西安交通大學第二附屬醫(yī)院骨一科(西安 710004) 張 亮 綜述 黨曉謙 審校

復(fù)合磷酸鈣骨水泥改性研究進展

西安交通大學第二附屬醫(yī)院骨一科(西安 710004) 張 亮*綜述 黨曉謙 審校

磷酸鈣骨水泥(Ca lcium phosphate cem ent,CPC)是一種自固型非陶瓷型羥基磷灰石類人工骨材料。因其具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性、生物安全性、能任意塑形、在固化過程中的等溫性,CPC受到了國內(nèi)外眾多學者的廣泛關(guān)注,然而由于CPC脆性大、抗水溶性(血溶性)差、力學性能不足、降解緩慢等缺點,又限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。近年來,隨著對CPC改性研究的不斷進行,其性能不斷優(yōu)化。本文對近年來磷酸鈣骨水泥改性研究成果進行綜述。

1 CPC中添加無機成分 正常骨組織成分中含有部分的無機鹽,因此在CPC中摻入一種或多種無機鹽不但可以提高其性能,而且可使其與自然骨的組成相近。研究者通過在合成過程中加入不同的無機離子對 CPC進行改性。

1.1 在CPC中添加鍶 離子鍶是人體的一種必需的微量元素,它與鈣同族,可置換 HAP中的鈣而成為 Sr-HAP,具有防齲、增強骨骼強度、防止骨質(zhì)疏松的作用。Christoffersen等[1]研究表明鍶一羥基磷灰石比羥基磷灰石具有更高的溶解性和生物降解性。摻鍶 CPC的理化性能均與鍶含量,即 Sr/Srtca比值有關(guān)[2]。近期研究[2]發(fā)現(xiàn),應(yīng)用鍶離子對 HAP進行改性,不僅改善了其降解性能,還顯著提高了其力學性能。

1.2 在CPC中添加氟 離子氟可以促進骨細胞的增殖分化,在骨和牙齒的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。

1.3 在CPC中添加碳酸鹽 骨組織的無機成份中含有少量碳酸鹽,因此在CPC中添加碳酸鹽可以使其與骨組織結(jié)構(gòu)相近,增加其生物相容性。碳酸鹽的加入也可以提高CPC的機械性能。碳酸鹽基的磷酸鈣骨水泥比單純磷酸鈣骨水泥具有更好的生物相容性,而且可有效地提高骨水泥的機械性能、提高骨水泥的孔隙率并改善臨床的操作性能。而且臨床長期隨訪也發(fā)現(xiàn)碳化骨水泥具有良好的降解性能[3]。

1.4 在 CPC中添加 Zn2+Zn2+加入 CPC中可顯著促進人成骨細胞的增殖和堿性磷酸酶(ALP)活性增高,且不影響CPC的固化反應(yīng)[4]。但是,隨著 Zn2+濃度的增加,含 Zn TCP(三磷酸鈣)的 CPC機械強度下降,這是因為 Zn2+溶解后產(chǎn)生了孔隙,當 Zn TCP達 5%時,能顯著促進人成骨細胞的增殖,而Zn TCP達 10%時成骨細胞的增殖能力卻下降,并顯示了一定的細胞毒性[5]。

1.5 晶須及陶瓷顆粒增強 在基體中加入彌散的顆粒和晶須作為增強相,可以有效地提高復(fù)合材料的力學性能。分別在α-TCP骨水泥中添加 7.5w t%氧化鋯、氧化鋁和二氧化硅顆粒,實驗結(jié)果表明復(fù)合骨水泥的抗壓強度分別由原來的 42M Pa提高到 48M Pa、64M Pa和 67M Pa。并且指出復(fù)合骨水泥抗壓強度的大小與增強顆粒的分散程度和骨水泥的晶粒大小有關(guān),與氧化鋯的相變無關(guān)[6]。

1.6 其他 為了解決 CPC的脆性大和強度低的問題,Xu等[7]通過對 CPC粉末粒子表面進行硅化烷處理以及向 CPC中添加不同比例氮化硅、碳化硅,其強度增加了3倍,鋼度增加了5倍,彈性模量增加了 2倍。

2 CPC與纖維復(fù)合 根據(jù)材料的復(fù)合原理,纖維增強復(fù)合材料中,纖維承受大部分載荷,在基體與纖維之間起到橋梁作用,并且當基體裂紋擴展到纖維與基體界面時,結(jié)合適當?shù)慕缑孀柚沽鸭y擴展或使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而達到調(diào)整界面應(yīng)力,阻止裂紋進一步擴展的效果。

2.1 CPC與碳纖維復(fù)合 戴紅蓮等[8]在CPC中適量添加碳纖維,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的抗壓強度提高了 55%,最大達到 63.46M Pa,抗折強度提高了100%,最大可達到11.95M Pa。吳文選等[9]研究結(jié)果表明,隨著碳纖維添加量的增加,抗壓強度逐漸提高,然后逐漸降低。

2.2 CPC與納米碳管復(fù)合 納米碳管(CN Ts)是一種主要由碳六邊形的石墨板經(jīng) 360度卷曲而成的、內(nèi)徑在幾納米到幾十個納米之間的管狀材料,長度可達微米量級,是理想的準一維材料。趙萍等[10]制備了納米碳管磷酸鈣復(fù)合材料,CN Ts的最高添加量為 0.6%時復(fù)合材料的彎曲及壓縮強度為最大值 ,分別為 10.48M Pa和 31.22M Pa。

2.3 CPC與可吸收纖維復(fù)合 Xu等[11]等的研究表明復(fù)合纖維能顯著提高 CPC的耐壓強度(62± 16M Pa),同時又可保持 CPC的多孔性;CPC中加入大直徑可吸收纖維后,CPC彎曲強度提高了 3倍,韌性提高近 100倍,這一強度和韌性隨纖維溶解速度的不同可保持2～ 4周;粗纖維可在組織再生過程中短期增強 CPC,纖維溶解后形成的大孔有利于血管長入,給骨組織再生提供了良好的環(huán)境;隨著纖維溶解,CPC中形成了相互交通的圓柱形大孔,其抗彎強度仍比無大孔的 CPC高39%,韌性高256%。

2.4 CPC與聚乳酸復(fù)合 聚乳酸是一種高分子有機聚合物,具有良好的生物相容性和可降解性,可降解成對人體無毒的小分子并被人體吸收。 Dennis等[12]在磷酸鈣中復(fù)合乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA),使短期內(nèi)骨水泥的強度和性能有了很大的提高,但是8周之后,骨水泥的強度對于承重的目的來說還是不足。

3 有機復(fù)合改性研究

3.1 殼聚糖 殼聚糖是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶烊簧锊牧?具有生物相容性、生物降解性及幾乎無過敏性等性質(zhì)。W eir等[13]將該骨水泥作為蛋白質(zhì)釋放載體,發(fā)現(xiàn)隨著殼聚糖含量的增加,蛋白質(zhì)的釋放速率降低,指出蛋白質(zhì)的釋放速率與骨水泥的孔隙率成正比。

3.2 在固化液中加入藻酸鈉 藻酸鈉可與溶液中的鈣離了結(jié)合形成藻酸鈣凝膠,該凝膠可防止水對骨水泥的浸泡和侵蝕,避免骨水泥在液體中的崩解;凝膠也使骨水泥的黏度顯著下降,便于注射;凝膠還并可提高磷酸鈣骨水泥的孔徑率 ,增加其韌性。當所用的藻酸鈉含量為0.8%,實驗表明對骨水泥的凝固時間影響最小[14、15]。

3.3 膠原 膠原是骨骼中主要有機成分,具有特定引導(dǎo)骨組織修復(fù)、骨再生的生物學特性。Tieliew uhan等[16]將70w t%的 HAP與膠原復(fù)合凍干后得到海綿狀復(fù)合支架,成骨細胞培養(yǎng)表明復(fù)合支架有良好的生物相容性,可作為組織工程支架。Wang等[17]胡將膠原基質(zhì)置于模擬體液中仿生礦化制備出碳酸羥基磷灰石-膠原復(fù)合材料。 Bigi等[18]的研究也表明加入明膠(膠原的降解產(chǎn)物)不僅增強了正常成骨細胞的增殖分化功能,而且骨質(zhì)疏松癥來源的成骨細胞其增殖分化功能也得到了加強。明膠微球也具有降解及緩釋性能,已有報道運用交聯(lián)的明膠微球制作多孔磷酸鈣骨水泥,但孔徑率欠理想,其原因在于微球交聯(lián)率太高,降解很慢,影響了材料的孔徑生成[19]

4 復(fù)合生物活性因子 CPC雖具有良好的骨傳導(dǎo)能力,但沒有骨誘導(dǎo)能力,與生長因子(TGF)、堿性成纖維細胞生長因子(b FGF)等復(fù)合,可能增加骨誘導(dǎo)活性,促進骨修復(fù)和再生。BM P是一種低分子酸性多肽,可誘導(dǎo)未分化間充質(zhì)細胞和骨母細胞分化為成骨細胞及成軟骨細胞,從而誘導(dǎo)骨和軟骨的形成。CPC與 BM P復(fù)合后成為一種既有骨傳導(dǎo)活性,又有骨誘導(dǎo)活性的新型骨修復(fù)材料,早期即可達到與宿主骨穩(wěn)固的融合。單純 CPC新骨形成速度明顯低于 CPC-BM P復(fù)合物 ,材料可逐漸降解吸收。Seeherman等[20]比較了不同量的rhBM P-2與CPC復(fù)合后對兔橈骨骨缺損的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn) 0.166 mg/m l rh BM P-2/CPC的比例為最佳,并且在植入 8周后,證實有骨皮質(zhì)的橋連和骨髓腔的再生。

磷酸鈣骨水泥與骨發(fā)生蛋白復(fù)合,顯示良好的成骨活性,成骨速度加快。有研究表明磷酸鈣骨水泥對骨形態(tài)發(fā)生蛋白的緩釋作用多達 20d之久,顯著提高骨發(fā)生蛋白的骨誘導(dǎo)作用[21、22]。

5 結(jié) 語 綜上所述,CPC以其自身良好的生物相容性和能任意塑型并等溫自固等特點,克服了其他材料的缺陷,成為目前最具優(yōu)勢的骨缺損修復(fù)材料。但是常規(guī)CPC存在機械強度不足、骨誘導(dǎo)差、降解緩慢等缺點 ,復(fù)合型CPC將有利于改善它的性能,隨著對 CPC改性研究的深入,其理化性能和生物性能不斷提高,必將成為組織修復(fù)領(lǐng)域的最理想的人工骨替代材料。

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R453

A

1000-7377(2010)11-1532-02

*西安市紅十字會醫(yī)院骨科

(收稿:2010-02-03)

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