骨水泥

骨水泥第一章绪论1.1前言生物医学材料[i]（biomedicalmaterials）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。1.2.1PMMA骨水泥以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyImethacrylatecement,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]。1.2.2CPC骨水泥磷酸钙骨水泥(CalciumPhosphateCement,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·H2OCa(H2PO4)2CaHPO4·2H2OCaHPO4α-Ca3(PO4)2β-Ca3(PO4)2Ca10(PO4)6(OH)2Ca10(PO4)6FCa4(PO4)2OMCPMMCPADCPDDCPAα-TCPβ-TCPHAP或HAFAPTTCP0.500.501.001.001.501.501.671.672.01.3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1TTCP-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22min降至9min（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2β-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（30s）（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、Na4P2O73α-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，10min后由于Dahllite晶化而变硬，初始抗压强度为10MPa，12h后材料已含85-95%的Dahllite，最大抗压强度为55MPa，抗张强度为2.1MPa。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4MCPM＋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HA5CaO+SiO2+P2O5+CaF2生物玻璃陶瓷粉研磨至5μm用磷酸铵溶液调和，糊状料在几分钟内固化，在几周之内能与生物骨形成骨性结合，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的加入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。强度变化是由于骨水泥晶界上生成不同量HA的结果备注：TTCP：磷酸四钙[Ca4(PO4)2]；DCPD：二水磷酸氢钙[CaHPO4.2H2O]；DCP：磷酸氢钙[CaHPO4]；β-TCP：β-磷酸三钙[β-Ca3(PO4)2]；CPP：焦磷酸钙[Ca2P2O7]；CSH：半水硫酸钙[CaSO4·0.5H2O]；CSD：二水硫酸钙[CaSO4·2H2O]；CC：碳酸钙[CaCO3]；α-TCP：α-磷酸三钙[α-Ca3(PO4)2]；HA：羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]；OCP：磷酸八钙[Ca8H2(PO4)6·5H2O]；SHA：烧结羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx]；PHA：沉淀羟基磷灰石；MCPM：一水磷酸一钙[Ca(H2PO4).H2O]1.3.2磷酸钙骨水泥的特性磷酸钙骨水泥作为一种具有生物活性的生物材料，相比生物陶瓷材料具有以下优良特性或特点。1.3.2.1自固化性CPC在人体生理环境下可自行固化，这是由其理化性质决定的，但是固化性能随CPC形成条件不同而表现出一定的差异。CPC粉剂与液剂调和后为糊状，在几分钟至数小时产生凝结且与骨直接粘结，固化体强度大小与组成有关。1.3.2.2形状可塑性CPC调合后呈糊状物，可按要求和骨缺损部位或牙根管缺损部位形状任意塑形，自固化后保持外形不变，克服了HA陶瓷加工难的缺点。通过固化液的选择，可以得到5min-30min[vii]初期硬化的时间，可以有充足的时间使之在骨缺损部位准确塑形，固化后也可以做外形的修整。1.3.2.3凝固时间凝固时间，是指从粉剂和液剂调和后至调和物具有一定的强度所需的时间。临床上对凝固时间的要求与不同外科手术操作相关，如用于牙科的CPC要求凝结时间较短，优选的应在10min以内，用于骨缺损修复的CPC应控制在30min以内[viii]。凝结时间可衡量实际手术操作的可行性，根据手术部位和硬化条件要求不同，应可以在一定范围内可调节。1.3.2.4生物降解性磷酸钙骨水泥具有一定的生物降解性，其生理化学溶解是一种体液介导过程，其溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成分和pH值、材料相组成和结构(磷酸钙盐的溶解度次序：无定型磷酸钙磷酸氢钙磷酸氧四钙α-磷酸三钙羟基磷灰石)、材料的结晶度和杂质的种类及含量（如镁离子有稳定TCP的作用）以及材料的溶度积(TCP在水溶液中可形成由羟基磷灰石覆盖的新表面)。1.3.2.5生物学性质良好的生物相容性和生物学安全性是骨修复材料必备的基本条件。CPC具有良好的生物相容性，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，并且不会改变骨正常的生理过程，无明显的炎症反应，未发现有致畸性及毒性[ix]。植入试验表明，材料与宿主骨亲和性好，表明CPC能引导新骨的生成，具有骨传导和诱导成骨特性[x,xi]。1.4可注射磷酸钙骨水泥CPC良好的生物相容性、骨传导性、可降解性和低放热性,植入后可以迅速形成骨性结合，能任意塑形及诱导骨组织再生的这些特性使CPC可以用于粉碎性骨折及掌骨、指骨等不稳定骨折的治疗和骨缺损的充填[xii]，并已于上世纪90年代末经FDA批准用于临床。随着临床技术的发展，对手术创口的要求越来越小，逐渐发展微创外科。在骨缺损和骨折治疗中，有一些手术要求通过注射器和针头经皮穿刺注射的方式来完成对骨缺损的修复和骨折固定。如骨质疏松症和骨质疏松性骨折的预防和治疗，骨质疏松的病人用螺钉作为内固定时，由于骨床稀疏，骨对螺钉的把持力不够，很容易出现螺钉滑丝、松动、脱出，导致固定失败，这成为医学上急需解决的难题。如果能够将骨水泥注入椎体内，将会达到增强椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓解腰背疼痛，甚至部分恢复椎体高度的目的。对于一些骨水泥用量少而且需要定位的“小”外科手术(如牙根管充填)，若采用导管插入注射CPC来完成，手术将更方便[xiii]。因此近年来，可注射CPC成为CPC研究的重点,并可能在众多的医疗领域中具有更为广泛的应用前景。1.4.1可注射磷酸钙骨水泥可注射性能的研究可注射CPC的最大的特点在于它可在混合物固化反应前用注射器直接注射到骨缺损部位，避免了手术切开以及由此带来的其他问题，非常适用于不需手术复位的骨折或骨缺损的治疗以及难以通过手术方法达到治疗目的的病例，如椎体的骨质疏松或压缩骨折等。目前，已有不少学者通过各种方法对可注射骨水泥的可注射性能进行过深入的研究和探讨。1.4.1.1添加有机物在固相成分或者液相成分中添加适量的有机物成分，可以有效的改善骨水泥的可注射性能。乳酸溶于水后形成黏稠的液体,将乳酸溶于骨水泥的液相中,由于乳酸的黏稠特性,骨水泥刚混合后即可注射，从而提高了骨水泥的注射性能。Leroux等[xiv]认为随加入乳酸浓度的增加，骨水泥的可注射性也随之增加。柠檬酸是一种无色透明的晶体酸,骨的矿物相中即含有柠檬酸根离子,在骨磷灰石的形成和/或溶解过程中扮演着重要角色。Sarda等[xv]在水泥液相中加入柠檬酸以改善骨水泥的流动性,开始可注射性随柠檬酸浓度的增加而逐渐增加,在柠檬酸浓度达到一定值，注射能力系数达最大值；而后注射能力系数随柠檬酸浓度增加而逐渐降低。但由于柠檬酸可吸附于反应物和产物中,而抑制各种磷酸钙和磷灰石的形成，导致CPC形成速率减慢。1.4.1.2添加无机物在固相成分或者液相成分中添加适量的无机物成分，可以有效的改善骨水泥的可注射性能。Khairoun等[xvi]发现向CPC中加入CaCO3,可使某些配方的CPC操作性大大提高,通过改变CaCO3的比例可得到可注射性CPC。Briak[xvii]等认为磷酸钠盐使水泥的固化反应加速,