用于膝关节损伤修复的改性凝胶材料性能测试及应用护理

叶丽娜 史英韬 喻选荣 董秋月

摘 要：试验以甲基丙烯酸羟乙酯-甲基丙烯酸二甲氨乙酯［P（H-D）］承载盐酸左氧氟沙星（LVF），制备pH响应药物载体，然后制备改性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基复合骨水泥，并研究其性能和临床应用效果。结果表明：改性PMMA基复合骨水泥具备较好的pH响应释药性能，可以延缓释药周期，并且在吸水膨胀前后的抗压强度良好，分别为85.7、64.5 MPa，其面团时间和凝固时间分别为385.2、823.0 s，凝固温度为56.5 ℃，理化性能良好；在改性PMMA基复合骨水泥中添加3%交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）比较适宜；改性PMMA基复合骨水泥具备较好的细胞相容性和临床应用效果，均优于普通PMMA骨水泥。改性PMMA基复合骨水泥综合性能较好，可以在临床应用。

关键词：膝关节；软骨损伤修复；PMMA骨水泥；释药性能；理化性能

中图分类号：TQ460

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0101-05

Performance testing and application care of modified gel materials for knee joint injury repair

YE Lina，SHI Yingtao，YU Xuanrong，DONG Qiuyue

（Xingtai General Hospital of North China Medical and Health Group，Xingtai054000，Hebei China

）

Abstract：In this experiment，poly （Hydroxyethyl acrylate dimethylaminoethyl methacrylate） ［P （H-D）］ was used to carry Levofloxacin hydrochloride （LVF） to prepare pH responsive drug carrier，and then modified poly （Methyl methacrylate） （PMMA） was prepared based composite bone cement，and its performance and clinical application effectwere studied.The experimental results showed that the modified PMMA based composite bone cement had good pH responsive drug release performance，could delay the drug release cycle，and had good compressive strength before and after water absorption and expansion，which were 85.7 MPa and 64.5 MPa，respectively.Its dough time and setting time were 385.2 s and 823.0 s，respectively，and the setting temperature was 56.5 ℃.The physical and chemical properties were good.Adding 3% crosslinking agent N，N-methylenebisacrylamide （MBA） to modified PMMA based composite bone cement was more suitable.Modified PMMA based composite bone cement had good cell compatibility and clinical application effects，both of which were superior to ordinary PMMA bone cement.In summary，the modified PMMA based composite bone cement has good comprehensive performance and can be widely used in clinical practice.

Key words：knee joint;repair of cartilage damage;pMMA bone cement;drug release performance;physical and chemical properties

關节软骨损伤属于骨科常见疾病，并在老年群体中具有一定的发病率［1］。疾病的出现会导致老年人出现局部疼痛、功能受限等症状，严重影响到老年人的日常生活［2］。针对该病的治疗，除了应用关节镜手术以外，还需在术中应用一定的修复材料以获得理想的损伤修复效果。基于此，研究新型的生物材料成为骨组织工程学发展中的一个重点。对此，许多学者进行了研究。例如，采用3D打印技术，将生物活性玻璃与羟基磷灰石结合，制备了一种骨修复材料，并研究其性能。结果表明，该材料与正常人体骨组织较接近，且抗压性能符合松质骨要求，具备一定的临床应用价值［3］。制备了一种可塑形骨填充材料，并对其性能进行研究。结果表明，在生物安全性和骨诱导能力方面，该材料表现优异，是一种较好的骨填充材料［4］。除此之外，还有在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，添加矿化胶原（MC），制备了一种改性骨水泥。结果表明，当MC质量分数为15%时，该改性骨水泥的综合性能较好，符合国际标准以及临床要求［5］。基于以上学者的研究，本试验制备了一种含pH响应药物载体的改性PMMA基复合骨水泥，并研究其性能和临床应用效果。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：PMMA骨水泥：工业纯，冠泰塑料；盐酸左氧氟沙星（ LVF）：AR，百慕达生物；过硫酸铵（APS）：AR，翰月化工；甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）：AR（三旺化工材料；甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）：AR，宏纲化工；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：AR，弘万春药业；N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）：AR，尧同实业 。

主要设备：RD1020型电子天平（荣达仪器）；HH-1S型水浴锅（金达来建筑器材）；DF-85-2型数显恒温电磁搅拌器（赫名仪器）；LP-550H型循环水真空泵（莱禾机电科技）；HN101型型真空干燥箱（华能电子）；LX-15KS型离心机（湖南粉体装备）；YG026型试验机（德普纺织科技）。

1.2 試验方法

1.2.1 pH响应药物载体的制备

（1）用电子天平称取一定质量的DMAEMA和HEMA，装入三颈烧瓶中。然后按1∶2∶1的体积比倒入MBA溶液、PVP溶液和LVF药物溶液，其中，DMAEMA质量分数为20%［6-7］；

（2）在恒温40 ℃和氮气保护的环境下，将三颈烧瓶放入水浴锅中，进行机械搅拌处理30 min。然后升高温度到70 ℃，向三颈烧瓶中加入50 mL的APS溶液，静置保温处理6 h；

（3）将三颈烧瓶中获得的产物依次进行洗涤、抽滤、冷冻干燥处理，获得pH响应药物载体的共聚物微球，备用。

1.2.2 改性PMMA基复合骨水泥的制备

将1.2.1中制备好的pH响应药物载体的共聚物微球以30%固相体积比加入到PMMA骨水泥中，作为试验组，而对照组则在PMMA骨水泥中单独加入LVF。其中，固相和液相的配置比例均为2 g/mL，将各组物料均进行搅拌处理，混合均匀。

1.3 性能测试

1.3.1 pH响应释药性能

将适量的磷酸二氢钾溶液和磷酸氢二钠溶液加入烧杯中，然后用酸或碱溶液调节pH值至7.5、5.4，获得不同pH值的PBS溶液，分别模拟正常环境和炎症环境。然后将1 mL液相与2 g固相骨水泥搅拌混合，静置至材料面团期，并在恒温恒湿环境内放入10 mL配置好的PBS溶液中。取出试样，再次加入10 mL的PBS溶液。通过紫外分光光度法，对试样溶液进行测试，分析材料的pH响应释药性能［8-9］。

1.3.2 力学性能

利用试验机对材料试样进行测试，分析其强度情况。

1.3.3 理化性能

面团时间：在骨水泥固液接触并搅拌3 min后，每隔20 s用戴手套的手指触碰骨水泥，并记录手指与骨水泥分离时无拉丝状纤维的时间。

凝固时间与凝固温度：从骨水泥固液接触开始，用测温仪每隔20 s测量一次温度并记录，直到测量出最高温度，再继续测量一段时间。

1.3.4 生物相容性

对骨水泥试样进行消毒处理，然后放在24孔板中。在骨水泥试样表面接种1 mL的细胞培养液，在培养一定时间后加入适量噻唑蓝（MTT）试剂，在培养5 h后添加0.5 mL的二甲基亚砜（DMSO），进行振荡处理12 min。之后，使用多孔酶标仪测试试样细胞活性［10］。

1.4 临床应用

1.4.1 一般资料

本研究针对2020年12月～2021年12月期间，在本院骨科就诊并接受住院治疗的70例老年膝关节软骨损伤患者，作为观察对象。关于此次研究的相关内容，已经提前报请本院伦理委员会审核，经批准予以实施。

1.4.2 试验方法

在均接受基础治疗的前提下，将患者分为对照组和观察组。对照组实施关节镜下手术治疗联合骨水泥注射修复，而观察组实施关节镜下手术治疗联合含pH响应药物载体的改性PMMA基复合骨水泥进行修复。在术后，2组患者均实施常规术后处理，给予患者抗感染治疗和必要的营养支持，并结合患者术后恢复情况指导其参与一定的康复锻炼。

1.4.3 观察指标

1.4.3.1 膝关节功能

治疗前与治疗后3个月，分别对2组实施膝关节功能系统（HSS）评分。评分维度包括稳定性、功能、肌力等。其中，HSS的评分较高的组别，其中的患者膝关节功能较好。

1.4.4.2 治疗总有效率

在接受治疗3个月后，对2组患者进行治疗总有效率评估。经治疗患者膝关节疼痛症状消失或得到显著改善，关节无积液或者积液情况基本消除，可正常活动，则评估为治疗显效。经治疗患者膝关节疼痛症状与关节积液情况均得到一定的改善，但活动受限，则评估为治疗显效。经治疗患者膝关节疼痛症状与关节积液情况无变化，活动明显受限，则评估为治疗无效。

1.4.4.3 并发症发生情况

记录术后3 个月2组出现下肢肿胀、切口感染等情况的病例数，统计2组并发症发生率。

2 结果与讨论

2.1 pH响应释药性能

本试验对制备的改性PMMA基复合骨水泥进行释药性能测试，并以PMMA骨水泥作为对比，结果如图1所示。

由图1（a）可知，对于普通的PMMA骨水泥，环境中pH值的变化对其释药性能的影响不大。并且，当pH值为7.5和5.4时，PMMA骨水泥的药物释放曲线均在4 h左右就达到平衡，而且释药率均在4%左右。这表明，PMMA骨水泥不具备控制药物释放的能力，这主要是因为PMMA骨水泥化学性能比较稳定，不会因为环境pH值的变化而发生化学反应。同时，在PMMA骨水泥中，含有的药物基本上都埋在其基体内部，只有在表面的药物能够快速释放，发生药物突释［11］。而对于改性PMMA基复合骨水泥，由图1（b）可知，pH值较低的环境下稳定释药率较高。在不同环境pH值下，释药率均在2 d左右才达到平衡。这表明，该材料具备较好的药物缓释能力，并且释药率较好，发生这种现象的原因是，改性PMMA基复合骨水泥中含有pH响应药物载体，能够在酸性环境下质子化，产生pH响应释药的能力。同时，其中含有的DMAEMA可以提高材料内部的P（H-D）与药物之间的静电斥力，增加药物在吸水通路的释放能力［12］。因此，改性PMMA基复合骨水泥具备一定延缓释药周期的能力和较好的术后感染治疗效果。

2.2 理化性能

本试验通过研究材料的理化性能，测试材料对实际手术操作的影响，结果如表1所示。

由表1可知，当LVF直接加入PMMA骨水泥时，材料的面团时间和凝固时间均较少，而凝固温度较高。这会使实际手术过程中医生操作时间减少，导致手术时间紧迫，同时，较高的凝固温度会使材料周围的组织受到损伤。而对于改性PMMA基复合骨水泥，其面团时间和凝固时间明显提高，并且凝固温度降低。这给实际手术提供了较好的操作空。这种现象的原理是改性PMMA基复合骨水泥中含有共聚物微球，使原本材料中的引发剂掺量降低，从而减缓了MMA的聚合速率，延长反应时间，进而降低材料放热［13-14］。由此可知，与普通的PMMA骨水泥相比，本试验制备的改性PMMA基复合骨水泥有着良好的理化性能。

2.3 交联剂含量的影响

2.3.1 释药性能

材料在不同的pH值条件下的释药性能结果如图2所示。

由图2可知，在不同pH值环境下，改性PMMA基复合骨水泥的累计释药率随MBA含量的增加而降低。当材料中含有3%MBA时，在pH值为7.5环境中的累计释药率为39.5%；而在pH值为7.5环境中的累计释药率为49.5%，提高了25.3%，释药性能较好。这是因为MBA的添加，可以控制材料中药物在吸水通路的释放。因此，控制改性PMMA基复合骨水泥中MBA的含量，可以调控其释药性能。

2.3.2 理化性能

由表2可知，随着改性PMMA基复合骨水泥中MBA含量的增多，其面团时间和凝固时间均不断下降，而凝固温度则不断升高。当材料中添加1%MBA时，其面团时间和凝固时间最多，分别是425.6、892.4 s，而此时的凝固温度最低，为55.4 ℃。发生这种现象的原理是，随着材料中MBA含量的增多，改性PMMA基复合骨水泥中的共聚物微球直径减小，从而使材料中MBA与共聚物微球的反应程度增加，反应放热增多［15］。因此，材料的面团时间和凝固时间缩短，而凝固温度提高，这不利于实际手术中医生的操作环境。因此。本试验将MBA含量控制在3%。

2.4 细胞相容性

由图3可知，当成骨细胞在各材料中的培养时间增多时，其细胞活性均在不断增加。但是，在改性PMMA基复合骨水泥中，成骨细胞的活性明显高于普通PMMA骨水泥。这表明，在改性PMMA基复合骨水泥中，细胞的增殖性能较好。发生这种现象的原因是，经过共聚物微球改性后，改性PMMA基复合骨水泥中含有较多的羟基和胺基，可以促进细胞的繁殖［16］。因此，本试验制备的改性PMMA基复合骨水泥可以增强成骨细胞的增殖性能，细胞相容性较好。

2.5 临床应用

2.5.1 膝关节功能

本研究针对2组患者进行膝关节功能HSS评分，结果如表3所示。

由表3可知，在接受治疗前，2组患者的膝关节功能HSS评分的组间差异无统计学意义（P＞0.05）。而在接受治疗后，对照组HSS评分均低于观察组，组间差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.5.2 治疗总有效率

本研究针对2组患者在接受治疗3月后的治疗总有效率进行比较，结果如表4所示。

由表4可知，2组治疗总有效率进行组间比较，可以发现对照组治疗总有效率低于观察组，且组间差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.5.3 并发症发生情况

2组并发症发生情况结果如表5所示。

由表5可知，在并发症发生率方面，对照组高于观察组，且并发症发生率分别为22.86%、2.63%，组间差异有统计学意义（P＜0.05）。

综上所述，通过本次研究可以证实，与关节镜手术联合骨水泥修复相比较，对老年膝关节软骨缺损患者实施关节镜下手术治療联合含pH响应药物载体的改性PMMA基复合骨水泥进行修复，可以更好地改善患者的膝关节功能，提高治疗效果，并在减少并发症方面具有肯定的效果，故值得临床广泛应用及推广。

3 结语

（1）改性PMMA基复合骨水泥释药率在不同pH值环境下，均在2 d左右达到释药平衡，可以延缓释药周期，具备pH响应释药性能，有效治疗术后感染。在力学性能方面，该材料在吸水膨胀前后的抗压强度分别是85.7、64.5 MPa，力学性能、理化性能较好，改性PMMA基复合骨水泥的面团时间和凝固时间分别为385.2、823.0 s，凝固温度为56.5 ℃；

（2）添加3%MBA比较适宜，此时，材料的释药性能、力学性能和理化性能较好；

（3）改性PMMA基复合骨水泥可以增强成骨细胞的增殖性能，细胞相容性较好；

（4）改性PMMA基复合骨水泥的临床应用效果优于普通PMMA骨水泥，可以改善患者的膝关节功能，提高治疗效果，减少并发症，可以在临床广泛应用。

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