一提到水泥，想必大家第一反應(yīng)都是蓋房子的水泥，蓋房子砌磚頭所用的“膠水”就是水泥。

那么聽(tīng)到“骨水泥”這個(gè)名字，想必大家都能聯(lián)想到這應(yīng)該是一種與骨頭有關(guān)的生物材料，再結(jié)合“水泥”的實(shí)際含義，不難猜到它的真正用途。沒(méi)錯(cuò)，如同你想的那樣，骨水泥是骨粘固劑的常用名，是一種用于骨科手術(shù)的醫(yī)用材料，其主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMP），主要用于人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)，由于它的部分物理性質(zhì)以及凝固后外觀和性狀頗像建筑、裝修用的白水泥，便有了如此通俗的名稱(chēng)。

  骨水泥的產(chǎn)生與分類(lèi)

生物活性陶瓷作為骨填充、修復(fù)材料已經(jīng)在臨床上大量應(yīng)用，但由于這些材料都是高溫?zé)Y(jié)后的塊狀或顆粒狀，不具有可塑性。醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中無(wú)法按照病人骨缺損部位任意塑型，而且不能完全充填異形骨空穴。另一方面，人工關(guān)節(jié)的固定、不穩(wěn)定性骨折的內(nèi)固定等同樣也需要一種新的生物醫(yī)用材料。因此，一種新型的生物材料-骨水泥成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

生物骨水泥在發(fā)展過(guò)程中形成了兩大體系：PMMA骨水泥（生物相容性較差）和磷酸鈣骨水泥1（生物相容性良好）。

PMMA骨水泥：以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyImethacrylate cement, PMMA)，為代表的傳統(tǒng)丙烯酸酯類(lèi)骨水泥是一種由粉劑和液劑組成的室溫自凝粘結(jié)劑。但PMMA屬于生物惰性材料，不能與宿主骨組織形成有機(jī)的化學(xué)界面結(jié)合，另外凝固聚合過(guò)程中產(chǎn)生熱量、單體的細(xì)胞毒性作用、可操作時(shí)間有限等不足也限制了其臨床應(yīng)用1。

CPC骨水泥：磷酸鈣骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)最早由美國(guó)的Brown和Chow于20世紀(jì)80年代提出，CPC是由一種或幾種磷酸鈣鹽粉末的混合物與調(diào)和用的液相發(fā)生水化發(fā)應(yīng)，在生理?xiàng)l件下能自固化，如：在溫度(37℃)、 濕度(100%)條件下發(fā)生水化反應(yīng)得到與人體骨組織相近的固化產(chǎn)物-羥基磷灰石或透鈣磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性1。

  骨水泥發(fā)展史

骨水泥的歷史最早可以追溯到1870年，Themistokles Gluck曾用石膏和膠水制成的水泥固定了一個(gè)由象牙制成的全膝關(guān)節(jié)假體。Otto Rohm和Kulzer是早期的先驅(qū)者，他們對(duì)骨水泥的物理特性和用途進(jìn)行了廣泛的研究。現(xiàn)代PMMA骨水泥的時(shí)代來(lái)自于Degussa和Kulzer(1943年)的專(zhuān)利，他們?cè)枋鲞^(guò)如果加入一種輔助引發(fā)劑(如叔芳香族胺)，甲基丙烯酸甲酯(MMA)在室溫下的聚合機(jī)制。英國(guó)著名外科醫(yī)生John Charnley被廣泛認(rèn)為是在骨科中首次使用骨水泥的人，他在1958年將骨水泥用于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。這是骨科手術(shù)進(jìn)展中的一個(gè)重要里程碑。此外，Charnley第一個(gè)意識(shí)到PMMA可以十分便捷地用于髓腔填充，并易于與骨的形態(tài)相融合。20世紀(jì)70年代，美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)骨水泥用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)假體的固定。自那時(shí)起，雖然骨水泥已被廣泛用于將假體固定在活骨上，但骨水泥的使用趨勢(shì)也在不斷變化2。

 PMMA骨水泥的組成

PMMA骨水泥通常是由粉末和液體組成的雙組份系統(tǒng)。這兩種成分以大約2:1的比例混合，發(fā)生聚合反應(yīng)，形成聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥3。

（1）粉末成分

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  ● 基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）物質(zhì)的共聚物珠子。
  ● 啟動(dòng)劑，如過(guò)氧化苯甲酰（BPO），促使聚合物和單體在室溫下聚合。
  ● 對(duì)比劑，如二氧化鋯（ZrO2）或硫酸鋇（BaSO4），使骨水泥不透射線。使骨水泥具有不透光性。
  ● 抗生素（例如，慶大霉素、妥布霉素）。

  
  

（2）液體成分

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  ● 一種單體，甲基丙烯酸甲酯（MMA）。
  ● 促進(jìn)劑（N,N-二甲基對(duì)甲苯胺）（DMPT）。
  ● 穩(wěn)定劑（或抑制劑），防止在儲(chǔ)存期間因暴露在光線或高溫下而過(guò)早聚合。

  
  

 抗生素骨水泥

事實(shí)證明，骨水泥特別有用，因?yàn)樘囟ǖ幕钚晕镔|(zhì)，如抗生素，可以添加到粉末成分中。這使得骨水泥成為一種現(xiàn)代給藥系統(tǒng)，可將所需藥物直接遞送到手術(shù)部位。骨水泥的局部活性物質(zhì)水平明顯低于全身單次注射的臨床常規(guī)劑量。研究表明，在骨水泥中添加各種類(lèi)型的抗生素，每包標(biāo)準(zhǔn)骨水泥的用量少于2g，不會(huì)對(duì)骨水泥的某些機(jī)械性能（抗壓或抗拉強(qiáng)度）產(chǎn)生不利影響，但超過(guò)2g的用量會(huì)削弱這些性能。在不影響骨水泥本身機(jī)械性能的前提下，除了加載抗生素，骨水泥中也能加載其他生物活性物質(zhì)，如加載細(xì)菌素4和銀納米粒5用于細(xì)菌感染，說(shuō)明了骨水泥除了治療骨關(guān)節(jié)外，還具有抗細(xì)菌感染等方面的治療潛力。

 骨水泥的缺點(diǎn)

骨水泥的最大特點(diǎn)是固定快，術(shù)后早期就可以下地進(jìn)行康復(fù)活動(dòng)。當(dāng)然，骨水泥也有一些缺點(diǎn)，如填充時(shí)偶爾可引起骨髓腔內(nèi)高壓，致使脂肪滴進(jìn)入血管，引起栓塞。另外，它畢竟與人體骨骼不同，時(shí)間過(guò)久，人工關(guān)節(jié)仍可能發(fā)生松動(dòng)1。骨水泥在關(guān)節(jié)置換中的主要缺點(diǎn)之一是水泥碎裂和磨損碎片的異物反應(yīng)，導(dǎo)致假體松動(dòng)和假體周?chē)侨芙狻４植诘慕饘俦砻婧蚉MMA骨水泥產(chǎn)生的磨損顆粒會(huì)促進(jìn)局部炎癥活動(dòng)，導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)置換的慢性并發(fā)癥。從組織學(xué)上看，在松動(dòng)的假體中，有一層類(lèi)似滑膜的細(xì)胞，在含有巨噬細(xì)胞和磨損顆粒的基質(zhì)支持下，排列在骨水泥界面上。活化的巨噬細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子，包括白細(xì)胞介素-1、白細(xì)胞介素-6和腫瘤壞死因子α，它們是假體周?chē)芄堑拿浇椤９撬嘟M成成分中單體是有毒的，有可能對(duì)水泥成分產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)2。

 骨水泥材料文獻(xiàn)案例精選

Bioactive Materials：雙重功能多孔和順鉑負(fù)載的聚甲基丙烯酸甲酯水泥用于重建承重骨缺損可殺死骨腫瘤細(xì)胞

Dual-functional porous and cisplatin-loaded polymethylmethacrylate cement for reconstruction of load-bearing bone defect kills bone tumor cells（2021.12.29）

  摘要：

惡性骨腫瘤的治療通常是先切除腫瘤組織，然后用骨移植替代物填充骨缺損。鑒于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥的可靠性，它是臨床骨科中最常用的骨替代物。然而，PMMA的致密性使這種生物材料不適合用于局部輸送化療藥物以限制骨腫瘤的復(fù)發(fā)。該研究通過(guò)添加羧甲基纖維素（CMC）在PMMA水泥中引入多孔性，以促進(jìn)這種化療藥物的局部輸送，同時(shí)為承重部位的骨重建保留足夠的機(jī)械性能。結(jié)果顯示，PMMA骨水泥的機(jī)械強(qiáng)度隨著CMC含量的增加而逐漸下降。在加入≥3%的CMC后，PMMA骨水泥釋放了高達(dá)18%的負(fù)載順鉑，相比之下，含有較低數(shù)量CMC的骨水泥在28天內(nèi)僅釋放了不到2%的順鉑。這種順鉑的釋放在體外有效地殺死了骨肉瘤細(xì)胞，在第7天時(shí)，死亡細(xì)胞的比例增加到91.3%，這證明從這些PMMA骨水泥中釋放的順鉑保留了化學(xué)治療活性。此外，與完整的脛骨相比，用含有高達(dá)3%的CMC的PMMA骨水泥填充的脛骨表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度。總之，該研究證明，通過(guò)使用CMC引入多孔性，可以使PMMA骨水泥具有治療活性，從而使順鉑的釋放不至于影響到超過(guò)臨界水平的機(jī)械性能。因此，這些數(shù)據(jù)表明，基于PMMA的雙功能骨水泥是一種可行的治療方案，可用于填補(bǔ)承重部位骨腫瘤切除后的骨缺損6。

Journal of Controlled Release：釋放抗生素的可生物降解骨水泥對(duì)人類(lèi)長(zhǎng)骨感染的治療

Treatment of long bone infection by a biodegradable bone cement releasing antibiotics in human（2022.4.23）

  摘要：

修復(fù)耐甲氧西林葡萄球菌（MRSA）的慢性骨髓炎和由此產(chǎn)生的骨缺損是骨科的主要挑戰(zhàn)之一。以前的研究表明，加載抗生素的可生物降解復(fù)合骨水泥在體外試驗(yàn)和治療實(shí)驗(yàn)性骨髓炎方面是有效的。該骨水泥由聚（乳酸-共-乙二醇）包裹的抗生素-雙相磷酸鈣顆粒復(fù)合物和石膏粘合劑中的添加劑抗生素粉末組成。在這項(xiàng)研究中，通過(guò)分析組織病理學(xué)、X光片、磁共振成像、掃描電子顯微鏡和血清藥物濃度等結(jié)果，對(duì)43名慢性MRSA骨髓炎患者（年齡5-57歲）進(jìn)一步研究，評(píng)估其體外生物學(xué)特性（細(xì)胞相容性、血小板活化）、抗感染性和骨再生潛力，與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥和腸外療法進(jìn)行比較，為期1年。與PMMA水泥相比，復(fù)合水泥顯示出更高的細(xì)胞相容性和凝固活性。此外，術(shù)后不同的臨床和放射學(xué)檢查結(jié)果也證明了復(fù)合骨水泥在成功率、更快的敗血癥控制和骨再生方面優(yōu)于其他治療方式。低的血清抗生素濃度和正常的血清鈣水平表明，富含鈣的復(fù)合骨水泥在人類(lèi)中的應(yīng)用是安全的。因此，我們得出結(jié)論，復(fù)合骨水泥是治療慢性骨髓炎的一個(gè)有希望的候選材料7。

參考文獻(xiàn)：

[1] 骨水泥百度百科https://baike.baidu.com/item/%E9%AA%A8%E6%B0%B4%E6%B3%A5/286459?fr=aladdin#ref_[3]_713831

[2] Vaishya, R., Chauhan, M., & Vaish, A. (2013). Bone cement. Journal of clinical orthopaedics and trauma, 4(4), 157–163. https://doi.org/10.1016/j.jcot.2013.11.005er, 10.1038/nrc2934

[3] Rajesh Kumar Ranjan, Manish Kumar, Rakesh Kumar, Md Farman Ali. Bone cement. Int J Orthop Sci 2017;3(4):79-82. DOI: 10.22271/ortho.2017.v3.i4b.12

[4] van Staden Anton Du Preez. Stellenbosch Univ.; 2011. Developing bone Cement Implants Impregnated with Bacteriocins for Prevention of Infections

[5] Heisel, C et al. “In vitro performance of intramedullary cement restrictors in total hip arthroplasty.” Journal of biomechanics vol. 36,6 (2003): 835-43. doi:10.1016/s0021-9290(03)00017-4

[6] Wang, Zhule et al. “Dual-functional porous and cisplatin-loaded polymethylmethacrylate cement for reconstruction of load-bearing bone defect kills bone tumor cells.” Bioactive materials vol. 15 120-130. 29 Dec. 2021, doi:10.1016/j.bioactmat.2021.12.023

[7] Mistry, Surajit et al. “Treatment of long bone infection by a biodegradable bone cement releasing antibiotics in human.” Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society vol. 346 (2022): 180-192. doi:10.1016/j.jconrel.2022.04.018

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