骨水泥

第一章绪论

1.1 前言

生物医学材料[i]（biomedical materials）又称为生物材料。是用以和生物系统接合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。它可以是天然产物，也可以是合成材料，或者是它们的结合物，还可以是有生命力的活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。与生物系统直接接合是生物医学材料最基本的特征，如直接进入体内的植入材料，人工心肺、肝、肾等体外辅助装置等与血液直接接触的材料。生物医学材料除应满足一定的理化性质要求外，还必须满足生物学性能要求，即生物相容性要求，这是它区别于其他功能材料的最重要的特征。

生物医用材料可以按多种方法分类。根据材料的组成和性质，可以分为医用金属及合金、医用高分子材料、生物陶瓷，以及它们结合而成的生物医学复合材料。根据在生物环境中发生的生物化学反应水平，可分为近于惰性的、生物活性的以及可生物降解和吸收的材料。

1.2 骨水泥的产生与发展

目前生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。另一方面，人工关节的固定、不稳定性骨折的内固定等同样也需要一种新的生物医用材料。因此，一种新型的生物材料－骨水泥成为了人们关注的热点。生物骨水泥在发展过程中形成了两大体系：生物相容性较差的PMMA骨水泥和生物相容性良好的磷酸钙骨水泥。

1.2.1 PMMA 骨水泥

以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyImethacrylate cement, PMMA)，为代表

的传统丙烯酸酯类骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝粘结剂[ii]。但PMMA 属于生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成有机的化学界面结合，另外凝固聚合过程中产生热量、单体的细胞毒性作用、可操作时间有限等不足也限制了其临床应用[iii]。

1.2.2 CPC骨水泥

磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)最早由美国的Brown和Chow 于20世纪80年代提出[iv]，CPC是由一种或几种磷酸钙盐粉末的混合物与调和用的液相发生水化发应，在生理条件下能自固化，如：在温度(37 ℃)、湿度(100 %)条件下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物－羟基磷灰石或透钙磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性[v]。常见的磷酸钙盐见表1-1所示。

表1-1主要磷酸钙盐种类

名称分子式缩写Ca/P

一水磷酸二氢钙无水磷酸二氢钙二水磷酸氢钙无水磷酸氢钙α-磷酸三钙β-磷酸三钙羟基磷灰石

氟磷灰石

磷酸四钙Ca(H2PO4)2·H2O

Ca(H2PO4)2

CaHPO4·2H2O

CaHPO4

α-Ca3(PO4)2

β-Ca3(PO4)2

Ca10(PO4)6(OH)2

Ca10(PO4)6F

Ca4(PO4)2O

MCPM

MCPA

DCPD

DCPA

α-TCP

β-TCP

HAP或HA

FAP

TTCP

0.50

0.50

1.00

1.00

1.50

1.50

1.67

1.67

2.0

1.3 磷酸钙骨水泥

1.3.1 磷酸钙骨水泥的种类

CPC固相由各种磷酸钙和钙盐组成，其组成可随预期生成物性质（Ca/P比等）的不同而变化。不同研究者研制出了不同种类的磷酸钙骨水泥，表1-2列举部分代表性磷酸盐骨水泥[vi]。

表1－2 典型的磷酸钙骨水泥组成[6]序号骨水泥粉末组成简介

1 TTCP-DCP 类水泥

（1）TTCP +DCPD

（2）TCP＋DCPD + HA

（3）TTCP＋DCP （1）研制出的第一个CPC 骨水泥

（2）加入HA 自凝时间从22 min 降至9 min

（3）研究了骨水泥水化反应的机理及制备条件以及对抗压强度的影响

2 β-TCP 类水泥

（1）β-TCP +MCPM

（2）β-TCP +MCPM

+CPP + CSH+ CSD

（3）β-TCP +DCPD +

CC

（4）β-TCP +DCP + HA （1）基于β-TCP 可作为可降解吸收植入材料，与MCPM 研磨后用水调和生成DCPD 水化物凝固；但DCPD 酸性较大，对有机体有刺激作用，另外，凝结时间较快（30 s）

（2）配料除β-TCP + MCPM 外，添加CPP，CSH，CSD 最佳组成为64 % TCP，16 % MCPM，15% CSH，5 % CPP

（3）1990 年Mirtichi等研究了β-TCP类骨水泥的新体系：β-TCP + DCPD + CC，用DCPD 和HA饱和液调和反应中生成的HA晶粒与β-TCP聚集体，起桥连接作用，从而提高了强度；反应中生成的CO2则增加水泥的孔隙度（4）研究了β-TCP粒度对CP骨水泥凝结时间和强度的影响，S/L=1.5，调和液含H3PO4、H2SO4、Na4P2O7

3 α-TCP 类水泥

（2）α-TCP +DCPD

（3）α-TCP +DCPD

（4）α-TCP +DCPD +

TTCP

（5）α-TCP +MPCM

+CaO + HA（晶种）

（6）α-TCP+ MPCM+

CaCO3

（7）α-TCP＋β-TCP +

PHA （1）用琥珀酸钠的溶液调和，可控制凝结时间，加入硫酸软骨素易于混合，这种骨水泥在体内与骨组织直接连接，有很好的相容性，并在体内降解吸收

（2）为提高α-TCP + DCPD 水泥的硬化体强度，添加TTCP，此种水泥可作为骨替代物、骨水泥或牙科材料

（3）用去离子水调和，进行了组分、固液比粉末尺寸大小、HA 加入量等对骨水泥强度的影响优化实验

（4）Constantz等分析人体骨的矿物是含有碳酸盐的磷灰石[Dahllite，Ca10(PO4)6CO3.H2O]，报导了以α-TCP为基料配以MCPM + CaCO3经干混，用磷酸钠溶液调和几分钟后形成糊剂，注射到修复部位，10 min后由于Dahllite 晶化而变硬，初始抗压强度为10 MPa，12 h 后材料已含85-95 %的Dahllite，最大抗压强度为55 MPa，抗张强度为2.1 MPa。Ca/P≈1.67，CO32－含量 4.6 %（质量分数）,并含少量Na+，这种组成与天然骨近似

4 MCPM＋CaO 混合物最佳Ca/P 比为 1.36±0.03，产物为

OCP，在骨水泥中加入2 %的HA