硫酸鈣基復(fù)合骨移植材料的研究進(jìn)展

楊 立，張 浩，劉 杰，王 豐，楊雄剛，馮江濤，華堃池，胡永成

（1天津醫(yī)科大學(xué)研究生院，天津 300070；2天津市天津醫(yī)院骨與軟組織腫瘤科，天津 300211）

臨床上在進(jìn)行骨缺損修復(fù)重建時(shí)，骨移植材料的應(yīng)用和填充是臨床療效的重要保證，常用的骨移植材料主要分為5類：自體骨、同種異體骨、異種骨、天然材料以及生物陶瓷材料［1，2］。其中，生物陶瓷材料來源廣泛、價(jià)格便宜、可進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景及研究價(jià)值［3，4］。硫酸鈣（calcium sulfate,CS）作為生物陶瓷材料的一種，其特點(diǎn)是發(fā)生水合作用后可進(jìn)行自固化和原位塑型，不僅可以作為骨移植材料用于骨缺損的修復(fù)，而且可以作為藥物載體用于骨髓炎及骨壞死的抗感染治療［5-7］。然而，硫酸鈣仍然存在一些不足，如強(qiáng)度低、脆性大、吸收快等［8，9］。因此，硫酸鈣很少被單獨(dú)使用，需要與其他生物活性材料共同制備復(fù)合材料，使其各項(xiàng)性能更加滿足臨床需要。

1 硫酸鈣基復(fù)合材料的性能

1.1 力學(xué)性能

力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征，研究表明，硫酸鈣與有機(jī)高分子或者無機(jī)陶瓷復(fù)合后，其力學(xué)強(qiáng)度均能得到有效提高，且介于皮質(zhì)骨（90～230 MPa）與松質(zhì)骨（2～45 MPa）之間。

硫酸鈣與有機(jī)高分子主要通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在Lewis等［10］的研究中，磁共振檢測(cè)CS/羧甲基纖維素復(fù)合材料中-COOH與鈣離子形成新的化學(xué)鍵；對(duì)于不同羧甲基纖維素含量（5%、7.5%、10%），復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度分別增加99%、103%、124%；其中7.5%、10%組的抗壓強(qiáng)度分別增加88%、85%。Gao等［11］也發(fā)現(xiàn)CS和聚乳酸復(fù)合時(shí)-COOH與鈣離子形成化學(xué)鍵；掃描電鏡下硫酸鈣（硫酸鈣含量低于50%）均勻分散在聚乳酸基質(zhì)中；其中CS含量為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為82MPa。

硫酸鈣與無機(jī)陶瓷材料則主要通過物理連接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不同材料類型、晶相以及比例均會(huì)影響復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度。硫酸鈣/羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)主要靠硫酸鈣基質(zhì)維系，羥基磷灰石只是單純地整合到其中，因此隨著硫酸鈣含量降低，力學(xué)強(qiáng)度會(huì)有所降低［12］。在硫酸鈣的所有晶相中，半水硫酸鈣通過水合作用可快速自固化為硬度更大的二水硫酸鈣，這對(duì)于臨床上骨缺損重建的早期負(fù)重有重要意義［13］。

1.2 可降解性

硫酸鈣制備成復(fù)合材料可明顯改善硫酸鈣降解過快的缺陷，植入后可達(dá)到較為理想的骨缺損修復(fù)。有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分子內(nèi)大部分酯鍵被分子間作用力包繞，使得降解酶難以作用于這些靶點(diǎn)，因此植入后不容易被降解［14］。Mamidwar等［15］發(fā)現(xiàn) CS/聚乳酸復(fù)合材料中硫酸鈣均勻分散在聚乳酸中，在家兔脛骨缺損模型中，復(fù)合材料降解速率與新骨形成速率相匹配，術(shù)后8周X線片及組織學(xué)染色均表明復(fù)合材料組骨組織修復(fù)良好，16周時(shí)已有22%的缺損面積被新生骨組織填充；而硫酸鈣組在術(shù)后8周時(shí)硫酸鈣就已完全降解。

硫酸鈣與無機(jī)陶瓷材料復(fù)合后，由于無機(jī)陶瓷材料（如磷酸鈣、羥基磷灰石、硅酸鈣等）本身降解緩慢，因此可調(diào)和硫酸鈣的降解速率。Hao等［16］對(duì)比單純CS和CS/硅酸鈣復(fù)合材料植入家兔股骨髁缺損后的吸收速率，4周時(shí)3D μ-CT示單純硫酸鈣組僅剩余（5.69±0.40）%，8周時(shí)完全降解；而8周時(shí)CS/硅酸鈣復(fù)合材料殘留（68.33±3.69）%，12周時(shí)殘留（47.16±2.85）%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；Chen等［17］的研究中也表明CS與HA復(fù)合后降解速率與骨組織形成速率相匹配。

1.3 可注射性

目前，硫酸鈣主要與羥基磷灰石、硅酸鈣和磷酸鈣共同復(fù)合制備可注射性骨移植材料，組成中硫酸鈣以α-半水硫酸鈣為主，平均粒徑為2～5 μm。α-半水硫酸鈣/羥基磷灰石按質(zhì)量占比60%/40%制成粒徑38～125 μm固相材料，并以去離子水為液相，以固液比2.4 g/ml制備的可注射性骨材料，其各項(xiàng)性能均適用于臨床；該材料可注射性良好，初始固化時(shí)間和終末固化時(shí)間分別為：（5.7±1.3） min、（19.6±0.7）min；固化后抗壓強(qiáng)度為（7.3±1.2）MPa；抗?jié)⑸⑿砸草^好［18，19］。

硅元素可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、分化，將硅酸鈣與硫酸鈣復(fù)合可提高成骨能力。Huan等［20］研究發(fā)現(xiàn)α-半水硫酸鈣/硅酸鈣質(zhì)量比為30%/70%，其各項(xiàng)性能均適用于骨科手術(shù)治療。而在Huan等［21］的另一研究中，雖然沒有指明硫酸鈣的最適含量，但卻得出其理想的可注射時(shí)間為2～20 min，固化后抗壓強(qiáng)度為 12.4～31.5 MPa。

硫酸鈣/磷酸鈣復(fù)合型骨水泥，固相成分多為α-半水硫酸鈣、α-磷酸三鈣（平均粒徑23 μm）復(fù)合物，液相多使用2.5wt% Na2HPO4。研究發(fā)現(xiàn)硫酸鈣的含量不影響材料的固化時(shí)間，但卻受到固液比的影響，固液比為3.3 ml/g時(shí)，固化時(shí)間最佳為7 min；硫酸鈣含量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為30 MPa，適用于臨床；材料的降解速率隨著硫酸鈣的增多而加快［22］。

2 硫酸鈣基復(fù)合材料的生物相容性

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standards Organization,ISO）定義，生物相容性是指生物材料植入人體后，特定的生物組織環(huán)境與生物材料之間產(chǎn)生的相互作用和影響，本文主要從炎癥反應(yīng)、細(xì)胞毒性、腎毒性、遺傳毒性及植入后局部反應(yīng)等方面，對(duì)硫酸鈣復(fù)合材料的生物相容性進(jìn)行介紹。

2.1 炎癥反應(yīng)

硫酸鈣是一種酸性鹽，植入后造成的酸性環(huán)境可能會(huì)刺激機(jī)體，在局部造成炎癥反應(yīng)，在臨床應(yīng)用中有相關(guān)報(bào)道［10，23］。鑒于此，不少研究引入偏堿性的生物材料如羥基磷灰石［6］、生物玻璃［13］等，可中和硫酸鈣酸性，從而避免炎癥反應(yīng)的發(fā)生；此外有機(jī)高分子如聚乳酸［15］、明膠［11］、羧甲基纖維素［24］等與硫酸鈣復(fù)合后，硫酸鈣顆粒被有機(jī)高分子包裹，與周圍組織環(huán)境接觸減少，也能達(dá)到避免炎癥反應(yīng)發(fā)生的目的。

2.2 細(xì)胞毒性

Alfotawi等［19］將硫酸鈣/聚丙烯酸復(fù)合材料與鼠L929成纖維細(xì)胞系共培養(yǎng)，MTT法結(jié)果表明：當(dāng)細(xì)胞浸提液濃度為100 mg/ml、50 mg/ml時(shí)，硫酸鈣/聚丙烯酸復(fù)合材料明顯抑制了細(xì)胞的生長，pH檢測(cè)浸提液呈酸性；該復(fù)合材料中聚丙烯酸降解產(chǎn)物呈酸性，會(huì)使周圍環(huán)境酸化，在一定程度上會(huì)抑制細(xì)胞的增殖、分化。Huan等［20］對(duì)小鼠L929成纖維細(xì)胞系進(jìn)行培養(yǎng)，研究發(fā)現(xiàn)硫酸鈣質(zhì)量占比為10%～40%時(shí)，硫酸鈣/硅酸鈣復(fù)合材料能夠促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化，硫酸鈣含量過高時(shí)會(huì)抑制細(xì)胞活性；可能是由于材料降解后細(xì)胞外液硅離子或者鈣離子過多，為了維持電解質(zhì)平衡，細(xì)胞失水皺縮導(dǎo)致細(xì)胞增殖、分化受到抑制［25，26］。

2.3 腎毒性

硫酸鈣復(fù)合材料基本不經(jīng)過腎臟代謝，材料本身并不造成腎毒性；然而當(dāng)復(fù)合材料負(fù)載藥物時(shí)，則需要警惕移植后由于藥物濃度過高造成腎臟毒性作用。目前研究最為清楚的醫(yī)用材料Osteoset?T，以硫酸鈣為載體，并負(fù)載有濃度為4%W/W的妥布霉素；產(chǎn)品中藥物平均半衰期為11.5 h，清除速率為7.14 L/h，體內(nèi)分布為0.22 L/kg；當(dāng)材料含400 mg妥布霉素時(shí)，該劑量不會(huì)對(duì)患者腎功能造成損害，但患者基礎(chǔ)肌酐清除率下限為10 ml/min；當(dāng)材料含1 200 mg、2 000 mg妥布霉素時(shí)，患者基礎(chǔ)肌酐清除率下限分別為 30 ml/min、60 ml/min［27］。

2.4 遺傳毒性

Chen等［28］采用摻鍶硫酸鈣與殼聚糖共同制備復(fù)合材料，復(fù)合材料移植到小鼠肌間進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，取小鼠骨髓進(jìn)行涂片，觀察骨髓涂片中多形紅細(xì)胞的比例評(píng)估其遺傳毒性作用，發(fā)現(xiàn)僅有少量的多形紅細(xì)胞出現(xiàn)，但不足以認(rèn)為存在遺傳毒性作用，多形紅細(xì)胞的出現(xiàn)可能是由于鍶元素過多造成。對(duì)于硫酸鈣復(fù)合材料，各組分（如骨組織、羥基磷灰石、聚乳酸、殼聚糖等）都被證實(shí)無遺傳毒性作用，根據(jù)GB/T 16886.3的標(biāo)準(zhǔn)，可以安全地移植到機(jī)體。

2.5 植入后局部反應(yīng)

大量研究通過“肌肉植入”［29］和“骨植入”［30，31，32］的途徑表明硫酸鈣復(fù)合材料具有良好的生物相容性，植入后不會(huì)造成組織水腫、壞死、肉芽腫等局部反應(yīng)，而且可以促進(jìn)骨組織的修復(fù)與重建。

3 硫酸鈣基復(fù)合材料的臨床應(yīng)用

3.1 骨填充

硫酸鈣復(fù)合材料在骨填充方面具有較好的臨床療效。在24例脛骨平臺(tái)骨折患者中，進(jìn)行羥基磷灰石/硫酸鈣復(fù)合材料重建，術(shù)后平均隨訪2年，所有患者骨折愈合良好，膝關(guān)節(jié)國際骨與軟組織腫瘤協(xié)會(huì)（MSTS）功能評(píng)分26.5，上下關(guān)節(jié)面間距平均為1.18 mm［33］。在18例進(jìn)行磷酸鈣/硫酸鈣重建的股骨頭壞死患者中，術(shù)后平均隨訪5年，11例患者（61%）術(shù)后早期便出現(xiàn)股骨頭塌陷，遂進(jìn)一步行髖關(guān)節(jié)成形術(shù)［34］。而在 Abramo 等［35］的研究中，15 例橈骨骨折患者進(jìn)行磷酸鈣/硫酸鈣重建，術(shù)后隨訪1年，所有患者骨組織愈合良好，尺橈骨畸形較術(shù)前有明顯矯正。Tan等［36］對(duì)21例四肢骨腫瘤切除術(shù)后的患者進(jìn)行磷酸鈣/硫酸鈣重建，術(shù)后平均隨訪1年，94%患者骨組織愈合良好。本文僅涉及到兩種硫酸鈣復(fù)合材料，因此還需要更多大樣本、質(zhì)量更高的病例對(duì)照和隨機(jī)對(duì)照研究，進(jìn)一步分析不同硫酸鈣復(fù)合材料在骨缺損重建領(lǐng)域的臨床療效。

3.2 骨支撐

臨床上廣泛使用聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methyl methacrylate,PMMA）進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù)，然而PMMA在固化過程中會(huì)釋放一定熱量，有可能會(huì)造成脊髓及神經(jīng)的損傷，此外PMMA具有一定免疫原性，植入后可能產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)［37］。硫酸鈣復(fù)合材料則彌補(bǔ)了PMMA的不足。本文納入文獻(xiàn)中，一共報(bào)道了102例椎體因骨質(zhì)疏松導(dǎo)致應(yīng)力性骨折的患者，所有患者均進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù)，材料均為可注射硫酸鈣/羥基磷灰石（質(zhì)量比60%/40%），術(shù)后疼痛VAS評(píng)分、神經(jīng)功能及生活質(zhì)量較術(shù)前均有明顯改善，術(shù)后無1例再發(fā)骨折情況，所有文獻(xiàn)均認(rèn)為硫酸鈣/羥基磷灰石復(fù)合材料可替代PMMA，成為新型椎體成形材料［6，38，39］。也有研究將硫酸鈣復(fù)合材料用于椎體融合，Xie等［40］報(bào)道68例經(jīng)前路頸椎椎體切除+椎體間融合的患者，植入硫酸鈣/脫鈣骨基質(zhì)（35例），并與自體髂骨移植對(duì)比（33例），術(shù)后平均隨訪2年，融合率分別為94.3%vs100%，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；JOA評(píng)分也無明顯差異；但自體髂骨移植整體并發(fā)癥較多。硫酸鈣復(fù)合材料力學(xué)性能良好，用于椎體成形或椎間融合有利于維持脊柱穩(wěn)定性，進(jìn)而避免脊髓及神經(jīng)進(jìn)一步損傷。

3.3 藥物載體

硫酸鈣復(fù)合材料作為載體運(yùn)載抗生素，一方面材料本身具有良好的生物活性，另一方面抗生素可有效用于骨髓炎、骨組織壞死及骨折術(shù)后的抗感染治療。在一項(xiàng)前瞻性病例系列研究中，報(bào)道了100例慢性骨髓炎患者，經(jīng)過手術(shù)徹底清創(chuàng)后，植入硫酸鈣/羥基磷灰石，并負(fù)載有慶大霉素（175 mg慶大霉素/10 mls CS/HA），術(shù)后平均隨訪19.5個(gè)月，所有患者骨組織愈合良好，感染控制率達(dá)96%，僅4例出現(xiàn)感染復(fù)發(fā)［41］。對(duì)于開放性骨折的抗感染治療，Bibbo等［42］采用載有萬古霉素的CS/DBM復(fù)合材料治療33例跟骨骨折的患者，平均隨訪22.4個(gè)月，均未出現(xiàn)相關(guān)并發(fā)癥；所有骨折均愈合，平均愈合時(shí)間為2個(gè)月。硫酸鈣復(fù)合材料作為藥物載體的優(yōu)勢(shì)在于，不僅可以延長藥物的作用時(shí)間，減少藥物的使用劑量，而且釋放的藥物主要作用于材料周圍的骨組織、骨髓腔等，最大程度達(dá)到治療目的［43］。

4 展 望

硫酸鈣基復(fù)合型骨移植材料力學(xué)性能良好，降解速率適宜，極大地促進(jìn)了新生骨組織的填充、攀附與沉積，并被廣泛運(yùn)用于骨缺損重建、椎體成形及藥物載體等各個(gè)領(lǐng)域。需要注意的是，不同硫酸鈣復(fù)合材料植入機(jī)體后所造成的炎癥反應(yīng)尚存在爭議，需要進(jìn)一步研究；作為藥物載體時(shí)，相關(guān)的藥物代謝動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究尚不是很清楚；此外，對(duì)于承重骨部位及較大骨缺損的修復(fù)，目前相關(guān)的臨床報(bào)道尚少，還需要進(jìn)行更多大樣本的臨床研究。相信在不久的將來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和多學(xué)科融合的發(fā)展，硫酸鈣基復(fù)合型骨移植材料將會(huì)為臨床醫(yī)師及患者帶來更多、更好的選擇和希望。