能较低，无法成为人们心中完美的材料。对复合型CPC的研究目的在于如何提高CPC的力学强度和骨诱导能力，但各种经过改性后的CPC至今仍无法达到人们的要求。笔者认为，完美的骨修复材料不仅要拥有良好的生物相容性，也要拥有接近人体皮质骨的力学强度，其次需要可控的降解速率以及充分的成骨活性，同时能够促进新骨的形成且其成骨速率与材料的降解速率相匹配。为此，对于复合型CPC仍需要大量的深入研究。