復(fù)合型磷酸鈣骨水泥的研究進(jìn)展

何晟亮，許錦煌，黃建榮*

(1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院，廣東 廣州 510700；2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院，廣東 廣州 511300)

因疾病、衰老或意外傷害而造成的骨組織缺損和破壞在臨床上屢見不鮮，尤其是衰老導(dǎo)致的脆性骨折。目前，中國(guó)已經(jīng)成為世界上老年人口規(guī)模最大的國(guó)家，且仍處于高速老齡化時(shí)期，中老年人群發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)病率為21.53%[1]。這種脆性骨折會(huì)導(dǎo)致大量骨質(zhì)丟失，不僅導(dǎo)致了骨缺損，還會(huì)造成后期內(nèi)固定的松動(dòng)脫出，這時(shí)就必須要用到骨填充材料來(lái)進(jìn)行填充修復(fù)。

磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、可塑形性、可注射性等優(yōu)點(diǎn)，已在臨床上應(yīng)用于骨組織替代和修復(fù)領(lǐng)域，被認(rèn)為是最具臨床應(yīng)用前景的骨修復(fù)材料之一。但CPC屬于無(wú)機(jī)鹽材料，脆性很高，機(jī)械強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)能力不足，臨床應(yīng)用范圍仍有局限，因此，進(jìn)一步改善CPC的力學(xué)性能對(duì)于拓寬其臨床應(yīng)用范圍非常重要[2]。如果在CPC中添加材料，使其具有PMMA的自凝固性及力學(xué)性能，又具有高效成骨能力，那么這種復(fù)合材料將能達(dá)到比較完美的臨床植骨材料的要求。為了達(dá)到以上目的，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者做了各種改性工作，目前正在探索的、具有一定代表性的添加材料包括無(wú)機(jī)類、有機(jī)類和生物類材料等。

1 CPC與無(wú)機(jī)材料復(fù)合

在CPC中添加無(wú)機(jī)材料制成的復(fù)合型骨水泥中，無(wú)機(jī)材料承受了大部分載荷。尤其是無(wú)機(jī)纖維類材料，在基體之中起到橋梁的作用，當(dāng)基體在無(wú)機(jī)纖維與基體界面發(fā)生斷裂時(shí)，無(wú)機(jī)纖維可以通過(guò)摩擦和橋梁的作用阻止裂紋擴(kuò)展，從而調(diào)整界面應(yīng)力，改善材料的力學(xué)性能。

1.1 玄武巖纖維

玄武巖纖維(basalt fiber，BF)是以天然玄武巖拉制而成的連續(xù)性纖維，是一種無(wú)機(jī)高性能纖維材料，由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成。

Li等[3]將BF加入到CPC骨水泥中，研究2wt%以內(nèi)的BF對(duì)CPC力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明，1wt% BF復(fù)合材料組的斷裂功(work of fracture，WOF)提升最為顯著，比CPC對(duì)照組提高了10倍；復(fù)合材料抗彎、抗壓強(qiáng)度提升不顯著，但WOF的提高明顯改善了CPC高脆性的缺點(diǎn)。這種復(fù)合材料不僅無(wú)細(xì)胞毒性，而且在一定程度上能夠刺激成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)粘附，證明了BF具有一定的細(xì)胞親和力。但在超過(guò)1wt%的BF復(fù)合材料組中，WOF又會(huì)隨纖維含量的升高而逐漸下降。這種現(xiàn)象可能是纖維的聚集作用導(dǎo)致的，BF分散性方面還需做進(jìn)一步的改良研究。

1.2 石墨烯

石墨烯(graphene oxide，GO)由二維共價(jià)鍵連接碳原子組成，是三維石墨和一維碳納米管的基本結(jié)構(gòu)單元。其固有強(qiáng)度和楊氏模量均超過(guò)其他任何材料[4]。此外，GO及其衍生物是非細(xì)胞毒性材料，甚至對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化有一定的增強(qiáng)作用[5]。

Wang等[6]對(duì)GO進(jìn)行還原氧化處理，制備還原氧化GO(RGO)，與CPC充分混合后加入碳納米管(CNTs)，制備不同含量RGO和CNTs的復(fù)合材料樣本，研究結(jié)果顯示，RGO和CNTs含量分別在0.2wt%和0.6wt%時(shí)，復(fù)合材料樣本的抗彎及抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別提高了67%和76%。此外，該復(fù)合材料的凝固時(shí)間大幅度縮短，更貼近了臨床中的實(shí)際應(yīng)用條件。Nasrollahi等[7]將天然石墨粉氧化，研究氧化GO對(duì)CPC骨水泥的機(jī)械強(qiáng)度和生物性能的影響，結(jié)果顯示，加入2wt%氧化石墨烯的復(fù)合材料，抗壓強(qiáng)度從12 MPa提高到42 MPa，且復(fù)合材料組堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性更高，提升了材料的成骨礦化能力。

1.3 碳纖維

Boehm等[8]用氧化性更強(qiáng)的王水處理碳纖維，使其對(duì)鈣具有更強(qiáng)的粘附性，再與CPC共混，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的WOF提高92倍，抗彎強(qiáng)度提高3倍，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的碳纖維對(duì)CPC的WOF的增幅僅達(dá)到處理過(guò)的碳纖維的1/3。作者認(rèn)為，經(jīng)過(guò)王水處理的碳纖維表面活性更高，能與CPC中的鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，而單純的碳纖維僅依靠纖維與基質(zhì)之間的摩擦拉拔作用對(duì)抗應(yīng)力。但研究也表明，處理過(guò)的碳纖維摻入含量高于1wt%之后，對(duì)復(fù)合材料的WOF不再提供較大的提升。

2 CPC與有機(jī)材料復(fù)合

骨骼的構(gòu)成成分不僅有無(wú)機(jī)物，還有少部分有機(jī)物，而骨的韌性很大程度上取決于骨組織中有機(jī)物的含量，因此，將有機(jī)物與CPC無(wú)機(jī)材料復(fù)合在一定程度上能夠更接近天然骨組織成分，并使復(fù)合材料的斷裂韌性能夠得到進(jìn)一步的改善。

2.1 聚乙烯醇纖維

由聚乙烯醇(polyvinyl alcohol fiber，PVA)制成的纖維已被成功地用于工程凝膠復(fù)合材料的增強(qiáng)。由于其較高的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量，PVA纖維使混凝土的延展性和斷裂韌性得到高度提升。鑒于PVA纖維在土木工程中的高效增強(qiáng)作用和良好的生物性能，近年來(lái)也有學(xué)者將其作為醫(yī)學(xué)材料運(yùn)用于骨水泥之中。

羅軍等[9]利用搖動(dòng)式攪拌機(jī)將PVA纖維與CPC混勻，通過(guò)三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料組的斷裂韌性提高3～5倍，但是骨水泥的抗壓強(qiáng)度反而隨PVA纖維含量的增加而降低，作者認(rèn)為是纖維聚集作用所致，也可能是PVA纖維過(guò)短(僅0.9 mm)，在CPC中并沒(méi)有起到摩擦拉拔的作用。

Ali等[10]選擇了長(zhǎng)度分別為8 mm和4 mm的PVA纖維作為增強(qiáng)相，三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，混合了8 mm長(zhǎng)度PVA纖維的復(fù)合材料，其斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度提高最為顯著，相較于無(wú)纖維CPC骨水泥對(duì)照組，8 mm PVA纖維復(fù)合材料組斷裂韌性提高28.7%，彎曲強(qiáng)度提高31.6%，拉伸強(qiáng)度提高20.2%；摻入4 mm PVA纖維的復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度提升并不顯著。作者認(rèn)為PVA纖維的嵌入長(zhǎng)度是影響CPC力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。

Kucko等[11]比較了具有親水性的PVAMini纖維及用疏水涂層處理過(guò)的PVAkur纖維對(duì)CPC的改性。研究表明，兩種纖維均使骨水泥的抗彎強(qiáng)度提高2倍以上，而PVAkur纖維使CPC的斷裂韌性提高435倍，但長(zhǎng)期來(lái)看，其會(huì)降低CPC的生物相容性；PVAMini纖維使CPC的斷裂韌性提高205倍，雖然不及PVAkur纖維對(duì)CPC增幅的一半，但不會(huì)影響CPC的生物相容性。與其他研究相比，該研究PVA纖維對(duì)CPC增強(qiáng)最為可觀，主要原因可能是樣本在固化過(guò)程中并非靜止不動(dòng)，而是在搖床上勻速旋轉(zhuǎn)，使纖維在樣本中均勻散布，避免了纖維的聚集作用；其次，6 mm的纖維長(zhǎng)度嵌入骨水泥中也會(huì)提供較好的摩擦拉拔作用。

Schickert等[12]不僅加入PVA纖維，提高CPC的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性，還加入了羧甲基纖維素，在不影響復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性的基礎(chǔ)上，改善了復(fù)合材料的可注射性，為這種新型復(fù)合材料替代聚甲基丙烯酸甲酯水泥(PMMA)在椎體壓縮性骨折中應(yīng)用提供了一定的可能性。

以上研究說(shuō)明將PVA纖維加入CPC中，可以顯著提高其強(qiáng)度和韌性，PVA纖維增強(qiáng)CPC在負(fù)重骨骼部位的臨床應(yīng)用具有一定的前景。

2.2 殼聚糖

殼聚糖是以甲殼質(zhì)為原料提煉而成，不溶于水，能被人體吸收，這種天然高分子因其生物相容性、血液相容性、安全性、生物降解性等優(yōu)良性能被各行各業(yè)廣泛關(guān)注。

康明等[13]將殼聚糖和CPC共混，檢測(cè)其體外力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗彎強(qiáng)度提高近3倍，WOF提高4倍，而且殼聚糖的加入，使復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的生物相容性及骨誘導(dǎo)能力。為了更進(jìn)一步提升復(fù)合材料的機(jī)械性能，作者在殼聚糖/CPC復(fù)合材料中加入胡須，胡須作為一種纖維，讓復(fù)合材料的力學(xué)性能再度提升，其抗彎強(qiáng)度和斷裂功分別達(dá)到(161.83± 18.18)MPa和(2.12±0.51)kJ/m2，更接近了文獻(xiàn)[14]報(bào)道的皮質(zhì)骨抗彎強(qiáng)度(100～200 MPa)及 WOF(2.2～2.4 kJ/m2)，具備一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。

2.3 膠原

Krenzlin等[15]合成了一種仿膠原的新型材料P-15作為CPC的增強(qiáng)相，并將復(fù)合材料注入羊椎體骨質(zhì)疏松模型中，增強(qiáng)椎弓根螺釘?shù)墓潭ǎ瑴y(cè)量椎弓根螺釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度發(fā)現(xiàn)，CPC/P-15復(fù)合材料組的拔出強(qiáng)度足以媲美PMMA。有研究證明，不論是在細(xì)胞水平還是動(dòng)物水平，膠原都使成骨細(xì)胞表現(xiàn)出更高的ALP活性，誘導(dǎo)細(xì)胞分化，促進(jìn)新骨基質(zhì)的形成[16]。同時(shí)CPC/P-15也克服了PMMA的放熱效應(yīng)，但是其較差的可注射性限制了臨床應(yīng)用。

2.4 彈性蛋白樣多肽

彈性蛋白樣多肽(elastin-like polypeptides，ELPs)是一種人工基因工程化多肽聚合物，良好的生物相容性、生物降解性及可高通量制備等優(yōu)勢(shì)，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

Jang等[17]將CPC與ELPs結(jié)合，研究了ELPs對(duì)CPC物理性能和生物相容性的影響。結(jié)果表明，ELPs的加入提高了CPC的力學(xué)性能，在顯微硬度和抗壓強(qiáng)度方面分別提升了7倍和10倍左右，而且ELPs對(duì)CPC的耐沖蝕性也有一定的改善。

2.5 聚乳酸-羥基乙酸共聚物纖維

聚乳酸-羥基乙酸共聚物纖維(polylactic-co-glycolic acid，PLGA)是一種具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性的脂肪族聚酯類高分子材料[18]，已廣泛用于骨科內(nèi)固定裝置，如骨板、骨釘、手術(shù)縫合線、紡絲等領(lǐng)域。

鄒華章等[19]將PLGA/CPC復(fù)合骨水泥注入尸體脛骨平臺(tái)SchatzkerⅡ型骨折模型中，結(jié)合雙螺釘橫排固定，然后檢測(cè)模型的力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果顯示，與植入自體松質(zhì)骨的對(duì)照組模型相比，復(fù)合材料顯著提高了骨折模型的最大載荷和抗壓強(qiáng)度，足以滿足患者術(shù)后早期的即時(shí)穩(wěn)定性和力學(xué)支撐性能，但還需動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)的力學(xué)性能。

Stefan等[20]通過(guò)高剪切攪拌器混合PLGA纖維及CPC制得復(fù)合材料，體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入的PLGA纖維長(zhǎng)度為1 mm時(shí)，PLGA/CPC復(fù)合材料具有良好的可注射性，但是纖維長(zhǎng)度在2 mm時(shí)，復(fù)合材料的WOF才達(dá)到最大值，提高了12.5倍，因此，如何讓PLGA/CPC復(fù)合材料同時(shí)擁有良好的可注射性以及更高的力學(xué)性能，還需進(jìn)一步探究。

Duan等[21]使用尸體椎體建立壓縮性骨折模型，比較了PLGA/CPC復(fù)合材料組和PMMA對(duì)照組之間的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料組的最大載荷和抗壓強(qiáng)度依然低于PMMA，并且復(fù)合組的可注射性也低于PMMA，但是其優(yōu)良的降解速率與新骨的形成速率相匹配，克服了吸收速率過(guò)慢阻礙新骨長(zhǎng)入的問(wèn)題。

Leonardo[22]和Torrecilla[23]也對(duì)PLGA復(fù)合CPC進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，PLGA/CPC復(fù)合材料具有良好的生物相容性和與骨形成相匹配的降解速率，但在生物力學(xué)方面并沒(méi)有提升，甚至PLGA的加入還降低了CPC的抗壓強(qiáng)度。為了解決這一問(wèn)題，Yao等[24]制備了含有地塞米松和重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP2)的絲素/PLGA同軸納米纖維，然后通過(guò)靜電紡絲技術(shù)將纖維包覆在CPC上，研究顯示這種含有PLGA的新型纖維不僅保留了良好的生物相容性，且纖維中含有的活性因子地塞米松和rhBMP2可進(jìn)一步提高復(fù)合材料的成骨能力，生物力學(xué)也得到改善，抗彎、抗壓強(qiáng)度比CPC對(duì)照組提高2倍，這也提示了PLGA/CPC復(fù)合材料在骨缺損修復(fù)中具有良好的應(yīng)用潛力。

2.6 聚多巴胺包覆的摻鍶聚磷酸鈣纖維

研究證明，鍶離子具有改善骨形成和抑制骨吸收的雙重功能[25-26]。Peng等[27]將鍶引入聚磷酸鈣(calcium polyphosphate，CPP)基質(zhì)中，合成了摻鍶聚磷酸鈣(strontium-doped calcium polyphosphate，SCPP)纖維作為增強(qiáng)相以提高CPC的生物力學(xué)性能，同時(shí)將聚多巴胺作為粘合劑引入，經(jīng)聚多巴胺處理過(guò)的纖維表面更加粗糙，可以進(jìn)一步增強(qiáng)纖維與水泥基體之間的拉拔摩擦作用。通過(guò)三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料組在抗彎強(qiáng)度以及WOF方面均有提升，而且鍶離子和聚多巴胺能有效促進(jìn)了成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，提高材料的生物相容性和骨誘導(dǎo)能力，滿足了臨床應(yīng)用骨水泥比較理想的基本特征。

3 CPC與生物因子復(fù)合

為了彌補(bǔ)CPC缺乏的成骨能力，各種細(xì)胞及生物活性因子被引入復(fù)合材料領(lǐng)域，比如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，這是被研究最多的一類能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、促進(jìn)骨再生的生長(zhǎng)因子；骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作為種子細(xì)胞被廣泛應(yīng)用于生物工程支架中；富血小板血漿可以在骨缺損局部釋放大量生長(zhǎng)因子，在促進(jìn)骨形成中起著至關(guān)重要的作用。

3.1 重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2

Mathilde等[28]用3D打印制備出CPC支架，并在支架上加載重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(rh-BMP2)后植入小鼠的股骨缺損模型中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，加載了rh-BMP2的CPC支架能非常有效地誘導(dǎo)骨形成，并在6周內(nèi)使股骨缺損滿意愈合，證明了rh-BMP2的誘導(dǎo)骨生成能力。田永福等[29]通過(guò)前瞻性的臨床隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明載有BMP2的CPC能增強(qiáng)骨誘導(dǎo)，促進(jìn)新骨形成，明顯縮短療程，但仍需進(jìn)一步探究BMP2和CPC的最佳比例。

3.2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞

Li等[30]構(gòu)建了CPC與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)相結(jié)合的可注射組織工程骨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPC與BMMSCs的結(jié)合不會(huì)影響B(tài)MMSCs本身的骨誘導(dǎo)能力，并且在實(shí)驗(yàn)的第7天，CPC/BMMSCs復(fù)合組的降鈣素受體相對(duì)表達(dá)量顯著高于BMMSCs組，說(shuō)明CPC與BMMSCs在骨誘導(dǎo)方面具有協(xié)同作用。

3.3 富血小板血漿

Li等[31]為了更進(jìn)一步提升CPC的骨誘導(dǎo)能力，在CPC/BMMSCs復(fù)合組的基礎(chǔ)上又引入了富血小板血漿，富血小板血漿中的血小板釋放大量生長(zhǎng)因子，在促進(jìn)骨形成中起著至關(guān)重要的作用。作者通過(guò)建立雌性小豬股骨的骨缺損模型來(lái)檢測(cè)復(fù)合材料的骨誘導(dǎo)能力，結(jié)果證實(shí)，CPC/BMMSCs復(fù)合組的骨誘導(dǎo)能力較CPC組高，而引入富血小板血漿后，又使復(fù)合組的骨誘導(dǎo)能力進(jìn)一步提高，證明富血小板血漿與BMMSCs結(jié)合后不僅不會(huì)降低對(duì)方的骨誘導(dǎo)能力，還產(chǎn)生了疊加作用，進(jìn)一步提高了CPC的促骨形成性能。

4 研究展望

針對(duì)骨質(zhì)疏松引起的骨折及骨缺損，臨床上常用的自體移植物、同種異體移植物、異種移植物在供體來(lái)源數(shù)量、免疫排斥反應(yīng)等方面都存在一定的不足和局限性，因此迫切需要一種新型材料來(lái)替代生物體移植物。應(yīng)運(yùn)而生的CPC因自身良好的生物相容性已經(jīng)成為了臨床上必不可少的材料，但其骨誘導(dǎo)能力缺乏及力學(xué)性能較低，無(wú)法成為人們心中完美的材料。對(duì)復(fù)合型CPC的研究目的在于如何提高CPC的力學(xué)強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)能力，但各種經(jīng)過(guò)改性后的CPC至今仍無(wú)法達(dá)到人們的要求。筆者認(rèn)為，完美的骨修復(fù)材料不僅要擁有良好的生物相容性，也要擁有接近人體皮質(zhì)骨的力學(xué)強(qiáng)度，其次需要可控的降解速率以及充分的成骨活性，同時(shí)能夠促進(jìn)新骨的形成且其成骨速率與材料的降解速率相匹配。為此，對(duì)于復(fù)合型CPC仍需要大量的深入研究。