磷酸鎂骨水泥及其復(fù)合物在骨修復(fù)應(yīng)用的研究進(jìn)展

郭良煜 郭衛(wèi)春

在磷酸鎂骨水泥被引入之前，有許多材料應(yīng)用于骨修復(fù)領(lǐng)域，比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、磷酸鈣骨水泥(CPC)等。但都存在明顯的缺點(diǎn)，例如PMMA生物相容性差，無法與骨組織形成骨性愈合從而提供足夠的強(qiáng)度。CPC初始強(qiáng)度低，缺乏黏結(jié)性能和降解時間長[1,2]。因此，需要研制一種新的材料來彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)。近幾年通過評估MPC的生物相容性及理化性能后，開始研究MPC在骨修復(fù)材料方面的應(yīng)用[3]。并且以前的研究中報道了Mg2+主要存在于骨中，可以調(diào)控整合素黏附的活性從而影響成骨細(xì)胞的黏附、表型、增殖和分化[4]。并且MPC形成的微孔表面可以增強(qiáng)纖維狀肌動蛋白(FA)的形成和細(xì)胞內(nèi)肌動蛋白的聚合，隨后通過肌球蛋白Ⅱ(RhoA-ROCK-MLCK)途徑刺激細(xì)胞成骨分化[5,6]。

截止到目前，已有大量關(guān)于MPC的固化過程、生物學(xué)行為和使用途徑等方面的研究。美國Bone Solutions Incorporated(BSI)研制的磷酸鎂骨水泥獲得美國 FDA(Food and Drug Administration,FDA)認(rèn)證，成為骨缺損填充材料并開始在美國使用；劉昌勝等依據(jù)MPC可降解、具有良好的生物相容性的特點(diǎn)并且兼具膠黏性好、初始強(qiáng)度高、固化時體積微膨脹的特性將其引入骨修復(fù)領(lǐng)域。

一、磷酸鎂骨水泥

磷酸鎂骨水泥(MPC)是一種新型的無機(jī)材料。其主要原料為煅燒后的氧化鎂(MgO)、磷酸鹽、緩凝劑等。視實際需要可加入復(fù)合性改劑提高M(jìn)PC的性能。其中MgO是MPC最重要的成分，MgO的活性對MPC的固化反應(yīng)速度起到至關(guān)重要的作用。據(jù)研究表明，MgO的活性和其煅燒溫度和顆粒大小密切相關(guān)，其活性隨著煅燒溫度的增加而降低，隨著顆粒的減小而增加。磷酸鹽作為MPC中的主要成分，要提供水化反應(yīng)所需的酸性環(huán)境以及磷酸根等離子。目前使用的磷酸二氫鹽主要有磷酸二氫胺(NH4H2PO4)、磷酸二氫鈉(NaH2PO4)、磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2]和磷酸二氫鉀(KH2PO4)。最早使用的磷酸鹽是磷酸二氫胺，主要生成磷酸胺六水合物(MgNH4PO4·6H2O)，俗稱鳥糞石[7]。在制備MPC的過程中，反應(yīng)會釋放大量熱量，導(dǎo)致制備凝固時間合適的MPC較困難。而使用緩凝劑可延緩水化放熱速率、減緩反應(yīng)進(jìn)程和緩凝[8]。

針對MPC在骨修復(fù)材料的應(yīng)用，其首要任務(wù)是要評估MPC對人體的安全性。Yu等[9]應(yīng)用Ames測試、微核測試和非計劃DNA合成測試對MPC遺傳毒理學(xué)進(jìn)行了研究。用宏觀組織學(xué)、組織形態(tài)學(xué)和掃描電子顯微鏡方法探討骨折愈合和降解行為，評估MPC的生物相容性。結(jié)果表明MPC沒有毒性，它不會引起DNA損傷和基因突變，同時MPC將與宿主骨形成直接結(jié)合。定期置入的樣品在體內(nèi)表現(xiàn)出良好的降解模式，這為動物試驗和臨床應(yīng)用提供了依據(jù)。臨床上經(jīng)常會出現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，通常此種骨折為不穩(wěn)定骨折，需要達(dá)到解剖復(fù)位，但即使應(yīng)用最小的內(nèi)固定物也難以達(dá)到解剖復(fù)位的標(biāo)準(zhǔn)，術(shù)后會出現(xiàn)患者活動不便、關(guān)節(jié)無法恢復(fù)至活動范圍等情況。同時對于粉碎性骨折，目前臨床上廣泛采用內(nèi)固定，通常是微孔螺釘內(nèi)固定或髓內(nèi)固定，這些方法對大骨折塊有效，卻難以固定小骨折塊。此外，在松質(zhì)骨區(qū)域中，對于大量的骨折，螺釘內(nèi)固定方法只能提供很弱的強(qiáng)度，容易導(dǎo)致術(shù)后螺釘松動，影響術(shù)后效果，甚至要進(jìn)行二次手術(shù)[10]。所以，用MPC作為潛在的可生物降解骨置入材料變成了可能。

近年來對MPC生物相容性、抗壓強(qiáng)度和成骨效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，將MPC以合適的粉-液比(P/L)混合后具有良好的注射性，可以用于微創(chuàng)手術(shù)[11～13]。并且，將MPC與其他材料進(jìn)行混合，能更好地提升MPC在骨科的應(yīng)用價值。

二、磷酸鎂骨水泥復(fù)合物

1.硅酸鈣/磷酸鎂復(fù)合物(C3S/MPC) ：C3S是三氧化二鐵聚集體(MTA)的主要活性成分之一。它可以在體外誘導(dǎo)骨樣磷灰石礦化，其Si / Ca比率可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的附著和增殖[14],其離子提取液可以刺激骨相關(guān)細(xì)胞的增殖和成骨分化。并且從硅酸鹽材料中釋放的Si離子在刺激骨形成相關(guān)細(xì)胞的增殖、分化和成骨基因的表達(dá)中起重要作用[15]。所以，可將C3S的生物活性和磷源為磷酸二氫鈉(MPC)的高強(qiáng)度和快速固化性能相結(jié)合，制成C3S/MPC復(fù)合物。通過C3S和MPC的質(zhì)量比來調(diào)節(jié)其抗壓強(qiáng)度和凝固時間，在此之中調(diào)節(jié)出來的C25M75的抗壓強(qiáng)度最高為86MPa，接近人體皮質(zhì)骨的下限(90～209MPa)，遠(yuǎn)高于C3S和MPC。并且C3S/MPC的孔隙率高于MPC，使得骨組織能夠更容易的長入。此外，C3S/MPC體外顯示良好的細(xì)胞生物相容性，與MPC比較，在濃度低于12.5mg/L時，C3S/MPC更能刺激MC3T3-E1成骨細(xì)胞增殖，其原理可能是C3S/MPC中的Si2+和Mg2+對細(xì)胞的協(xié)同刺激作用。同時C3S/MPC在SBF溶液中有良好的磷灰石礦能力，形成了羥基磷灰石[16]。機(jī)制是Ca2+首先從C3S釋放形成富含Si離子層，然后誘導(dǎo)形成Ca-P聚集在進(jìn)一步形成磷灰石晶體。這樣可以使得骨骼和材料可以形成化學(xué)鍵，形成更好的骨整合[17]。

2.硫酸鈣/磷酸鎂骨水泥(CSMPC)：硫酸鈣(CS)有著良好的生物相容性，骨傳導(dǎo)性和可以完全再吸收而被應(yīng)用于骨。盡管有以上這些優(yōu)點(diǎn)，但CS仍存在缺點(diǎn)。一是CS的機(jī)械強(qiáng)度低，不能為骨缺損部位提供足夠的長期機(jī)械支撐。另一方面是CS顯示幾乎沒有生物活性，導(dǎo)致CS移植物和組織之間的黏合不良。最重要的是置入后CS吸收太快難以匹配骨再生[18]。而MPC是一種快速修復(fù)材料，具有快速凝固和可降解的特點(diǎn)，同時MPC具有良好的生物活性[19]。因此，可以將MPC(磷源為磷酸二氫胺)與CS混合從而開發(fā)新的硫酸鈣/磷酸鎂水泥(CSMPCs)。

本實驗中制作了3種CSMPC(改變MPC的含量得到了CSMPC40、CSMPC50和CSMPC60)，這3種CSMPC凝固時間在6～12min，而MPC凝固時間為3min，所以CSMPC的凝固時間更適合于外科醫(yī)生注射水泥或?qū)⑵湔{(diào)節(jié)到用于臨床應(yīng)用的所需形狀。通過增加MPC的含量，使得CSMPC機(jī)械強(qiáng)度逐漸增高并且高于MPC，具有更好的抗壓強(qiáng)度；并且80天后其降解率高于MPC，表明其降解性能比MPC好。在體外SBF實驗中，CSMPC復(fù)合材料表明形成骨樣磷灰石，同時溶液pH值約為9，MPC溶液的pH值為7.42。在之前的研究中堿性環(huán)境有助于形成磷灰石，而且磷灰石晶體的成核速率在pH值為9時比pH值為7時更快，表明該材料有良好的生物相容性，在置入人體時能和周圍骨組織形成更好的結(jié)合。同時CSMPC比MPC更能增加細(xì)胞活力和刺激細(xì)胞的增長。CSMPC有望成為骨移植物的替代材料[19]。

3.磷酸鎂/磷酸鈣復(fù)合物(CMPC)：CPC和MPC都是用于骨科的無機(jī)材料，但CPC由于其初始機(jī)械性能差，體內(nèi)生物降解速率低和凝固時間相對較長而具有一定的局限性，但MPC的凝固時間短且與周圍組織的生物相容性良好[20]。Wu等[21]通過將MPC(磷源為磷酸二氫胺)與CPC結(jié)合起來，制出了CMPC。制備的CMPC與CPC相比具有更短的凝固時間和更高的抗壓強(qiáng)度。CMPC的降解率高于CPC和MPC，降解速率隨CMPC 中MPC含量的增加而加快。CMPC可以支持MG-63細(xì)胞的附著和增殖，且細(xì)胞增殖率明顯高于CPC和MPC，說明CMPC具有良好的生物相容性。置入骨缺損的CMPC觀察表明，置入物體內(nèi)無異物反應(yīng)，無炎性反應(yīng)，無壞死。組織學(xué)評估證實，CMPC置入物與宿主骨形成直接結(jié)合，表現(xiàn)出高效的骨再生。

CMPC和CSMPC的磷酸鹽都是磷酸二氫胺，這種磷酸鹽雖然應(yīng)用廣泛，但缺點(diǎn)明顯，一是會產(chǎn)生氨氣污染環(huán)境，二是在凝固過程中MPC會釋放氨氣產(chǎn)生堿性環(huán)境從而導(dǎo)致細(xì)胞毒性。所以應(yīng)采用磷酸二氫鹽類替代磷酸二氫胺，來彌補(bǔ)缺點(diǎn)，例如采用磷酸二氫鈣和磷酸二氫鉀，其中磷酸二氫鉀不僅彌補(bǔ)了此缺點(diǎn)，而且與磷酸二氫胺相比還具有較小的解離常數(shù)和較低的溶解度，使得反應(yīng)速率更加容易控制[22]。

與Wu等一樣，Zhang等通過把CPC粉末、MPC粉末和水泥液體(超純水)混合在一起組成MPCP(理化性質(zhì)與CMPC一樣)，但不同的是所用的磷酸二氫鹽為磷酸二氫鈣。在MCPC中調(diào)節(jié)MPC的重量百分比在0～20%的范圍內(nèi)，獲得具有不同鎂密度的MCPCs，在這之中，5(10)比例MPCP的效果最好。實驗結(jié)果表明MPC的并入可以加快水合環(huán)境，提高CPC的抗壓強(qiáng)度，同時對自凝性能沒有明顯的影響。并且在培養(yǎng)基浸泡后，MCPCs不僅改善了Ca2+和Mg2+的溶解度以及CPC的降解能力，也在一定程度上降低了CPC的堿化。不僅如此，將MPC摻入CPC不僅可以增強(qiáng)BMSCs細(xì)胞的黏附和擴(kuò)散，還能促進(jìn)體外細(xì)胞的成骨分化，其原理是MCPC可以調(diào)節(jié)吸收的Fn的構(gòu)象，使其具有更多的細(xì)胞親和力，并且上調(diào)細(xì)胞膜上整合素α5β1的表達(dá)，不僅促進(jìn)了BMSCs對材料的黏附，也刺激成骨分化，使骨骼再生增強(qiáng)[23]。但研究發(fā)現(xiàn)Mg2 +的釋放速率不依賴于MPC的含量，這可能與培養(yǎng)基中吸附蛋白的抑制能力有關(guān)[24]。

4.明膠微球/磷酸鎂骨水泥：骨科疾病中最常見的臨床表現(xiàn)就是骨缺損，骨缺損往往是由創(chuàng)傷、骨腫瘤等疾病導(dǎo)致的。創(chuàng)傷所導(dǎo)致的骨缺損可以單獨(dú)采用MPC填充。但骨腫瘤臨床上的治療主要采取手術(shù)治療，會廣泛切除腫瘤周圍的骨組織，單純采用MPC無法根除病因。所以，將藥物載入骨水泥中治療骨缺損和骨疾病成為了可能。Lopez-Heredia 等先將PX(紫杉醇)溶液進(jìn)行細(xì)胞活力測定，得到PX組中骨肉瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞活性均低。并且發(fā)現(xiàn)PX對骨肉瘤細(xì)胞抑制效應(yīng)好。隨后將PX載入磷酸鈣骨水泥中并進(jìn)行細(xì)胞實驗, 得到載藥組中骨肉瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞的活性均比不載藥組低，并且載藥組使得骨肉瘤細(xì)胞數(shù)量減少的同時抑制了轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞的增殖, 說明載藥組有藥物治療的效果。但將藥物載入已固化的骨水泥后, 藥物會釋放太快而無法達(dá)到理想的治療效果，而利用選擇生物相容性及生物降解性好、無毒、無抗原性的明膠為原料機(jī)微球?qū)⑺幬锇饋? 再載入骨水泥中, 可提高藥物的緩釋性能[25，26]。

在此基礎(chǔ)上，余素春等[26]將用明膠水配置的明膠微球與MPC(固相為磷酸二氫鈣+磷酸二氫鉀)混合，在骨水泥的粉相中分別加入不同質(zhì)量百分比載藥明膠微球, 制備出的復(fù)合載藥骨水泥分別為MPBC-2 、MPBC-4、MPBC-6、MPBC-8并進(jìn)行降解實驗和釋藥實驗。發(fā)現(xiàn)在相同降解時間下復(fù)合磷酸鎂基骨水泥比MPC 降解快，但在最初的時間MPBC的孔隙率低于MPC，這是由于明膠微球還未降解。隨著微球的降解, 空隙率逐漸增加，這些孔可為細(xì)胞遷移及骨組織生長提供通道，加速骨缺損的修復(fù)。在釋放前期(0～10h), 藥物釋放速度較快, 之后藥物釋放明顯減緩; 釋藥7天后, 微球幾乎降解完全, 藥物釋放率達(dá)到60%～89%, 達(dá)到了一定的藥物緩釋效果。

三、展 望

MPC是一種通過水化反應(yīng)生成的無機(jī)材料，具有高強(qiáng)度、快速固化性能和可吸收的特點(diǎn)，同時又有著良好的生物相容性而開始應(yīng)用于骨修復(fù)領(lǐng)域。研究者對MPC展開了大量的研究，證實了MPC沒有毒性，不會引起DNA損傷和基因突變。并且在動物實驗中也成功證實了MPC對骨折愈合有很好的效果，例如可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，與骨組織形成骨性愈合。此外，往MPC中加入不同的材料所得到的復(fù)合物其性能會產(chǎn)生變化，例如通過調(diào)節(jié)MPC的含量來調(diào)整抗壓強(qiáng)度和凝固時間從而使其更好的應(yīng)用于臨床，具備比MPC更好的生物相容性和根治病因，如骨缺損的病因；獲得特殊的性能，例如抗菌性能。因此，MPC是一種具有潛力的無機(jī)材料。

但不同研究者所用的MPC體系不同，并且各個體系之間的優(yōu)缺點(diǎn)未做充分說明。因此，應(yīng)進(jìn)一步開展MPC各體系的研究，深入了解各體系的優(yōu)缺點(diǎn)和它們之間的聯(lián)系。同時研究MPC材料的微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)制和力學(xué)生物性能，充分認(rèn)識MPC的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，從而指導(dǎo)MPC的合成與其他材料之間的復(fù)合，不斷研制出性能更為優(yōu)異的MPC及其復(fù)合物。最后MPC的臨床實驗相對匱乏，也應(yīng)加大研究。這樣可以增加MPC在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。