【作 者】林孫忠，屈樹新，薛繼鑫，林嬋娟，翁杰

1 溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 育英兒童醫(yī)院 臨床工程處，溫州市，325000

2 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市，610031

0 引言

磷酸鈣骨水泥（Calcium Phosphate Cement,CPC）是1986年由Brown和Chow研制的人工骨替代材料，1991年獲得美國食品與藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）的批準(zhǔn)開始應(yīng)用于臨床[1]。CPC包括磷酸鈣粉末（固相）和固化液（液相）兩個(gè)部分，能在室溫自固化，避免了高溫?zé)Y(jié)工藝，適合作為藥物和高分子的載體材料。雖然CPC的組成可以有很多種，但是從水化反應(yīng)的原理上來分只有以下兩種：① 在pH為中性時(shí)，CPC最終轉(zhuǎn)化為納米羥基磷灰石晶體（羥基磷灰石型CPC）；②pH ＜ 4.2，正磷酸鹽質(zhì)子化，二級磷酸鹽（無水磷酸氫鈣，二水磷酸氫鈣）最難溶，因此，在酸性CPC固化過程中會轉(zhuǎn)變生成二級磷酸鹽并沉淀（磷酸氫鈣型CPC）[2]。研究表明，形成磷酸氫鈣的CPC植入體內(nèi)后，在溶解與沉淀的作用下，CPC最終都會轉(zhuǎn)化生成溶解度更低更穩(wěn)定的物質(zhì)，例如，磷酸八鈣、羥基磷灰石或者白磷鈣石等[3]。

CPC是脆性材料，力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性低，以至于CPC只能應(yīng)用于非承重骨缺損部位[2]。CPC典型的應(yīng)用是上頜面骨缺損或者畸形的治療以及顱面骨缺損等非承重部位的修復(fù)，承重部位骨缺損修復(fù)是CPC臨床應(yīng)用的一種延伸，例如椎體成形術(shù)和椎體后凸成形術(shù)，但是要求CPC必須降低脆性，同時(shí)提高斷裂強(qiáng)度[4]。研究表明，載入生物相容性良好的韌性高分子材料能明顯改善CPC的脆性，同時(shí)增強(qiáng)其斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能。在CPC中載入有機(jī)相常用的方式有以下幾種方式：①在CPC基體中載入纖維[5-8]；②在CPC基體中載入微球[9-12]；③在CPC中載入高分子單體然后在CPC固化過程中逐步交聯(lián)，形成雙相CPC[13-16]，也有研究者在CPC固化液中加入高分子成分如明膠[17]。

本文旨在介紹載入有機(jī)相來降低脆性、同時(shí)增強(qiáng)CPC力學(xué)性能最有效的幾種方法，同時(shí)，分析總結(jié)各種增強(qiáng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及其原理，為今后進(jìn)一步改善CPC力學(xué)性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1 纖維增強(qiáng)型CPC

與燒結(jié)羥基磷灰陶瓷的增強(qiáng)方法相似，載入纖維是CPC增強(qiáng)技術(shù)中最成功的一項(xiàng)[4-6]。載入高分子纖維后，CPC的彎曲強(qiáng)度從10～15 MPa左右顯著性提高到了45 MPa，尤其是纖維增強(qiáng)CPC的斷裂強(qiáng)度通常都會增加一個(gè)數(shù)量級[4-5]。這類纖維增強(qiáng)型CPC的力學(xué)性能變化是基于所有組成成分的性質(zhì)以及復(fù)雜的相互作用，如纖維和CPC基體的強(qiáng)度和剛度、基體韌性、纖維和基體間的力學(xué)作用以及高分子添加物或聚集體的載入效應(yīng)等。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，以下這些參數(shù)對改善CPC力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用：①基體成分與強(qiáng)度；②載入纖維的體積百分比，縱橫比和彈性模量；③纖維和CPC基體相互間接觸界面的性質(zhì)，不僅各個(gè)因素間有復(fù)雜的相互作用，而且在臨床應(yīng)用中纖維—CPC復(fù)合物是隨時(shí)間變化的，因?yàn)镃PC基體和有機(jī)相的纖維在組織修復(fù)重建過程中都有可能降解[5,7-8]。

生物降解聚乳酸-羥基乙酸共聚物（Poly(Lacticco-Glycolic Acid)，PLGA）是CPC增強(qiáng)載入纖維最常用的材料。載入大量纖維(45vol%)時(shí)，研究表明彎曲強(qiáng)度從2.7 MPa顯著性提升到17.7 MPa[18]。同時(shí)研究表明，載入殼聚糖乳酸鹽可以將該增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)一步提升到40.5 MPa。殼聚糖和高分子纖維同時(shí)載入CPC基體后，復(fù)合材料的強(qiáng)度大大增強(qiáng)，抗壓能力大大提高，基體和載入物之間的結(jié)合能力大幅增強(qiáng)，研究結(jié)果表明纖維和殼聚糖乳酸鹽的聯(lián)合增強(qiáng)效應(yīng)比通過其中任何單一增強(qiáng)方式獲得的結(jié)果都更強(qiáng)[18-19]。研究表明，復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著載入纖維橫縱比（長度/直徑）的增加而增加，但是載入纖維聚集會導(dǎo)致纖維分布不均勻從而呈現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用中存在的纖維縱橫比最高限。Xu等[19]系統(tǒng)地研究了載入羥基磷灰石CPC中纖維長度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維長度從3 mm增加到75 mm（橫縱比范圍：1 000～9 000）強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，但是纖維長度增加到200 mm（橫縱比：25 000），強(qiáng)度隨之降低。另外，這類長纖維的載入將影響CPC漿體可操作性，阻礙經(jīng)注射方式進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用，載入長度小于1 mm、體積分?jǐn)?shù)小于7.5%的纖維不會對CPC漿體的可操作性產(chǎn)生顯著性影響[20]。

大部分關(guān)于纖維增強(qiáng)型CPC的研究都采用不可降解纖維和溶解度非常低的羥基磷灰石CPC基體[4,21]。如此，載入后就形成了長期穩(wěn)定、力學(xué)性能幾乎不變的載纖維CPC復(fù)合物。但是，即使是CPC在單純破骨細(xì)胞作用下的緩慢降解，也會使纖維在更長的時(shí)間之后暴露出來，被周圍新生組織所包裹并有可能發(fā)生異物反應(yīng)[7]。在纖維增強(qiáng)型CPC中載入生物相容性良好的可降解纖維為解決這一問題提供了思路，并且在大量的研究中得到了驗(yàn)證[5,8]。

但是，同時(shí)由于纖維在溶液中會慢慢降解導(dǎo)致纖維在CPC中的增強(qiáng)作用隨著時(shí)間慢慢消失。研究者通過在模擬體液浸泡載聚多糖/PLGA纖維的羥基磷灰石型CPC，來模擬研究纖維降解對CPC復(fù)合物力學(xué)強(qiáng)度的影響[18-19]。研究表明，浸泡4～6周后纖維增強(qiáng)型CPC的強(qiáng)度明顯下降[19]，這一現(xiàn)象可以通過在CPC基體中同步滲入殼聚糖來彌補(bǔ)[18]。各種高分子纖維和CPC存在的不同降解動力學(xué)需要進(jìn)一步研究，互相調(diào)整，在確保生物相容性良好的前提下，改善CPC的力學(xué)性能并能在一定時(shí)間段內(nèi)保持植入后CPC的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，確保在植入后隨著有機(jī)相的降解，能夠?yàn)樾鹿墙M織的生長逐步提供空間，以期找到有機(jī)相降解與新生骨組織長入時(shí)間匹配的最佳組合。

2 微球增強(qiáng)型CPC

高分子微球是優(yōu)良的藥物載體[22]，同時(shí)，CPC也是藥物和各類高分子的優(yōu)良載體，目前CPC中載入高分子微球的研究基本都集中在藥物緩釋體系，調(diào)節(jié)CPC降解速度并形成多孔結(jié)構(gòu)等方面[1,9-10]。同時(shí)，各類研究表明，載入高分子微球也能改善CPC的力學(xué)性能，例如，在CPC中載入聚三亞甲基碳酸酯微球、PLGA微球等高分子微球均可以明顯改善CPC的脆性，載高分子微球CPC材料的彈性、粘度和屈服強(qiáng)度等隨著載入微球量的增加而增強(qiáng)[11-12]。Theinhan等[11]通過載入水凝膠微球等制備了非剛性的CPC，其力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到了松質(zhì)骨的強(qiáng)度，拉伸破壞時(shí)的軸向應(yīng)變從普通CPC的0.05%提高到了10.7%，抗彎強(qiáng)度是剛性CPC的4倍，斷裂功增強(qiáng)了20倍。因此，載入高分子微球可增強(qiáng)CPC整體的韌性，并使CPC在骨修復(fù)初期維持應(yīng)有的力學(xué)強(qiáng)度，植入骨缺損部位后，再隨著微球緩慢降解，為新生骨組織的長入提供所需的孔隙結(jié)構(gòu)[12]。

但是，高分子微球?qū)αW(xué)強(qiáng)度的影響和變化機(jī)理等有待進(jìn)一步研究，其影響因素包括：微球的顆粒尺寸、形態(tài)、類型、載入量以及CPC的固液比等。另外，各類研究顯示載入高分子微球后，CPC的抗壓強(qiáng)度將會有所降低，體外降解12周后形成了高孔隙率、高強(qiáng)度的支架[1,10,23]。Wu等[23]在CPC中載入微球后，其抗壓強(qiáng)度也有一定程度的降低；進(jìn)一步研究表明，在復(fù)合材料中進(jìn)一步載入β-TCP顆粒，可以在提高力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)縮短凝固時(shí)間，消除微球載入帶來的影響。載微球CPC力學(xué)強(qiáng)度變化及其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究，微球的不均一性、以及微球易團(tuán)聚的特性等方面都給該研究帶來了較大阻礙，尤其在載入載藥微球或是同步載入其它材料（如β-TCP顆粒），變量不斷增多，難度也隨之加大，因此我們建議，除了優(yōu)化各類變量之外，建議嘗試配合軟件模擬分析等方法多角度探究力學(xué)強(qiáng)度的變化機(jī)理。

另外，研究表明載入各類高分子微球后，CPC的凝固時(shí)間均有不同程度的延長，CPC的凝固時(shí)間決定了手術(shù)的可操作性，凝固時(shí)間在4～15 min才有利于手術(shù)的正常進(jìn)行[11-12,23-24]。因此，需要采取各類手段（如：限制微球載入量、微球載入種類等）來減弱微球?qū)δ虝r(shí)間的影響。另外，多糖類的果膠微球或者硫酸鈣二水合物（Calcium Sulfate Dihydrate，CSD）等載入CPC后，可以縮短其凝固時(shí)間[1,23]。Cai S等[25]在載高分子微球CPC中同時(shí)載入質(zhì)量百分比低于5%的CSD，CSD既可以縮短載微球CPC的凝固時(shí)間，同時(shí)提高了CPC的抗壓強(qiáng)度。高分子微球載入同時(shí)會使CPC的可注射性逐漸變差，但是在微球載入質(zhì)量百分比不高于20%時(shí)，CPC的可注射性不會發(fā)生顯著性變化，CPC的可注射性能系數(shù)（如式(1)所示）仍高于95%，具有可觀的應(yīng)用前景[1]。

CPC的可注射性系數(shù)的定義如下[1]：

可注射性系數(shù) % = 從注射器中排出的量/注射之前的總重量 (1)

3 雙相固化增強(qiáng)型CPC

通常在CPC中載入無反應(yīng)活性的高分子（例如，明膠，殼聚糖，透明質(zhì)酸等）來增加CPC的粘結(jié)性能以及生物學(xué)性能，但是對于CPC的機(jī)械性能改善作用不大[13,17,26-27]。研究者在CPC中載入可采用鈣離子進(jìn)行交聯(lián)、螯合的高分子化合物，可以在降低CPC脆性的同時(shí)，提高CPC的力學(xué)強(qiáng)度，這些高分子鏈中存在高密度的、可以與鈣離子結(jié)合的羧酸或者有機(jī)磷酸基團(tuán)（例如：聚丙烯酸、聚谷氨酸、聚甲基乙烯基醚馬來酸、聚[雙（羧基苯氧基）磷腈]、聚（乙烯基膦酸））[14-15]。這類高分子改性CPC的固化反應(yīng)包括之前提到的溶解-沉淀機(jī)制以及高分子鏈之間或者內(nèi)部結(jié)合鈣離子形成鰲合物兩種方式實(shí)現(xiàn)的。這類載高分子CPC既可以通過高分子/CPC粉末溶解液的形式進(jìn)行反應(yīng)，或者通過升溫、加壓的方式使CPC粉末和高分子混合物以固態(tài)形式直接進(jìn)行反應(yīng)，固化形成力學(xué)性能大幅增強(qiáng)的雙相固化CPC[4]。

另外一種可選的方法是在CPC固化液中加入反應(yīng)活性單體系統(tǒng)，通過高分子單體的凝膠化-聚合反應(yīng)這一過程與CPC固化同步反應(yīng)。在幾分鐘內(nèi)就會形成一個(gè)包裹CPC顆粒的水凝膠基體，再通過溶解-沉淀連續(xù)反應(yīng)過程逐步固化。最終在多孔CPC內(nèi)部形成內(nèi)部相互連接凝膠基體，例如載入甲基丙烯酸羥乙酯（2-hydroxyethylmethacrylate, HEMA）[16]。這一方法的優(yōu)勢在于可以載入較大量的高分子（強(qiáng)度和硬度大幅提升），同時(shí)不會實(shí)質(zhì)上改變CPC漿體的流體力學(xué)性能。以上兩點(diǎn)都是由于溶解的單體往往都很小，形成的是粘性較低的混合液，因此，及時(shí)載入高濃度的單體也不會對CPC的粘性產(chǎn)生太大的影響。

Hurle K 和Christel T等[16,28]在CPC中載入30%～70%毒性較低的HEMA單體，形成具有有機(jī)以及無機(jī)交互網(wǎng)絡(luò)組織的，力學(xué)性能穩(wěn)定的載高分子復(fù)合物，固化CPC的性質(zhì)由脆性轉(zhuǎn)變成類似塑性，拉伸模量降低，斷裂功增加，但是水化會受到抑制，水化晶體變細(xì)，且這一現(xiàn)象隨著載入濃度的增加而增強(qiáng)。載入50%HEMA，四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度從9 MPa增加到14 MPa，彎曲模量從18 GPa降到了大約4 GPa。另外，CPC中載入≥50% HEMA時(shí)，脆性斷裂性能大幅改善，伴隨的斷裂功增加幅度超過一個(gè)數(shù)量級。純CPC樣品具有的彎曲變量最大值可能只有0.07 mm，載入≥50% HEMA后，其韌性明顯增強(qiáng)并且斷裂前可能得彎曲變量達(dá)到0.4～1.5 mm。同時(shí)，研究者證實(shí)了HEMA的載入并未對抗壓強(qiáng)度或可注射性等CPC的重要性能產(chǎn)生顯著影響。如上所述，各類研究表明載入高分子單體來獲取雙相固化CPC能在確保不改變CPC漿體的流體力學(xué)性能的前提下，大幅提升CPC的力學(xué)性能，但是載入CPC中的高分子單體，始終存在毒性問題，尤其是部分未鰲合、交聯(lián)的單體，植入人體后會迅速釋放到周圍組織，引起各種不良反應(yīng)。

4 總結(jié)與展望

載入生物相容性良好的高分子材料能明顯改善CPC的脆性、同時(shí)增強(qiáng)斷裂強(qiáng)度等方面的力學(xué)性能，研究表明目前的各類方法還是存在一定的弊端。如載入纖維可以使CPC基體的韌性提高兩個(gè)數(shù)量級，但是，與此同時(shí)，應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的可注射性能會受到限制。載入微球可以使CPC的拉伸強(qiáng)度提高三個(gè)數(shù)量級，抗彎強(qiáng)度提高4倍，但是抗壓強(qiáng)度會有所降低，需要同時(shí)載入其它的增強(qiáng)劑（如β-TCP）。雙重（相）固化CPC是一種比較理想的力學(xué)增強(qiáng)途徑，在水化、固化過程中，同時(shí)形成水凝膠相作為第二相，形成韌性更強(qiáng)、且對其應(yīng)用性能基本不產(chǎn)生影響的CPC/水凝膠復(fù)合物，但載入后殘留的高分子單體具有毒性。

目前CPC各種力學(xué)增強(qiáng)方式正在逐漸成熟，但同時(shí)具備力學(xué)強(qiáng)度、剛度、彈性等與承重骨組織匹配，降解與新骨組織生成同步，同時(shí)具備抗菌、促進(jìn)骨愈合等理想性能的CPC還需要進(jìn)一步研究?？赡艿慕鉀Q途徑之一是綜合各種力學(xué)增強(qiáng)方式，并配合軟件模擬分析輔助，以期制備性能最佳的改良型CPC。

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