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可用在人體內的水泥——骨水泥
發布時間:2020-08-18     作者:   來源:中科院之聲   分享到:

骨水泥是骨粘固劑的常用名,是一種骨科醫用材料。由于它在凝固固化后其外觀和物理特性頗像建筑、裝修用的白水泥,便有了如此通俗的名稱。20世紀70年代,骨水泥就已經被用于關節假體固定,同時骨水泥亦能作為組織填充、修復材料應用于骨科、口腔科中。

骨水泥最大的優點是固化快,術后早期就可以下地進行康復活動。當然,骨水泥也有一些缺點,例如填充時偶爾可引起骨髓腔內高壓,致使脂肪滴進入血管,引起栓塞。另外,它畢竟與人體骨骼不同,時間過久,人工關節仍可能發生松動。因此,骨水泥生物材料的研究一直是科研工作者關注熱點之一。

目前,應用和研究的比較多的骨水泥為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥、磷酸鈣骨水泥和硫酸鈣骨水泥等。

PMMA骨水泥是通過混合液體甲基丙烯酸甲酯單體和動力甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物這兩種組分形成的丙烯酸聚合物,其單體殘留量低,具有低的耐疲勞性和應力開裂性,以及高的抗張強度和可塑性。PMMA骨水泥在醫學整形外科領域有著廣泛應用,早在40年代就已經應用于齒科、顱骨和其它的骨修復領域。丙烯酸酯類骨水泥用于人體組織手術,至今在國內外臨床中已應用了數十萬例之多。

PMMA骨水泥的固相一般為已經部分聚合的預聚體PMMA,液相為MMA單體,并添加了部分的聚合引發劑和穩定劑。當固相預聚體PMMA與液相MMA單體混合后,立即發生高分子共聚反應而實現骨水泥的固化,但是該固化過程中會釋放出大量的熱,會對周圍組織造成熱損傷而引發炎癥,甚至導致組織壞死。因此亟需更多的研究改善聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥質量,減少或消除PMMA骨水泥的副作用。

磷酸鈣因其出色的生物相容性和骨再生能力而被應用于骨修復。臨床上常作為可注射材料填充骨質空隙并改善骨折手術中的硬件固定。磷酸鈣骨水泥的成分與人體骨骼的礦物質相似,可被再吸收并能夠促進自然骨向內生長和重塑。磷酸鈣骨水泥的固化機制是溶解-水化沉淀反應。通過控制反應過程的pH值,實現羥基磷灰石(HA)在pH值為4.2-11范圍內沉淀。在初始階段,HA的生成主要由表面反應控制,顆粒間和顆粒表面生成的HA加強了顆粒間的連接。HA晶體的含量越大,接觸點就越多,抗壓強度也隨之增加。在水化反應后期,顆粒表面被一層HA包覆,磷酸鈣骨水泥的水化反應則變成了透過水化反應的擴散控制。隨著水化反應的不斷進行,生成的HA顆粒越來越多,生成的HA晶體不斷長大,水化產物逐漸填充了參與反應的水的空間,使得之前被水占據的空間被HA晶體分割成不規則的毛細孔,凝膠孔增多,孔隙尺寸不斷減少,HA晶體交錯橋接,顆粒之間的結合強度不斷增加,骨水泥材料則固化為堅固的,含有大量孔隙的多孔結構,從而表現出宏觀的固化強度。

臨床上,創傷性椎體爆裂骨折具有特殊的損傷機制,且通常發生在年輕人群,年輕人具有更強的骨重建能力,磷酸鈣骨水泥可用于有效治療這類骨折。同時,磷酸鈣骨水泥也是良性骨腫瘤切除手術的有效骨替代物。然而,磷酸鈣骨水泥由于固化時間長,固化過程中熱釋放相對較低,因此其粘合力和強度相對較差,容易從骨質中崩解,所以磷酸鈣骨水泥的研究仍在繼續。

硫酸鈣是最簡單的骨修復替代材料,并且在骨修復材料中應用已經超過了100年,有著最長的臨床應用歷史。硫酸鈣具有良好的人體耐受性,可降解,具有骨傳導性能,在早年的研究中是自體骨移植的重要替代材料。硫酸鈣骨水泥的固相主流是無水硫酸鈣粉末,液相是生理鹽水和其它的一些水溶液。當固相和液相混合時,硫酸鈣發生水化反應,生成針狀的二水硫酸鈣晶須,相互橋連和堆積,從而固化成具有一定形狀和強度的堆積體。然而,由于生物活性差,硫酸鈣骨水泥不能在硫酸鈣移植物和骨組織之間形成化學鍵,會快速降解。硫酸鈣骨水泥可在植入體內后六周內被完全吸收,這種快速降解情況與骨形成過程不匹配。因此,與磷酸鈣骨水泥相比,硫酸鈣骨水泥的開發和臨床應用相對有限。

除此之外,目前許多研究表明小有機分子、可生物降解的聚合物、蛋白質、多糖、無機分子、生物陶瓷和生物玻璃可有效改善骨水泥性能,均可為新型骨水泥提供型的思路。

綜上所述,骨水泥可在臨床牙科、骨科發揮很大的作用,有望成為理想的骨骼系統藥物載體以及骨替代材料。隨著科學技術以及材料的不斷創新和發展,相信以后會研發出更多優質的骨水泥材料,如高強度型、可注射型、抗水型、快速凝固型等。骨水泥在臨床中的應用會越來越廣泛,其應用價值也會越來越高。

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骨水泥的應用(圖片來自網絡)



來源:中國科學院上海高等研究院

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