郭良煜 郭卫春

在磷酸镁骨水泥被引入之前，有许多材料应用于骨修复领域，比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、磷酸钙骨水泥(CPC)等。但都存在明显的缺点，例如PMMA生物相容性差，无法与骨组织形成骨性愈合从而提供足够的强度。CPC初始强度低，缺乏黏结性能和降解时间长[1,2]。因此，需要研制一种新的材料来弥补以上缺点。近几年通过评估MPC的生物相容性及理化性能后，开始研究MPC在骨修复材料方面的应用[3]。并且以前的研究中报道了Mg2+主要存在于骨中，可以调控整合素黏附的活性从而影响成骨细胞的黏附、表型、增殖和分化[4]。并且MPC形成的微孔表面可以增强纤维状肌动蛋白(FA)的形成和细胞内肌动蛋白的聚合，随后通过肌球蛋白Ⅱ(RhoA-ROCK-MLCK)途径刺激细胞成骨分化[5,6]。

截止到目前，已有大量关于MPC的固化过程、生物学行为和使用途径等方面的研究。美国Bone Solutions Incorporated(BSI)研制的磷酸镁骨水泥获得美国 FDA(Food and Drug Administration,FDA)认证，成为骨缺损填充材料并开始在美国使用；刘昌胜等依据MPC可降解、具有良好的生物相容性的特点并且兼具胶黏性好、初始强度高、固化时体积微膨胀的特性将其引入骨修复领域。

一、磷酸镁骨水泥

磷酸镁骨水泥(MPC)是一种新型的无机材料。其主要原料为煅烧后的氧化镁(MgO)、磷酸盐、缓凝剂等。视实际需要可加入复合性改剂提高MPC的性能。其中MgO是MPC最重要的成分，MgO的活性对MPC的固化反应速度起到至关重要的作用。据研究表明，MgO的活性和其煅烧温度和颗粒大小密切相关，其活性随着煅烧温度的增加而降低，随着颗粒的减小而增加。磷酸盐作为MPC中的主要成分，要提供水化反应所需的酸性环境以及磷酸根等离子。目前使用的磷酸二氢盐主要有磷酸二氢胺(NH4H2PO4)、磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钙[Ca(H2PO4)2]和磷酸二氢钾(KH2PO4)。最早使用的磷酸盐是磷酸二氢胺，主要生成磷酸胺六水合物(MgNH4PO4·6H2O)，俗称鸟粪石[7]。在制备MPC的过程中，反应会释放大量热量，导致制备凝固时间合适的MPC较困难。而使用缓凝剂可延缓水化放热速率、减缓反应进程和缓凝[8]。

针对MPC在骨修复材料的应用，其首要任务是要评估MPC对人体的安全性。Yu等[9]应用Ames测试、微核测试和非计划DNA合成测试对MPC遗传毒理学进行了研究。用宏观组织学、组织形态学和扫描电子显微镜方法探讨骨折愈合和降解行为，评估MPC的生物相容性。结果表明MPC没有毒性，它不会引起DNA损伤和基因突变，同时MPC将与宿主骨形成直接结合。定期置入的样品在体内表现出良好的降解模式，这为动物试验和临床应用提供了依据。临床上经常会出现关节内骨折，通常此种骨折为不稳定骨折，需要达到解剖复位，但即使应用最小的内固定物也难以达到解剖复位的标准，术后会出现患者活动不便、关节无法恢复至活动范围等情况。同时对于粉碎性骨折，目前临床上广泛采用内固定，通常是微孔螺钉内固定或髓内固定，这些方法对大骨折块有效，却难以固定小骨折块。此外，在松质骨区域中，对于大量的骨折，螺钉内固定方法只能提供很弱的强度，容易导致术后螺钉松动，影响术后效果，甚至要进行二次手术[10]。所以，用MPC作为潜在的可生物降解骨置入材料变成了可能。

近年来对MPC生物相容性、抗压强度和成骨效应的研究发现，将MPC以合适的粉-液比(P/L)混合后具有良好的注射性，可以用于微创手术[11～13]。并且，将MPC与其他材料进行混合，能更好地提升MPC在骨科的应用价值。

二、磷酸镁骨水泥复合物

1.硅酸钙/磷酸镁复合物(C3S/MPC) ：C3S是三氧化二铁聚集体(MTA)的主要活性成分之一。它可以在体外诱导骨样磷灰石矿化，其Si / Ca比率可以调节细胞的附着和增殖[14],其离子提取液可以刺激骨相关细胞的增殖和成骨分化。并且从硅酸盐材料中释放的Si离子在刺激骨形成相关细胞的增殖、分化和成骨基因的表达中起重要作用[15]。所以，可将C3S的生物活性和磷源为磷酸二氢钠(MPC)的高强度和快速固化性能相结合，制成C3S/MPC复合物。通过C3S和MPC的质量比来调节其抗压强度和凝固时间，在此之中调节出来的C25M75的抗压强度最高为86MPa，接近人体皮质骨的下限(90～209MPa)，远高于C3S和MPC。并且C3S/MPC的孔隙率高于MPC，使得骨组织能够更容易的长入。此外，C3S/MPC体外显示良好的细胞生物相容性，与MPC比较，在浓度低于12.5mg/L时，C3S/MPC更能刺激MC3T3-E1成骨细胞增殖，其原理可能是C3S/MPC中的Si2+和Mg2+对细胞的协同刺激作用。同时C3S/MPC在SBF溶液中有良好的磷灰石矿能力，形成了羟基磷灰石[16]。机制是Ca2+首先从C3S释放形成富含Si离子层，然后诱导形成Ca-P聚集在进一步形成磷灰石晶体。这样可以使得骨骼和材料可以形成化学键，形成更好的骨整合[17]。

2.硫酸钙/磷酸镁骨水泥(CSMPC)：硫酸钙(CS)有着良好的生物相容性，骨传导性和可以完全再吸收而被应用于骨。尽管有以上这些优点，但CS仍存在缺点。一是CS的机械强度低，不能为骨缺损部位提供足够的长期机械支撑。另一方面是CS显示几乎没有生物活性，导致CS移植物和组织之间的黏合不良。最重要的是置入后CS吸收太快难以匹配骨再生[18]。而MPC是一种快速修复材料，具有快速凝固和可降解的特点，同时MPC具有良好的生物活性[19]。因此，可以将MPC(磷源为磷酸二氢胺)与CS混合从而开发新的硫酸钙/磷酸镁水泥(CSMPCs)。

本实验中制作了3种CSMPC(改变MPC的含量得到了CSMPC40、CSMPC50和CSMPC60)，这3种CSMPC凝固时间在6～12min，而MPC凝固时间为3min，所以CSMPC的凝固时间更适合于外科医生注射水泥或将其调节到用于临床应用的所需形状。通过增加MPC的含量，使得CSMPC机械强度逐渐增高并且高于MPC，具有更好的抗压强度；并且80天后其降解率高于MPC，表明其降解性能比MPC好。在体外SBF实验中，CSMPC复合材料表明形成骨样磷灰石，同时溶液pH值约为9，MPC溶液的pH值为7.42。在之前的研究中碱性环境有助于形成磷灰石，而且磷灰石晶体的成核速率在pH值为9时比pH值为7时更快，表明该材料有良好的生物相容性，在置入人体时能和周围骨组织形成更好的结合。同时CSMPC比MPC更能增加细胞活力和刺激细胞的增长。CSMPC有望成为骨移植物的替代材料[19]。

3.磷酸镁/磷酸钙复合物(CMPC)：CPC和MPC都是用于骨科的无机材料，但CPC由于其初始机械性能差，体内生物降解速率低和凝固时间相对较长而具有一定的局限性，但MPC的凝固时间短且与周围组织的生物相容性良好[20]。Wu等[21]通过将MPC(磷源为磷酸二氢胺)与CPC结合起来，制出了CMPC。制备的CMPC与CPC相比具有更短的凝固时间和更高的抗压强度。CMPC的降解率高于CPC和MPC，降解速率随CMPC 中MPC含量的增加而加快。CMPC可以支持MG-63细胞的附着和增殖，且细胞增殖率明显高于CPC和MPC，说明CMPC具有良好的生物相容性。置入骨缺损的CMPC观察表明，置入物体内无异物反应，无炎性反应，无坏死。组织学评估证实，CMPC置入物与宿主骨形成直接结合，表现出高效的骨再生。

CMPC和CSMPC的磷酸盐都是磷酸二氢胺，这种磷酸盐虽然应用广泛，但缺点明显，一是会产生氨气污染环境，二是在凝固过程中MPC会释放氨气产生碱性环境从而导致细胞毒性。所以应采用磷酸二氢盐类替代磷酸二氢胺，来弥补缺点，例如采用磷酸二氢钙和磷酸二氢钾，其中磷酸二氢钾不仅弥补了此缺点，而且与磷酸二氢胺相比还具有较小的解离常数和较低的溶解度，使得反应速率更加容易控制[22]。

与Wu等一样，Zhang等通过把CPC粉末、MPC粉末和水泥液体(超纯水)混合在一起组成MPCP(理化性质与CMPC一样)，但不同的是所用的磷酸二氢盐为磷酸二氢钙。在MCPC中调节MPC的重量百分比在0～20%的范围内，获得具有不同镁密度的MCPCs，在这之中，5(10)比例MPCP的效果最好。实验结果表明MPC的并入可以加快水合环境，提高CPC的抗压强度，同时对自凝性能没有明显的影响。并且在培养基浸泡后，MCPCs不仅改善了Ca2+和Mg2+的溶解度以及CPC的降解能力，也在一定程度上降低了CPC的碱化。不仅如此，将MPC掺入CPC不仅可以增强BMSCs细胞的黏附和扩散，还能促进体外细胞的成骨分化，其原理是MCPC可以调节吸收的Fn的构象，使其具有更多的细胞亲和力，并且上调细胞膜上整合素α5β1的表达，不仅促进了BMSCs对材料的黏附，也刺激成骨分化，使骨骼再生增强[23]。但研究发现Mg2 +的释放速率不依赖于MPC的含量，这可能与培养基中吸附蛋白的抑制能力有关[24]。

4.明胶微球/磷酸镁骨水泥：骨科疾病中最常见的临床表现就是骨缺损，骨缺损往往是由创伤、骨肿瘤等疾病导致的。创伤所导致的骨缺损可以单独采用MPC填充。但骨肿瘤临床上的治疗主要采取手术治疗，会广泛切除肿瘤周围的骨组织，单纯采用MPC无法根除病因。所以，将药物载入骨水泥中治疗骨缺损和骨疾病成为了可能。Lopez-Heredia 等先将PX(紫杉醇)溶液进行细胞活力测定，得到PX组中骨肉瘤细胞和转移性乳腺癌细胞活性均低。并且发现PX对骨肉瘤细胞抑制效应好。随后将PX载入磷酸钙骨水泥中并进行细胞实验, 得到载药组中骨肉瘤细胞和转移性乳腺癌细胞的活性均比不载药组低，并且载药组使得骨肉瘤细胞数量减少的同时抑制了转移性乳腺癌细胞的增殖, 说明载药组有药物治疗的效果。但将药物载入已固化的骨水泥后, 药物会释放太快而无法达到理想的治疗效果，而利用选择生物相容性及生物降解性好、无毒、无抗原性的明胶为原料机微球将药物包裹起来, 再载入骨水泥中, 可提高药物的缓释性能[25，26]。

在此基础上，余素春等[26]将用明胶水配置的明胶微球与MPC(固相为磷酸二氢钙+磷酸二氢钾)混合，在骨水泥的粉相中分别加入不同质量百分比载药明胶微球, 制备出的复合载药骨水泥分别为MPBC-2 、MPBC-4、MPBC-6、MPBC-8并进行降解实验和释药实验。发现在相同降解时间下复合磷酸镁基骨水泥比MPC 降解快，但在最初的时间MPBC的孔隙率低于MPC，这是由于明胶微球还未降解。随着微球的降解, 空隙率逐渐增加，这些孔可为细胞迁移及骨组织生长提供通道，加速骨缺损的修复。在释放前期(0～10h), 药物释放速度较快, 之后药物释放明显减缓; 释药7天后, 微球几乎降解完全, 药物释放率达到60%～89%, 达到了一定的药物缓释效果。

三、展 望

MPC是一种通过水化反应生成的无机材料，具有高强度、快速固化性能和可吸收的特点，同时又有着良好的生物相容性而开始应用于骨修复领域。研究者对MPC展开了大量的研究，证实了MPC没有毒性，不会引起DNA损伤和基因突变。并且在动物实验中也成功证实了MPC对骨折愈合有很好的效果，例如可促进成骨细胞的增殖和分化，与骨组织形成骨性愈合。此外，往MPC中加入不同的材料所得到的复合物其性能会产生变化，例如通过调节MPC的含量来调整抗压强度和凝固时间从而使其更好的应用于临床，具备比MPC更好的生物相容性和根治病因，如骨缺损的病因；获得特殊的性能，例如抗菌性能。因此，MPC是一种具有潜力的无机材料。

但不同研究者所用的MPC体系不同，并且各个体系之间的优缺点未做充分说明。因此，应进一步开展MPC各体系的研究，深入了解各体系的优缺点和它们之间的联系。同时研究MPC材料的微观结构、反应机制和力学生物性能，充分认识MPC的优点与缺点，从而指导MPC的合成与其他材料之间的复合，不断研制出性能更为优异的MPC及其复合物。最后MPC的临床实验相对匮乏，也应加大研究。这样可以增加MPC在医学领域，特别是骨修复领域的应用。