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【关键词】 磷酸钙骨水泥
磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC），又称为羟基磷灰石骨水泥（hydroxy apatite cement，HAC），是由Brown和Chow首先研制出来的一种自固型非陶瓷羟基磷灰石类人工骨材料〔1〕。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作为一种新型的骨组织修复和替代材料，受到了国内外众多学者的广泛关注，已成为临床组织修复领域研究和应用的热点之一。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，一些新型的CPC材料不断出现，如可快速固化型CPC、抗水溶型CPC、可注射型CPC等，使CPC的临床运用变的更加便捷和可靠。本文对近年来复合型磷酸钙骨水泥的发展概况和研究成果进行综述。
1 复合促凝剂
比较常见的CPC固化促进剂是Na2HPO4和NaH2PO4等无机盐物质，将其水溶液作为固化液可以有效的缩短CPC的固化时间。Miyamoto等〔2〕就将固化液改为中性磷酸钠缓冲溶液，制成了一种快速凝固型CPC（fast-setting CPC，FSCPC），实验证明在大鼠肌肉内的凝固时间缩短到了5～7min。可能是因为中性磷酸钠缓冲溶液加快了向HAP的转化速度，增大了钙离子和磷酸根离子的过饱和度，从而起到了促凝作用。Ishikawa等〔3〕比较了TTCP+DCP型骨水泥在NaH2PO4、KH2PO4、NH4H2PO4溶液中固化的时间，发现均能缩短凝固时间到5 min。Khairoun等〔4〕将5％碳酸钙加入到CPC中，固液混合24 h后对其黏附时间、初凝时间、终凝时间进行测定，发现初始固化时间和黏附时间的差值在2～3 min之间，终凝时间在15 min以内。Bohner〔5〕向α-TCP（α-磷酸三钙）骨水泥中加入硫酸钙（CSD），结果发现CSD的加入能够明显地缩短骨水泥的固化时间，并认为原因在于CSD是一种能够快速释放Ca元素的可溶性盐，由于它与磷酸根离子大量存在于骨水泥混合初期的浆体中，促进了水合反应的进行，从而缩短了固化产物CDHA在骨水泥浆体中达到过饱和程度的时间。另外一些研究表明，有机酸类物质如聚丙烯酸等也有促凝作用，机理大都表现为同CPC中的碱性物质发生酸碱中和反应，并很快凝固形成水凝胶。
2 复合抗水（血）溶剂
常规骨水泥混合后的糊剂立即与液体（如蒸馏水或血清等）接触后容易被侵蚀而溃散，必须要等其初步固化后方可使用，因而临床应用受限制。为此新型FSCPC和抗水化型快速固化CPC（aw-FSCPC）由此产生。Ishikawa等〔6〕在FSCPC基础上进一步改善抗水性能，他们在固化液中加入一定量的海藻酸钠，结果发现混合后立即放入水中不会溃散，并能正常固化。机理可能是它能够与从中溶解的钙离子形成不溶于水的海藻酸钙水凝胶，后者能有效地阻止调和物被水浸蚀而溃散。但海藻酸钠的引入是以牺牲材料的强度为代价的，因而使其应用受到了一定的限制。Chemg等〔7〕研究表明，将羟丙基甲基纤维素（HPMC）添加到CPC中，在凝胶增稠作用机理下也能够提高水泥的抗溶血性。
3 复合增强剂
Xu等〔8〕向CPC中添加不同比例的氮化硅、碳化硅，发现硅化物／CPC的比例对CPC复合物特性有显著影响，使其强度增加了3倍，刚度增加了5倍，弹性模量增加了2倍。在纤维复合材料研究中，为提高CPC水化产物的抗压、抗折强度，采用高分子可吸收长纤维对TTCP／DCPA骨水泥进行增强，结果抗折强度得到了提高〔9〕。Mickiewicz〔10〕证实，复合了一定量聚氧离子聚乙酰亚胺和聚丙烯酰胺水化物的CPC和复合13～25wt％血清蛋白的CPC，其抗压强度分别是单纯CPC的6倍和2倍。Wang等〔11〕向CPC中加入磷酸化的几丁糖（P-chitosan）并调整加入P-chitosan的比例，获得了生物力学性能优异的CPC，固化时间可以不超过15 min。他们认为这是由于Ca2+同壳聚糖间的强烈的键合作用使得新生成的羟基磷灰石颗粒通过聚合物连接在一起，所以含有磷酯化壳聚糖的CPC的抗压强度较空白的要高。Lin等〔12〕发现多肽共聚物胶粒复合CPC后，其抗压强度、抗折强度都较单纯CPC的强，认为是因为多肽共聚物有很多的亲水侧链、孔壳胶粒能加强CPC的强度。Pan等〔13〕证实骨水泥中含30％的壳聚糖纤维，5％的胶原时可获得最大的抗屈曲强度。Wang等〔14〕则认为可注射性CPC加入8wt％的p-硅酸二钙后能显著提高其抗压强度26.5～47.5 MPa，而不影响CPC的生物降解性、固化时间、可注射性及CPC的微观结构。Link等〔15〕在大鼠的颅骨缺损模型上，研究了20 wt％聚乳酸-聚乙醇酸共聚体（PLGA）微球复合到CPC中后机械特性和生物降解的改变，实验测试抗剪切强度8周后可达到（2.60±2.78）MPa。
4 复合增塑剂
CPC的增塑剂一般为多糖、多元醇及其衍生物、多羟基的蛋白质等物质，能改善骨水泥的流动性和可操作性。这些物质吸附在磷酸钙粉末表面和HAP晶粒上而使之稳定，控制凝胶物质的水化和硬化过程。Fernandez等〔16〕将几种商品化的超塑性材料添加到商品化CPC-Biocement-H中，发现通过减少液-固比例，可以得到既具有较好可注射性，又有较高抗压强度的CPC。Gbureck等〔17〕认为柠檬酸在CPC拌和初期可作为流化剂，可延缓CPC的溶解-沉淀反应并增加抗压强度。柠檬酸加入到CPC浆体中之所以能起到缓固增塑、提高注射性的作用，关键在于其自身的羧基与钙离子之间存在着相互作用。这种作用能够影响和降低骨水泥粒子之间的联系，尤其是离子之间的静电吸引力，并最终影响到骨水泥的物理和化学性质，尤其是流变性〔18〕。Cherng等〔19〕采用羧甲基纤维素（CMC）、羟甲基纤维素（HPMC）、壳聚糖醋酸盐和壳聚糖乳酸盐为外加剂，发现加入这些外加剂后使得CPC的操作性能得到极大的提高，同时也延长了其固化时间和降低了机械强度。Roemhildt等〔20〕在磷酸钙骨水泥中加入铝酸钙，发现流动性、可塑性大大提高。Xu等〔21〕采用水溶性甘露醇作为致孔剂和CPC混合制成可注射性的CPC，比较了0～50％不同质量百分率的可注射率，得出40％为最佳比率。水溶性甘露醇的加入大大改善了骨水泥的流动性，而且这种可注射性CPC的抗曲折强度达到了3.2±1.0 MPa，与骨松质相当。
5 复合生物活性因子
生长因子（也称生物活性因子）由于具有良好的骨诱导能力，能够提高造骨细胞活性，促进成骨及成软骨作用，因而被广泛地用于改进CPC的成骨能力。Kroese等〔22〕研究了BMP对多孔CPC骨诱导能力的影响，他们将BMP-2与多孔CPC体外进行混合，随后植入白兔背部的皮下组织观察其成骨效果，并与单纯植入CPC进行对照。结果显示植入10周后，单纯CPC植入体中没有骨组织形成，而CPC复合体中则观察到骨组织形成，并有18％的孔隙被新生骨填满。Jansen等〔23〕将rhBMP-2与CPC复合物植入兔颅骨缺损模型中，2周时植入体周围和内部有网织骨形成，10周时CPC与颅骨组织之间形成骨性桥连，缺损完全愈合，骨密度增高并呈板层状结构，CPC内孔隙中可见成骨样细胞和破骨样细胞附着，还可见到骨改建和骨髓样组织形成。Seeherman等〔24〕比较了不同量的rhBMP-2与CPC复合后对兔桡骨骨缺损的影响，结果发现0.166 mg／ml rhBMP-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。动物试验研究结果表明〔25〕，将CPC载体与TGF-β复合后能够明显刺激前体成骨细胞的分化，并且不会影响CPC的物理和化学性能。Tieliewuhan等〔26〕将70wt％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，可作为组织工程的支架材料。Bigi等〔27〕取羊的成骨细胞，培养在复合了胶原的CPC支架材料上，结果表明复合材料能提高成骨细胞的活性，并且能有效的刺激碱性磷酸酶的活性，促进Ⅰ型胶原、降钙素的产生。
6 作为药物的缓释载体
一系列的研究发现，CPC是比较理想的药物缓释载体，不管是在CPC粉中直接加入药物，还是在骨水泥形成后再加入药物，都不影响其转化为HAP，且可维持良好的生物力学性质，药物可持续释放达3周以上，释放遵循Higuchi公式。Suzuki等〔28〕研究了CPC复合硝苯地平，发现其在CPC中释放可持续7 d或更长，释放符合Higuchi公式。Tahara〔29〕报道，将载有10 mg／kg顺铂（CDDP）的CPC植入到成年家兔的骨骼中，检测局部铂的浓度，发现6周后局部仍可维持较高的浓度，产生持续的抑瘤效果，并且副作用低。
近年来，许多学者也对载药CPC体系针对能够引发细菌性慢性骨髓炎的金黄葡萄球菌的治疗作用进行了研究，发现复合庆大霉素、替考拉宁、万古霉素等〔30～32〕不同种抗菌药物的CPC载药体系，具有良好的局部药物释放功能，并且对金黄葡萄球菌有明显的抑制作用。Stallmann等〔33〕在体外检测复合了庆大霉素的CPC的释放速率和时间，发现CPC比PMMA及其他的生物型可降解载体材料都要持续稳定，有的甚至可以持续释放达17 d之久。Buranapanitkit等〔34〕比较了羟基磷灰石与PMMA分别作为两性霉素B的载体的缓释效果，两者都能保持1个月的抗菌性，但7 d后羟基磷灰石骨水泥高于PMMA，充分证实了羟基磷灰石的缓释优势。Joosten等〔35〕将复合万古霉素的骨水泥填充到慢性脊髓炎的家兔骨髓腔内，结果发现能有效的抑制金黄葡萄球菌的生长。Pietrzak等〔36〕的研究也证明了羟基磷灰石支架材料具有很好的局部药物释放功能。
7 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。
【参考文献】
〔1〕 Brown WE,Chow LC.A new calcium setting cement［J］.Journal of Dental Research,1983,63:762-765.
〔2〕 Miyamoto Y,Ishikawa K,Takechi M,et al.Tissue response to fast-setting calcium phosphatecement in bone［J］.J Biomed Mater Res,1997,4:457-464.
〔3〕 Ishikawa IC,Takagi S,Chow LC,et al.Properties and mechanisms of fast-setting calciumphosphate cements［J］.Journal of Materials Science,1995,9:528-533.
〔4〕 Khairoun.Effect of calcium carbonate on the compliance of an apatitie calcium phosphatebone cement［J］.Biomaterials,1997,23:1535-1539.
〔5〕 Bohecr M.New hydraulic cements based on alpha-tricalcium phosphate-calcium sulfatedihydrate mixtures［J］.Biomaterials,2004,4:741-749.
〔6〕 Ishikawa K,Miyamoto Y,Takechi M.Non-decay type fast-settingcaleium phosphate cement:hydmxyapatite putty containing an increased amount of sodium alginant［J］.Journal of Biomedical Materials Research,1997,3:393-399.
〔7〕 Cherng A,Takagi S,Chow LC.Effects of hydroxypropyl methylcellulose and other gellingagents on the handling properties of calcium phosphate cement［J］.Biomed Mater Res,1997,3:273-277.
〔8〕 Xu HH,Quinn JB.Whisker-reinforced bioactive composites containing calcium phosphatecement fillers:effects of fillers ratio and surface treatments on mechanical propeties［J］.J Biomed Mater Res,2001,2:165-174.
〔9〕 Xu HH,Simon CG.Fast setting calcium phosphate-chitosan scaffold:mechanical properties and biocompatibility［J］.Biomaterials,2005,12:1337-1348.
〔10〕 Mickiewicz RA,Mayes AM,Knaack D.Polymer-calcium phosphate cement composites forbone substitutes［J］.J Biomed Mater Res,2002,4:581-592.
〔11〕 Wang XH,Jianbia M,Wang YH,et al.Structural characterization of phosphorylatedchitosan and their applications as additives of calcium phosphate cements［J］.Biomaterials,2001,22:2247-2255.
〔12〕 Lin J,Zhang S,Chen T,et al.Calcium phosphate cement reinforced by polypeptidecopolymers［J］.J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2006,2:432-439.
〔13〕 Pan Z,Jiang P,Fan Q,et al.Mechanical and biocompatible influences of chitosan fiber andgelatin on calcium phosphate cement［J］.J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2006,20:378-381.
〔14〕 Wang X,Ye J,Wang Y,et al.Self-setting properties of a beta-dicalcium silicate reinforcedcalcium phosphate cement［J］.J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2006,31:134-139.
〔15〕 Link DP,Dolder J,Jurgens WJ,et al.Mechanical evaluation of implanted calcium phosphatecement incorporated with PLGA microparticles［J］.Biomaterials,2006,28:4941-4947.
〔16〕 Fernandez E,Sarda S,Hamcerencu M,et al.High-strength apatitie cement by modification with superplasticizers［J］.Biomaterials,2005,15:2289-2296.
〔17〕 Gbureck U,Barralet JE,Spatz K,et al.Ionic modification of calcium phosphate cementviscosity.Part 1:hypodermic injection and strength improvement of apatite cement［J］.Biomaterials,2004,11:2187-2195.
〔18〕 Barralet JE,Grover LM,Gbureck U.Ionic modification of calcium phosphate cementviscosity.PartII:hypodermic injection and strength improvement of brushite cement［J］.Biomaterials,2004,11:2197-2203.
〔19〕 Cherng A,Takagi S,Chow LC,et al.Effects of hydroxyproply methylcellulose and other gelling agents on the handling properties of calcium phosphate cement［J］.Journal of Biomedical Materials Research,1999,50:273-277.
〔20〕 Roemhildt ML,Wagner SD,McGee TD.Characterization of a novel calcium phosphatecomposite bone cement:flow,setting,and aging properties［J］.J Mater Sci Mater Med,2006,11:1127-1132.
〔21〕 Xu HH,Weir MD,Burgnera EF,et al.Injectable and macroporous calcium phosphate cement scaffold［J］.Biomaterials,2006,24:4279-4287.
〔22〕 Kroese-Deutman HC,Ruhe PQ,Spanwen PH,et al.Bone inductive properties of rhBMP-2 loaded porous calcium phosphate cement implants inserted at an ectopic site inrabbits［J］.Biomaterials,2005,10:1131-1138.
〔23〕 Jansen JA,Vehof JW,Ruhe PQ,et al.Growth factor-loaded scaffolds for bone engineering［J］.J Control Release,2005,1～3:127-136.
〔24〕 Seeherman HJ,Azari K,Bidic S,et al.rhBMP-2 delivered in a calcium phosphate cement accelerates bridging of critical-sized defects in rabbit radius［J］.J Bone Joint Surg Am,2006,7:1553-1565.
〔25〕 Blom EJ,Klein-Nulend J,Wolke JG,et al.Transforming growth factor-betal incorporation in an alpha-tricalcium phosphate/dicalcium phosphate dihydrate/tetracalcium phosphate monoxide cement:release characteristics and physicochemical properties［J］.Biomaterials,2002,4:1261-1268.
〔26〕 Tieliewuhan Y,Hirata I,Sasaki A,et al.Osteoblast proliferation behavior and bone formationon and in CO3apatite-collagen sponges with a porous hydroxyapatite frame［J］.Dent Mater J,2004,3:258-264.
〔27〕 Bigi A,Panzavolta S,Sturba L,et al.Normal and osteopenic bone-derived osteoblast response to a biomimetic gelatin-calcium phosphate bone cement［J］.J Biomed Mater Res A,2006,4:739-745.
〔28〕 Suzuki T,Arai K,Goto H,et al.The effect of adding cefobid upon the physiochemical properties of calcium phosphate cement dissolution tests for self-setting calcium phosphate cement-containing nifedipine［J］.Chen Pharm Bull（Tokyo）,2002,6:741-743.
〔29〕 Tahara Y,Ishii Y.Apatite cement containing cis-diamminedichloroplatinum implanted inrabbit femur for sustained release of the anticancer drug and bone formation［J］.Orthop Sci,2001,6:556.
〔30〕 Stallmann HP,Faber C,Bronckers AL,et al.Osteomyelitis prevention in rabbits using antimicrobial peptide or gentamiein-containing calcium phosphate cement［J］.J Antimicrob Chemother,2004,2:472-476.
〔31〕 Lazamttos J,Efstathopoulos N,Papagelopoulos PJ.A bioresorbable calcium phosphate delivery system with teicoplanin for treating MRSA osteomyelitis［J］.Clin Orthop Relat Res,2004,423:253-258.
〔32〕 Joosten U,Joist A,Gosheger G,et al.Effectiveness of hydroxyapatite-vancomycin bone cement in the treatment of staphylococcus aureus induced chronic osteomyelitis［J］.Biomaterials,2005,25:5251-5258.
〔33〕 Stallmann HP,Faber C,Bronckers AI,et al.In vitro gentamicin release from commercially available calcium-phosphate bone substitutes influence of carrier type on duration of the release profile［J］.BMC Musculoskelet Disorders,2006,26:7-18.
〔34〕 Buranapanitkit B,Oungbho K,Ingviya N.The efficacy of hydroxyapatite composite impregnated with amphotericin B［J］.Clin Orthop Relat Res,2005,437:236-241.
〔35〕 Joosten U,Joist A,Gosheger G,et al.Effectiveness of hydroxyapatite-vancomycin bone cement in the treatment of staphylococcus aureus induced chronic osteomyelitis［J］.Biomaterials,2005,25:5251-5258.
〔36〕 Pietrzak WS,Eppley BL.Antibiotic elution from hydroxyapatite cement cranioplasty materials［J］.J Craniofac Surg,2005,2:228-233.
作者单位：天津中医药大学，天津 300193