改善聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥體積收縮的研究進展

譚權(quán)昌，吳子祥，雷 偉

聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)骨水泥在骨科應(yīng)用已有60年多年的歷史，1951年Kiaer[1]和1953年Haboush[2]分別報道在股骨頭置換術(shù)中用PMMA骨水泥以粘合骨與假體。 但PMMA骨水泥直到1960年被Charnley[3]在股骨頭置換術(shù)中成功應(yīng)用后才引起廣泛的關(guān)注，并由此建立了PMMA骨水泥的基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用理論與實踐的基礎(chǔ)。目前，全球每年約實施關(guān)節(jié)置換術(shù)100萬例，國內(nèi)每年約實施關(guān)節(jié)置換術(shù)20萬例[4-5]。同時骨質(zhì)疏松所導(dǎo)致的椎體壓縮性骨折每年新發(fā)病例約181萬人，并呈現(xiàn)不斷上升的趨勢[6]。基于PMMA骨水泥的經(jīng)皮椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty, PVP)[7]是臨床治療骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折的經(jīng)典微創(chuàng)術(shù)式，所以PMMA骨水泥仍將廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換及PVP中并難以被替代。

1 PMMA骨水泥聚合體積收縮

隨著PMMA骨水泥臨床應(yīng)用及基礎(chǔ)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)PMMA骨水泥因其自身的高分子化學(xué)性質(zhì)在聚合時會產(chǎn)生體積收縮。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，高分子化合物由低密度的單體聚合為高密度的聚合體，其分子質(zhì)量不變但密度變大，由此而產(chǎn)生體積收縮。1975年，Haas等[8]報道由甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate， MMA)聚合為PMMA時體積收縮約21%，但因骨水泥中添加了包含引發(fā)劑、激活劑等其他成分，以及聚合過程中孔隙的形成使PMMA骨水泥聚合中實際體積收縮為7.6%～8.0%。Gilbert等[9]理論推算PMMA可收縮20.6%，而實際骨水泥中MMA單體占骨水泥總量約1/3，并且考慮PMMA骨水泥固、液相中其他物質(zhì)，PMMA骨水泥實際收縮率為7.8%，與Haas的報道相似，并且實驗證實體積收縮率為6.5%～6.7%，與其理論推斷的數(shù)據(jù)十分接近，收縮量與MMA的量有關(guān)，單體所占比例越大，體積收縮量越大。Kwong等[10]用真空攪拌排除空隙對體積收縮的影響發(fā)現(xiàn)5種臨床常用骨水泥體積收縮率為3.82%～7.08%。PMMA骨水泥在臨床應(yīng)用中的體積變化會影響關(guān)節(jié)置換術(shù)和椎體成形術(shù)手術(shù)的遠期效果。在關(guān)節(jié)置換術(shù)中，假體和骨之間填充PMMA骨水泥以實現(xiàn)穩(wěn)固假體的作用，而PMMA骨水泥發(fā)生收縮時會使骨與假體之間的密實空間產(chǎn)生裂隙，這種裂隙可能對假體的無菌性松動有著至關(guān)重要的影響[10]；另外Kinzl等[11]通過微有限元模型的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PMMA骨水泥強化椎體后，PMMA骨水泥產(chǎn)生的收縮效應(yīng)導(dǎo)致PMMA骨水泥與椎體骨的接觸面之間產(chǎn)生間隙，從而使間隙部位力的傳導(dǎo)降低，而在其他的接觸部位力的傳達增強，并因此使PMMA骨水泥及椎體骨產(chǎn)生殘余應(yīng)力，由此會導(dǎo)致PMMA骨水泥-骨復(fù)合體的初始剛度平均降低18%。所以，在關(guān)節(jié)置換術(shù)及PVP中，PMMA骨水泥的體積收縮所導(dǎo)致的不良影響值得重視。

2 PMMA骨水泥吸水理論基礎(chǔ)

PMMA骨水泥雖然會因自身高分子化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致聚合過程中出現(xiàn)體積收縮，但考慮到PMMA骨水泥與人體體液直接接觸，存在PMMA骨水泥及基于PMMA改性骨水泥吸水并因此膨脹改善體積收縮所產(chǎn)生的不良影響的理論基礎(chǔ)：①自由體積理論。液體或固體物質(zhì)的體積由2部分組成，一部分是被分子占據(jù)的體積，另一部分是未被占據(jù)的自由體積，后者以“空穴”的形式分散于整個物質(zhì)之中。因此盡管MMA及PMMA骨水泥本身無親水性，但水分子體積小且分子量較大，能夠滲入有機聚合體分子間所存在的納米級自由體積空間[12-14]。②親水基團作用。添加親水性大分子改性的PMMA骨水泥中所含有的親水基團與水分子結(jié)合后，改善PMMA骨水泥的吸水作用，且改性后骨水泥的吸水量與所加入的親水物質(zhì)的量呈正相關(guān)[14-17]。

3 PMMA骨水泥吸水量

PMMA骨水泥本身無親水性，其在聚合后因自由體積的存在產(chǎn)生吸水現(xiàn)象并達到平衡狀態(tài)。Kusy等[18]在不同溫度及不同相對濕度下使PMMA骨水泥吸水平衡，觀察PMMA骨水泥的吸水量及吸水后的性質(zhì)變化。PMMA骨水泥吸水量隨著相對濕度的升高而升高，在相對濕度為100%時，PMMA骨水泥吸水平衡后吸水量達到最大值2.1%，吸水過程不受溫度的影響。Hiromori等[19]用MMA單體分別與線性及交聯(lián)的PMMA微球預(yù)聚體進行聚合，測得聚合后PMMA的吸水量最大值為1.85%。兩者在實驗中所獲得的PMMA骨水泥的吸水量十分接近。另外，有報道臨床用Braxel、Simplex-P、CMW1-G 3種PMMA骨水泥在37℃時吸水量可以分別達到2.9%、2.7%、3.1%[20]。

在PMMA骨水泥中加入親水性大分子改性骨水泥后，改性的PMMA骨水泥吸水量因親水性基團的作用大幅度增加，Pascual等[21]在骨水泥液相中用不同體積比甲基丙稀酸羥基丙基酯(1-hydroxypropyl methacrylate，HPMA)替代MMA改性PMMA骨水泥，當(dāng)粉液比(powder/liquid，P/L)=1.86，HPMA的量為0時(聚合后即為PMMA骨水泥)，其在蒸餾水及鹽水中的吸水量分別為2.0%和1.7%，與Kusy和Hiromori報道基本一致;當(dāng)HPMA的體積比達到80%時，骨水泥的在蒸餾水和鹽水中的吸水量分別為7.6%和6.2%, 若此時調(diào)整P/L=2.0，則其在蒸餾水和鹽水中吸水量分別為14%及7%。與Pascual的報道相似，Unemori等[16]用親水性的甲基丙烯氧乙基偏苯三酐(4-methacryloxyethyl trimellitic anhydride，4-META)改性PMMA骨水泥，改性后的PMMA骨水泥吸水量隨著4-META量的增加逐漸增加。為了使改性骨水泥具有更高的吸水量，Boesel等[22]在骨水泥的液相中用水凝膠形成單體丙烯酸(acrylic acid，AA)替代50%的MMA后，與淀粉/纖維素乙酸鹽和生物玻璃混合物組成的固相進行共混，經(jīng)改性后的骨水泥吸水平衡后吸水量最低能達60%且材料的生物力學(xué)性能達到骨水泥標(biāo)準(zhǔn)的要求，但AA改性的骨水泥在模擬體液中進行浸泡時，發(fā)現(xiàn)AA具有抑制改性骨水泥表面羥基磷灰石的沉積的作用，因而阻礙了其臨床應(yīng)用的前景。

由此可見，未改性的PMMA骨水泥的吸水量基本在2%左右，但在骨水泥中加入其他親水性大分子改性骨水泥后，骨水泥的吸水量與所加入的親水性大分子有關(guān)，其親水性越強，骨水泥的吸水性能越強。

4 骨水泥吸水膨脹改善體積收縮

Hiromori 等[19]的實驗結(jié)果顯示，未改性PMMA骨水泥吸水平衡后可見體積膨脹，N’Diaye等[23]用垂直干涉顯微的方法觀察PMMA骨水泥樣本在吸水后能產(chǎn)生橫向和縱向的體積膨脹，但在PMMA骨水泥聚合時加入交聯(lián)劑、塑化劑、顯影劑后膨脹程度下降，所以對比PMMA骨水泥3.82%～7.08%的收縮率，由于PMMA骨水泥僅能吸水約2%，體積膨脹率較小，不能在植入體內(nèi)后產(chǎn)生明顯的體積膨脹，這也說明了PMMA骨水泥植入體內(nèi)后仍會產(chǎn)生上文所述關(guān)節(jié)置換術(shù)以及PVP中所產(chǎn)生的不良影響。

根據(jù)前文所述，在加入親水性的大分子改性PMMA骨水泥后，骨水泥的吸水量會大幅增加，因此改性骨水泥體積膨脹的量會比PMMA骨水泥高。Pascual等[15]用不同體積比的HPMA替代部分MMA與PMMA微球預(yù)聚體聚合，發(fā)現(xiàn)骨水泥的聚合體積收縮量隨著HPMA量的增加而逐漸減小，而由吸水所產(chǎn)生的體積膨脹隨著HPMA的增加而增加，在約50%HPMA時兩者基本平衡，即聚合所產(chǎn)生的體積收縮與吸水所產(chǎn)生的體積膨脹基本相等，>50%時骨水泥的凈體積表現(xiàn)為膨脹。關(guān)節(jié)置換及PVP都是將骨水泥注射入相對密閉的空間中實現(xiàn)骨水泥的填充作用，Boesel等[24]在模擬的密閉空間內(nèi)觀察骨水泥吸水后膨脹效果，其用甲基丙烯酸2-羥基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA)替代部分MMA改性骨水泥，常規(guī)混合攪拌后將HEMA改性的骨水泥填充進高12 mm、內(nèi)徑6 mm、外徑10 mm的圓柱體模具中模擬限制性的密閉空間進行吸水膨脹，并與相同實驗條件下Palacos-R PMMA骨水泥對比，觀察2種骨水泥在密閉空間中吸水后產(chǎn)生的“膨脹力”(骨水泥吸水膨脹后對模具側(cè)壁產(chǎn)生的作用力)，在37℃時測得HEMA改性骨水泥產(chǎn)生的最大“膨脹力”為(43.6±2.6) N，而Palacos-R PMMA骨水泥僅有(2.0±1.1) N，兩者之間存在著顯著的差距; 該“膨脹力”可以用HEMA改性的骨水泥在限制性空間吸水量與其自由吸水量來解釋，當(dāng)HEMA骨水泥在自由吸水時其最低吸水約35%，而在限制性的圓柱形的模具中吸水量只有15%，由此可見圓柱形模具會限制HEMA吸水后的體積膨脹作用而對模具側(cè)壁產(chǎn)生了較大“膨脹力”。因此，不管是PMMA骨水泥還是加入親水性大分子改性后的骨水泥均能在吸水時能產(chǎn)生體積的膨脹，但是要實現(xiàn)由骨水泥吸水產(chǎn)生膨脹作用來改善PMMA骨水泥收縮的不良影響必須依賴骨水泥改性以增加吸水量來實現(xiàn)。

5 吸水膨脹對力學(xué)性能的影響

雖然改性后骨水泥能實現(xiàn)體積膨脹改善骨水泥收縮的不良影響，但不可忽視的是丙烯酸類骨水泥在關(guān)節(jié)置換、PVP等骨科手術(shù)中應(yīng)用時必須要保證骨水泥具有良好的力學(xué)性能，因此在基于PMMA改性的丙烯酸骨水泥實現(xiàn)吸水作用改善體積收縮同時必須要保留其良好的力學(xué)性能。

Nottrott等[25]將PMMA骨水泥樣本浸泡在37℃水中1年模擬人體內(nèi)環(huán)境，在不同時間段對比浸泡與未浸泡2類PMMA骨水泥樣本的力學(xué)性質(zhì)變化。浸泡樣本的壓縮強度在1周內(nèi)持續(xù)上升至約88 MPa后下降到84 MPa持續(xù)至實驗結(jié)束，彈性模量的變化規(guī)律與壓縮強度相似，最大應(yīng)變值在1年內(nèi)持續(xù)上升；但對比未浸泡樣本發(fā)現(xiàn)，浸泡樣本的壓縮強度、極限壓縮強度(ultimate compressive strength，UCS)、彈性模量、最大應(yīng)變值均比未浸泡樣本低，說明吸水降低了PMMA骨水泥的力學(xué)性能。其進一步將PMMA骨水泥樣本浸入血漿中，觀察到一致的力學(xué)性能變化特點。未浸泡樣本的彈性模量在1個月時隨著聚合過程的完成不再發(fā)生變化，而浸泡樣本的彈性模量在6個月后依然存在著變化，說明吸水持續(xù)影響PMMA骨水泥樣本的力學(xué)性能。Kusy等[18]用不同相對濕度來控制PMMA骨水泥的吸水量，觀察PMMA骨水泥在不同相對濕度下吸水飽和時發(fā)現(xiàn)彎曲模量、拉伸模量、極限拉伸強度、硬度均隨著相對濕度的增加而逐漸下降。Hiromori等[19]也發(fā)現(xiàn)PMMA骨水泥在吸水后遵循同樣的規(guī)律，未交聯(lián)PMMA骨水泥、2%交聯(lián)劑PMMA骨水泥、4%交聯(lián)劑PMMA骨水泥在37℃吸水平衡后弛豫模量分別降低25.5%、25.0%、23.1%；剛度分別下降7%、9.4%、9.5%。

PMMA骨水泥吸水約2%后力學(xué)性能發(fā)生了顯著性的變化，加入親水性材料改性PMMA骨水泥后使吸水量>2%，改性后骨水泥的力學(xué)性能下降幅度比PMMA骨水泥大。Pascual等[15]用未吸水樣本對比吸水樣本觀察HPMA改性骨水泥的儲能模量變化，發(fā)現(xiàn)2類樣本的儲能模量都隨著HPMA量的增加而逐漸降低，在<40%時2者儲能模量下降沒有明顯的區(qū)別，但在>60%時吸水樣本的儲能模量較未吸水樣本顯著下降，說明吸水量對HPMA改性骨水泥的儲能模量有著重要的影響。樣本在37℃吸水平衡后，壓縮模量隨著HPMA量的增加逐漸下降，壓縮強度在HPMA為0%時的74.6 MPa增加到40%的82.0 MPa后快速下降，當(dāng)HPMA為80%時吸水量約為6%，壓縮強度卻下降到15.6 Mpa，對比前文未改性PMMA骨水泥吸水2%時的壓縮強度只下降到84 MPa，說明改性骨水泥的力學(xué)性能隨著吸水量的增大而下降幅度越大。但HPMA改性骨水泥的壓縮強度在加入HPMA的量<40%時逐漸增加，材料的模量逐漸降低，這為PMMA骨水泥在臨床應(yīng)用時模量過高的問題提供了解決方法；骨水泥的拉伸模量、拉伸強度、極限拉伸強度、楊氏模量隨著加入的HPMA量的增加逐漸下降；但斷裂應(yīng)變隨著HPMA量的增加逐漸增強，該現(xiàn)象可能與吸水后大分子間的自由體積增大，使復(fù)合材料獲得更大的變形能力有關(guān)。Pascual將樣本在37℃生理鹽水中浸泡達到吸水平衡后雖然壓縮強度、壓縮模量、拉伸強度、拉伸模量均下降，但在HPMA的體積比<50%時，樣本的壓縮強度均大于ASTM F451骨水泥標(biāo)準(zhǔn)所要求的70 Mpa[21]，說明在HPMA體積比<50%時可以合理的改性骨水泥而保持力學(xué)性能，滿足骨水泥標(biāo)準(zhǔn)的要求。

理論上在有機大分子材料中混合入小分子物質(zhì)時，其玻璃化溫度會由于小分子的塑化作用而降低。聚合物中的極性基團通過熱動力學(xué)作用使水分子進入聚合物內(nèi)，水分子通過打斷高分子內(nèi)分子間的次級鍵，并通過氫鍵與分子內(nèi)的極性基團相結(jié)合使丙烯酸類分子聚合玻璃化溫度降低，引起分子鏈的運動增加使聚合物的強度和模量降低，延展性增加。因此聚合物吸水后力學(xué)性能的變化與聚合物的玻璃化溫度有關(guān)，隨著玻璃化溫度降低，聚合物的強度降低[26]。

6 展 望

綜上所述，在丙烯酸類骨水泥吸水性改性過程中，雖然隨著吸水材料的加入骨水泥的吸水性能大大提高，進而能夠使PMMA骨水泥聚合過程中體積收縮的現(xiàn)象得到改善，但為此付出的代價是材料的力學(xué)性能大幅度的下降。50%HPMA改性的PMMA骨水泥通過吸水實現(xiàn)了體積膨脹，同時保證了改性PMMA骨水泥在吸水體積增加的基礎(chǔ)上力學(xué)性能可以達到骨水泥的基本要求。尋找更好的吸水材料改性PMMA骨水泥，并在吸水膨脹和力學(xué)性能之間實現(xiàn)平衡，從而達到保證骨水泥力學(xué)性能優(yōu)點的同時改善骨水泥體積收縮的缺點，將能使PMMA骨水泥能夠更好地應(yīng)用于臨床。

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