磷酸鈣骨水泥在骨修復(fù)應(yīng)用研究的新進展

郭良煜 郭衛(wèi)春

由于疾病和創(chuàng)傷的原因，全球每年約有數(shù)百萬患者需要進行骨移植手術(shù)[1-3]。其移植類型分為自體移植和同種異體移植。但自體移植和同種異體移植分別存在一些局限性，對于自體移植而言供體部位的缺損、來源有限；同種異體移植其骨移植物來源相對廣泛，但移植后一般會產(chǎn)生排斥反應(yīng)，有二次手術(shù)的風(fēng)險，甚至?xí)?dǎo)致手術(shù)的失 敗[4-6]。因此，國內(nèi)外學(xué)者都在進行生物材料的研究以替代骨組織。在此之前所采用的聚甲基丙烯酸甲酯 ( polymethyl methacrylate，PMMA ) 因生物相容性差，無法與骨組織形成骨性愈合從而無法提供足夠的強度而不能廣泛應(yīng)用在骨移植手術(shù)中。所以需要研制一種新的材料來彌補 PMMA 的缺點從而廣泛用于骨修復(fù)領(lǐng)域中。根據(jù)前期的研究報道中證實了磷酸鈣骨水泥 ( calcium phosphate cement，CPC ) 在生物相容性方面具有比 PMMA 良好的性能。同時在細胞實驗中證實了 CPC 能夠刺激成骨細胞的增殖和分化。同時不會產(chǎn)生細胞毒性[7-10]。以上優(yōu)點使得 CPC 一經(jīng)面世便得到骨組織修復(fù)領(lǐng)域研究人員的廣泛重視。在 1991 年經(jīng)過 FDA 批準后，CPC 可以作為臨床修復(fù)骨缺損的生物材料，在骨修復(fù)領(lǐng)域開始使用。

一、CPC

CPC 主要通過固相和液相之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，固相包含一種或幾種磷酸鈣化合物。液相則是水或含鈣或磷酸鹽的溶液，且含有殼聚糖、藻酸鹽、透明質(zhì)酸鹽等。在混合時會形成兩種產(chǎn)物：透鈣磷石 ( calcium hydrogenphosphate dihydrate，DCPD ) 和磷灰石，后者如羥基磷灰石或缺鈣羥基磷灰石 ( calcium-deficient hydroxyapatite，CDHA ) 等[11-13]。CPC 的這種特點使得它可以用于注射途徑并且容易操作，這跟生物陶瓷相比具有獨特的優(yōu)越性[13]。雖然 PMMA 也有硬化功能，但在硬化過程中會產(chǎn)生較高的溫度，會損傷周圍組織。但 CPC 在常溫下即可硬化，對周圍組織不會產(chǎn)生明顯損傷。同時 CPC 的微孔結(jié)構(gòu)可以使得骨組織長入從而使得材料與骨之間形成骨性愈合[14]。

盡管 CPC 已在臨床上使用，但研究人員仍在不斷提高 CPC 的性能[15-18]。例如降低 CPC 的粒徑 ( 高比表面積 ) 或結(jié)晶度或液體 / 粉比 ( L / P 比 )[19-21]；在液相和固相的組合物中加入促進劑等。這些都可以加快 CPC 的凝固時間，但時間不是越快越好，太快會導(dǎo)致醫(yī)生在未操作之前就凝固。因此，一個具有合適凝固時間 ( 10～15 min ) 是非常關(guān)鍵的，這樣醫(yī)生有足夠的時間來進行植入。此外，像 CPC 中加入生物聚合物，如海藻酸鈉，羥丙基甲基纖維素 ( HPMC )，透明質(zhì)酸，殼聚糖和改性淀粉等。這些生物聚合物可顯著改善 CPC 的凝聚力和抗沖刷性[22]。CPC 的強度也是臨床應(yīng)用的重點，在 CPC 中加入殼聚糖、檸檬酸和聚丙烯酸等物質(zhì)可以提高 CPC 的強度，甚至達到人骨密質(zhì)的抗壓強度[23]。但 CPC 缺乏降解性能，使得它現(xiàn)在僅適用于充填骨缺損，而無法用于大段骨缺損的修復(fù)。

二、CPC 復(fù)合物

1. CPC / 血小板裂解液：血小板裂解液是將濃縮血小板進一步裂解后所獲得的液體成分，含有多種生物活性因子比如細胞生長因子 ( growth factor，GF )，細胞因子和對傷口愈合過程有重要意義的結(jié)構(gòu)蛋白等[24-30]。因此制造出大鼠顱骨缺損的模型從而評價 CPC / 血小板裂解液的作用，將造模組分成兩組，一組加入 CPC / 血小板裂解液；另一組加入 CPC，通過組織學(xué)評估、微型 CT 斷層掃描和組織形態(tài)計量學(xué)分析來評估兩組的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn) CPC / 血小板裂解液組其新骨生長速度和量均大于 CPC 組，同時微型 CT 斷層掃描發(fā)現(xiàn) CPC / 血小板裂解液組有降解，同時在顱骨缺損處覆蓋范圍大于 CPC 組；最后組織形態(tài)學(xué)計量分析發(fā)現(xiàn) CPC / 血小板裂解組骨組織的生長速度快于 CPC 組。說明加入了血小板裂解液后能促進 CPC 的降解和增加骨性愈合的概率。并且在整個實驗過程中均未發(fā)現(xiàn)周圍組織產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[31-32]?？烧J為將 CPC 與血小板裂解液混合后的復(fù)合物具有良好的性能。

2. CPC / 聚乳酸-羥基乙酸共聚物 ( poly(lactic-coglycolic acid，PLGA )：PLGA 是由由兩種單體——乳酸和羥基乙酸隨機聚合而成，是一種可降解的高分子有機化合物，具有良好的生物相容性、無毒、良好的成囊和成膜的性能[33-34]。因此將 PLGA 和 CPC 混合后，來研究其對 CPC 的影響。建立兔股骨缺損的模型，將 PLGA / CPC 復(fù)合物填充在股骨缺損中，在不同的時間段用組織學(xué)技術(shù)觀察，發(fā)現(xiàn)第 4 周時，缺損處中的許多 PLGA 微球體已經(jīng)被骨基質(zhì)替代；在第 8 周時，多層微球已被骨取代，并且難以辨別植入物的原始邊界。但是，植入物的完整性仍然存在。在第 12 周時，所有的 PLGA 微球已經(jīng)消失，大部分的孔被新形成的骨組織替代。這表明最后孔中的組織大部分都是骨組織，而不是由纖維組織，炎性細胞所組成的聚合物。這樣可以形成牢固的骨性愈合，同時也有利于骨組織的長入。同時在復(fù)合物與骨界面處的研究顯示界面處無軟組織界面。雖然 PLGA 的代謝產(chǎn)物會導(dǎo)致所處環(huán)境的 PH 降低，但研究人員認為當(dāng) PLGA 降解時產(chǎn)生的酸在一定程度上溶解磷酸鈣，達到中和。同時鈣離子和磷酸根離子總濃度的增加有利于礦化和新骨形成[35]。

3. CPC 支架 / 水凝膠支架：CPC 支架是在 CPC 的基礎(chǔ)上加入殼聚糖、明膠微球等物質(zhì)，隨后通過冷凍干燥法、發(fā)泡成孔法以及最新的 3D 打印技術(shù)制作而成[36]。制作成的 CPC 支架具有大孔隙率，同時水凝膠支架也是具有大孔隙率的支架。后將水凝膠支架和 CPC 支架相混合，并且研究顯示水凝膠雖然具有易膨脹的特性，但在與 CPC 支架混合后不會影響 CPC 的大孔隙率。而現(xiàn)在的 3D 打印技術(shù)可以將雙相支架的直徑制作到 5 mm 左右。這種規(guī)格的雙相支架可以用于大鼠的股骨缺損。提供一個新的治療方案。最后這種雙相支架既具有修復(fù)骨缺損的特性又具有載藥特性。研究人員將血管內(nèi)皮生長因子 ( vascular endothelial growth factor，VEGF ) 載入水凝膠中，這樣可以在修復(fù)骨缺損的同時使得內(nèi)皮細胞遷移到骨缺損處。并且 VEGF 在水凝膠中可以持續(xù)釋放，達到持久治療的目的[37]。

三、CPC 的臨床應(yīng)用

1. 脊柱壓縮性骨折：脊柱壓縮性骨折多常見于骨質(zhì)疏松的老年人，其經(jīng)典的手術(shù)治療方法是椎體球囊擴張成形術(shù)加 PMMA 的微創(chuàng)治療，對患者的損傷小同時療效好[38]。但在年輕患者中，PMMA 尚未得到廣泛接受。這與 PMMA 的潛在毒性有關(guān)，并且由于 PMMA 缺乏生物活性并且在硬化過程中會釋放出很高的溫度，可以引起周圍組織的壞死。相反，CPC 表現(xiàn)出良好的生物相容性且在常溫下就能硬化。因此，CPC 比 PMMA 更適合成為年輕人脊柱壓縮性骨折的材料[39]。在 10 例進行了帶有 CPC 的胸椎球囊擴張成形術(shù)后 1 年進行活檢，觀察到，CPC 被骨組織所包繞同時在邊緣附近的 CPC 與新骨之間緊密結(jié)合在一起。同時可以觀察到正常的骨形成和重塑，特別是在 CPC 表面，幾乎整個 CPC 表面都被骨覆蓋，在 CPC 間隙和空隙中甚至在 CPC 區(qū)域的中心也是可以明顯看到新骨的形成。在 CPC 表面有一系列類骨質(zhì)和成骨細胞，表明正在有新骨的形成。這提示 CPC 可以用于脊柱壓縮性骨折的治療，CPC 也有用于椎體爆裂性骨折等較為嚴重的脊柱骨折的報道[40]。因此，CPC 越來越多地被用作在脊柱外科手術(shù)中。

2. 骨巨細胞瘤 ( giant cell tumor，GCTB )：GCTB 是 1940 年首次被 Jaffe 發(fā)現(xiàn)，為常見的原發(fā)性骨腫瘤之 一[41]。GCTB 侵襲性較高但很少轉(zhuǎn)移，惡性程度上屬于交界性腫瘤。原發(fā)部位通常在膝蓋周圍的骨骺，轉(zhuǎn)移后多侵犯長骨，以股骨下端及脛骨上端最多見。它占原發(fā)性骨腫瘤的 4%～5% 和所有良性腫瘤的 20%，好發(fā)年齡通常為 20～45 歲[43-44]。目前治療 GCTB 的主要方法仍然是手術(shù)切除同時給予輔助治療 ( 化療、放療等 ) 結(jié)合使用來保證患肢的功能。而在手術(shù)治療后造成的骨缺損區(qū)域則可以使用 CPC 來進行填充。在對患有 GCTB 的 26 例 ( 15 例腫瘤位于股骨遠端，7 例位于脛骨近端，2 例位于橈骨遠端，1 例位于股骨近端，1 例位于腓骨近端 ) 進行了 CPC 的填充并且進行了長達 34 個月的術(shù)后隨訪，發(fā)現(xiàn) 26 例中有 25 例顯示 CPC 具有良好的填充骨缺損處。另外 1 例 CPC 沒有良好的填充可能原因是手術(shù)操作的失誤，并且在 CPC 的邊緣和中心都觀察到了新骨的生成，CPC 的填充對周圍骨組織沒有明顯的影響，也未導(dǎo)致周圍骨組織的壞死或是脫落。但在隨訪的過程中發(fā)現(xiàn)了 CPC 的松動，可能與應(yīng)力有關(guān)，因此，建議在手術(shù)過程中等到 CPC 硬化后使用螺釘加強固定[45]。