改性PMMA骨水泥的临床研究进展_梁佩清

和亚油酸 等 ［３６］ 分别修饰的 ＨＡ 也可使 ＰＭＭＡ 骨水泥 ４８．９ ＭＰａ和５．９８ ＧＰａ。 增 溶 剂 ＰＥＧ 的 引 入［４０］，可 使
的流动性和内部 孔 径 均 有 所 增 强，而 且 还 可 使 成 骨 细 胞的增殖与矿化速率明显加快。
β－ＴＣＰ（２～６μｍ）／ＰＭＭＡ 骨 水 泥 在 ＳＢＦ 中 浸 泡 ３ 个 月后，其 压 缩 强 度 仍 可 达 到 ７６ ＭＰａ，抗 拉 强 度 可 达
为了使 ＨＡ／ＰＭＭＡ 骨水 泥 的 力 学 性 能 与 生 物 活 性同时满足临床需求，不 少 学 者 通 过 对 ＨＡ 进 行 表 面 修饰，强化无机／有 机 两 相 界 面 之 间 的 相 互 作 用，改 良 骨水泥的内部结构，提高 ＨＡ 在 ＰＭＭＡ 中 的 含 量，从 而优化 ＰＭＭＡ 基骨水 泥 的 性 能。 最 常 用 的 表 面 修 饰 剂为硅 氧 烷 试 剂 （如 ＭＰＳ 等）。 通 过 与 ＨＡ 中—ＯＨ 与 ＭＰＳ的反应，可 实 现 无 机／有 机 两 相 界 面 之 间 的 共 价键合；同时，利用 ＭＰＳ中与 ＭＭＡ 相同的链接单元， 可进一步强 化 ＨＡ 与 ＰＭＭＡ 之 间 的 界 面 作 用 力，从
０ 引 言
随着人口老龄 化 加 剧，由 骨 质 疏 松 引 发 的 椎 体 骨 折和关节置换的 病 例 迅 速 增 加，椎 体 成 形 技 术 的 快 速 发展，使临床上 治 疗 椎 体 损 伤 可 通 过 微 创 手 术 注 射 来 完成。目前 广 泛 应 用 于 临 床 的 是 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （ＰＭＭＡ）骨水 泥，它 通 常 由 固 （ＰＭＭＡ、引 发 剂、硫 酸 钡等）、液 （ＭＭＡ 为 主 ）两 相 在 常 温 下 混 合 后 固 化 而 成，在固化前期 具 有 较 好 的 流 动 性，可 注 射 植 入；其 固 化后具有良好生 物 力 学 特 性 及 快 速 成 型 等 优 点，使 得 其在临床应 用 中 发 展 迅 速。 目 前 国 内 市 场 上 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 至 少 有 ４０ 多 种，其 中 进 口 骨 水 泥 如 德 国 的 Ｐａｌａｃｏｓ 载 庆 大 霉 素 的 骨 水 泥，Ｈｏｗｍｅｄｉｃａ 公 司 的 Ｓｉｍｐｌｅｘ Ｐ 骨水泥，美国 Ｚｉｍｍｅｒ骨水泥等约有３０种； 国产的 ＰＭＭＡ 型骨水泥 主 要 由 天 津 合 成 工 业 研 究 所 合成，被广泛应 用 于 人 工 关 节 置 换 术 以 及 作 骨 科 填 补 和 固 定 材 料 ，修 复 各 种 复 杂 的 骨 缺 损 创 面 ，特 别 是 在 治 疗 椎 体 压 缩 性 骨 折 方 面 ，能 迅 速 稳 定 损 伤 的 椎 体 、快 速 缓解患 者 症 状 。 ［１］ 但 由 于 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 不 能 降 解、 缺 乏 生 物 活 性 ，无 法 与 宿 主 骨 组 织 有 机 结 合 ，植 入 人 体 后 ，与 周 围 骨 组 织 融 合 性 较 差 ，不 利 于 骨 细 胞 的 粘 附 和 生长；也无法促 进 间 充 质 干 细 胞 分 化 为 骨 细 胞 和 软 骨 细 胞 ，诱 导 骨 组 织 生 长 ；长 期 使 用 容 易 导 致 植 入 体 发 生 松动、炎症，导致植入失败 。 ［３－４］
＊ 基金项目：广州市科学研究专项资助项目（２０１４Ｊ４１０００２６）
收 到 初 稿 日 期 ：２０１６－０２－１０
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１６－１２－２０
通 讯 作 者 ：全 昌 云 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｕａｎｃｈｙ＠ｍａｉｌ．ｓｙｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
作 者 简 介 ：梁 佩 清 （１９９１－ ），女 ，山 西 忻 州 人 ，在 读 硕 士 ，师 承 全 昌 云 讲 师 ，从 事 功 能 性 复 合 型 骨 修 复 材 料 研 究 。
为了 提 高 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 的 生 物 学 性 能，不 少 专 家 学 者 在 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 加 入 如 羟 基 磷 灰 石 （ＨＡ ）［５－６］、 磷 酸 三 钙 （β－ＴＣＰ ）［７－８］、ＳｉＯ２［９－１０］、 ＴｉＯ２［１１－１２］、生 物 玻 璃 、生 ［１３－１４］ 物 陶 瓷 等 ［１５－１６］ 活 性 组 分 。 活性组分的引入可降 低 聚 合 时 产 生 的 热 量［１７］，促 进 在 骨水泥与骨组织 之 间 诱 导 形 成 钙 磷 沉 积 过 渡 层，赋 予 材 料 一 定 的 生 物 活 性 。 研 究 结 果 同 时 表 明 ，少 量 的 、一
面 的 研 究 现 状 ，为 其 在 临 床 应 用 奠 定 了 基 础 。
关 键 词 ： ＰＭＭＡ；骨 水 泥 ；改 性 ；力 学 性 能 ；生 物 活 性
中 图 分 类 号 ： Ｒ３１８．０８
文 献 标 识 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１７．０２．００９
０２０４９
而提 高 ＨＡ／ＰＭＭＡ 骨 水 泥 的 压 缩 强 度、弯 曲 强 度 和 弯曲 模 量 等 力 学 性，使 其 均 可 满 足 ＩＳＯ５８３３ 的 要 求 ，且 ［２９－３０］ 随着 ＭＰＳ 对 ＨＡ 的 修 饰 程 度 的 提 高 而 逐 渐增强 。 ［３１］ 此 外，ＭＰＳ 含 有 与 ＭＭＡ 相 似 其 结 构 单 元，还 可 改 善 ＨＡ 在 液 相 组 分 （ＭＭＡ）中 的 稳 定 性 与 骨水泥调配初期的流 动 性，从 而 提 高 ＨＡ 在 骨 水 泥 中 的 含 量 ，进 而 改 善 其 生 物 活 性 。
梁佩清 等：改性 ＰＭＭＡ 骨水泥的临床研究进展
活性。但是，由 于 改 性 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 中 活 性 组 分 均 低 于 ３０％ ，其 生 物 活 性 都 无 法 满 足 临 床 需 求 。
随着 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 中 ＨＡ 的 含 量 进 一 步 增 加， 活性 组 分 在 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 中 的 含 量 可 达 到 ６７％，此 时成骨细胞在 ＰＭＭＡ 骨水泥表面 的 存 活 率 与 ［２５］ 粘 附 能 力 将 大 大 增 强，碱 性 磷 酸 酶 的 活 性 可 提 高 １６ 倍 ；同 ［２６－２７］ 时，磷酸钙在 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 表 面 的 沉 积 速 率大大加快，从 而 表 现 出 良 好 的 生 物 相 容 性 和 骨 整 合 性；但 其 弯 曲 强 度 等 力 学 性 能 已 无 达 到 ＩＳＯ５８３３ 标 准 。 ［２８］
１ 活性 ＰＭＭＡ 基骨水泥性能的应用
１．１ ＨＡ／ＰＭＭＡ 骨水泥 羟 基 磷 灰 石 （ＨＡ）的 化 学 组 成 、性 质 与 和 人 体 骨 中
的主要无机组分类似，是 最 具 有 应 用 前 景 的 改 良 ＰＭ－ ＭＡ 骨 水 泥 的 活 性 组 分。 ＨＡ 的 引 入，不 仅 可 增 强 ＰＭＭＡ 骨水泥的力学性能，而且其中游离出的钙 和 磷 会被身体组织吸 收，并 刺 激 新 组 织 的 生 长。 此 外，ＨＡ 还可改良骨水泥的生 物 相 容 性 及 亲 疏 水 性［１９］，通 过 调 节 ＨＡ 的尺寸与降解形成的孔隙或类松质骨的多孔结 构，促进新骨的长入 。 ［２０－２１］
摘 要： 椎体成形技术的快速发展使 得 用 以 治 疗 由 骨 质 疏 松 引 发 的 椎 体 骨 折 的 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 面 临 极 大 的 需
求，尤其是我国人口老龄化加剧，迫切需要赋予 ＰＭＭＡ 骨水泥一定生物活性，以 延 长 有 效 的 支 撑 时 间，避 免 二 次
手术。阐述了羟基磷灰石、磷酸三钙、生物陶瓷等 活 性 组 分 对 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 改 性 后，其 力 学 性 能 和 生 物 活 性 方
研究表明，向 ＰＭＭＡ 骨水泥中掺入 ５％～３０％ 的 ｎａｎｏ－ＨＡ，可在一定 程 度 上 提 高 其 拉 伸 强 度、硬 度、弹 性模量、弯曲模 量、冲 击 韧 性 等 机 械 性 能［２２］。Ｆｅｒｒｅｉｒａ 等 将 ［２３］ ２５％ 的 ＨＡ 加入 ＰＭＭＡ 骨水泥中，使得其弯 曲模量（可 达 ３．５ ＧＰａ）与 生 物 活 性 得 到 了 较 大 的 改 善；同时聚合时间 增 加，聚 合 温 度 迅 速 下 降，为 临 床 应 用提 供 了 方 便。Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ等 利 ［２４］ 用 ６６μｍ ｍｉｃｒｏ－ ＨＡ 与 长 径 比 ６６ ｎｍ／１９ ｎｍ ｎａｎｏ－ＨＡ 共 混 后 改 良 ＰＭＭＡ 骨水泥，研究发现，３０％ＨＡ 不仅使 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 力 学 性 能、聚 合 温 度 （不 高 于 ５０．８ ℃）达 到 ＩＳＯ５８３３ 的 要 求 ；而 且 还 可 降 低 其 细 胞 毒 性 ，加 速 诱 导 磷酸钙在骨水泥 的 表 面 沉 积，表 现 出 良 好 的 体 外 生 物
物 降 解 性，能 改 善 ＰＭＭＡ 骨 水 泥 的 吸 水 性 与 溶 解 结构和组 织 学 表 征 结 果 证 明 其 具 有 良 好 的 生 物 相 容
定尺度的活性组分 可 提 高 ＰＭＭＡ 基 骨 水 泥 的 力 学 性 能［１８］；随着活性 组 分 的 含 量 增 加，骨 水 泥 的 生 物 活 性 越 强；但 活 性 组 分 的 含 量 过 高 会 导 致 机 械 性 能 下 降。 因此，活性 组 分 在 ＰＭＭＡ 基 骨 水 泥 中 含 量 的 高 低 是 影响其力学 性 能 与 生 物 活 性 性 能 之 间 平 衡 的 关 键 因 素，并直接决定 骨 水 泥 产 品 的 临 床 应 用。 本 文 将 着 重 介绍对 ＰＭＭＡ 基骨水泥 的 理 化 与 生 物 学 的 性 能 改 良 方面的研究进展。
Ｑｕａｎ等 利 ［３２］ 用 ＭＰＳ 和 ＢＭＰ２ 仿 生 短 肽 同 时 对 ＨＡ 进行表面 修 饰 （如 图 １），并 将 固 相 组 分 中 ＨＡ 的 含量 提 高 到 ４０％ 后 发 现，此 ＰＭＭＡ 基 骨 水 泥 不 仅 其 力学性能满足ＩＳＯ５８３３标 准，而 且 还 具 有 良 好 的 流 动 性，可通过微创 手 术 在 影 像 设 备 的 导 视 下 注 射 植 入 椎 体；研究 还 表 明，在 ＢＭＰ２ 仿 生 短 肽 与 ＨＡ 的 协 同 作 用下，体 外 矿 化 的 速 率 大 大 提 高，成 骨 细 胞 在 ＨＡ／ ＰＭＭＡ 骨水泥表面的粘附与增殖、碱性磷酸酶的活 性 等都有很大改善，已 达 到 第 三 类 医 疗 器 械 生 物 学 评 价 （ＩＳＯ１０９９３）的相关要 求。 为 了 加 快 矿 化 的 速 度，可 利 用硅灰 石 代 替 ＢＭＰ２ 仿 生 肽 制 备 ＰＭＭＡ 基 骨 水 泥， 有效的调控材料的生物活性 。 ［３３－３４］
０２０４８
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１７）０２－０２０４８－０７
２０１７ 年 第 ２ 期 （４８）卷
改性 ＰＭＭＡ 骨水泥的临床研究进展＊
梁 佩 清１，全 昌 云１，康 婷１，车 有 路１，唐 勇２
（１．中山大学 生物医学工程，广州 ５１０００６；２．中山大学 孙逸仙纪念医院，广州 ５１０１２０）
图１ 生物活性的Leabharlann BaiduＨＡ／ＰＭＭＡ 骨水泥的合成及理化性能
Ｆｉｇ １Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉｏａｃｔｉｖｅ ＨＡ／ＰＭＭＡ ｂｏｎｅ ｃｅｍｅｎｔ 研究表 明，经 Ｐ（ＰＭＭＡ－ｃｏ－ＭＰＳ）［３１］、多 巴 胺［３５］ 强 度、抗 弯 强 度 与 抗 弯 模 量 可 分 别 达 到 １２４．７，
１．２ β－ＴＣＰ／ＰＭＭＡ β－磷酸三钙（β－ＴＣＰ）是 另 一 种 大 量 存 在 于 骨 骼 中
的 活 性 组 分 ，具 有 良 好 的 生 物 相 容 性 、生 物 活 性 以 及 生
４２ ＭＰａ（高于商业产品３０ ＭＰａ），而 其 弹 性 模 量、放 热
与固化时 间 等 性 质 不 会 受 到 影 响。Ｄａｌｌ’Ｏｃａ 等 将 β－ ＴＣＰ／ＰＭＭＡ 多孔骨水泥植 入 新 西 兰 白 兔，８ 周 后，微