复合磷酸钙骨水泥改性研究进展

西安交通大学第二附属医院骨一科(西安 710004) 张 亮 综述 党晓谦 审校

复合磷酸钙骨水泥改性研究进展

西安交通大学第二附属医院骨一科(西安 710004) 张 亮*综述 党晓谦 审校

磷酸钙骨水泥(Ca lcium phosphate cem ent,CPC)是一种自固型非陶瓷型羟基磷灰石类人工骨材料。因其具有良好的生物相容性和骨传导性、生物安全性、能任意塑形、在固化过程中的等温性,CPC受到了国内外众多学者的广泛关注,然而由于CPC脆性大、抗水溶性(血溶性)差、力学性能不足、降解缓慢等缺点,又限制了其在临床上的广泛应用。近年来,随着对CPC改性研究的不断进行,其性能不断优化。本文对近年来磷酸钙骨水泥改性研究成果进行综述。

1 CPC中添加无机成分 正常骨组织成分中含有部分的无机盐,因此在CPC中掺入一种或多种无机盐不但可以提高其性能,而且可使其与自然骨的组成相近。研究者通过在合成过程中加入不同的无机离子对 CPC进行改性。

1.1 在CPC中添加锶 离子锶是人体的一种必需的微量元素,它与钙同族,可置换 HAP中的钙而成为 Sr-HAP,具有防龋、增强骨骼强度、防止骨质疏松的作用。Christoffersen等[1]研究表明锶一羟基磷灰石比羟基磷灰石具有更高的溶解性和生物降解性。掺锶 CPC的理化性能均与锶含量,即 Sr/Srtca比值有关[2]。近期研究[2]发现,应用锶离子对 HAP进行改性,不仅改善了其降解性能,还显著提高了其力学性能。

1.2 在CPC中添加氟 离子氟可以促进骨细胞的增殖分化,在骨和牙齿的生长发育中发挥着重要作用。

1.3 在CPC中添加碳酸盐 骨组织的无机成份中含有少量碳酸盐,因此在CPC中添加碳酸盐可以使其与骨组织结构相近,增加其生物相容性。碳酸盐的加入也可以提高CPC的机械性能。碳酸盐基的磷酸钙骨水泥比单纯磷酸钙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机械性能、提高骨水泥的孔隙率并改善临床的操作性能。而且临床长期随访也发现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中可显著促进人成骨细胞的增殖和碱性磷酸酶(ALP)活性增高,且不影响CPC的固化反应[4]。但是,随着 Zn2+浓度的增加,含 Zn TCP(三磷酸钙)的 CPC机械强度下降,这是因为 Zn2+溶解后产生了孔隙,当 Zn TCP达 5%时,能显著促进人成骨细胞的增殖,而Zn TCP达 10%时成骨细胞的增殖能力却下降,并显示了一定的细胞毒性[5]。

1.5 晶须及陶瓷颗粒增强 在基体中加入弥散的颗粒和晶须作为增强相,可以有效地提高复合材料的力学性能。分别在α-TCP骨水泥中添加 7.5w t%氧化锆、氧化铝和二氧化硅颗粒,实验结果表明复合骨水泥的抗压强度分别由原来的 42M Pa提高到 48M Pa、64M Pa和 67M Pa。并且指出复合骨水泥抗压强度的大小与增强颗粒的分散程度和骨水泥的晶粒大小有关,与氧化锆的相变无关[6]。

1.6 其他 为了解决 CPC的脆性大和强度低的问题,Xu等[7]通过对 CPC粉末粒子表面进行硅化烷处理以及向 CPC中添加不同比例氮化硅、碳化硅,其强度增加了3倍,钢度增加了5倍,弹性模量增加了 2倍。

2 CPC与纤维复合 根据材料的复合原理,纤维增强复合材料中,纤维承受大部分载荷,在基体与纤维之间起到桥梁作用,并且当基体裂纹扩展到纤维与基体界面时,结合适当的界面阻止裂纹扩展或使裂纹发生偏转从而达到调整界面应力,阻止裂纹进一步扩展的效果。

2.1 CPC与碳纤维复合 戴红莲等[8]在CPC中适量添加碳纤维,发现复合材料的抗压强度提高了 55%,最大达到 63.46M Pa,抗折强度提高了100%,最大可达到11.95M Pa。吴文选等[9]研究结果表明,随着碳纤维添加量的增加,抗压强度逐渐提高,然后逐渐降低。

2.2 CPC与纳米碳管复合 纳米碳管(CN Ts)是一种主要由碳六边形的石墨板经 360度卷曲而成的、内径在几纳米到几十个纳米之间的管状材料,长度可达微米量级,是理想的准一维材料。赵萍等[10]制备了纳米碳管磷酸钙复合材料,CN Ts的最高添加量为 0.6%时复合材料的弯曲及压缩强度为最大值 ,分别为 10.48M Pa和 31.22M Pa。

2.3 CPC与可吸收纤维复合 Xu等[11]等的研究表明复合纤维能显著提高 CPC的耐压强度(62± 16M Pa),同时又可保持 CPC的多孔性;CPC中加入大直径可吸收纤维后,CPC弯曲强度提高了 3倍,韧性提高近 100倍,这一强度和韧性随纤维溶解速度的不同可保持2～ 4周;粗纤维可在组织再生过程中短期增强 CPC,纤维溶解后形成的大孔有利于血管长入,给骨组织再生提供了良好的环境;随着纤维溶解,CPC中形成了相互交通的圆柱形大孔,其抗弯强度仍比无大孔的 CPC高39%,韧性高256%。

2.4 CPC与聚乳酸复合 聚乳酸是一种高分子有机聚合物,具有良好的生物相容性和可降解性,可降解成对人体无毒的小分子并被人体吸收。 Dennis等[12]在磷酸钙中复合乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA),使短期内骨水泥的强度和性能有了很大的提高,但是8周之后,骨水泥的强度对于承重的目的来说还是不足。

3 有机复合改性研究

3.1 壳聚糖 壳聚糖是一种极具发展潜力的天然生物材料,具有生物相容性、生物降解性及几乎无过敏性等性质。W eir等[13]将该骨水泥作为蛋白质释放载体,发现随着壳聚糖含量的增加,蛋白质的释放速率降低,指出蛋白质的释放速率与骨水泥的孔隙率成正比。

3.2 在固化液中加入藻酸钠 藻酸钠可与溶液中的钙离了结合形成藻酸钙凝胶,该凝胶可防止水对骨水泥的浸泡和侵蚀,避免骨水泥在液体中的崩解;凝胶也使骨水泥的黏度显著下降,便于注射;凝胶还并可提高磷酸钙骨水泥的孔径率 ,增加其韧性。当所用的藻酸钠含量为0.8%,实验表明对骨水泥的凝固时间影响最小[14、15]。

3.3 胶原 胶原是骨骼中主要有机成分,具有特定引导骨组织修复、骨再生的生物学特性。Tieliew uhan等[16]将70w t%的 HAP与胶原复合冻干后得到海绵状复合支架,成骨细胞培养表明复合支架有良好的生物相容性,可作为组织工程支架。Wang等[17]胡将胶原基质置于模拟体液中仿生矿化制备出碳酸羟基磷灰石-胶原复合材料。 Bigi等[18]的研究也表明加入明胶(胶原的降解产物)不仅增强了正常成骨细胞的增殖分化功能,而且骨质疏松症来源的成骨细胞其增殖分化功能也得到了加强。明胶微球也具有降解及缓释性能,已有报道运用交联的明胶微球制作多孔磷酸钙骨水泥,但孔径率欠理想,其原因在于微球交联率太高,降解很慢,影响了材料的孔径生成[19]

4 复合生物活性因子 CPC虽具有良好的骨传导能力,但没有骨诱导能力,与生长因子(TGF)、碱性成纤维细胞生长因子(b FGF)等复合,可能增加骨诱导活性,促进骨修复和再生。BM P是一种低分子酸性多肽,可诱导未分化间充质细胞和骨母细胞分化为成骨细胞及成软骨细胞,从而诱导骨和软骨的形成。CPC与 BM P复合后成为一种既有骨传导活性,又有骨诱导活性的新型骨修复材料,早期即可达到与宿主骨稳固的融合。单纯 CPC新骨形成速度明显低于 CPC-BM P复合物 ,材料可逐渐降解吸收。Seeherman等[20]比较了不同量的rhBM P-2与CPC复合后对兔桡骨骨缺损的影响,结果发现 0.166 mg/m l rh BM P-2/CPC的比例为最佳,并且在植入 8周后,证实有骨皮质的桥连和骨髓腔的再生。

磷酸钙骨水泥与骨发生蛋白复合,显示良好的成骨活性,成骨速度加快。有研究表明磷酸钙骨水泥对骨形态发生蛋白的缓释作用多达 20d之久,显著提高骨发生蛋白的骨诱导作用[21、22]。

5 结 语 综上所述,CPC以其自身良好的生物相容性和能任意塑型并等温自固等特点,克服了其他材料的缺陷,成为目前最具优势的骨缺损修复材料。但是常规CPC存在机械强度不足、骨诱导差、降解缓慢等缺点 ,复合型CPC将有利于改善它的性能,随着对 CPC改性研究的深入,其理化性能和生物性能不断提高,必将成为组织修复领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

*西安市红十字会医院骨科

(收稿:2010-02-03)

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