骨水泥及磷酸钙生物活性骨水泥

骨水泥及磷酸钙生物活性骨水泥陈东方（化科院，0811化学，08114032）摘　要:聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥作为骨修复材料在骨修复和硬组织置换中发挥着重要作用。由于其自身的某些缺点,用新型骨修复材料取代聚甲基丙烯酸甲酯已成为必然,并取得了很大进展。磷酸钙骨水泥高的生物相容性和易于塑型的特点使其成为研究热点。本文综述了聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥及新型骨水泥,特别是磷酸钙生物活性骨水泥的研究进展。关键词:聚甲基丙烯酸甲酯,磷酸钙生物活性骨水泥,生物相容性,水化硬化11前　言作为替代、修复人体硬组织的生物材料,骨修复材料广泛应用于骨外科、整形外科及牙科领域。人体因外伤、炎症、肿瘤和先天畸形造成骨缺损或肢体不全者不计其数,需要量极大因此,骨修复材料的研究和开发是全球性的问题,是生物材料研究中一个非常活跃的领域。从来源看,骨修复材料主要有三种,即自体骨、异体骨和人工合成材料。虽然自体骨是理想的骨移植材料,但供骨来源有限,且二次手术给患者带来痛苦,供骨区可能出现形态和功能障碍;异体骨存在免疫排异反应,有导致传染疾病和肿瘤生成的可能。因此各国科学家都在努力对现有骨移植材料进行改进或研究、开发新型骨修复材料。骨水泥是在骨矫形修复过程中,用于填补缺损和固定移植体的材料。早期曾使用过石膏等。自1996年英国医生Charnley[1,2]首次将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用于固定矫形移植体以来,PMMA骨水泥的应用对人工关节的发展起过巨大推动作用,并在骨缺损、骨癌刮除后的空洞填充修复中得到了广泛应用。PMMA骨水泥由两相组成,固相为聚甲基丙烯酸甲酯,为高聚物成分;液相为甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体,两种成分混合后很快发生聚合反应,放出热量,约10分钟后固化。虽然PMMA骨水泥成型容易,使用方便,但由于其生物相容性差,与人体骨是非骨性结合,近年来研究人员不断对PMMA骨水泥进行改进。同时,研究开发了一些生物相容性好,固化过程放热少,组成与人体硬组织相近的磷酸钙生物活性骨水泥。21PMMA骨水泥的改进为了克服PMMA的缺点和不足,研究人员对PMMA骨水泥进行了改进,取得了较好的成果。在PMMA骨水泥中加入磷酸钙陶瓷粉末,可以提高PMMA骨水泥的生物相容性[3]。但由于PMMA密实不透,加入的磷酸钙陶瓷粉末,其活性可能被掩盖,不利于其与活体组织发挥骨传导作用。国内外为改进PMMA与骨结合状况,将PMMA改为多孔结构[4],使骨组织长入骨水泥后,修复体得到生物学固定,在一定程度上减缓了松动发生。王善沅等将该网孔结构骨水泥材料作为甲氨喋呤(MTX,一种广谱抗肿瘤药物)的载体,进行了药物释放速度的试验[5]。并将庆大霉素加入具有网孔结构的PMMA中,在人工髋关节置换手术中作了60例临床应用[6]。该骨水泥具有小孔,孔径在0.1-150.μm之间,大孔孔径在150μm以上,大孔占所有孔洞面积的10-20%。结果表明,载有庆大霉素的网孔结构PMMA骨水泥,其界面剪切应力强度比普通骨水泥高30%。临床使用表明,具有网孔结构负载庆大霉素的PMMA骨水泥是目前一种高效、低毒、比较理想的骨水泥,对预防感染和减少假体下沉有良好作用。有网孔的载药PMMA,具有载药和骨水泥双重功能,若将磷酸钙陶瓷粉末加入其中,磷酸钙陶瓷的活性不被掩盖,有利于发挥后者的骨传导作用,更能加强界面结合,防止假体松动下沉。郑昌琼等[7]将羟基磷灰石(HA)与PMMA复合,用于动物骨缺损修复后的组织形态学观察表明,在骨与骨水泥之间无纤维层,材料系骨性结合。植入4周后界面上即有新骨形成,8周形成成熟的新骨组织层,新的骨层与骨和骨水泥结合紧密,改善了骨 水泥与骨结合的强度,有望解决骨水泥植入后期松动问题。31磷酸钙生物活性骨水泥对PMMA骨水泥的改进,虽然能改善其某些性能,但毕竟PMMA是生物相容性不好的异物,人们一直在寻求新型的生物活性骨水泥来替代。替代材料主要是磷酸钙生物活性骨水泥。它是由两种或两种以上磷酸钙粉末,加上调和剂,调成糊状注入修复部位,能在人体内环境和温度下硬化,其成分最终转化为HA。这种骨水泥可组合成与天然骨类似的组成,植入人体后可参加新陈代谢使骨组织生长,逐步重建成耐久的承重骨。此新工艺、新材料集成型、临床使用一体化,可根据缺损部位任意塑型,操作简便,克服了使用粉料和颗粒料成型困难,力学性能差,易于流失等问题。此非烧结体具有更大生物降解性,也克服了块状CPC料晶化程度高,成型加工困难,在矫形外科上应用受环境限制的缺点。这种材料能取代生物相容性差的PMMA骨水泥,因此成为研究热点。自80年代中期以来,世界各国都投入力量对这种生物材料进行研究。研究主要包括各种类型磷酸钙陶瓷(CPC)生物活性骨水泥配方的筛选及优化,调和剂的选择,磷酸钙生物活性骨水泥水化固化的动力学、影响因素及反应最终产物的测定和磷酸钙生物活性骨水泥生物相容性的研究等。已研究的内容介绍如下。表1　不同磷酸钙组成的各类骨水泥编号编号骨水泥基料组成简况著者及文献1DCPD+TTCP;DCPD+TTCP+HA研制出世界上第一个磷酸钙骨水泥,随HA含量增加,凝固时间由22分钟缩至8分钟BrownandChow2MCPM+P-TCP用水调和成膏状,2分钟固化;Mirtchietal.其最终产物为DCPDLemaitreetal.[9Mirtchietal3α-TCP+DCPD用水调和成膏状后,9-30分钟内固化,反应产物为OCPMonnaetal4CaO-SiO2-P2O5-CaF2生物玻璃陶瓷将生物玻璃陶瓷粉碎到平均直径为5μm粉料,用(NH4)2HPO4溶液调和成膏状,在室温下6分钟固化Nishimuraetal.5α-TCP+MCPM+CaO+HA用水调和,根据组成、粒度、料/水比等变化可制得用于牙科缺损和矫形的骨水泥Bermudzetal.6α-TCP为基础+MCPM+CaCO3用Na3PO4溶液调和成膏状,10分钟固化变硬,固体产物为含CO2-3和Na+的非化学计量的HA,12小时后材料抗压强度5.5MPa,抗张强度2.1MPaConstantyetal.7MCPM,DCPD,TTCP,α-TCP,β-TCP,OCP,CaO,CaMgO2等组配成108个配方对不同的配方用水调和,进行凝结时间测定,来研究反应物之间的反应及产物的种类Drissensetal.8MCPM,DCPD,DCP,Ca(OH)2,α-TCP,β-TCP,TTCP,SHA和CaO,MgO为原料组配成450个配方对不同配方用水调和,进行终凝时间,反应产物,抗压强度等研究,筛选出产物分别为DCPD,CMP,OCP和CDHA的四种类型骨水泥Drissensetal.3．1不同种类的磷酸钙骨水泥不同著者研制的不同种类磷酸钙骨水泥如表1所示。从以上各种磷酸钙骨水泥的研究看出,骨水泥一般采用二种(也有某一种如ɑ-TCP)或两种以上的磷酸钙粉末,其中一种偏酸性,一种偏碱性,混合后用水或水溶液调和,在室温或接近人体环境温度下发生水解反应和(或)产物间反应固化为骨水泥。配方及工艺条件对骨水泥的凝结时间、产物种类及骨水泥强度有很大影响,进一步介绍如下。3．2磷酸钙骨水泥配方的筛选及工艺条件的优化 虽然各种磷酸钙盐间的组合都有可能成为磷酸钙生物活性骨水泥,但是要达到临床使用的一般要求,如初凝、终凝时间、强度以及人体骨组成所需的微量元素,为改善凝固动力学有时加入一些添加剂作为晶种,或加速或延缓凝固时间等,必须对各种磷酸钙生物活性骨水泥配方进行筛选和优化。Driessens等[15]根据大多数磷酸钙生物活性骨水泥凝固前为含有一种酸性磷酸钙和一种碱性磷酸钙粉末,用水或水溶液调和后的固化过程中会形成各种中间产物,考虑人体的需要,在磷酸钙粉末中配加钠、镁、钾、锌、碳酸盐、氯化物等。用各种磷酸钙(见表1,No.7)配组108种骨水泥配方,对初凝和终凝时间进行测定,测定结果表明不同配方在实验条件下的初凝时间在1-60分钟以上变化,终凝时间在2-60分钟以上变化。认为测定凝固时间是最快速评定骨水泥性能的方法,该论文对体系的反应物之间是否发生反应和反应生成何物未进行检测。此后,Driessers等人[16]又根据预定反应产物是否生成,是否在60分钟内终凝,在37℃的Ringer’s溶液中浸泡一天后的抗压强度是否高于2MPa的原则,对450种不同配方进行了研究。结果发现15种配方完全满足上述筛选原则。15种配方归结为四种类型,即3种DCPD型骨水泥,6种OCP型骨水泥,3种CDHA型骨水泥和3种CMP型骨水泥。其中DCPD型骨水泥在凝固过程中呈酸性,并将保持较长的时间;OCP型骨水泥在凝固过程中及凝固反应完成后均呈现中性;CDHA型骨水泥在凝固过程中呈中性或碱性,而反应完成后呈中性;一种CMP型骨水泥在凝固过程中或凝固反应完成后均呈中性,另两种CMP型骨水泥在凝固过程中和凝固反应终了时均呈现碱性。这几种骨水泥的抗压强度最高达90MPa。O.Bermudz等入[13]对α-TCP、MCPM和CaO骨水泥组成粉末的颗粒大小、摩尔%、HA或β-TCP的含量及液/固比进行了研究,获得三种产品。其中产品1为MCPM+CaO+α-TCP骨水泥,具有相对较短的凝固时间(14分钟),在4小时内达到其最大强度。产品2为单独的α-TCP骨水泥,抗压强度为35MPa,在12小时达到其最大强度。产品3为MCPM+α-TCP+HA(晶种),抗压强度为12MPa,在10小时内达到其最大强度。同时,O.Bermudz等人[17]根据磷酸钙骨水泥组成粉末的大小、组成摩尔%、HA的加入量以及液/固等对骨水泥强度的影响进行了优化实验。结果发现最佳Ca/P比为1.36±0.03,X射线衍射发现反应产物为OCP。而HA的加入量超过3%将显著降低骨水泥的最终强度。但是在骨水泥中加入2%的HA,在37℃Ringer’s溶液中浸泡后,可保持骨水泥的抗压强度为30±5MPa,并能将初凝时间由27.5分钟缩短到10分钟,将终凝时间由65分钟缩短到40分钟,同时还能将骨水泥达到最大强度的时间由36小时缩短到14小时以内。最佳的液/固比为0.30g/g。O.Bermudz等人[18]对MCPM和CaO组合的优化研究发现,混合物的最佳Ca/P摩尔%为1.35±0.02,最佳液/固比为0.53±0.01;HA的最大添加量为重量百分比7%,能提高骨水泥的抗压强度和断面抗拉强度,它们的最大值分别为6MPa和1.6MPa。该骨水泥在5小时内获得最大强度,但是当其在Ringer’s溶液中浸泡10周后,其强度将下降至最大值的62%。S.Yoshihara等人[19]研究了CaO-SiO2-P2O5-CaF2玻璃粉末,用磷酸铵溶液调和得到生物活性骨水泥。该骨水泥在几分钟之内固化,在几周之内能与生物骨形成骨性结合。研究了该调和物的组成对其力学性能的影响。结果发现CaF2含量一定时,CaO/SiO2/P2O5的比值极小的变化会导致骨水泥的抗压强度极大的变化。CaF2加入CaO-SiO2-P2O5中将提高骨水泥的抗压强度,相反,MgO的加入会降低骨水泥的抗压强度。当CaO47.1,SiO235.8,P2O517.1,CaF20.75(重量比)的骨水泥固化1小时后,在模拟体液中浸泡23小时和3天后的抗压强度分别为56MPa和80MPa,强度的变化是由于骨水泥晶界上生成不同量HA的结果。3.3骨水泥反应动力学及有关基础性的研究PaulW.Brown等[20]对TTCP和DCPA骨水泥形成HA的动力学进行了研究,同时还研究了HA晶种和调和剂溶液种类以及温度对骨水泥凝结过程反应的影响。结果发现,在固化反应初期,HA形成的速度主要受表面化学控制,随固化进行转化为受生成物HA层扩散控制,从而减慢反应速度。温度为5℃、15℃、25℃下在DCPA表面生成的沉积物为微孔偏酸性产物,而在38 ℃下的产物微观形貌类似DCPA。温度为5℃时反应时间大约7小时,而38℃时时间为1.5小时。HA晶核在反应初期可加速反应,其后效果不明显。当用较高浓度(1M)的NaCl溶液时,反应得到加速,当NaCl浓度低(0.1,0.01M)时,对反应速度影响较小。TenHuisen等人[21]进一步研究了DCPA和TTCP反应生成缺钙羟基磷灰石(Ca/P=1.50)和羟基磷灰石(Ca/P=1.67)的动力学。凝固过程中X射线衍射分析表明DCPD先于TTCP消失,SEM观察结果也说明反应速度受TTCP控制。X射线和TEM结果显示反应中有非晶态中间相生成。根据这些结果得出两步反应的机理,第一步是DCPD和部分TTCP反应生成非晶磷酸钙(NCP)和微晶HA;第二步为剩余的TTCP和生成的NCP中间相进行反应。李玉宝(LiYubao)等人[22]对在去离子水中浸泡1个月并分别在750℃和1100℃烧结后的α-TCP粉末用SEM、IR、XRD等方法进行了分析。结果发现α-TCP在去离子水中浸泡后转化为晶形较差的含结晶水的缺钙磷灰石结构,这与人体骨中的磷灰石结构基本一致。Fernadez等人[23]利用X射线衍射研究了DCP和α-TCP磷酸钙骨水泥的水化固化过程。结果发现,α-TCP反应生成CDHA,而DCP并未发生反应;反应结束大约需32小时,在此期间反应百分比和抗压强度均随时间延长而增加。3.4磷酸钙骨水泥生物相容性的研究Vasconcelos等人对两种磷酸钙骨水泥进行了生物学评价。骨水泥A组成为HA和TCP粉末,用硫酸氢二钠溶液调和,骨水泥B为SiO235.6,CaO42.4,P2O517.0,Na2O5.0的玻璃粉末,用NH4H2PO4/(NH4)2HPO4(pH=7.4)的缓冲溶液调和。骨水泥A固化时间为7分钟,骨水泥B固化时间为9分钟。固化反应完后进行XRD分析,骨水泥A形成磷灰石,骨水泥B形CaNH4PO4。动物模型实验用8只3.5Kg的Huila兔,在兔的后胫骨开一3×10mm的窗口,调浆1分钟后分别将两种骨水泥注入窗口。4周和20周后将兔子处死进行组织形态学观察,骨水泥A、B均与骨直接结合,5个月后骨水泥A完全被新骨包围,部分材料被吸收,骨水泥B被新骨包围,但未见材料被吸收。JanSenJA[25]利用α-TCP、β-TCP和HA粉末用硫酸钠水溶液进行调和,塞入9条新西兰白兔左右胫骨骨干钻孔中。动物实验结果表明这种磷酸钙骨水泥的生物相容性非常好。JDdeBruijn等人[26]将两种磷酸钙骨水泥与成骨细胞培养,结果发现两种骨水泥均对破骨细胞再吸收敏感,但这种反应在体内发生的程度还有待研究。4．1结束语综上所述,磷酸钙骨水泥具有以下特点:(1)生物相容性高,在人体生理环境下可自行转化为与人体骨结构相似的HA,植入人体后与自然骨是骨性结合,可形成耐久的承重骨,克服了现有骨水泥的弊病;(2)具有较高的强度,克服了直接使用粉料和粒料力学性能差,易于流失的缺点;(3)操作简便,可任意成形,固化时放热小,克服了PMMA固化时由于强放热灼伤周围组织以及HA陶瓷体加工难的缺点;(4)可通过基料的配方和调和剂的选择,加入微量元素使制得的磷酸钙骨水泥的组成更接近人体骨。正是由于磷酸钙骨水泥具有好的生物相容性和易于成形的特点,克服了其它植入材料的缺陷,可以预见磷酸钙骨水泥的研究将变得更深入,同时世界各国也必将投入更多的人力、物力去研究,而且,磷酸钙骨水泥作为新一代的人体硬组织植入材料,其在临床上的应用也将越来越广泛。参考文献[1]王善沅,陈剑宏.影响MTX骨水泥药物释放速度因素的研究.生物医学工程通报,1992,4(1):124～127[2]刘成安,王善沅.霉素骨水泥在人工髋关节置换中的应用,人工关节的基础与临床研究.戴克成,卢世璧,张方成主编.人民卫生出版社,1993,7[3]郑昌琼,王士斌,冉均国,王善沅,梁戈.HA/网孔PMMA复合骨水泥的研制及其种植的动物实验,’96中国材料研讨会96C-MRS论文集