關(guān)節(jié)外科用骨水泥性能改善研究進(jìn)展*

徐溢明 彭慧明 翁習(xí)生

（中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

自1964年Charnley[1]報(bào)道了將骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate,PMMA）用于人工髖關(guān)節(jié)假體固定以來(lái)，它被廣泛應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)外科，起到填充關(guān)節(jié)假體和骨質(zhì)之間的空隙、固定假體、傳遞應(yīng)力的作用。根據(jù)瑞典人工關(guān)節(jié)登記系統(tǒng)的最新統(tǒng)計(jì)，2018年瑞典超過(guò)90%的全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty,TKA）采用骨水泥型假體[2]。雖然生物型假體的比例逐年上升，但是同年瑞典仍有57.5%的初次全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty,THA）使用了全骨水泥型假體[3]。骨水泥具有成本較低、性質(zhì)穩(wěn)定、易于塑形等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在著機(jī)械性能不佳、凝固過(guò)程大量放熱等不足[4]。無(wú)菌性松動(dòng)和感染等并發(fā)癥的發(fā)生與骨水泥密切相關(guān)[5]。因而，需要對(duì)骨水泥材料進(jìn)行更多研究和改進(jìn)，以改善固定效果、延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)壽命。近年來(lái)，隨著生物力學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和關(guān)節(jié)置換手術(shù)量的增加，對(duì)骨水泥性能的理論研究不斷深入，提出了多種改善骨水泥性能的方案，在彌補(bǔ)不足的同時(shí)拓展了其生物功能。本文從理論研究和實(shí)踐應(yīng)用入手，對(duì)如何改善骨水泥在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域的應(yīng)用效果進(jìn)行了綜述。

1 對(duì)骨水泥性能的理論研究

1.1 生物力學(xué)研究

作為假體與骨質(zhì)之間的填充物，骨水泥在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的載荷包括壓力、彎曲、牽張、剪切等多種復(fù)雜作用，以往只能從材料學(xué)參數(shù)出發(fā)進(jìn)行概略的分析，例如既往研究表明，骨水泥的抗壓強(qiáng)度和彈性模量顯著高于松質(zhì)骨，降低骨水泥的彈性模量能夠有效減少應(yīng)力遮擋，減少無(wú)菌性松動(dòng)的發(fā)生[6]。隨著有限元分析等生物力學(xué)方法的發(fā)展，計(jì)算骨水泥層不同位置的受力情況成為可能。Belgherras等[7,8]根據(jù)既往測(cè)定的正常步行、上、下樓梯、坐下、起立五種最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)中股骨受力情況，建立了股骨柄及周?chē)撬鄬邮芰Φ娜S模型，發(fā)現(xiàn)骨水泥最易產(chǎn)生裂紋的部位是股骨近端前部，在上樓梯時(shí)產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)最高。Celik等[9]利用患者CT數(shù)據(jù)建立了類似模型，認(rèn)為骨水泥層在較高壓力下產(chǎn)生的微小裂紋是導(dǎo)致無(wú)菌性松動(dòng)的重要誘因。既往對(duì)尸體的解剖研究曾在股骨柄周?chē)撬鄬觾?nèi)發(fā)現(xiàn)大量空洞[10]，Rachid等[11]分析認(rèn)為此類空洞可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，增加骨水泥層發(fā)生松動(dòng)甚至碎裂的風(fēng)險(xiǎn)。骨水泥在使用時(shí)有可能混入骨渣等微小雜質(zhì)，Mohamed等[12]分析了此類雜質(zhì)對(duì)骨水泥層受力的影響，雜質(zhì)顆粒較鋒利的邊緣附近是應(yīng)力集中區(qū)域，容易在單腿負(fù)重時(shí)產(chǎn)生裂紋。根據(jù)以上分析，改進(jìn)骨水泥技術(shù)，盡可能消除骨水泥層內(nèi)的雜質(zhì)和空洞，在關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期限制上樓梯、單腿負(fù)重的運(yùn)動(dòng)對(duì)于減少無(wú)菌性松動(dòng)的發(fā)生具有重要意義。

針對(duì)如何改進(jìn)假體以增強(qiáng)骨水泥固定效果，同樣進(jìn)行了模擬研究。Jamari等[13]建立了髖臼及周?chē)撬嗟氖芰δＰ?，發(fā)現(xiàn)在髖臼組件和骨水泥之間添加金屬緩沖層有助于減少骨水泥所受沖擊，防止裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而減少無(wú)菌性松動(dòng)。Solmaz等[14]以股骨頭置換假體為例，發(fā)現(xiàn)增加頸干角可以降低假體與骨質(zhì)間的應(yīng)力，從而減少對(duì)骨水泥層的損傷。為了預(yù)防人工髖關(guān)節(jié)股骨柄間隔器治療感染時(shí)的斷裂，Salah等[15]分析了在骨水泥內(nèi)添加金屬加強(qiáng)桿的可能性，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)桿必須具有摩擦系數(shù)低、壓縮模量高的特點(diǎn)，并計(jì)算得出8.2 mm厚的生物陶瓷制“股骨柄狀加強(qiáng)桿”力學(xué)性能最好。此類分析在理論上均取得了較理想的結(jié)果，但缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，尚待進(jìn)一步研究。

1.2 理化性質(zhì)研究

凝固放熱是骨水泥最顯著的理化特征之一。由于PMMA的聚合屬于放熱反應(yīng)，骨水泥凝固時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的溫度上升。根據(jù)ISO5833:2002國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，骨水泥凝固過(guò)程中的最高溫度不得超過(guò)（90±5）℃，顯然超過(guò)了人體組織耐受的極限。以往研究認(rèn)為，骨水泥凝固釋放的熱量與骨折和骨壞死有關(guān)[16]，但是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究大多根據(jù)體外實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)，與體內(nèi)條件存在較大差異。Druga等[17]采用體外模具進(jìn)行模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)骨水泥凝固過(guò)程最高溫度可達(dá)77.2℃。Li等[18]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，骨水泥層越厚凝固過(guò)程的峰值溫度越高，當(dāng)骨水泥層厚度為7 mm時(shí)，骨水泥-骨界面的峰值溫度達(dá)55℃，但骨水泥厚度減為3 mm時(shí)，峰值溫度降為43℃。Kurata等[19]進(jìn)一步進(jìn)行了模擬體內(nèi)研究：將成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在體外高溫環(huán)境下培養(yǎng)，得出了其細(xì)胞損傷速率和溫度的曲線，再利用CT數(shù)據(jù)構(gòu)建人膝關(guān)節(jié)有限元模型分析脛骨平臺(tái)部分骨水泥凝固過(guò)程的溫度變化。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，放熱足以導(dǎo)致細(xì)胞損傷，但高溫僅在骨水泥界面下1 mm以內(nèi)出現(xiàn)，局限于脛骨平臺(tái)的小部分，其影響基本可以忽略。

1.3 生物相容性研究

骨水泥被認(rèn)為具有“生物惰性”，對(duì)骨組織的生長(zhǎng)無(wú)促進(jìn)作用。進(jìn)一步研究顯示，將取自健康人的原代成骨細(xì)胞在骨水泥培養(yǎng)基上培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制，表現(xiàn)為細(xì)胞數(shù)量和DNA總量減少，堿性磷酸酶活性降低，細(xì)胞凋亡因子Cas3/7水平升高，其中詳細(xì)的分子機(jī)制尚待進(jìn)一步研究[20]。假體周?chē)侨芙獗徽J(rèn)為是導(dǎo)致無(wú)菌性松動(dòng)和假體周?chē)钦鄣闹匾?，但?duì)于骨溶解發(fā)生的具體機(jī)制尚不明確。對(duì)取自尸體的20例TKA脛骨平臺(tái)標(biāo)本觀察發(fā)現(xiàn)[21]，骨水泥交聯(lián)的骨量隨著植入時(shí)間延長(zhǎng)而減少（P=0.0114），在骨水泥層內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了孤立的骨塊，推測(cè)骨溶解是骨-骨水泥界面附近的破骨細(xì)胞活動(dòng)所致，該過(guò)程可能始于骨-骨水泥界面，逐漸向骨水泥深層進(jìn)展。假體周?chē)侨芙獾陌l(fā)生也被認(rèn)為可能與骨水泥使用中產(chǎn)生的磨損碎屑有關(guān)。將人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞與PMMA微粒共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)PMMA微粒可被軟骨細(xì)胞吞噬，并抑制細(xì)胞生長(zhǎng)[22]。巨噬細(xì)胞也是人體吞噬PMMA微粒的細(xì)胞之一。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠原樣巨噬細(xì)胞受體（macrophage receptor with collagenous structure,MARCO）是巨噬細(xì)胞吞噬PMMA顆粒的主要結(jié)合受體，該受體的表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，PMMA顆粒與該受體結(jié)合后能通過(guò)Syk依賴的信號(hào)通路等方式引起炎癥因子表達(dá)增加，同時(shí)促進(jìn)CXCL9/10/11等基因的表達(dá)，抑制MRC1、CCL13等基因的表達(dá)，從而使巨噬細(xì)胞向M1型（炎癥型）而非M2型（一般型）轉(zhuǎn)化[23,24]，可能通過(guò)引發(fā)局部炎癥誘導(dǎo)骨溶解產(chǎn)生。

2 改善骨水泥性能的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 對(duì)骨水泥本身的改進(jìn)

2.1.1 調(diào)整固液比例：骨水泥分為粉劑（主要為PMMA）和液劑（主要為未聚合的MMA單體）部分，使用時(shí)將兩者混合引發(fā)聚合反應(yīng)?；旌蠒r(shí)的固/液比例、環(huán)境溫度等對(duì)骨水泥性能有較大影響。體外實(shí)驗(yàn)表明，骨水泥抗壓強(qiáng)度隨接觸體液時(shí)間增長(zhǎng)而降低，偏離說(shuō)明書(shū)規(guī)定比例提高或降低粉劑和液劑的添加比均不會(huì)顯著影響骨水泥抗壓強(qiáng)度，但是降低固液比會(huì)在骨水泥吸水后加快抗壓強(qiáng)度的下降，只有按規(guī)定比例混合骨水泥才能在30 d模擬體液浸泡后依舊符合抗壓標(biāo)準(zhǔn)，因此正確混合骨水泥和限制早期負(fù)重是預(yù)防無(wú)菌性松動(dòng)的重要手段[25]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，分別按1∶1、2∶1、3∶1的固-液質(zhì)量比混合時(shí)，骨水泥抗壓強(qiáng)度逐漸提高、凝固過(guò)程最高溫度逐漸下降、面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間明顯縮短，真空攪拌則可明顯提高骨水泥抗壓強(qiáng)度[26]。

2.1.2 調(diào)節(jié)水泥黏度：PMMA的類似物甲基丙烯酸（methacrylate,MA）等也可參加PMMA的聚合反應(yīng)，并改變最終骨水泥成品的黏度。體外實(shí)驗(yàn)表明，高黏度骨水泥的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較好，與普通骨水泥相比其混合時(shí)間、面團(tuán)時(shí)間縮短[27]，有助于縮短手術(shù)時(shí)間。低黏度骨水泥則被認(rèn)為有利于骨水泥槍注射，能夠更好的滲入骨質(zhì)，減少無(wú)菌性松動(dòng)，但可能導(dǎo)致假體下沉。J?rgensen等[28]通過(guò)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2年隨訪后，低黏度骨水泥在髖關(guān)節(jié)股骨柄沉降和患者評(píng)分方面與作為對(duì)照的普通骨水泥無(wú)明顯差異，可以用于股骨柄固定。

2.2 對(duì)假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)

相比于骨水泥-骨界面，假體-骨界面受到的關(guān)注較少，但也是影響人工關(guān)節(jié)效果的重要因素。為減少無(wú)菌性松動(dòng)，增強(qiáng)骨水泥與假體的結(jié)合，曾開(kāi)發(fā)在假體表面預(yù)涂PMMA涂層的股骨柄。Kim等[29]對(duì)接受此類假體植入的患者進(jìn)行了回顧性研究，入組患者平均隨訪時(shí)間為13年，24.7%（18/73）的患者出現(xiàn)了無(wú)菌性松動(dòng)并全部接受了翻修手術(shù)，手術(shù)時(shí)年齡較小（P=0.013）和水泥固定技術(shù)不佳（P＜0.001）是導(dǎo)致無(wú)菌性松動(dòng)的重要因素，但即便在固定良好的情況下，翻修率仍高達(dá)13.1%，因而預(yù)涂PMMA對(duì)減少無(wú)菌性松動(dòng)并無(wú)作用。

2.3 通過(guò)添加其他物質(zhì)改善性能

2.3.1 金屬材料：在骨水泥中添加金屬微粒被發(fā)現(xiàn)有利于改善機(jī)械強(qiáng)度、提高生物相容性。將鎂顆粒加入骨水泥中，骨水泥-骨界面處接觸體液的鎂降解后形成利于骨整合的多孔表面，骨水泥層內(nèi)的鎂則可改善機(jī)械性能，同時(shí)鎂在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出促進(jìn)成骨細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞生成、抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的作用，但加入過(guò)多的鎂會(huì)降低抗壓強(qiáng)度[30]?；陬愃频脑恚瑢⒓{米金顆粒、二氧化鈦活性纖維加入骨水泥可分別增加抗菌活性、促進(jìn)骨整合，同時(shí)提高骨水泥抗壓強(qiáng)度[31,32]。采用銀器進(jìn)行殺菌防腐有著悠久的歷史，含有銀微粒的骨水泥間隔器已被實(shí)驗(yàn)性臨床應(yīng)用。針對(duì)其安全性的前瞻性對(duì)照研究顯示[33]，銀在體內(nèi)主要依靠腎臟代謝，血液銀離子濃度極低，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)特殊并發(fā)癥，證實(shí)其具備良好安全性。將銀納米絲和殼聚糖共同加入骨水泥進(jìn)行體外性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)加入1%的銀納米絲即可使骨水泥擁有抗金黃色葡萄球菌活性，且不影響細(xì)胞活性，加入10%～20%的殼聚糖可降低骨水泥聚合最高溫度并保留機(jī)械性能，但是會(huì)促進(jìn)細(xì)菌生物膜的形成，銀與殼聚糖合用則可取長(zhǎng)補(bǔ)短，降低聚合溫度的同時(shí)更加促進(jìn)銀離子釋放[34]。某些重金屬元素雖具備一定生物活性，但其毒性值得警惕。將含銅生物活性玻璃均勻分散在PMMA中，其在模擬體液中的浸出液含銅離子，對(duì)表皮葡萄球菌具有明顯抗菌作用，同時(shí)骨水泥抗壓強(qiáng)度可滿足使用要求[35]，但缺乏針對(duì)銅離子毒性的安全評(píng)價(jià)，故該材料是否適合臨床應(yīng)用尚待研究。

2.3.2 無(wú)機(jī)非金屬材料：體外實(shí)驗(yàn)表明，在骨水泥中添加鈦粉、鐵粉、硅粉都能夠提高骨水泥抗壓強(qiáng)度，以硅粉效果最佳[36]，可作為用于人工關(guān)節(jié)的備選材料。石墨烯、碳納米管等碳基材料加入骨水泥的體外和動(dòng)物研究表明[37-40]，石墨烯與氧化石墨烯都能夠改善骨水泥的機(jī)械性能，提高屈服強(qiáng)度、提高耐磨性能、抑制水泥層內(nèi)裂縫的產(chǎn)生、降低骨水泥聚合反應(yīng)的溫度，發(fā)揮這些效果的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)石墨烯類在骨水泥內(nèi)的均勻分散，但石墨烯類物質(zhì)可以清除骨水泥中的自由基，抑制聚合反應(yīng)，導(dǎo)致未參加反應(yīng)的毒性單體增多；氨基化石墨烯在具備以上特性的同時(shí)，可以促進(jìn)骨整合、抑制細(xì)胞的氧化應(yīng)激；多壁碳納米管則可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和分化，促進(jìn)骨水泥與周?chē)墙M織的骨整合。對(duì)氧化石墨烯-殼聚糖-PMMA骨水泥的體外測(cè)試表明添加比例為25%時(shí)可明顯改善骨水泥抗壓強(qiáng)度、壓縮模量和屈服強(qiáng)度，降低凝固溫度，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明該骨水泥還具備促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、增殖的作用[41]。其他石墨烯類與殼聚糖聯(lián)合加入對(duì)骨水泥性能的影響尚待進(jìn)一步研究。磷酸鈣骨水泥等其他種類的骨水泥也被實(shí)驗(yàn)性的加入PMMA骨水泥。根據(jù)生理比例將65%的三磷酸鈣和35%的殼聚糖混合后按不同質(zhì)量比加入PMMA骨水泥，在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該復(fù)合骨水泥在保留機(jī)械性能的同時(shí)降低了聚合放熱、改善了生物相容性，可以通過(guò)逐步降解形成多孔表面，促進(jìn)骨水泥與骨界面的整合[42]。

2.3.3 抗生素：感染是嚴(yán)重影響人工關(guān)節(jié)效果的并發(fā)癥，抗生素骨水泥是預(yù)防和治療人工關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜慕?jīng)典措施[43]。隨著細(xì)菌耐藥性的增強(qiáng)，除了慶大霉素、萬(wàn)古霉素等傳統(tǒng)抗生素外，一些新型抗生素也被加入骨水泥。體外實(shí)驗(yàn)顯示，第五代頭孢菌素頭孢洛林可從骨水泥中洗脫，對(duì)耐甲氧西林的金黃色葡萄球 菌（methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA）效果較好。按3%比例制備的頭孢洛林-PMMA骨水泥，其體外洗脫液中抗生素濃度可保持在MRSA的最小抑菌濃度以上達(dá)6周[5]。替考拉寧與萬(wàn)古霉素同屬糖肽類抗生素，對(duì)含替考拉寧的膝關(guān)節(jié)骨水泥間隔器的臨床研究顯示，術(shù)后平均隨訪時(shí)間為（39.8±12.5）個(gè)月，入組患者有36%（9/25）為耐甲氧西林的表皮葡萄球菌感染，12%（3/25）為MRSA感染，最后一次隨訪總體感染清除率為96%（24/25）[9]。

為了增強(qiáng)抗感染能力，多抗生素骨水泥也成為重要研究方向。不同抗生素同時(shí)添加時(shí)對(duì)藥物洗脫具有協(xié)同作用。體外洗脫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將萬(wàn)古霉素、妥布霉素和慶大霉素加入PMMA時(shí)，增加加入抗生素的種類可使每種抗生素的釋放速率和釋放量均增加[17]。但由于抗生素不能參加甚至抑制聚合反應(yīng)，添加抗生素會(huì)影響骨水泥的機(jī)械性能。例如，利福平分子結(jié)構(gòu)內(nèi)含有抑制PMMA聚合的氫醌結(jié)構(gòu)，將其直接加入骨水泥會(huì)導(dǎo)致凝固時(shí)間顯著延長(zhǎng)、毒性MMA單體釋放增加[44]。目前的臨床實(shí)踐中，多抗生素骨水泥主要以間隔器或珠鏈形式用于治療假體周?chē)腥?。Fang等[42]在骨水泥中添加萬(wàn)古霉素或替考拉寧，以及頭孢他啶、亞胺培南、氨曲南中的任意一種構(gòu)成雙抗生素骨水泥，通過(guò)體外抗菌實(shí)驗(yàn)選取8例假體周?chē)腥净颊唧w內(nèi)，測(cè)量關(guān)節(jié)液抗生素濃度及活性。結(jié)果表明萬(wàn)古霉素+頭孢他啶的抗菌結(jié)果最佳，無(wú)論在體外模擬體液還是患者關(guān)節(jié)液中均表現(xiàn)出廣譜抗菌能力。在Riesgo等[43]對(duì)慶大霉素-克林霉素-PMMA骨水泥效果的前瞻性對(duì)照研究中，患者被分為兩組：一組是由于感染接受翻修手術(shù)，另一組則是由于無(wú)菌性松動(dòng)接受返修或行初次置換，但都被認(rèn)為存在較高感染風(fēng)險(xiǎn)。5年隨訪顯示所有患者未出現(xiàn)新發(fā)感染。Funk等[44]對(duì)含達(dá)托霉素和妥布霉素的骨水泥珠鏈臨床效果的回顧性研究顯示，耐甲氧西林葡萄球菌感染治愈率為92%（11/12），甲氧西林敏感葡萄球菌感染治愈率為62%（13/21），關(guān)節(jié)液抗生素濃度測(cè)定提示加入妥布霉素可以促進(jìn)達(dá)托霉素的釋放。

2.3.4 其他藥物：腫瘤型假體關(guān)節(jié)置換是骨腫瘤手術(shù)后恢復(fù)肢體功能的重要手段，在骨水泥中添加抗腫瘤藥物有望實(shí)現(xiàn)局部給藥，增強(qiáng)抗腫瘤效果。體外實(shí)驗(yàn)中，阿侖膦酸鹽雖然對(duì)骨水泥抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等機(jī)械性能影響較小，但會(huì)顯著降低疲勞壽命（17%～27%）、增加孔隙率（5～7倍），使骨水泥無(wú)法用于承重部位[45]。加入唑來(lái)膦酸的骨水泥則在動(dòng)物模型中對(duì)骨肉瘤、纖維肉瘤、滑膜肉瘤及多種骨轉(zhuǎn)移瘤的病灶具有明顯抗腫瘤作用，同時(shí)暫未表現(xiàn)出全身毒性，但其機(jī)械性能等相關(guān)特征仍需進(jìn)一步研究[46]。部分研究試圖通過(guò)添加特定成分減低骨水泥對(duì)周?chē)M織的損傷。通過(guò)計(jì)算機(jī)篩選，甲硫氨酸被認(rèn)為是消除骨水泥中殘余自由基和毒性單體的候選物質(zhì)，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其與骨水泥具有親和力，添加2%以上即有良好抗氧化能力，并可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和增殖[47]。

2.4 對(duì)骨水泥技術(shù)的改進(jìn)

骨水泥開(kāi)始應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科以來(lái)，為改善應(yīng)用效果，先后發(fā)展出三代應(yīng)用技術(shù)：第一代骨水泥技術(shù)采用手工攪拌骨水泥，手動(dòng)涂抹、填充骨水泥的方法，骨水泥層可能混入雜質(zhì)和氣泡，厚度也難以保證；第二代骨水泥技術(shù)改用低黏度骨水泥，使用加壓骨水泥槍和髓腔栓確保骨水泥層對(duì)骨的穿透力；第三代骨水泥技術(shù)用真空離心攪拌取代傳統(tǒng)手工攪拌，降低了水泥層孔隙率，加用髓腔沖洗和假體中置器，以消除骨水泥層內(nèi)的雜質(zhì)和厚度不一問(wèn)題[48]。新的骨水泥技術(shù)仍處在改進(jìn)之中。Sodhi等[49]用無(wú)菌注射器代替手向膝關(guān)節(jié)或髕骨假體涂抹骨水泥，前瞻性隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用注射器的平均凝固時(shí)間[（15.1±1.7）min]短于傳統(tǒng)的骨水泥碗內(nèi)攪拌[（16.8±2.1）min]（P＜0.0001），并且更易控制。對(duì)8年間683例TKA患者術(shù)中環(huán)境溫度及骨水泥凝固時(shí)間的分析發(fā)現(xiàn)，二者呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.423）。溫度一定時(shí)測(cè)得的凝固時(shí)間數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，說(shuō)明降低環(huán)境溫度有助于延長(zhǎng)骨水泥凝固時(shí)間，但溫度并不是唯一影響因素[50]。止血帶曾被認(rèn)為對(duì)促進(jìn)骨水泥滲入有效，Vertullo和Nagarajan[51]進(jìn)行了單盲、隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，患者分為兩組，一組在置入骨水泥前應(yīng)用充氣式止血帶，另一組則僅放止血帶不充氣，術(shù)后第一天進(jìn)行X線檢查，通過(guò)測(cè)量影像學(xué)結(jié)果得出骨水泥滲入骨質(zhì)的深度，結(jié)果表明使用充氣式止血帶不能改善骨水泥的滲入。

骨水泥涂抹在假體上的時(shí)機(jī)、部位和厚度也是下一代骨水泥技術(shù)致力改進(jìn)的方面。Billi等[52]利用體外模型驗(yàn)證了多種涂抹方式對(duì)脛骨假體和骨水泥結(jié)合強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，按照偏早（骨水泥黏性仍較低時(shí)，為混合開(kāi)始后2～3 min）、正常（按廠家推薦條件使用，為混合開(kāi)始后5～7.5 min）、偏晚（為混合開(kāi)始后9～11 min）三種時(shí)機(jī)涂抹骨水泥時(shí)，涂抹越早，假體與骨水泥的結(jié)合強(qiáng)度越高；在骨水泥與脛骨假體之間混入脂肪時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度下降至接近零的水平，而假體的下表面預(yù)涂一層骨水泥可將結(jié)合強(qiáng)度的下降率控制在43%～65%；相比于只在脛骨假體涂抹骨水泥，同時(shí)在假體和截骨面涂抹水泥也可顯著提高二者結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)于骨水泥型THA，以往要求股骨柄假體周?chē)撬嗪穸刃柚辽龠_(dá)到2 mm，以減少水泥層裂縫、減少無(wú)菌性松動(dòng)[53]。但是在“線對(duì)線”（line-toline）技術(shù)中，采取了完全相反的原則：采用與骨髓腔同樣號(hào)碼的股骨假體，通過(guò)假體的壓配減小骨水泥厚度。一項(xiàng)研究顯示，在平均20.6年隨訪后，采用“線對(duì)線”技術(shù)的假體在長(zhǎng)期隨訪中取得了（88.67±6.61）%的生存率[54]。Kutzner等[55]通過(guò)尸體股骨模型和專門(mén)設(shè)計(jì)的短股骨柄假體，分別以常規(guī)骨水泥技術(shù)和“線對(duì)線”技術(shù)進(jìn)行模擬假體植入，分析發(fā)現(xiàn)兩種固定技術(shù)在穩(wěn)定性、沉降率等方面無(wú)明顯差異，但是對(duì)股骨模型橫截面觀察發(fā)現(xiàn)，股骨矩處骨水泥層極薄，遠(yuǎn)期是否會(huì)造成假體周?chē)钦廴源^察。

3 小結(jié)

近年來(lái)關(guān)于骨水泥基本特性的研究不斷深入，改善其性能的方法不斷涌現(xiàn)，相關(guān)臨床應(yīng)用也不斷拓展，但很多問(wèn)題尚待繼續(xù)研究，目前研究的主要缺憾包括：①相關(guān)研究主要以體外模擬實(shí)驗(yàn)為主，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少；②不同研究使用的骨水泥品牌和規(guī)格各不相同，且環(huán)境溫度、氣壓、混合方式等影響因素并不一致，結(jié)果缺乏可比性；③目前評(píng)價(jià)骨水泥性能以材料學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為主，缺乏對(duì)生物相容性、骨整合能力等生物活性功能的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)，對(duì)骨水泥的研究將向以下三個(gè)方面轉(zhuǎn)變：①通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)積累的總結(jié)，提出從材料性能、生物活性、操作便捷程度等多個(gè)角度系統(tǒng)評(píng)價(jià)骨水泥性能的新標(biāo)準(zhǔn)、新方法；②將更多具有潛力的添加物質(zhì)用于進(jìn)一步動(dòng)物和臨床試驗(yàn)，加快基礎(chǔ)成果向臨床轉(zhuǎn)化；③完善計(jì)算機(jī)模擬分析模型，綜合分析、預(yù)測(cè)骨水泥在物理、化學(xué)、生物等方面的性質(zhì)，從而更具有針對(duì)性的改進(jìn)。隨著醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，骨水泥在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域必將有更加廣泛的應(yīng)用前景。