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可用在人体内的水泥——骨水泥

2020/09/19 来源:中科院之声

骨水泥是骨粘固剂的常用名,是一种骨科医用材料。由于它在凝固固化后其外观和物理特性颇像建筑、装修用的白水泥,便有了如此通俗的名称。20世纪70年代,骨水泥就已经被用于关节假体固定,同时骨水泥亦能作为组织填充、修复材料应用于骨科、口腔科中。......

骨水泥是骨粘固剂的常用名,是一种骨科医用材料。由于它在凝固固化后其外观和物理特性颇像建筑、装修用的白水泥,便有了如此通俗的名称。20世纪70年代,骨水泥就已经被用于关节假体固定,同时骨水泥亦能作为组织填充、修复材料应用于骨科、口腔科中。

骨水泥最大的优点是固化快,术后早期就可以下地进行康复活动。当然,骨水泥也有一些缺点,例如填充时偶尔可引起骨髓腔内高压,致使脂肪滴进入血管,引起栓塞。另外,它毕竟与人体骨骼不同,时间过久,人工关节仍可能发生松动。因此,骨水泥生物材料的研究一直是科研工作者关注热点之一。

目前,应用和研究的比较多的骨水泥为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥、磷酸钙骨水泥和硫酸钙骨水泥等。

PMMA骨水泥是通过混合液体甲基丙烯酸甲酯单体和动力甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物这两种组分形成的丙烯酸聚合物,其单体残留量低,具有低的耐疲劳性和应力开裂性,以及高的抗张强度和可塑性。PMMA骨水泥在医学整形外科领域有着广泛应用,早在40年代就已经应用于齿科、颅骨和其它的骨修复领域。丙烯酸酯类骨水泥用于人体组织手术,至今在国内外临床中已应用了数十万例之多。

PMMA骨水泥的固相一般为已经部分聚合的预聚体PMMA,液相为MMA单体,并添加了部分的聚合引发剂和稳定剂。当固相预聚体PMMA与液相MMA单体混合后,立即发生高分子共聚反应而实现骨水泥的固化,但是该固化过程中会释放出大量的热,会对周围组织造成热损伤而引发炎症,甚至导致组织坏死。因此亟需更多的研究改善聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥质量,减少或消除PMMA骨水泥的副作用。

磷酸钙因其出色的生物相容性和骨再生能力而被应用于骨修复。临床上常作为可注射材料填充骨质空隙并改善骨折手术中的硬件固定。磷酸钙骨水泥的成分与人体骨骼的矿物质相似,可被再吸收并能够促进自然骨向内生长和重塑。磷酸钙骨水泥的固化机制是溶解-水化沉淀反应。通过控制反应过程的pH值,实现羟基磷灰石(HA)在pH值为4.2-11范围内沉淀。在初始阶段,HA的生成主要由表面反应控制,颗粒间和颗粒表面生成的HA加强了颗粒间的连接。HA晶体的含量越大,接触点就越多,抗压强度也随之增加。在水化反应后期,颗粒表面被一层HA包覆,磷酸钙骨水泥的水化反应则变成了透过水化反应的扩散控制。随着水化反应的不断进行,生成的HA颗粒越来越多,生成的HA晶体不断长大,水化产物逐渐填充了参与反应的水的空间,使得之前被水占据的空间被HA晶体分割成不规则的毛细孔,凝胶孔增多,孔隙尺寸不断减少,HA晶体交错桥接,颗粒之间的结合强度不断增加,骨水泥材料则固化为坚固的,含有大量孔隙的多孔结构,从而表现出宏观的固化强度。

临床上,创伤性椎体爆裂骨折具有特殊的损伤机制,且通常发生在年轻人群,年轻人具有更强的骨重建能力,磷酸钙骨水泥可用于有效治疗这类骨折。同时,磷酸钙骨水泥也是良性骨肿瘤切除手术的有效骨替代物。然而,磷酸钙骨水泥由于固化时间长,固化过程中热释放相对较低,因此其粘合力和强度相对较差,容易从骨质中崩解,所以磷酸钙骨水泥的研究仍在继续。

硫酸钙是最简单的骨修复替代材料,并且在骨修复材料中应用已经超过了100年,有着最长的临床应用历史。硫酸钙具有良好的人体耐受性,可降解,具有骨传导性能,在早年的研究中是自体骨移植的重要替代材料。硫酸钙骨水泥的固相主流是无水硫酸钙粉末,液相是生理盐水和其它的一些水溶液。当固相和液相混合时,硫酸钙发生水化反应,生成针状的二水硫酸钙晶须,相互桥连和堆积,从而固化成具有一定形状和强度的堆积体。然而,由于生物活性差,硫酸钙骨水泥不能在硫酸钙移植物和骨组织之间形成化学键,会快速降解。硫酸钙骨水泥可在植入体内后六周内被完全吸收,这种快速降解情况与骨形成过程不匹配。因此,与磷酸钙骨水泥相比,硫酸钙骨水泥的开发和临床应用相对有限。

除此之外,目前许多研究表明小有机分子、可生物降解的聚合物、蛋白质、多糖、无机分子、生物陶瓷和生物玻璃可有效改善骨水泥性能,均可为新型骨水泥提供型的思路。

综上所述,骨水泥可在临床牙科、骨科发挥很大的作用,有望成为理想的骨骼系统药物载体以及骨替代材料。随着科学技术以及材料的不断创新和发展,相信以后会研发出更多优质的骨水泥材料,如高强度型、可注射型、抗水型、快速凝固型等。骨水泥在临床中的应用会越来越广泛,其应用价值也会越来越高。

骨水泥的应用(图片来自网络)

(责任编辑:曾家明)

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