2024医疗器械展览会骨科资讯 | 各类改性骨水泥的最新研究进展
2023-12-27
摘要
经皮椎体成形术(Percutaneous vertebroplasty, PVP)和经皮椎体后凸成形术(Percutaneous kyphoplasty, PKP)是治疗急性骨质疏松性椎体压缩骨折的有效方法，可迅速缓解患者疼痛，防止椎体高度进一步降低，并有助于矫正脊柱后凸。许多临床研究都对骨水泥的特性进行了调查。骨水泥是一种注入椎体的生物材料，必须具有良好的生物相容性和生物安全性。对骨水泥特性的优化已成为人们关注的焦点。骨水泥主要分为三类：聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥、磷酸钙骨水泥和硫酸钙骨水泥，每种骨水泥都有各自的优缺点。在过去的10年里，骨水泥的性能通过不同的方法得到了极大的改善。本综述旨在概述目前改良骨水泥类型的进展情况，并总结主要的临床发现。
一.引言
丙烯酸骨水泥（ABC）、磷酸钙水泥（CPC）和硫酸钙水泥（CSC）常用于骨与骨之间的粘合。
甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体是聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）的基本单位，PMMA预聚物在其中聚合形成大的PMMA分子。PMMA化学稳定性高、成本低、生物力学性能优越，因此是应用最广泛的骨水泥材料。不过，PMMA骨水泥也有潜在的缺点。PMMA的弹性模量与松质骨的弹性模量相差较大，这会导致相邻椎骨再骨折或骨水泥渗漏。此外，有毒的MMA单体会对心血管系统和呼吸系统造成广泛的不利影响。还会引起骨水泥植入综合征。此外，PMMA颗粒缺乏生物活性。PMMA不能降解或与骨有机结合，导致局部炎症、骨水泥松动和植入失败的风险。
CPC是一种磷酸钙盐溶液，具有自固化能力、良好的成骨活性以及在水中或其他磷酸溶液中良好的骨传导作用。CPC有两种主要类型：磷灰石水泥和透钙磷石水泥。然而，磷灰石水泥的降解速度相当快，限制了其应用。目前，羟基磷灰石（HA）骨水泥已成为研究热点。
每种骨水泥都有其自身的缺点和优点，旨在提高骨水泥性能的研究具有重要意义。
二.骨水泥所需
具备的基本特性
1
机械性能
理想的骨水泥必须具有足够的刚度和强度来稳定椎体。刚度较大的骨水泥并不一定会带来更好的疗效，因为大多数患者会出现严重的骨质疏松。研究表明，骨质疏松患者椎体强化术后常发生椎体再发骨折。因此，骨质疏松患者必须选择合适的骨水泥，使其强度和性能与不同骨密度的骨相匹配。
(1) 弹性模量
PMMA具有较高的强度和刚度。然而，PMMA与骨质疏松松质骨的弹性模量存在较大差异，容易造成骨质破坏，甚至导致相邻椎体的重复骨折。为了使PMMA的弹性模量更接近正常骨的弹性模量，许多研究集中在通过添加其他生物活性物质对PMMA进行改性。
Zhu等人[1]通过将矿化胶原(MC，由有机I型胶原和纳米HA组成)整合到PMMA骨水泥中，获得了矿化MC – PMMA骨水泥。部分研究中[2]在液态MMA单体中加入4 -碘苯甲酰氧基乙基甲基丙烯酸酯共聚物，得到了与传统丙烯酸骨水泥相比具有较低弹性模量的改性水泥。部分研究中[3]将相变材料微胶囊与PMMA粉末混合得到相变材料水泥，使其抗压强度和弹性模量显著降低。
(2) 固缩率
骨水泥凝固后会发生收缩，可导致椎体中的骨水泥生物力学强度下降。完全固化后1~2周内PMMA体积将缩小3.82% ~7.08%。
为了解决这个问题，研究人员[4]将丙烯酸和苯乙烯与PMMA粉末以1:1的比例混合，得到一种具有高体积膨胀率(87.5%±0.5%)和低弹性模量(1468.2±275.8 Mpa)的新型PMMA共聚水泥。罗德里格斯[5]等制备了由纳米PMMA和微米PMMA微球组成的双相骨水泥。该水泥具有良好的抗回缩性能。纳米级PMMA微球具有比普通PMMA骨水泥更低的骨水泥膨胀率。因为纳米级颗粒更加规则，在水泥基体中的分散更均匀，导致PMMA聚合物结构更规整，收缩率更低。
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2
放热率
PMMA水泥在聚合过程中会释放大量的热量。大量的热量会对软骨和骨膜造成损伤，从而导致骨折不愈合和骨水泥松动。目前，改变骨水泥反应温度的主要方法是通过添加剂来控制聚合反应的速度。
实验人员[3]在PMMA粉末中加入固体石蜡胶囊。石蜡胶囊的加入可以降低聚合反应的速度，吸收熔融过程中反应产生的部分热量，降低骨水泥的最高温度。罗德里格斯等[5]将PMMA微球和纳米球混合制成2溶液骨水泥。这种改性水泥的反应温度也有所降低。
3
骨水泥粘度
2024医疗器械展览会Medtec China了解到骨水泥渗漏是PVP或PKP术后最常见的问题，可导致严重的致命性并发症，如肺栓塞或心源性栓塞。骨水泥的粘度是与渗漏最相关的因素之一，因为低粘度的骨水泥容易渗透到骨小梁中，并且具有较长的工作时间。有研究结果[6]发现，高粘度骨水泥在PVP和PKP中均具有较低的渗漏率。还有研究表明[7]高粘度骨水泥可以以较小的注射量达到与低粘度骨水泥相同的椎体强化效果，并导致较少的骨水泥在椎间隙和静脉中的渗漏。
4
生物相容性
理想的骨水泥不仅需要足够的机械强度，还需要低毒性和优异的骨整合能力。PMMA骨水泥虽然具有优异的机械强度，但几乎没有骨整合能力。研究表明，当PMMA骨水泥在体内长期暴露时，骨水泥表面会出现一层纤维膜层，即’光环’现象（图1）。
图1. A: 聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )生物相容性差导致的’光环’现象。B：由于磷酸钙骨水泥的快速降解，水泥发生松动。
Jacobs等人[8]使用金颗粒代替BaSO4作为水泥显影剂。金颗粒可导致较低的炎症反应，术后骨溶解率低于BaSO4骨水泥。
然而，相比于PMMA，CPC具有良好的生物相容性、骨传导性和生物降解性。
Sr2+ 在骨代谢中具有双重作用，既能促进骨形成，又能抑制骨吸收。Kurtz等[9]尝试将Sr2+ 整合到CPC微球中。与普通CPC相比，含锶骨水泥在体内的细胞活性更高。
三.总结
2024医疗器械展览会Medtec China了解到ABC是目前应用最广泛、性能优异的骨水泥材料。其缺点主要是生物相容性差和过高的弹性模量。未来的改进应侧重于成骨能力的提高和弹性模量的个性化修正。虽然PMMA本身的材料特性使其生物相容性难以改变，但可以通过加入添加剂或增加其分散性来改变其弹性模量。CPC和CSC具有良好的生物相容性和成骨能力，但强度不高。目前，增强其强度的主流方法是添加有机或长链大分子(例如,纤维素)，可以在不损害其优异生物相容性的前提下显著增强强度。对于其他复合材料，目前仍没有成熟的产品可用于椎体成形术。我们相信CPC可以得到很大的改善，有潜力成为一种理想的骨水泥材料。
未来，针对PMMA、CPC、CSC等复合骨水泥性能缺陷的研究应集中在金属元素、有机聚合物掺杂、微纳米材料表面改性等添加剂方面。这些可以改变骨水泥的结构，增强其物理和生物学功能。此外，还需要更好的策略来实现骨水泥性能的全面改善。
参考文献
Qi Quan, Xu Gongping, Na Ruisi, et al. New Research Progress of Modified Bone Cement Applied to Vertebroplasty. World Neurosurgery, 2023, 176:10-18.
引用文献
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3. Lv Y, Li A, Zhou F, et al. A novel composite PMMA-based bone cement with reduced potential for thermal necrosis. ACS Appl Mater Interfaces. 2015; 7:11280-11285.
4. Yang Z, Chen L, Hao Y, et al. Synthesis and characterization of an injectable and Hydrophilous Expandable bone cement based on poly(methyl methacrylate). ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9: 40846-40856.
5. Rodrigues DC, Ordway NR, Ma CR, et al. An ex vivo exothermal and mechanical evaluation of two-solution bone cements in vertebroplasty. Spine J. 2011;11:432-439.
6. Wang B, Zhao CP, Song LX, et al. Balloon kyphoplasty versus percutaneous vertebroplasty for osteoporotic vertebral compression fracture: a meta-analysis and systematic review. J Orthop Surg Res. 2018;13:264.
7. Lu Q, Gao S, Zhou M. The effect of bone cement on the curative effect of percutaneous kyphoplasty in the treatment of osteoporotic vertebral compression fracture. Ann Palliat Med. 2021;10: 11013-11023.
8. Jacobs E, Saralidze K, Roth AK, et al. Synthesis and characterization of a new vertebroplasty cement based on gold-containing PMMA microspheres. Biomaterials. 2016;82:60-70.
9. Kurtz SM, Villarraga ML, Zhao K, et al. Static and fatigue mechanical behavior of bone cement with elevated barium sulfate content for treatment of vertebral compression fractures. Biomaterials. 2005; 26:3699-3712.
