赵金柱# 曾广辉# 曲良 李鹏 谭长龙 仇志烨 陶春生*

聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥是骨科手术中普遍应用的一种骨粘合及填充材料，常用于人工关节置换时金属假体—骨界面间的固定，以及用于经皮椎体成形治疗椎体肿瘤、压缩性骨折等骨科临床领域。随着PMMA骨水泥临床应用数量的逐年增加，与其相关的临床并发症也日益增多，如椎体成形术后造成相邻椎体再骨折、骨水泥固化体移位、骨—假体界面出现松动等问题。临床和基础研究表明，PMMA骨水泥在机械性能和生物活性方面均存在不足[1-2]。

PMMA骨水泥在机械性能方面的不足主要为固化体弹性模量过高，通常可达2 ～3 GPa，远高于人椎体松质骨弹性模量的0.05 ～0.8 GPa，从而易于磨穿终板导致相邻椎体发生骨折，引起相关的临床并发症[3-5]。为克服PMMA骨水泥在机械性能方面的不足，人们将PMMA骨水泥与不同生物材料混合制成复合材料，以期研发出更为理想的骨粘合及填充材料[6-9]。但尚无理想的能同时兼顾工作特性、机械性能和骨整合能力的改性骨水泥材料。

矿化胶原（mineralized collagen，MC）由胶原蛋白和羟基磷灰石组成，采用独特的体外仿生矿化技术，通过纳米钙磷盐和胶原分子组装而成，其化学组成和结构与人体天然松质骨相似[10]。研究证实，矿化胶原人工骨修复材料不但具有优秀的诱导成骨活性，而且在体内最终能够完全降解吸收[11-13]。

因此，为了保持PMMA骨水泥固化体的机械强度，克服PMMA骨水泥固化体弹性模量过高容易导致临床并发症的风险，本研究报告一种矿化胶原改性PMMA骨水泥，希望能够在保持PMMA骨水泥高抗压强度的同时适当降低其弹性模量，以期提高其临床使用效果，降低相关手术风险。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

预聚合PMMA粉末（英国Alfa aesar公司），甲基丙烯酸甲酯单体（英国Alfa aesar 公司），矿化胶原颗粒（北京奥精医药科技有限公司），Osteopal V骨水泥（德国Heraeus公司），Mendec 脊柱骨水泥（意大利Tecres S.P.A 公司），EQIOMOX55 红外光谱仪（德国BRUKER 公司），XD-2 X射线衍射仪（北京普析通用公司），FEI Quanta 200扫描电子显微镜（荷兰FEI 公司），PG-1A 抛光机（上海显微镜厂），Z005 万能力学实验机（德国Zwick/Roell 公司），75 mm×10 mm×3.3 mm抗弯试样模具，H12 mm×Φ6 mm抗压试样模具（自制）。

1.2 矿化胶原复合PMMA骨水泥制备方法及观测

1.2.1 矿化胶原复合PMMA骨水泥制备

称取不同粒径（＜200 μm、200 ～300 μm、300 ～400 μm、400 ～500 μm）的矿化胶原微粒，将预聚合PMMA 粉末与甲基丙烯酸甲酯单体混合，充分搅拌30 s，按表1 所示比例加入矿化胶原微粒（含量0 wt%、5 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%），继续搅拌至混合均匀。

表1 矿化胶原复合PMMA骨水泥各组分混合比例

1.2.2 观测指标

①工作特性：对MC/PMMA复合骨水泥和对比例（两种纯PMMA 骨水泥）进行工作特性测定，记录混合时间、等待时间、工作时间和固化时间等数据。所有测试均在23℃环境中进行。

②不同含量MC/PMMA复合骨水泥抗压强度测试：筛选300 ～400 μm 按矿化胶原含量5wt%、10wt%、15wt%、20wt%配制MC/PMMA复合骨水泥，装入H12 mm×Φ6 mm模具，放入塑封袋中并标记。24 h 后取出样品在万能材料试验机进行抗压强度测试。制作相同规格的对比例样品作为对照组。

③不同粒径MC/PMMA复合骨水泥抗压强度测试：使用上述同样方法，加入15 wt%含量矿化胶原，制备粒径分别为＜200 μm、200 ～300 μm、300 ～400 μm、400 ～500 μm的MC/PMMA复合骨水泥圆柱体，同样装入H12 mm×Φ6 mm模具，放入塑封袋中并标记。24 h后取出样品在万能材料试验机进行抗压强度测试。制作相同规格的对比例样品作为对照组。

④不同含量MC/PMMA复合骨水泥抗弯强度测试及压缩模量测试：筛选300 ～400 μm矿化胶原粒径，按含量分别为5wt%、10wt%、15wt%、20wt%配制MC/PMMA 复合骨水泥，制备规格为75 mm×10 mm×3.3 mm 的样品，装入塑封袋中并标记。24 h 后取出样品在万能材料试验机进行抗弯强度测试，采用三点弯曲法，跨距为30 mm，加载速度为0.5 mm/min。同时进行压缩模量测试。制作相同规格的对比例样品作为对照组。

⑤不同粒径MC/PMMA复合骨水泥抗弯强度测试及压缩模量、弹性模量测试：使用上述同样方法，加入15wt%矿化胶原，制备粒径分别为＜200 μm、200 ～300 μm、300 ～400 μm、400 ～500 μm的MC/PMMA复合骨水泥，同时制备规格为75 mm×10 mm×3.3 mm和H12 mm×Φ6 mm的样品，装入塑封袋中并标记。24 h 后取出样品在万能材料试验机进行抗弯强度。以人体松质骨弹性模量为参考，进行弹性模量测试。制作相同规格的比例样品作为对照组。

2 结果

2.1 矿化胶原复合PMMA骨水泥的工作特性

如图1所示，矿化胶原粒径300 ～400 μm，含量15 wt%时，复合PMMA骨水泥的工作特性为：23℃环境中混合时间30 s，等待时间2 ～5 min，工作时间5 ～12 min，固化时间10 ～20 min。

图1 矿化胶原复合PMMA骨水泥工作特性

2.2 不同含量矿化胶原复合PMMA骨水泥抗压强度变化

如图2所示，在PMMA骨水泥中加入矿化胶原虽然使PMMA 骨水泥的抗压强度有所下降，但在矿化胶原含量5 ～20wt%范围内，其抗压强度仍可保持在70 MPa 以上，符合ISO 5833:2002规定的国际标准和临床使用需要[14]。

图2 不同含量矿化胶原复合PMMA 骨水泥抗压强度（C1：Osteopal®V骨水泥；C2：Mendec®骨水泥）

2.3 不同粒径对矿化胶原复合PMMA骨水泥抗压强度的影响

如图3 所示，在含量同为15 wt%的情况下，分别加入<200 μm、200 ～300 μm、300～400 μm、400 ～500 μm粒径的矿化胶原微粒，矿化胶原复合PMMA骨水泥的抗压强度均大于70 MPa。但研究也中发现，<200 μm粒径矿化胶原会影响矿化胶原复合PMMA骨水泥的工作特性，即在搅拌时发生操作困难，这将对临床应用产生不利影响。

图3 不同粒径矿化胶原复合PMMA骨水泥抗压强度（PD1：＜200 μm；PD2：200 ～300 μm；PD3：300 ～400 μm；PD4：400 ～500 μm；C1：Osteopal®V骨水泥；C2：Mendec®骨水泥）

2.4 不同含量矿化胶原复合PMMA骨水泥抗弯强度变化

含量为5 wt% ～20 wt%的矿化胶原复合PMMA 骨水泥抗弯强度变化如图4 所示，在300 ～400 μm 粒径条件下，加入不同含量的矿化胶原对PMMA骨水泥的抗弯强度会产生一定程度的影响，主要是引起抗弯强度的下降。但在5 wt% ～15 wt%范围内，其抗弯强度均可以达到50 MPa以上的国际标准。

2.5 不同粒径矿化胶原对复合PMMA骨水泥抗弯强度的影响

如图5 所示，在矿化胶原含量为15wt%的条件下，不同粒径对PMMA骨水泥抗弯强度产生较大的影响，尤其是较小粒径（＜200 μm）将引起材料的抗弯强度明显下降。

图5 不同粒径矿化胶原复合PMMA骨水泥抗弯曲强度（PD1：＜200μm；PD2：200 ～300 μm；PD3：300 ～400 μm；PD4：400 ～500 μm；C1：Osteopal®V骨水泥；C2：Mendec®骨水泥）

2.6 不同含量矿化胶原对PMMA骨水泥压缩模量的影响

如图6所示，相同粒径不同含量矿化胶原对PMMA骨水泥的压缩模量影响显著。在矿化胶原粒径同为300 ～400 μm前提下，随着矿化胶原含量逐渐增加，其压缩模量也随之下降，矿化胶原含量达到15 wt%时，矿化胶原复合PMMA 骨水泥的压缩模量达到最小值1.2 GPa，与自体骨压缩模量相当。但继续增加矿化胶原含量，达到20 wt%时，矿化胶原复合PMMA骨水泥的压缩模量又随之增高。

图6 不同含量矿化胶原对PMMA 骨水泥压缩模量变化（C1：Osteopal®V骨水泥；C2：Mendec®骨水泥）

2.7 不同粒径矿化胶原对PMMA骨水泥压缩模量的影响

如图7所示，相同含量、不同粒径矿化胶原对PMMA骨水泥的压缩模量也将产生一定影响。在矿化胶原含量同为15 wt%条件下，随着矿化胶原粒径的逐渐增大，其压缩模量也随之下降，矿化胶原粒径达到300 ～400 μm时，矿化胶原复合PMMA骨水泥的压缩模量达到最小值1.2 GPa，与自体骨压缩模量相当。但当矿化胶原粒径增加到400 ～500 μm时，矿化胶原复合PMMA骨水泥的压缩模量又随之增高。

图7 不同粒径矿化胶原复合PMMA 骨水泥压缩模量变化（PD0：纯骨水泥；PD1：＜200 μm；PD2：200 ～300 μm；PD3：300 ～400 μm；PD4：400 ～500 μm ；C1：Osteopal® V 骨水泥；C2：Mendec®骨水泥）

2.8 含量15wt%、粒径300 ～400 μm矿化胶原复合PMMA骨水泥的应力—应变曲线

如图8所示，含量15wt%、粒径300 ～400 μm矿化胶原复合PMMA 骨水泥的应力—应变曲线较Osteopal V 和Mendec Spine 骨水泥明显降低，且与人体松质骨的应力—应变曲线相匹配。

图8 含量15wt%、粒径300 ～400 μm 矿化胶原复合PMMA 骨水泥的应力—应变曲线

3 讨论

鉴于目前临床使用的PMMA骨水泥硬度过高、生物相容性不佳的问题，本研究提供了一种矿化胶原复合PMMA的新型骨水泥材料。矿化胶原已经应用于临床，具备与人体天然骨极为相似的仿生矿化结构、机械性能和诱导成骨活性。本实验研究表明，矿化胶原改性PMMA骨水泥的工作特性和机械性能与矿化胶原含量以及粒径大小密切相关，在粒径300 ～400 μm，含量15 wt%时；其工作特性为：混合时间30 s，等待时间2 ～5 min，工作时间5 ～12 min，固化时间10 ～20 min；其机械性能测试结果为：抗压强度90 MPa，抗弯强度50 MPa，压缩模量1.2 GPa，符合国际标准和临床使用要求。

抗压强度和抗弯强度是反映矿化胶原复合PMMA骨水泥的重要生物力学性能指标，也是影响临床使用效果和安全性的重要因素。本实验对矿化胶原不同含量及不同粒径对改性PMMA 骨水泥抗压强度和抗弯强度的影响进行了测定和分析。研究结果显示，在一定范围内（含量：5 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%；粒径：＜200 μm、200 ～300 μm、300 ～400 μm、400 ～500 μm）矿化胶原对PMMA 骨水泥的抗压强度影响不大，其抗压强度均可保持在70 MPa以上，符合ISO 5833: 2002 规定的国际标准和临床使用需要。在矿化胶原粒径为300 ～400 μm 的前提下，含量为5 wt%～15 wt%范围时，矿化胶原复合PMMA骨水泥的抗弯强度均可以达到50 MPa以上的国际标准。同时，实验结果也表明，在矿化胶原含量为15 wt%，小粒径（＜200 μm）矿化胶原对降低PMMA骨水泥的抗弯强度影响较大，将给临床使用带来风险。

PMMA骨水泥固化体弹性模量过高是引起PVP术后椎体骨质磨损甚至相邻椎体发生骨折的最主要原因[4,15]。如何改善PMMA骨水泥固化体弹性模量过高的问题成为近年来生物材料研究的热点领域之一[6-7,16-17]。李胜凯等[9]将磷酸钙与PMMA复合制作不同含量的磷酸钙/PMMA复合骨水泥，发现在PMMA骨水泥中添加磷酸钙可降低其弹性模量，该复合骨水泥较PMMA 骨水泥具有更好的力学和结构特性。Zhao等[18]用甲基丙烯酸甲酯单体对可注射生物活性锶复合骨水泥进行表面处理，提高骨界面的整合，该材料在抗压强度、抗弯强度和硬度等方面均有明显提高，但固化体的弹性模量同样增高明显。Lin 等[19]用壳聚糖和β-磷酸三钙合成一种微球体，然后将其加入PMMA骨水泥中，通过不同比例与PMMA 混合，获得的复合物与PMMA 相比，显著降低了固化温度，延长了固化时间，且具有部分可吸收性，但抗压强度和抗弯强度明显降低。上述PMMA骨水泥改性材料尚不能同时兼顾工作特性、机械性能和骨整合能力。本研究结果发现，在矿化胶原对PMMA骨水泥改性过程中，矿化胶原含量是影响PMMA骨水泥弹性模量的主要因素，当含量达到15wt%时矿化胶原复合PMMA骨水泥的弹性模量最小，且抗压、抗弯强度均能够达到国际标准；矿化胶原粒径虽然对PMMA骨水泥也有一定影响，300 ～400 μm粒径的弹性模量最小，且该范围粒径更有利于骨细胞长入，工作特性也更稳定。

综上，特定含量（15wt%）和粒径（300 ～400 μm）的矿化胶原与PMMA骨水泥进行复合，不但能够显著降低其弹性模量，使之与自体骨的弹性模量相匹配，且能够保持PMMA骨水泥固有的良好抗压强度和抗弯强度，具有更加广泛的临床应用前景。同时，笔者也注意到，由于矿化胶原与PMMA的复合为物理性混合，制备过程中的充分搅拌均匀是必要的。此外，由于二者之间未形成牢固的化学键，远期固化体的稳定性有待进一步研究。