磷酸鈣骨水泥的研究進(jìn)展*

余 積，朱曉明，劉小玲，2**，孟令旺，壽曦緣

(1.湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院；3.輻射化學(xué)與功能材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

先天性缺陷、創(chuàng)傷、感染、腫瘤以及退行性骨關(guān)節(jié)疾病等引起的骨缺損，雖然通過(guò)自體骨、異體骨和異種骨移植可以解決，但自體骨移植需二次手術(shù)，給患者帶來(lái)痛苦，異體骨和異種骨移植會(huì)在患者體內(nèi)出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象[1]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在尋找一種新型的骨修復(fù)材料。在此之前所采用的聚甲基丙烯酸甲酯(polym-ethyl methacrylate，PMMA)因生物相容性差，無(wú)法與骨組織形成骨性愈合，而且在其固化的過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量使周圍的組織細(xì)胞損傷，降解產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性，從而不能廣泛應(yīng)用在骨修復(fù)手術(shù)中[2]，具有與天然骨組織組成相似的磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)因其良好的生物相容性、骨誘導(dǎo)性及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是將來(lái)臨床應(yīng)用最具潛力的生物材料之一。與其他傳統(tǒng)的骨修復(fù)材料相比，CPC的使用方法較為簡(jiǎn)單，只需將其固相粉體與固化液按一定比例混合，自行固化后就能達(dá)到一定的強(qiáng)度，而且還具有優(yōu)良的可塑性，能根據(jù)骨缺損的形狀利用3D打印進(jìn)行個(gè)性化定制和精密塑形，適合未來(lái)臨床操作的需求，是一種發(fā)展前景良好的骨修復(fù)材料。

1 CPC概述

1.1 CPC定義

1986年Brown和Chow發(fā)明了自固化CPC，是骨修復(fù)領(lǐng)域的重大進(jìn)程[3]。CPC由固、液兩相組成，固相是磷酸三鈣(TCP)、磷酸四鈣(TTCP)、二水磷酸氫鈣(DCPD)、磷酸二氫鈣(MCPM)及無(wú)水磷酸氫鈣(DCPA)等磷酸鈣鹽中兩種或多種組合制成，液相可以是水或磷酸鹽的溶液。固相與液相按照一定比例混合后就能達(dá)到任意塑形目的，CPC具有可注射性和自行固化能力以及力學(xué)性能，而且CPC在固化過(guò)程中釋放的熱量少，對(duì)周圍組織損傷小，相比PMMA骨水泥聚合釋放高熱量而言具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。

1.2 CPC的性能及特點(diǎn)

1.2.1 易塑形性

由于骨缺損因人而異，因此，無(wú)法事先設(shè)計(jì)出替代物的形狀將其投入使用。在某些情況下，骨缺損的形狀是相當(dāng)復(fù)雜的，因此，更難制造精確缺損處替代物。CPC與傳統(tǒng)的支架或結(jié)構(gòu)相比，是一種非牛頓流體，能夠在使用時(shí)形成所需的形狀，滿足使用過(guò)程中的限制需求[5]。同時(shí)，固化成型后，可使固體制品保持特定的形狀不發(fā)生變化。

1.2.2 生物相容性

CPC水化反應(yīng)后的最終產(chǎn)物是羥基磷灰石或透鈣磷石。在大多數(shù)產(chǎn)品中，羥基磷灰石通常是自固化反應(yīng)最終階段的產(chǎn)物。羥基磷灰石是天然骨中的主要無(wú)機(jī)成分，其水化產(chǎn)物具有良好的生物相容性和生物安全性[6]。水化產(chǎn)物與周圍組織共存，不會(huì)致組織變性或壞死，沒(méi)有明顯的炎癥反應(yīng)和免疫排斥現(xiàn)象。同時(shí)，由Ca2+和PO43-組成的降解產(chǎn)物無(wú)毒，不會(huì)引起正常生理過(guò)程中的病理改變或紊亂。沈晴昳等[7]研究表明CPC是一種無(wú)毒無(wú)熱源反應(yīng)且具有良好的生物活性和生物相容性的骨修復(fù)材料。

1.2.3 可降解性

由于水化反應(yīng)是在室溫或體溫下進(jìn)行的，在自固化過(guò)程中不涉及高溫。因此，磷酸鈣的最終產(chǎn)物通常是結(jié)晶度較低的羥基磷灰石。磷酸鈣材料的溶解度與結(jié)晶度密切相關(guān)，結(jié)晶度越高，溶解度越低。因此，水化產(chǎn)物結(jié)晶度低的材料具有較好的降解性，這是骨修復(fù)的一個(gè)重要因素。研究發(fā)現(xiàn)[8]，β-磷酸三鈣在生理溶液中降解速度更快。此外，孔隙度的增加提高了CPC與流體接觸的表面積，從而導(dǎo)致降解速度更快。通過(guò)調(diào)節(jié)骨水泥的降解性，可以實(shí)現(xiàn)新骨形成與骨水泥降解之間微妙而復(fù)雜的平衡，有利于患者的康復(fù)。

1.2.4 骨誘導(dǎo)性

骨誘導(dǎo)性是誘導(dǎo)成骨的能力，并通過(guò)非骨(異位型)位點(diǎn)骨的形成來(lái)證明。王京旗等[9]進(jìn)行了CPC生物性能的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，取新西蘭大白兔雙后腿外側(cè)髁進(jìn)行造模，在造模后4周、12周、24周處死取骨缺損周圍組織，染色處理后，進(jìn)行組織學(xué)評(píng)價(jià)，計(jì)算新骨生成率，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組新骨生成率明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明CPC可促進(jìn)成新骨生成，具有良好的骨誘導(dǎo)性。張鷹等[10]研究了CPC復(fù)合透明質(zhì)酸和姜黃素后對(duì)骨細(xì)胞增殖和成骨能力的影響，將成骨細(xì)胞與復(fù)合后的骨水泥一起培養(yǎng)，評(píng)估復(fù)合骨水泥對(duì)成骨細(xì)胞的影響，結(jié)果表明骨水泥可促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖，同時(shí)也能提高其成骨能力。

1.2.5 可注射性

注射性是影響CPC性能的重要因素之一。由于其特殊的流變性能，骨水泥首先形成一種可以成型的漿料，將其注射到特定部位后硬化，為修復(fù)部位提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度[11]。由于不需要復(fù)雜的處理，避免了二次損傷和相關(guān)傷害。相反，對(duì)于傳統(tǒng)的骨替代物，如支架和結(jié)構(gòu)，通常需要進(jìn)行二次手術(shù)，因?yàn)閷⑦@些替代物植入缺損部位并不容易。手術(shù)過(guò)程中，患者不時(shí)發(fā)生繼發(fā)性損傷，延長(zhǎng)患者的康復(fù)和住院時(shí)間。

1.3 CPC的應(yīng)用

用于胸腰段骨折的臨床治療，胸腰段椎體是脊柱骨折中發(fā)生率最高的部位，骨折后特別容易導(dǎo)致脊髓神經(jīng)損傷。孫彥豹等[12]通過(guò)回顧性分析60例患者，發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)皮椎弓根釘內(nèi)固定結(jié)合磷酸鈣傷椎強(qiáng)化治療胸腰段骨折可以改善患者胸腰椎功能防止術(shù)后椎體高度丟失，創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，是一種安全有效的手術(shù)方式。Ruskin等[13]將磁性CPC用于骨腫瘤的熱療法。由于四氧化三鐵(Fe3O4)具有良好的磁刺激響應(yīng)性，將Fe3O4和CPC復(fù)合后通過(guò)微創(chuàng)注射的方式植入骨腫瘤內(nèi)部，在交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)熱殺傷骨腫瘤。研究表明Fe3O4最佳摻入量產(chǎn)生的熱量應(yīng)在40℃～45℃。此外，這種含F(xiàn)e3O4的CPC具有較好的生物活性和細(xì)胞相容性。也有研究[14]在CPC固化液中添加抗腫瘤藥物或者抗生素，液相與骨水泥固相均與混合后，藥物在骨水泥中便能達(dá)到分布均勻的效果，將骨水泥填補(bǔ)到病變部位固化后，藥物將位于水化后晶體之間，并且可以通過(guò)連續(xù)擴(kuò)散方式釋放，這樣便能維持局部高劑量，從而有效控制和治愈癌癥，同時(shí)減少副作用。劉彥寧等[14]已經(jīng)探索了CPC和順鉑之間的最佳比例，結(jié)果表明，CPC/順鉑復(fù)合物不僅有利于骨缺損的修復(fù)，而且當(dāng)順鉑含量達(dá)到0.1%時(shí)，也限制了腫瘤的生長(zhǎng)。

2 CPC的改性研究

2.1 提高CPC的成骨能力

許多人工生物活性物質(zhì)被用來(lái)促進(jìn)肌肉骨骼組織的再生。其中，CPC作為一種可注射的無(wú)機(jī)生物材料已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷或病理?yè)p傷引起的骨折等臨床骨修復(fù)中。CPC具有低溫自固化、表觀孔隙率高、注射性好、骨傳導(dǎo)性好等特點(diǎn)，同時(shí)也可用作藥物載體。盡管如此，CPC的臨床應(yīng)用仍然受到其在骨修復(fù)中成骨能力差的限制，因此，提高CPC的成骨能力也是當(dāng)前骨水泥研究的重點(diǎn)之一。氨基酸是蛋白質(zhì)的重要組成部分，將賴氨酸、N-乙酰半胱氨酸、谷氨酸整合到CPC中以提高其成骨能力。也有研究[15]引入生物活性離子，鍶離子(Sr2+)、鋅離子(Zn2+)、鎂離子(Mg2+)、錳離子(Mn2+)等，來(lái)誘導(dǎo)骨缺損區(qū)域的細(xì)胞分泌成骨相關(guān)蛋白促進(jìn)成骨、分泌血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等促進(jìn)生成血管的細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等)形成新血管，從而提高骨組織的原位修復(fù)[16]。另外有研究[17]表明硅(Si)對(duì)軟骨和黏多糖的形成有利，能促進(jìn)骨組織的形成、骨缺損的修復(fù)。在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中，膳食性Si缺乏會(huì)導(dǎo)致骨的異常生長(zhǎng)，膠原形成減少和生長(zhǎng)遲緩。硅在生物礦化的初期階段可作為鈣化的活性位點(diǎn)在鈣化的后期階段會(huì)以水合硅酸的形式[Si(OH)4]誘導(dǎo)羥基磷灰石(HA)從電解質(zhì)溶液中沉淀[18]。Si對(duì)細(xì)胞活性有刺激作用，如促進(jìn)類成骨細(xì)胞的增殖和分化，成骨細(xì)胞的礦化和間質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化等[19]。

2.2 改善CPC的機(jī)械強(qiáng)度

現(xiàn)代生物醫(yī)用材料應(yīng)該具有刺激機(jī)體自我修復(fù)的能力，在機(jī)體愈合過(guò)程中，骨組織逐漸取代移植物，但是在這個(gè)過(guò)程中又不能失去機(jī)械支撐。單一的CPC強(qiáng)度較低，易發(fā)生脆性斷裂，這一缺點(diǎn)使CPC僅用于非承重方面，因此，要設(shè)法增強(qiáng)CPC的力學(xué)強(qiáng)度。CPC的力學(xué)強(qiáng)度與孔隙度密切相關(guān)，強(qiáng)度隨孔隙度的降低而增大，Ishikawa等[20]通過(guò)調(diào)整CPC的臨界孔隙率來(lái)獲得理想的機(jī)械強(qiáng)度。采用不同固液比CPC漿料，在不同壓力(0～173MPa)下，將不同孔隙度的CPC裝入模具，結(jié)果表明，CPC的力學(xué)強(qiáng)度(直徑拉伸強(qiáng)度，DTS)隨孔隙率的降低而增大。但是，適當(dāng)?shù)目紫堵视欣诩?xì)胞的生長(zhǎng)和存活，不應(yīng)盲目降低孔隙率以增加強(qiáng)度。另一種改善CPC力學(xué)性能的方法是將復(fù)合材料滲透到多孔結(jié)構(gòu)中。研究人員發(fā)現(xiàn)[21]，纖維的加入可以提高材料的強(qiáng)度和抗斷裂性能，在一項(xiàng)研究中，使用體積分?jǐn)?shù)為5.7%，纖維長(zhǎng)度為75mm的三種不同的纖維來(lái)復(fù)合CPC，分別為芳綸、碳、E-玻璃；復(fù)合后的極限強(qiáng)度：芳綸為(62±16)MPa，碳為(59±11)MPa，E-玻璃為(29±8)MPa。相比之下，未添加復(fù)合材料的CPC的極限強(qiáng)度為(13±3)MPa。此外，纖維長(zhǎng)度和纖維體積分?jǐn)?shù)也為關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)控制CPC復(fù)合材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料的極限強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)。有研究在CPC中添加硅酸鹽提高機(jī)械抗壓強(qiáng)度，Motisuke等[22]將以α-磷酸三鈣為基本原料制備出CPC將其與一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅酸鈣進(jìn)行復(fù)合，并對(duì)復(fù)合后的α-磷酸三鈣/硅酸鈣骨水泥進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，當(dāng)未添加硅酸鈣時(shí)，α-磷酸三鈣骨水泥具有較低的機(jī)械強(qiáng)度為14.5MPa，當(dāng)添加5%的硅酸鈣時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最大為50.4MPa，當(dāng)添加量達(dá)到10%時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度較前開(kāi)始降低，但仍高于傳統(tǒng)CPC。也有研究[23]在CPC中添加納米二氧化鈦和無(wú)定形納米硅發(fā)現(xiàn)其力學(xué)強(qiáng)度明顯改善，而CPC的其他性能不受影響。

2.3 提高CPC的降解速率

CPC具有良好的性能，被廣泛應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)中，但由于CPC降解速度慢，限制了其在組織工程中的應(yīng)用。提高CPC降解速度也是其應(yīng)用過(guò)程中要克服的一個(gè)缺點(diǎn)。Pooput等[24]采用快速降解麥芽糊精微帶(MDMS)制備管狀大孔CPC，并探討其固化時(shí)間、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及降解性等性能。結(jié)果表明，在生理?xiàng)l件下將MDMS包埋的復(fù)合材料浸泡于模擬體液1d，MDMS大孔骨水泥迅速分解70%以上，并在一周內(nèi)完全降解。隨著MDMS的降解，CPC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度平均值降低。孔隙率和孔隙連通度隨MDMS含量的增加而增加。此外，MDMS包覆的CPC有良好的細(xì)胞粘附性，極可能成為骨移植的替代品。Zhu等[25]制備出含鍶CPC(Sr-CPC)并研究了Sr-CPC在不同Sr含量下的體外降解速率、微觀結(jié)構(gòu)演變、固化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等，最后發(fā)現(xiàn)固化后的骨水泥是由纏結(jié)的Sr-HAP針狀納米和鵝卵石狀的Sr-β-TCP亞微米顆粒組成。Sr含量對(duì)CPC的相組成、抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、體外降解率有顯著影響。隨著Sr含量的增加，降解速率顯著增加，當(dāng)添加4%Sr時(shí)，在模擬體液中水化24h后，復(fù)合骨水泥降解64%以上，預(yù)期在CPC中引入Sr是改善其降解性能的有效策略。

3 總 結(jié)

CPC因?yàn)槠渲T多的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)，但也因?yàn)槠淠壳按嬖诘囊恍┎蛔阆拗扑呐R床應(yīng)用。提高CPC的成骨能力、機(jī)械強(qiáng)度以及降解速率進(jìn)一步優(yōu)化骨水泥的綜合性能，使其滿足臨床應(yīng)用的需求將成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。