磷酸钙骨水泥的研究现状

・２６２・　材料导报　２００４年４月第１８卷专辑Ⅱ　磷酸钙骨水泥的研究现状　梁晓峰　。　杨世源　尹光福　周大利　（１　西南科技大学材料科学与工程学院，绵阳６２１００２；２　四川大学材料科学与工程学院，成都６１００６５）　摘要　综述了一种新型无机材料——磷酸钙骨水泥近年来在理化性能、材料改性、生物相容性等方面的研究概　况，阐明了磷酸盐骨水泥在骨缺损修复和硬组织替代方面的广阔应用前景。　关键词　磷酸钙骨水泥理化性能　材料改性　生物学　

Ａ　Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃａｌｃｉｕｍ　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｃｅｍｅｎｔ（ＣＰＣ）Ｓｔｕｄｉｅｓ　ＬＩＡＮＧ　Ｘｉａｏｆｅｎｇ　・。　ＹＡＮＧ　Ｓｈｉｙｕａｎ　ＹＩＮ　Ｇｕａｎｇｆｕ　ＺＨＯＵ　Ｄａｌｉ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉ　ａｎｄ　Ｅｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖ　ｏｆ　Ｓｃｉ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１００２；　２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉ　ａｎｄ　Ｅｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００６　５）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｃｅｍｅｎｔ（ＣＰＣ）ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｂｉｏｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ａｉｍ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｔｏ　ｒｅｖｉｅｗ　ｔｈｅ　ｌａｓｔｅｓｔ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｐｈｙｓｉｃａｌ—ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇ—　ｉｃａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＣＰＣ　ｈａｓ　ｗｉｄｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈａｒｄ　ｔｉｓｓｕｅ　ｒｅｐａｉｒ　ａｎｄ　ｂｏｎｅ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＣＰＣ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　

硬组织修复与重建材料是生物医学材料研究的重要领域。　在骨修复材料中，可注射植入并且能够在体液条件下快速自固　化的生物相容性骨水泥成为近年来生物医学工程研究的重要内　容。聚合物骨水泥（聚甲基丙稀酸甲酯，ＰＭＭＡ）最早是由　Ｃｈａｒｎｌｅｙ作为一种将假体固定到骨上的粘结剂首次应用于矫形　外科。从那以后，ＰＭＭＡ骨水泥在骨缺损、骨折及人工关节的粘　结固定、齿科修复等方面得到了广泛的应用。但是，长期研究表　明，ＰＭＭＡ聚合物骨水泥聚合过程中释放的热量，能杀死周围　细胞，引起周围组织的坏死，而凝固过程的收缩会在水泥和骨之　间形成空隙，不能牢固结合，同时残留聚合物单体的细胞毒性ｕ　等缺点促使人们研究新型的无机材料骨水泥取代聚合物。本文　就新型骨修复材料磷酸钙骨水泥的相关研究做如下综述。　１　磷酸钙骨水泥基础研究　作为骨水泥（ｂｏｎｅ　ｃｅｍｅｎｔ），在不牺牲生物活性的基础上，　现场成型和加工，以满足骨科手术中矫正或修补的要求，对恢复　骨功能有重要意义。骨水泥要求：生物活性骨水泥作为一种医用　材料，必须满足如下要求：①浆体易于成型，可填充不规则的骨　腔；②在环境中能自行凝固，硬化时间合理（外科医生大约有　７ｍｉｎ的时间来混合骨水泥，并用骨水泥枪将其注人体内）；⑧有　优良的生物活性和骨诱导潜能；④良好的机械性能（以松质骨力　学性能的中介值为标准，抗压强度大于５ＭＰａ，压缩摸量４５～　１００ＭＰａ）和耐久性能；⑤无毒和具有免疫性Ｉ２　。　为了达到以上要求，科研人员研究了有水化特性的无机系　统。研究可以分为磷酸盐系统和非磷酸盐系统。具有水化特性的　ＣａＳＯ　被认为是可以用来填充骨缺陷和治疗骨质疏松的潜在骨　水泥材料。。］。但是，由于人体骨组织无机物部分主要是羟基磷灰　石，所以，磷酸盐系统更受人们注意。磷酸盐系统中研究最多是　磷酸钙系列。普遍认为，无机生物材料与活体骨组织连接时通过　在材料表面形成一层类似骨的磷灰石结构达到牢固粘结ＥＣ。所　以人们试图研究具有诱导生成磷灰石能力的磷酸钙材料。　ａ—Ｃａ。（Ｐ０　）。（即ａ—ＴＣＰ）具有水化特性，且水化产物是羟基磷灰　石（ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ，ＨＡＰ），所以成为骨水泥研究的热点。２Ｏ世　纪８Ｏ年代后期发展起来的羟基磷灰石骨水泥，植入动物体内　后，９～１ｌｍｉｎ变硬，并且能够迁移和分散于周围的组织，这种自　固化骨水泥具有优良的生物相容性和骨传导性能　。磷酸钙骨　水泥的机械强度远低于磷酸钙生物陶瓷，不能用于承重骨，但它　能够任意塑性，可用于填充松质骨，人们希望改性提高它的机械　强度。目前磷酸钙骨水泥研究的系统主要有：单一ａ—ＴＣＰ系统；　两种磷酸钙盐（磷酸四钙，磷酸三钙，二水磷酸氢钙，无水磷酸　钙、磷酸二氢钙）与水或血清混合系统　一。　选用特定的磷酸钙盐以类似水泥的固化反应在常温下湿法　合成羟基磷灰石是骨水泥应用的基础。国内有些学者曾对　ａ—ＴＣＰ／ＴＴＣＰ复合骨水泥的水化反应Ｉ７　一和磷酸钙骨水泥水化　放热行为　等进行过系统的研究。　采用新技术研究骨水泥固化反应中材料的机械性能、密度、　热效应和骨水泥与骨组织粘结界面的特性研究近来受到人们关　注。Ｊ．Ｃａｒｌｓｏｎ等用脉冲回音检测技术在水泥的凝固过程中连续　测量声学强度和水泥样品中的声音速度，并根据声学特征的变　化客观而精确测定了骨水泥的初凝、终凝时间和凝固过程中密　度、热膨胀系数连续变化的曲线，这种技术可以避免以往靠目测　水泥凝固的主观误差，并且不入侵破坏材料Ｉ】　。骨水泥材料界　面粘结性能是影响人工关节置换手术成败的重要因素，　Ｐ．Ｌｕｃｋｓａｎａｓｏｍｂｏｏｌ等采用四点弯曲界面分层法检测不同种骨　水泥与牛的皮质骨之间的粘结强度后提出，这一方法可以用来　评价骨水泥粘附力本质　。　

梁晓峰：联系人，研究方向：生物医学材料，四川大学材料学院（６１００６５）　Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｆ１９４３８＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ　

维普资讯 http://www.cqvip.com 磷酸钙骨水泥的研究现状／梁晓峰等　・２６３・　磷酸钙骨水泥的改性研究　由于大多数磷酸钙骨水泥存在固化时间长，粘结性差，机械　性能不足，降解缓慢等缺点，使其应用受到了一定的限制，因而　人们考虑通过材料改性来完善其功能。　因为自然骨骼中含有多种无机成分和少量的有机成分，通　过添加其他无机盐和与有机物质进行复合可以改善骨水泥的物　理化学性能和生物学性能。有报导“　一向磷酸盐骨水泥中添加碳　酸盐能改善骨水泥的生物相容性和临床操作性，在磷酸钙骨水　泥中加入５　碳酸钙，初始固化时间和粘附时间的差值保持在　２～３ｍｉｎ，最终凝固时间控制在１５ｍｉｎ以内，适合于临床操作。　在克服磷酸钙骨水泥凝固时间长的缺点的过程中，有学者采用　Ｎａ：ＨＰ０　和Ｎａｉｌ：Ｐ０　等作为促凝剂，加速了水化产物ＨＡＰ的　形成，将凝固时间调整为５ｍｉｎｌ】　。在骨水泥中添加人体必须的　微量元素如氟离子和锂离子能促进磷酸钙骨水泥水化产物羟基　磷灰石晶体的生长，调整其晶体结构，增强了材料的防龋和防止　骨质疏松的能力ｌ】　。Ｍｉｙａｍｏｔｏ试验了在加快固化型骨水泥中　添加胶原，发现晶体颗粒间连接紧密，水泥的柔顺性得到改善，　而机械性能没受到影响。试验证明，在磷酸钙骨水泥中加入适量　的生长因子，改善了骨水泥的临床操作性能，增强了骨水泥的诱　导成骨能力　】　。　可见，骨水泥材料与有机物或生物活性物质复合，是改善其　性能的有效方法。　３磷酸钙骨水泥的生物学特性研究　生物医用材料必须满足生物安全性和生物相容性。生物学　研究的方法有体外试验和动物植入试验。体外试验主要检测材　料的溶出物、溶血情况和细胞毒性；动物体内试验主要对材料的　全身毒性、刺激、致畸、致敏、致突变和长期影响等状况进行检　测。研究表明磷酸钙骨水泥无毒性，无致畸性，无潜在致癌性，生　物安全性良好。磷酸钙骨水泥良好的生物相容性和生物安全性　已被试验证实。　目前，生物学特性研究进入的新领域：研究添加生长因子和　生长激素的磷酸盐骨水泥水化产物的降解过程、降解产物的代　谢和诱导成骨能力及其在组织工程支架材料方面的应用。按照　临床需求，研究人员还尝试在磷酸盐骨水泥中加入抗生素、抗肿　瘤药物等物质，探讨其填充骨缺损时的载药能力、药物释放和辅　助治疗效果　。Ｔ．Ｓａｉｔｏ等通过老鼠试验，认为雌性激素在磷酸　钙骨水泥的诱导成骨方面发挥着重要作用，这对于用添加雌性　激素磷酸盐骨水泥治疗更年期女性骨质疏松具有一定的参考价　值　。　４　展望　磷酸钙骨水泥能在体液条件下湿法合成与人体骨无机成分　相同的羟基磷灰石，具有良好生物相容性和安全性，并且在应用　时可以任意成型，因而是临床骨连接、骨缺损修复和治疗骨质疏　松的优异材料。目前磷酸盐骨水泥的注射器植入成型、快速凝　固、凝固后强度及与骨组织粘结的界面结构和诱导成骨能力等　仍然是进一步研究的重点。随着材料自身及相关技术研究的深　入，遵循治疗要求，提供性能合适、操作方法简单、可以全程监控　硬化过程的骨水泥有望成为可能。　参考文献　１　陈治清主编．口腔材料学（第２版）．北京：人民卫生出版社，　２００１．８９　２　李世普编著．生物医用材料导论．武汉：武汉工业大学出版　社，２０００．１ＯＯ　３　Ｎｉｌｓｓｏｎ　Ｍ，Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ　Ｅ，Ｓａｒｄａ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｎｏｖｅｌ　ｒｅｓｏｒｂａｂｌｅ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｓｕ１ｐｈａｔｅ　ｂｏｎｅ　ｃｅｍｅｎｔｓ．Ｉｎ：Ｂｒｏｗｎ　Ｓ，Ｃｌａｒｋｅ　Ｉ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ　Ｐ，ｅｄｉｔｏｒｓ．　Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ，ｖｏｌ，１　４．Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ：Ｔｒａｎｓ　Ｔｅｃｈ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，　２００２．３６５　４　Ｎｅｏ　Ｍ，Ｋｏｔａｎｉ　Ｓ，Ｎａｋａｍｕｒａ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｕ１ｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｏｕｒ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ—ａｃｔｉｖｅ　ｃｅｒａｍｉｃ　ａｎｄ　ｂｏｎｅ，Ｊ　Ｂｉｏｍｅｄ　Ｍａｔｅｒ　Ｒｅｓ，ｌ　９９２，　２６（１１）：１４１９　５　Ｓｈｉｇｅｒｕ　Ｍ，Ｏｋｕ　Ｔ，Ｔａｋａｉ　Ｓ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｘ—　ｙａｐａｔｉｔｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｓ　ｂｉｏｍａｔｅｒｉａ１．Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｃｅｒａｍ　Ｓｏｃ　Ｊｐｎ　Ｉｎｔ　Ｅｄ，１　９８９．９６　６　Ｂｒｏｗｎ　Ｗ　Ｅ，Ｃｈｏｗ　Ｌ　Ｃ．Ａ　ｎｅｗ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ，ｗａｔｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｃｅｍｅｎｔ．Ｉｎ：Ｂｒｏｗｎ　Ｐ　Ｗ，ｅｄ．Ｃｅｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｗａｓｔｅｒｖｉｌｌｅｒ，Ｏｈｉｏ：Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　ｓｏｃｉｅｔｙ，　１９８６．３５２　７　戴红莲，陈芳，闫玉华．ａ～ＴＣＰ骨水泥水化产物及其影响因　素．武汉工业大学学报，１９９６，１８（１）：４３　８　蔡舒，姚康德，关勇辉．羟基磷灰石晶种对ａ一磷酸钙骨水泥　水化的影响．硅酸盐学报，２００３，３１（１）：１Ｏ８　９　刘昌胜，刘子胜，潘颂华．磷酸钙骨水泥的水化放热行为．硅　酸盐学报，２０００，２８（６）：５０１　１　０　Ｃａｒｌｓｏｎ　Ｊ，Ｎｉｌｓｓｏｎ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｕｌｓｅ—ｅｃｈｏ　ｔｅｃｈ—　ｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ＣａＳＯ４一ｂａｓｅｄ　ｂｏｎｅ　ｃａ—　ｍｅｎｔ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００３，２４：７１　ｌ１　Ｌｕｃｋｓａｎａｓｏｍｂｏｏｌ　Ｐ，Ｈｉｇｇｓ　Ｗ　Ａ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｂｏｖｉｎｅ　ｃｏｒｔｉｃａｌ　ｂｏｎｅ　ａｎｄ　ｃｅｍｅｎｔｓ．Ｂｉｏ—　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００３，２４：１１５９　１２　Ｋｈａｉｒｏｕｎ　Ｉ，Ｂｏｌｔｏｎｇ　Ｍ　Ｇ，Ｄｒｉｅｓｓｅｎｓ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃａｌｃｉ—　ｕｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｏｆ　ａｎ　ａｐａｔｉｔｉｃ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂｏｎｅ　ｃｅｍｅｎｔ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９７，１８：１　５３５　１　３　Ｍｉｙａｍｏｔｏ，ｅｔ　ａ１．Ｓｏｆｔ　ｔｉｓｓｕｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｃｅｍｅｎｔｓ．Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ，１　９９６，９：２６３　１４　Ｏｋａｚａｋｉ　Ｍ．Ｍｉａｋｅ　Ｙ，Ｔｏｈｄａ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ　ｇｒａｄｅｄ　ｆｌｕｏｒｉｄａｔｅｄ　ａｐａｔｉｔｅｓ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，１　９９９，２０：１４２１　１　５　Ｍｉｙａｍｏｔｏ　Ｙ，Ｉｓｂｉｋａｗａｙ　Ｋ，Ｔａｋｅｃｈｉ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｐｅｒ—　ｔｉｅｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ａｔｅｌｏｃｌｌａｇｅｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｌｉｑｕｉｄ　ｏｒ　ｐｏｗｄｅｒ　ｐｈａｓｅｓ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９８，１９：７０７　１　６　Ｙｕ　Ｄ，Ｗｏｎｇ　Ｊ，Ｍａｔｓｕｄａ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｓｅｌｆ—ｓｅｔｔｉｎｇ　ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ　ｃｅｍｅｎｔ：ａ　ｎｏｖｅｌ　ｓｋｅｌｅｔａｌ　ｄｒｕｇ—ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｎｔｉｂｉ—　ｏｔｉｃｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９２，８１（６）：５２９　１　７　Ｔｏｍｏｙｕｋｉ　Ｓａｉｔｏ，Ｙｏｓｈｉｏ　Ｋｉｎ，Ｔｏｍｉｈｉｓａ　Ｋｏｓｈｉｎｏ．Ｏｓｔｅｏｇｅｎｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｉｍｐｌａｎｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｆｅｍｕｒ　ｏｆ　ｒａｔｓ　ｗｉｔｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉ－　ａｌｓ，２００２，２３：２７１１