用于膝關(guān)節(jié)損傷修復(fù)的改性凝膠材料性能測試及應(yīng)用護(hù)理

葉麗娜 史英韜 喻選榮 董秋月

摘 要：試驗(yàn)以甲基丙烯酸羥乙酯-甲基丙烯酸二甲氨乙酯［P（H-D）］承載鹽酸左氧氟沙星（LVF），制備pH響應(yīng)藥物載體，然后制備改性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基復(fù)合骨水泥，并研究其性能和臨床應(yīng)用效果。結(jié)果表明：改性PMMA基復(fù)合骨水泥具備較好的pH響應(yīng)釋藥性能，可以延緩釋藥周期，并且在吸水膨脹前后的抗壓強(qiáng)度良好，分別為85.7、64.5 MPa，其面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間分別為385.2、823.0 s，凝固溫度為56.5 ℃，理化性能良好；在改性PMMA基復(fù)合骨水泥中添加3%交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）比較適宜；改性PMMA基復(fù)合骨水泥具備較好的細(xì)胞相容性和臨床應(yīng)用效果，均優(yōu)于普通PMMA骨水泥。改性PMMA基復(fù)合骨水泥綜合性能較好，可以在臨床應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)；軟骨損傷修復(fù)；PMMA骨水泥；釋藥性能；理化性能

中圖分類號(hào)：TQ460

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0101-05

Performance testing and application care of modified gel materials for knee joint injury repair

YE Lina，SHI Yingtao，YU Xuanrong，DONG Qiuyue

（Xingtai General Hospital of North China Medical and Health Group，Xingtai054000，Hebei China

）

Abstract：In this experiment，poly （Hydroxyethyl acrylate dimethylaminoethyl methacrylate） ［P （H-D）］ was used to carry Levofloxacin hydrochloride （LVF） to prepare pH responsive drug carrier，and then modified poly （Methyl methacrylate） （PMMA） was prepared based composite bone cement，and its performance and clinical application effectwere studied.The experimental results showed that the modified PMMA based composite bone cement had good pH responsive drug release performance，could delay the drug release cycle，and had good compressive strength before and after water absorption and expansion，which were 85.7 MPa and 64.5 MPa，respectively.Its dough time and setting time were 385.2 s and 823.0 s，respectively，and the setting temperature was 56.5 ℃.The physical and chemical properties were good.Adding 3% crosslinking agent N，N-methylenebisacrylamide （MBA） to modified PMMA based composite bone cement was more suitable.Modified PMMA based composite bone cement had good cell compatibility and clinical application effects，both of which were superior to ordinary PMMA bone cement.In summary，the modified PMMA based composite bone cement has good comprehensive performance and can be widely used in clinical practice.

Key words：knee joint;repair of cartilage damage;pMMA bone cement;drug release performance;physical and chemical properties

關(guān)節(jié)軟骨損傷屬于骨科常見疾病，并在老年群體中具有一定的發(fā)病率［1］。疾病的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致老年人出現(xiàn)局部疼痛、功能受限等癥狀，嚴(yán)重影響到老年人的日常生活［2］。針對(duì)該病的治療，除了應(yīng)用關(guān)節(jié)鏡手術(shù)以外，還需在術(shù)中應(yīng)用一定的修復(fù)材料以獲得理想的損傷修復(fù)效果?；诖?，研究新型的生物材料成為骨組織工程學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重點(diǎn)。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如，采用3D打印技術(shù)，將生物活性玻璃與羥基磷灰石結(jié)合，制備了一種骨修復(fù)材料，并研究其性能。結(jié)果表明，該材料與正常人體骨組織較接近，且抗壓性能符合松質(zhì)骨要求，具備一定的臨床應(yīng)用價(jià)值［3］。制備了一種可塑形骨填充材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在生物安全性和骨誘導(dǎo)能力方面，該材料表現(xiàn)優(yōu)異，是一種較好的骨填充材料［4］。除此之外，還有在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，添加礦化膠原（MC），制備了一種改性骨水泥。結(jié)果表明，當(dāng)MC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，該改性骨水泥的綜合性能較好，符合國際標(biāo)準(zhǔn)以及臨床要求［5］。基于以上學(xué)者的研究，本試驗(yàn)制備了一種含pH響應(yīng)藥物載體的改性PMMA基復(fù)合骨水泥，并研究其性能和臨床應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：PMMA骨水泥：工業(yè)純，冠泰塑料；鹽酸左氧氟沙星（ LVF）：AR，百慕達(dá)生物；過硫酸銨（APS）：AR，翰月化工；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）：AR（三旺化工材料；甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）：AR，宏綱化工；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：AR，弘萬春藥業(yè)；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）：AR，堯同實(shí)業(yè) 。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（榮達(dá)儀器）；HH-1S型水浴鍋（金達(dá)來建筑器材）；DF-85-2型數(shù)顯恒溫電磁攪拌器（赫名儀器）；LP-550H型循環(huán)水真空泵（萊禾機(jī)電科技）；HN101型型真空干燥箱（華能電子）；LX-15KS型離心機(jī)（湖南粉體裝備）；YG026型試驗(yàn)機(jī)（德普紡織科技）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 pH響應(yīng)藥物載體的制備

（1）用電子天平稱取一定質(zhì)量的DMAEMA和HEMA，裝入三頸燒瓶中。然后按1∶2∶1的體積比倒入MBA溶液、PVP溶液和LVF藥物溶液，其中，DMAEMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%［6-7］；

（2）在恒溫40 ℃和氮?dú)獗Ｗo(hù)的環(huán)境下，將三頸燒瓶放入水浴鍋中，進(jìn)行機(jī)械攪拌處理30 min。然后升高溫度到70 ℃，向三頸燒瓶中加入50 mL的APS溶液，靜置保溫處理6 h；

（3）將三頸燒瓶中獲得的產(chǎn)物依次進(jìn)行洗滌、抽濾、冷凍干燥處理，獲得pH響應(yīng)藥物載體的共聚物微球，備用。

1.2.2 改性PMMA基復(fù)合骨水泥的制備

將1.2.1中制備好的pH響應(yīng)藥物載體的共聚物微球以30%固相體積比加入到PMMA骨水泥中，作為試驗(yàn)組，而對(duì)照組則在PMMA骨水泥中單獨(dú)加入LVF。其中，固相和液相的配置比例均為2 g/mL，將各組物料均進(jìn)行攪拌處理，混合均勻。

1.3 性能測試

1.3.1 pH響應(yīng)釋藥性能

將適量的磷酸二氫鉀溶液和磷酸氫二鈉溶液加入燒杯中，然后用酸或堿溶液調(diào)節(jié)pH值至7.5、5.4，獲得不同pH值的PBS溶液，分別模擬正常環(huán)境和炎癥環(huán)境。然后將1 mL液相與2 g固相骨水泥攪拌混合，靜置至材料面團(tuán)期，并在恒溫恒濕環(huán)境內(nèi)放入10 mL配置好的PBS溶液中。取出試樣，再次加入10 mL的PBS溶液。通過紫外分光光度法，對(duì)試樣溶液進(jìn)行測試，分析材料的pH響應(yīng)釋藥性能［8-9］。

1.3.2 力學(xué)性能

利用試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料試樣進(jìn)行測試，分析其強(qiáng)度情況。

1.3.3 理化性能

面團(tuán)時(shí)間：在骨水泥固液接觸并攪拌3 min后，每隔20 s用戴手套的手指觸碰骨水泥，并記錄手指與骨水泥分離時(shí)無拉絲狀纖維的時(shí)間。

凝固時(shí)間與凝固溫度：從骨水泥固液接觸開始，用測溫儀每隔20 s測量一次溫度并記錄，直到測量出最高溫度，再繼續(xù)測量一段時(shí)間。

1.3.4 生物相容性

對(duì)骨水泥試樣進(jìn)行消毒處理，然后放在24孔板中。在骨水泥試樣表面接種1 mL的細(xì)胞培養(yǎng)液，在培養(yǎng)一定時(shí)間后加入適量噻唑藍(lán)（MTT）試劑，在培養(yǎng)5 h后添加0.5 mL的二甲基亞砜（DMSO），進(jìn)行振蕩處理12 min。之后，使用多孔酶標(biāo)儀測試試樣細(xì)胞活性［10］。

1.4 臨床應(yīng)用

1.4.1 一般資料

本研究針對(duì)2020年12月～2021年12月期間，在本院骨科就診并接受住院治療的70例老年膝關(guān)節(jié)軟骨損傷患者，作為觀察對(duì)象。關(guān)于此次研究的相關(guān)內(nèi)容，已經(jīng)提前報(bào)請(qǐng)本院倫理委員會(huì)審核，經(jīng)批準(zhǔn)予以實(shí)施。

1.4.2 試驗(yàn)方法

在均接受基礎(chǔ)治療的前提下，將患者分為對(duì)照組和觀察組。對(duì)照組實(shí)施關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)治療聯(lián)合骨水泥注射修復(fù)，而觀察組實(shí)施關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)治療聯(lián)合含pH響應(yīng)藥物載體的改性PMMA基復(fù)合骨水泥進(jìn)行修復(fù)。在術(shù)后，2組患者均實(shí)施常規(guī)術(shù)后處理，給予患者抗感染治療和必要的營養(yǎng)支持，并結(jié)合患者術(shù)后恢復(fù)情況指導(dǎo)其參與一定的康復(fù)鍛煉。

1.4.3 觀察指標(biāo)

1.4.3.1 膝關(guān)節(jié)功能

治療前與治療后3個(gè)月，分別對(duì)2組實(shí)施膝關(guān)節(jié)功能系統(tǒng)（HSS）評(píng)分。評(píng)分維度包括穩(wěn)定性、功能、肌力等。其中，HSS的評(píng)分較高的組別，其中的患者膝關(guān)節(jié)功能較好。

1.4.4.2 治療總有效率

在接受治療3個(gè)月后，對(duì)2組患者進(jìn)行治療總有效率評(píng)估。經(jīng)治療患者膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀消失或得到顯著改善，關(guān)節(jié)無積液或者積液情況基本消除，可正?；顒?dòng)，則評(píng)估為治療顯效。經(jīng)治療患者膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀與關(guān)節(jié)積液情況均得到一定的改善，但活動(dòng)受限，則評(píng)估為治療顯效。經(jīng)治療患者膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀與關(guān)節(jié)積液情況無變化，活動(dòng)明顯受限，則評(píng)估為治療無效。

1.4.4.3 并發(fā)癥發(fā)生情況

記錄術(shù)后3 個(gè)月2組出現(xiàn)下肢腫脹、切口感染等情況的病例數(shù)，統(tǒng)計(jì)2組并發(fā)癥發(fā)生率。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH響應(yīng)釋藥性能

本試驗(yàn)對(duì)制備的改性PMMA基復(fù)合骨水泥進(jìn)行釋藥性能測試，并以PMMA骨水泥作為對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，對(duì)于普通的PMMA骨水泥，環(huán)境中pH值的變化對(duì)其釋藥性能的影響不大。并且，當(dāng)pH值為7.5和5.4時(shí)，PMMA骨水泥的藥物釋放曲線均在4 h左右就達(dá)到平衡，而且釋藥率均在4%左右。這表明，PMMA骨水泥不具備控制藥物釋放的能力，這主要是因?yàn)镻MMA骨水泥化學(xué)性能比較穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境pH值的變化而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，在PMMA骨水泥中，含有的藥物基本上都埋在其基體內(nèi)部，只有在表面的藥物能夠快速釋放，發(fā)生藥物突釋［11］。而對(duì)于改性PMMA基復(fù)合骨水泥，由圖1（b）可知，pH值較低的環(huán)境下穩(wěn)定釋藥率較高。在不同環(huán)境pH值下，釋藥率均在2 d左右才達(dá)到平衡。這表明，該材料具備較好的藥物緩釋能力，并且釋藥率較好，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是，改性PMMA基復(fù)合骨水泥中含有pH響應(yīng)藥物載體，能夠在酸性環(huán)境下質(zhì)子化，產(chǎn)生pH響應(yīng)釋藥的能力。同時(shí)，其中含有的DMAEMA可以提高材料內(nèi)部的P（H-D）與藥物之間的靜電斥力，增加藥物在吸水通路的釋放能力［12］。因此，改性PMMA基復(fù)合骨水泥具備一定延緩釋藥周期的能力和較好的術(shù)后感染治療效果。

2.2 理化性能

本試驗(yàn)通過研究材料的理化性能，測試材料對(duì)實(shí)際手術(shù)操作的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)LVF直接加入PMMA骨水泥時(shí)，材料的面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間均較少，而凝固溫度較高。這會(huì)使實(shí)際手術(shù)過程中醫(yī)生操作時(shí)間減少，導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間緊迫，同時(shí)，較高的凝固溫度會(huì)使材料周圍的組織受到損傷。而對(duì)于改性PMMA基復(fù)合骨水泥，其面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間明顯提高，并且凝固溫度降低。這給實(shí)際手術(shù)提供了較好的操作空。這種現(xiàn)象的原理是改性PMMA基復(fù)合骨水泥中含有共聚物微球，使原本材料中的引發(fā)劑摻量降低，從而減緩了MMA的聚合速率，延長反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而降低材料放熱［13-14］。由此可知，與普通的PMMA骨水泥相比，本試驗(yàn)制備的改性PMMA基復(fù)合骨水泥有著良好的理化性能。

2.3 交聯(lián)劑含量的影響

2.3.1 釋藥性能

材料在不同的pH值條件下的釋藥性能結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在不同pH值環(huán)境下，改性PMMA基復(fù)合骨水泥的累計(jì)釋藥率隨MBA含量的增加而降低。當(dāng)材料中含有3%MBA時(shí)，在pH值為7.5環(huán)境中的累計(jì)釋藥率為39.5%；而在pH值為7.5環(huán)境中的累計(jì)釋藥率為49.5%，提高了25.3%，釋藥性能較好。這是因?yàn)镸BA的添加，可以控制材料中藥物在吸水通路的釋放。因此，控制改性PMMA基復(fù)合骨水泥中MBA的含量，可以調(diào)控其釋藥性能。

2.3.2 理化性能

由表2可知，隨著改性PMMA基復(fù)合骨水泥中MBA含量的增多，其面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間均不斷下降，而凝固溫度則不斷升高。當(dāng)材料中添加1%MBA時(shí)，其面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間最多，分別是425.6、892.4 s，而此時(shí)的凝固溫度最低，為55.4 ℃。發(fā)生這種現(xiàn)象的原理是，隨著材料中MBA含量的增多，改性PMMA基復(fù)合骨水泥中的共聚物微球直徑減小，從而使材料中MBA與共聚物微球的反應(yīng)程度增加，反應(yīng)放熱增多［15］。因此，材料的面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間縮短，而凝固溫度提高，這不利于實(shí)際手術(shù)中醫(yī)生的操作環(huán)境。因此。本試驗(yàn)將MBA含量控制在3%。

2.4 細(xì)胞相容性

由圖3可知，當(dāng)成骨細(xì)胞在各材料中的培養(yǎng)時(shí)間增多時(shí)，其細(xì)胞活性均在不斷增加。但是，在改性PMMA基復(fù)合骨水泥中，成骨細(xì)胞的活性明顯高于普通PMMA骨水泥。這表明，在改性PMMA基復(fù)合骨水泥中，細(xì)胞的增殖性能較好。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是，經(jīng)過共聚物微球改性后，改性PMMA基復(fù)合骨水泥中含有較多的羥基和胺基，可以促進(jìn)細(xì)胞的繁殖［16］。因此，本試驗(yàn)制備的改性PMMA基復(fù)合骨水泥可以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的增殖性能，細(xì)胞相容性較好。

2.5 臨床應(yīng)用

2.5.1 膝關(guān)節(jié)功能

本研究針對(duì)2組患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)功能HSS評(píng)分，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在接受治療前，2組患者的膝關(guān)節(jié)功能HSS評(píng)分的組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。而在接受治療后，對(duì)照組HSS評(píng)分均低于觀察組，組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.5.2 治療總有效率

本研究針對(duì)2組患者在接受治療3月后的治療總有效率進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，2組治療總有效率進(jìn)行組間比較，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)照組治療總有效率低于觀察組，且組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.5.3 并發(fā)癥發(fā)生情況

2組并發(fā)癥發(fā)生情況結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在并發(fā)癥發(fā)生率方面，對(duì)照組高于觀察組，且并發(fā)癥發(fā)生率分別為22.86%、2.63%，組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

綜上所述，通過本次研究可以證實(shí)，與關(guān)節(jié)鏡手術(shù)聯(lián)合骨水泥修復(fù)相比較，對(duì)老年膝關(guān)節(jié)軟骨缺損患者實(shí)施關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)治療聯(lián)合含pH響應(yīng)藥物載體的改性PMMA基復(fù)合骨水泥進(jìn)行修復(fù)，可以更好地改善患者的膝關(guān)節(jié)功能，提高治療效果，并在減少并發(fā)癥方面具有肯定的效果，故值得臨床廣泛應(yīng)用及推廣。

3 結(jié)語

（1）改性PMMA基復(fù)合骨水泥釋藥率在不同pH值環(huán)境下，均在2 d左右達(dá)到釋藥平衡，可以延緩釋藥周期，具備pH響應(yīng)釋藥性能，有效治療術(shù)后感染。在力學(xué)性能方面，該材料在吸水膨脹前后的抗壓強(qiáng)度分別是85.7、64.5 MPa，力學(xué)性能、理化性能較好，改性PMMA基復(fù)合骨水泥的面團(tuán)時(shí)間和凝固時(shí)間分別為385.2、823.0 s，凝固溫度為56.5 ℃；

（2）添加3%MBA比較適宜，此時(shí)，材料的釋藥性能、力學(xué)性能和理化性能較好；

（3）改性PMMA基復(fù)合骨水泥可以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的增殖性能，細(xì)胞相容性較好；

（4）改性PMMA基復(fù)合骨水泥的臨床應(yīng)用效果優(yōu)于普通PMMA骨水泥，可以改善患者的膝關(guān)節(jié)功能，提高治療效果，減少并發(fā)癥，可以在臨床廣泛應(yīng)用。

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