复合唑来膦酸磷酸钙骨水泥的力学性能测定

徐跃 于秀淳*

论著·实验研究

复合唑来膦酸磷酸钙骨水泥的力学性能测定

徐跃 于秀淳*

目的 研究加入不同浓度的唑来膦酸对磷酸钙骨水泥体外凝结时间、抗压强度的影响。方法 将唑来膦酸与磷酸钙骨水泥以不同质量比混合，制备力学性能测试标本，并分为 A(空白对照)、B(含0.2%唑来膦酸)、C (含0.4%唑来膦酸)、D(含0.6%唑来膦酸)4组，每组6个标本。测定其凝结时间及抗压强度。结果 随载药浓度的增加，复合磷酸钙骨水泥凝结时间逐渐延长，但各实验组凝结时间与空白对照组均无明显统计学差异(P>0.05)。B、C组抗压强度与A组之间无明显统计学差异 (P>0.05)，而D组与A组之间有统计学差异 (P=0.000)。结论三组中唑来膦酸的添加量对磷酸钙骨水泥凝结时间无明显影响，且各组凝结时间均满足临床应用标准。含0.2%和0.4%唑来膦酸对磷酸钙骨水泥抗压强度无明显影响，而含0.6%唑来膦酸可使磷酸钙骨水泥抗压强度明显降低。但三含量组的抗压强度均满足临床应用标准。

磷酸钙骨水泥；唑来膦酸；凝结时间；抗压强度

骨巨细胞瘤的术后局部高复发率一直是影响骨巨细胞瘤治愈的一大难题。二膦酸盐类药物是一组治疗由破骨细胞介导以骨吸收为特点的疾病的药物。口服和静脉给药是其主要给药途径，但存在生物利用度低、服用时间长、上消化道溃疡等不足。近年来，磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)以其在修复骨缺损方面的优越性而受到广泛关注。以CPC为载体的药物缓释体系是一种新型的给药方式，植入生物体内骨骼后，载体所负载的药物能持续、稳定、高效地缓慢释放，达到修复骨缺损和药物治疗的双重目的[1]。因此，将二磷酸盐类药物加入到CPC中制备成以CPC为载体的药物缓释体系，来降低骨巨细胞瘤的术后局部高复发率就成为我们的设想。唑来膦酸作为第三代二磷酸盐类药物的代表药物，以其理化性质稳定、药理作用强大以及临床应用剂量小等优点成为我们实验选择对象[2]。本文即通过研究载入不同浓度的唑来膦酸对CPC的凝结时间和抗压强度的影响，来为临床应用复合唑来膦酸磷酸钙骨水泥治疗骨巨细胞瘤奠定体外生物力学的基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

复合唑来膦酸CPC标本的制备及分组：将唑来膦酸(由中国药品生物制品检定所提供)与磷酸钙骨水泥 (由上海瑞邦生物材料有限公司提供)分别以0.2%、0.4%、0.6%的质量比混合均匀后，按预设 CPC液固比例量加入液相溶液，三者在室温 (25℃)下混合，并搅拌成糊状后分别推入数个直径为0.9cm，高度1.0cm的圆柱体预制塑料模具中，待骨水泥固化完全后，将标本于模具中移出，并修整使其表面平整，边缘光滑；以同样方法制备空白对照，最终将空白对照及上述不同浓度的复合CPC分成A(空白对照)、B(含0.2%的唑来膦酸)、C(含0.4%的唑来膦酸)、D(含0.6%的唑来膦酸)四组，每组6个标本。

图1 自制复合唑来膦酸CPC测试标本

图2 圆柱体CPC标本直径

1.2 实验方法

1.2.1 复合唑来膦酸CPC的凝结时间测定

采用吉尔摩 (Gillmore)双针法[3]测定各组标本的初凝时间及终凝时间，即以一支质量较轻、横截面积较大 (w= 113.4g,d=2.13mm)的针测定初凝时间 (Ti)，即骨水泥从开始混合到不破坏其结构就无法将其塑形的时间；以一质量较重、横截面积较小 (w=453.6g,d=1.06mm)的针测定终凝时间(Tf)，即骨水泥从混合至己固化不再发生变形的时间[4]。测定时，注意两针均以自身重力轻触各组 CPC标本表面，至标本表面不再出现压痕时的时间点为准，仔细记录各组标本的初凝和终凝时间，并最终用方差分析的方法检验各组实验标本的凝结时间是否有统计学差异。

1.2.2 复合唑来膦酸CPC的抗压强度测定

实验开始前，将各组实验CPC样本置于25℃的环境中至少 2小时，将上述 4个组中的每组 5个样本依次放在RGT-10A型微机力学试验机上测定抗压强度。将十字头加载速率设定为0.5mm/min[5]，当圆柱体破裂或者已过上屈服点时停机。记录极限负载压力数值，然后按以下公式计算各样本CPC的抗压强度：

P=FMAX/r2

注：P为抗压强度，单位为兆帕 (MPa)；FMAX为标本破裂时或已过最大屈服点的负载，单位为牛顿 (N）)； 为圆周率，大小取3.14；r为圆柱体标本的半径，单位为毫米 (mm)。

所得数据用方差分析检验B、C、D各组与A组比较是否有统计学差异。另外，描记各组CPC的载荷-位移曲线，以观察各组CPC随压缩强度的增大、位移的增加所承受力量的变化特征。

2 结果

2.1 复合唑来膦酸CPC的凝结时间测定

4组不同含量唑来膦酸的磷酸钙骨水泥的初凝时间(Ti)和终凝时间 (Tf)的样本均数及标准差，见下表 (表1)。

表1 ，A、B、C、D各组初凝及终凝时间均数(秒)及标准差(，n=6)

运用统计学方差分析检验以上数据，结果提示：①如图3所示：B、C、D各组CPC的初凝时间及终凝时间有随唑来膦酸含量的增加而延长的趋势；②B、C、D各组 (实验组)CPC的初凝及终凝时间与A组(空白对照组)均无明显统计学差异 (P＞0.05)。

图3 A、B、C、D各组初凝及终凝时间变化趋势

2.2 复合唑来膦酸CPC的抗压强度测定

A、B、C、D四组CPC抗压强度的样本均数及标准差和B、C、D三组与A组方差分析比较所得P值，见下表(表2)。

表2 ，A、B、C、D各组抗压强度均数 (MPa)及标准差 (，n=5)

运用统计学方差分析检验以上数据，结果提示：①如图4所示：各组CPC的抗压强度随着唑来膦酸加入量的增加呈逐渐下降趋势；②B、C组CPC样本抗压强度与A组之间无明显统计学差异 (P＞0.05)，而D组CPC样本抗压强度与 A组之间有统计学差异 (P=0.000)；③图5为 A、B、C、D四组各一样本CPC的压缩载荷-位移曲线，见样本CPC抗压载荷随压缩位移的增大开始先增大，达到一定数值后，即样本CPC所能承受的最大压缩载荷 (此时样本CPC出现裂痕)，样本CPC的抗压载荷发生转折并开始下降。其他样本CPC的压缩载荷-位移曲线表现也基本一致。

图4 A、B、C、D各组抗压强度/Mpa

图5 含不同浓度唑来膦酸的CPC的压缩载荷-位移曲线

3 讨论

虽然磷酸钙骨水泥因其良好的生物活性、骨传导性、骨诱导性及易塑性和可降解性，已逐渐成为临床上较理想的骨骼修复材料。然而，对CPC的研究结果最终都需要拿到临床上进行付诸实践的检验，一切不满足临床使用要求的研究报道都只能是空谈。而凝结时间和力学性能分别是衡量手术可操作性的重要指标和决定 CPC应用范围的重要参数,是CPC重要的理化性能，对临床应用具有重要意义[4]。

3.1 CPC的凝结时间

骨水泥的凝结时间一般分为黏结时间(cohesion time,Tc )、初凝时间 (initial setting time,Ti)、终凝时间 (final setting time,Tf)。Tc是指水泥从开始混合到与液体接触不发生溃散需要的时间；Ti是指水泥从开始混合到不破坏其结构就无法将其塑形的时间；Tf是指水泥从混合至己固化不再发生变形的时间[6]。它们是CPC的重要基本性能，也是衡量其在骨科手术中可操作性的重要指标，并对临床应用有着至关重要的意义。Khairoun等[5]根据临床试验提出了手术对凝结时间的要求：①3分钟≤Ti＜8分钟；②Tf-Tc≥1分钟；③Tf≤15分钟。手术过程中必须在Tc之后、Ti之前将CPC植入病灶处，最终要在 Tf之后将术区闭合。Ginebra等人[7]也早在1994年就提出了CPC凝结时间的临床应用标准：初凝时间为3～8分钟；终凝时间不超过15分钟。

本实验结果提示：B、C、D各组CPC的初凝时间及终凝时间有随唑来膦酸含量的增加而延长的趋势，但是各组CPC初凝时间及终凝时间值均在Khairoun等提出的手术对CPC凝结时间的要求范围之内(3分钟≤Ti＜8分钟；Tf≤15分钟)，符合临床应用标准。

不同于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥，磷酸钙骨水泥 (CPC)的固化反应不能形成多聚链，其固化更多的是依赖于因固态相对液态的过度饱和而形成的结晶沉淀，以及沉淀物之间的相互缠绕[8]。物理填充、化学反应和理化作用是药物对CPC固化时间影响的3种主要机制，该药物理化性质决定其影响机制。一般认为药物的引入有可能增加骨水泥的孔隙率并抑制骨水泥的固化反应，从而延长固化时间[9]。

本实验结果提示：B、C、D各组 (实验组)CPC的初凝及终凝时间与 A组 (空白对照组)均无明显统计学差异(P＞0.05)，即不同唑来膦酸加入量对各组CPC的初凝及终凝时间无明显影响。

3.2 抗压强度

CPC作为一种特殊的骨组织缺损修复材料，因此，具有一定的力学性能是其能应用于临床的必不可少的条件。目前其断裂力学、抗弯强度和抗拉强度等性能较弱，相关研究较少；国内外文献研究较多的主要是抗压强度。CPC的抗压强度即CPC固化后所能承载的最大负荷，其大小将直接决定着其在骨骼系统方面的应用范围。

Constantz等[10]发现CPC固化后10分钟可获得约10Mpa的初始压缩强度，12小时后其强度最强，压缩强度约55Mpa (大于松质骨)。Chow等[11]的研究也同样发现CPC固化后的压缩强度介于34～51Mpa之间。而Ginebra等人[7]也早在1994年就提出了CPC的抗压强度临床应用标准：抗压强度不小于30MPa。综合国内外报道后得出如下结论：随着CPC固化反应的进行，羟基磷灰石(HAP)转化率也相应的增多，大部分CPC在12小时后均可获得30～50 Mpa的抗压强度(为松质骨的抗压强度之上)，可满足非承重部位骨缺损的修复要求。

本实验结果提示：各组CPC的抗压强度随着唑来膦酸加入量的增加呈逐渐下降趋势，但各组CPC的抗压强度值均大于Ginebra等人提出的CPC的抗压强度临床应用标准(抗压强度不小于30 MPa)，可应用于临床非承重部位骨缺损的修复中。

固液相混合后结晶度和固化后材料的孔隙率是决定抗压强度大小的主要因素。一般认为药物的引入有可能增加骨水泥的孔隙率并抑制骨水泥的固化反应，降低其抗压强度[9]。Jindong等[12]研究载有阿伦磷酸钠的 CPC，结果显示药物的载入可使CPC的固化时间延长，抗压强度降低；并且得出随阿伦磷酸钠载入量越多，CPC固化时间延长越明显，但不同载入量对CPC抗压强度影响不明显得结论。

本实验结果显示：B、C组CPC样本抗压强度与A组之间无明显统计学差异 (P＞0.05)，而D组CPC样本抗压强度与A组之间有统计学差异(P＜0.05)。即含0.2%和0.4%唑来膦酸对CPC的抗压强度无明显影响，而含0.6%唑来膦酸可使CPC抗压强度明显降低。说明0.6%含量组已达到Ginebra等人提出的CPC的抗压强度临床应用标准的底线，因此，载唑来膦酸CPC在实际的临床应用中载药量不宜过高。

根据复合唑来膦酸CPC的载荷-位移曲线，观察到了复合唑来膦酸CPC体外所能承受负载力量的变化特征，说明了各组CPC标本不具有弹性，但是具有类似人体正常骨骼的各种物理特性，其抗压强度介于皮质骨与松质骨之间。

4 结论

三组中唑来膦酸的添加量对CPC凝结时间无明显影响，且各组初凝及终凝时间均满足临床应用标准；含0.2%和0.4%唑来膦酸对CPC的抗压强度无明显影响，而含0.6%唑来膦酸可使CPC抗压强度明显降低。但三含量组的抗压强度均满足临床应用标准，可应用于非负重骨缺损的修复中。

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Biodynamics properties of composite of various zoledronic acid-loaded CPC

Xu Yue,Yu Xiuchun.Department of Orthopaedic,General Hospital of Jinan Military Command,Jinan Shandong,250000, China

Objective To explore the changes of setting time and compressive strength of composite of various zoledronic acid-loaded calcium phosphate cement(CPC)in vitro.Methods Four zoledronic acid mass fractions were tested:0% (groupA),0.2%(groupB),0.4%(groupC),0.6%(groupD),each group had 6samples.The pasties of zoledronic acidloaded CPC were put in the prepared modular appliances and made into cylinder composites.To measure the setting time and the compressive strength.Results The setting time of conventional CPC (c-CPC)was prolonged when c-CPC contained increasing concentration of zoledronic acid,but the setting times of B、C、D groups all had no significant difference compared with group A(P＞0.05).The compressive strength of B、C groups had no significant difference compared with group A(P＞0.05),but the index of group D had significant difference compared with group A(P=0.000).Conclusion The added doses of zoledronic acids in 3 groups have no influence on setting time of CPC,and the setting times all have achieved the clinical applied standard.0.2%or 0.4%of doses has no influence on compressive strength of CPC,but 0.6% of that can obviously make it decline.However,compressive strength in 3 groups is compatible with clinical applied standard.

Calcium phosphate cement;Zoledronic acids;Setting time;Compressive strength

R318.08

B

10.3969/j.issn.1672-5972.2014.04.003

swgk2014-01-0010

徐跃(1987-)男，硕士在读。研究方向:骨肿瘤。

*[通讯作者]于秀淳(1965-)男，博士，教授，主任医师。研究方向:骨肿瘤。

2014-01-24)

济南军区总医院骨病科，山东济南250000