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1、 中国组织工程研究弟 6 卷茗 25 澈 2012-06-17 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research June 17, 2012 Vol.16, No. 25 磷硅酸钙类骨水泥的现状与研究进展 郑江江，包崇云 Status and research progress of calcium phosphate bone cement Zheng Jiang-jiang, Bao Chong-yun Abstract BACKGROUND: Calcium phosphate bone cement is a new kind of s
2、elf-setting and injectable bone substitute material. Plenty of experiments have proved that there is a great progress in clinical areas of this material due to its good bioactivity, biocompatible and stable physical and chemical properties. OBJECTIVE: To summarize the status and research progress of
3、 calcium phosphate bone cement. METHODS: A computer-based online search of papers published from January 1999 to October 2011 related to new bone cement was performed in CNKI database, Science direct database and Pubmed database using the key words of phosphates, silicates, bone cement, bone substit
4、ute by screening titles and abstracts. The documents associated with calcium phosphate bone cement were selected, and those published recently or in authoritative journals were preferred in the same field. Totally 85 articles were obtained in initial retrieval, 13 of them were chosen to summarize ba
5、sed on inclusion criteria. RESULTS AND CONCLUSION: Calcium phosphate bone cement as a new kind of self-setting bio-material possesses better physical and chemical properties and biological properties compared with traditional bone cement materials. However, the researchers should pay more attention
6、to investigate and improve the properties of this material in order to develop various types of calcium phosphate bone cement and afford novel ideas for repair of bone defects. Zheng JJ, Bao CY. Status and research progress of calcium phosphate bone cement. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012; 16(
7、25): 4715-4718. http:/ http:/en.zgI 摘要 背景：磷硅酸钙类骨水泥是一种新型的自固化、可注射性骨替代材料。大量实验证实：该材料具有良好的生物活性、 生物相容性以及物理化学性质稳定等优点在临床多个领域均有很大进展。 目的：综述磷硅酸钙骨水泥材料的研究现状及进展。 方法：应用计算机检索 CNKI、 Pubmed 数据库中 1999-01/2011-10 关于新型骨替代材料骨水泥的文章，在标题和 摘要中以 “ 憐酸盐类、娃酸盐类、骨水泥、骨替代材料 ” 或 “ phosphates; silicates; bone cement; bone substitute”
8、为检索词进行检索。选择文章内容与磷硅酸钙类骨水泥有关者，同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志的 文章。初检得到 85 篇文章，根据纳入标准选择关于憐娃酸钙类骨水泥的 13 篇文献进行综述。 结果与结论：磷硅酸盐骨水泥作为一种新型的自固化生物材料，较传统骨水泥材料理化性能、生物学性能 更为优良， 但仍需运用多种方法来研究并改善材料的相关性能。改性后的材料有望发展为各式新型的钙磷硅系骨水泥材料，为 骨缺损的修复提供一种新的思路。 关键词：磷酸盐类；硅酸盐类；骨水泥；骨替代材料；文献综述；生物材料 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.25.032 郑江江，包崇云
9、 .磷硅酸钙类骨水泥的现状与研究进展 J.中国组织工程研究， 2012， 16(25):4715-4718. http:/www.crter.org http:/ 引言 近年来，随着微创手术理念的提及与发 展，骨缺损修复治疗面临着一个新的挑战， 即以最小的创伤为代价，把修复材料植入骨 缺损部位，在获得良好治疗效果的同时不会 给患者带来更大痛苦 1_4。此外，针对口腔颌 State Key Laboratory of Oral Diseases, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichu
10、an Province, China Zheng Jiang-jiang*, Studying for masters degree, State Key Laboratory of Oral Diseases, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China purphyzjj86 Corresponding author: Bao Chong-yun, Doctor, Professor, State Key Laboratory of Oral D
11、iseases, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China Supported by: National Natural Science Foundation of China, No. 81171005* Received: 2011-11-26 Accepted: 2011-12-22 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 4715 突 7b 突 ， w.CRTER.org 郑江江，等 .磷硅酸钙类骨
12、水泥的现状与研究进展 四川大学华西口 腔医学院口腔疾 病研究国家重点 实验室，四川省成 都市 610041 郑江江 ，女， 1986 年生，湖北 省孝感市人，汉 族，在读硕士，主 要从事骨修复替 代 材 料 研 究 。 purphyzjj86 通讯作者：包崇 云，博士，教授， 四川大学华西口 腔医学院口腔疾 病研究国家重点 实验室，四川省成 都市 610041 中图分类号 :R318 文献标识码 :A 文章编号：1673-8225 (2012)25-04715-04 *|欠稿日期： 2011-11-26 修回日期： 2011-12-22 (20111026022/M L) 面部骨缺损情况，特
13、别是外形轮靡或植入体 周围骨缺损，临床上要求修复材料可随意塑 形，并且可靠支持植入体经久地维持形态。 然而通常所采用的骨修复材料多为块状或颗 粒状，均难以满足上述要求。因此 ，一 种可调 和或可注射在原位成形的骨替代材料 (骨水泥 ) 应运而生，并且已经证实其具有广阔的应用前 哥2 / JN 现阶段临床使用的骨水泥材料主要有聚 曱基丙烯酸曱酯骨水泥及磷酸钙骨水泥两大 类。两者均具有十分突出的特点，但是同时 也存在一定的缺陷，如：聚曱基丙浠酸曱醋 骨水泥最显著的特点为机械强度大 ， 但因其 聚合反应时大量放热且反应过程中释放残留 单体等，常引起一系列的并发症，因此在临 床应用上受到一定的限制 ;
14、磷酸钓骨水泥 的显著优点是其化学组成与人体骨无机成分 相近而具有较好的生物相容性，然而，目前 进入临床应用的磷酸钓骨水泥仍存在固化后 机械强度较低、抗水溶性差、溶解吸收过快、 不能持久保持形态等缺点 W。 材料的复合是 改善材料性能的有效途径之一，材料工作者 对磷酸钙骨水泥材料进行了多种方式的改 性，包括复合无机物、有机物、纤维等，其 中，向传统的磷酸钙骨水泥中添加微量的桂 酸盐得到的新型钙 -磷 -硅系复合型骨水泥最 为引人关注。硅是人体内一种重要的微量元 素，可以调节骨组织中无机质的生成，特别 是钓、磷的沉积作用，从而影响骨 的形成与 发育。并且，硅酸盐材料因其良好的生物活 性，而广泛地应
15、用于牙科与骨科领域，早在 1960 年Hench 就开发出了以硅酸盐为主要 成分的生物活性玻璃 (Bioglass),进而引入口 腔种植领域以及骨关节内骨折治疗 5;由硅 酸三钙、二氧化硅、氧化钙、铝酸钙、铁铝 酸四钓为组成成分的无机三氧化聚合物是 1993 年由 Lee 首次报道的一种牙髓治疗材 料，并在 1998 年获美国 FDA 许可应用于临 床 6,在此基础上以硅酸盐为主要成分的新 型根管充填材料磷硅酸钙骨水泥 (Portland 水泥 )也应运而生，并取 得了比较理想的效 果。以下就磷硅酸钙骨水泥的研究现状做一 详细介绍。 1 资料和方法 1.1 资料来源由第一作者应用计算机检索 C
16、NKI 数据库 （ http:/ Pubmed 数据库 ( http:/www. ncbi.nlm. nih.gov/sites/entrez)相关文献。检索时间范 围：1999-01/2011 -10。中文检索词为 “ 磷 酸盐类、硅酸盐类、骨水泥、骨替代材料 ” ； 英文检索词为 “ phosphates; silicates; bone cement; bone substitute” 。 共检索到文献 85 篇。 1.2 入选标准 纳入标准： 具有原创性，论点论据可靠 的文章。 针对性强，相关度高的文献。 对同一领域的文献选择近期发表或权威杂 志的文献。 排除标准：较陈旧的理论观点以及
17、一些重 复性研究。 1.3 质量评估文献筛选和质量评价由第一 作者独立进 行并交叉核对，如有分歧，由第一 作者你 :出决定解决。初检得到 85 篇文献，其 中英文文献 60 篇，中文文献 25 篇。阅读标 题和摘要进行初筛，排除与研究目的不符和重 复性文章；查阅全文，判断与纳入标准一致的 文章，最后选择 13 篇符合标准的文献。 1.4纳入文献基本情况纳入的 13篇文献 中，中文文献 2 篇，英文文献 11 篇。文献 1-4 主要涉及磷硅酸钙骨水泥的基本背景知识， 文献 5-8探讨磷硅酸钙骨水泥的力学性能， 文献 9-13探讨磷硅酸钙骨水泥生物学性能 以及临床研究意义。 2 结果 2.1 磷硅
18、酸钙骨水泥的研宄现状早在 1983 年 Chow和 Brown就提出了磷酸 4弓骨水泥的 概念，磷酸钓骨水泥因其组成成分与人体牙、 骨的矿物相十分接近，具有很好的生物相容 性且可以任意塑形而广泛应用于临床。但如 上文所述，目前磷酸钙骨水泥仍然存在不足 之处 4。硅酸盐的加入可有效改善磷酸盐骨水 泥相关的物理化学及生物性能。 4716 P. 0. Box 1200, Shenyang 110004 郑江江，等 .磷硅酸钙类骨水泥的现状与研究进 展 www.CRTER.org 2.2 适量硅酸盐掺入可有效提高钙磷盐体系的抗压强度 根据胡继林等 m 的研究表明，传统的磷酸钙骨水泥在 固化14 d
19、以后，材料的抗压强度为 40.38 MPa,而 向体系中加入桂酸钙并同样固化 14 d 以后，材料的 抗压强度明显上升，当硅酸钓添加量达到 5%时，材 料的抗压强度达到峰值为 50.44 MPa。 随着硅酸盐量 的继续添加，材料抗压强度开始呈现下降趋势 ； Wang 等 8将不同质量分数的硅酸二钙添加到可注射磷酸钙 骨水泥中形成钙 -磷 -桂系骨水泥，其抗压强度也呈现 出先上升后下降的趋势。这主要是因为无定形硅酸盐 具有较大的溶解性，远大于碳酸钓和幾基磷灰石，因 而具有很强的反应活性，固化初期能提供钓离子和成 核位点而促进钓磷盐晶体的形成，钙磷盐晶体沉积和 长大使晶体逐渐变得紧密，相与相之间的
20、作用力减 小；另一方面，硅加入钙 -磷体系后，释放的 Si032- 能迅速在材料与骨的界面区形成硅凝胶，这种凝胶能 填充到骨水泥的孔隙中使得颗粒间连接更为紧密，从 而提高固化体的抗压强度。但低结 晶度的硅酸盐粉体 是亲水性的，且活性较高，当添力 u 量超过一定范围后， 为了保证良好的成型性能，必须增加调和液的用量， 导致孔隙率的增大，这样就会产生一些结构缺陷，最 终影响抗压强度的提高。故只有添加适当比例的硅酸 钙到磷酸钓骨水泥中，新型骨水泥体系的机械强度会 得到一定的提高 7。 2.3 硅酸盐加入钙 -磷体系能够有效提高材料的生物活 性，特别是引导骨再生的能力早在 20 世纪 70 年代， C
21、arlisle就指出石圭在骨修复领域的重要作用：石圭是惟 一一种定位于年轻骨活性区域的元素，且和骨钙化早 期阶段相关，同时 硅能激活相关骨基因的表达并刺激 相关细胞的增殖和分化 8。 Cardenas 等 通 过 将 C3S 添加到以 a 磷酸三钓为基础的磷灰石水泥中，实验表 明：添力 f 了桂酸三钓的磷灰石水泥较单纯的磷灰石水 泥骨传导性高，在骨形成和骨整合方面表现出积极的 作用。 1|11311 等 1 也做过类似实验，同样也得出相似 的结论， C3S/二水磷酸氢钙骨水泥材料生物活性更 高，骨形成能力更强。 31 收 -9丨等 11的研究解释了 为什么硅酸盐在钙 -磷体系中能够有效提高其生
22、物活 性，特别是骨的再生与分化。她认为，硅酸盐在进入 该体系以后，同时对材料表面的化学、晶体结构以及 材料内部微结构进行了优化，最终得到性能更优的材 料：首先，通过扫描电镜以及透射电镜可以观察到： 当桂酸益进入 4 弓 -磷体系后，材料表面会形成一个新 的磷灰石相，其成分与人体自然骨中的矿物质类似。 这个新的相增加了体系的反应活性，同时作为一个无 机的催化剂，引发细胞及组织层面的链反应，吸引更 多的钙和磷元素沉积，从而提高骨的生长能力；其次， 从晶体结构上来说，桂酸盐的加入使得钓磷体系整个 的晶胞结构发生了转变，其中硅酸根取代了晶胞中的 一些带负电荷的基团(如羟基 )， 而这些基团本身在钙 磷
23、盐体系中起到一个降低体系能量，维持体系稳定的 作用，而被取代后，整个体系的稳定性降低，反之生 物反应活性就得到了提高；最后，从材料内部的彳效结 构层面来说，硅酸盐的数量与材料和骨之间界面活性 密切相关，桂酸盐数量越多，则该界面越不明显，因 而反应的概率以及活性也就越大。 2.4 钙 -磷 -硅系骨水泥成分与人体牙、骨等组织十分接 近目前含羟基磷灰石和磷酸三钙等钙磷类骨水泥 与人体骨组织无机成分具有相似的组成和结构被广 泛应用于骨组织修复领域，而硅作为人体的第三丰富 微量元素，在人体中也起着 重要的作用，同时，钙 - 磷 -硅系骨水泥自行固化后最终转化为羟基磷灰石， 与人体骨组织无机成分相近 1
24、2_13。综上所述： 4 丐 - 磷 -桂系骨水泥成分、结构与人体牙、骨等组织十分 接近，且机械强度较高、可操作性好、骨传导性高 等，作为一种新型的骨替代材料具有广阔的应用前 景。尽管其性能优良，但目前钙 -磷 -硅系骨水泥仍 存在以下方面问题：一方面：钓 -磷 -桂体系中桂酸 盐添加比例的把握，研究发现过高含量的毯元素可 导致机械强度降低，甚至可能导致某些疾病的发生， 硅酸盐含量不足则机械强度无法得到满足。另一方 面：骨水泥在植入初期，当与体内的血液或液体接 触时有趋向于冲走的可能。再者，尽管桂的添加提 高了传统磷酸钙骨水泥的机械性能，但其初期的机 械强度仍难满足临床的需求。 3 展望 近年
25、来，獨 L 创理念的出现引发了对骨水泥修复材 料新一轮的研究热潮。越来越多的骨水泥材料被应用 到牙科、整形外科以及其他一些相关领域，骨水泥具 有易操作和易塑形等优点，可以减少手术创伤、降低 患者的痛苦。而磷硅酸盐骨水泥作为一种新型的自固 化生物材料，较传统骨水泥材料的理化、生物学性能 更为优良，许多研究已经证实其作为一种可注射的生 物填 充材料，具有良好的自固化性能，适当的降解性、 生物相容性等优点。当然，一些问题同样不可忽视， ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 4717 w.CRTER.org 郑江江 .等 .em 酸钙类骨水泥的现状与研究进
26、 m 比如：桂酸益添加比例的把握；被植入缺损区后易被 冲走等。因此，有必要从多个角度，运用多种方法来 研究并改善材料的相关性能。这其中除了对基质材料 进行化学改性之外，也可以考虑与一些具有优良特性 的无机颗粒、金属盐类甚至是高分子纤维复合以改变 骨水泥材料的理化、生物性能乃至临床操作特性。改 性后的材料有望发展为各式新型的钙磷硅系骨水泥 材料，为骨缺损的修复提供一种新的思路。 4 参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1BaiB, JazrawiLM, KummerFJ, etal. Theuseof 9;24(15):1521-1526. 2SchildhauerTA, Ben
27、nettAP, WrightTM, et3LewisG, owlrMR, BoydD, etal. Eva4BohnerM, BaroudG. Injectabili5张帆，陈晖,程志鹏.加速口腔种植体愈合的相关性研究形状6ChenCL, HangTH, DingSJ, 7胡继林,王志强，刘鑫.超细硅酸钙对磷酸钙骨8WangX, YeJ, WangY,9CardenasLJ,Take10HuanZ, Chan11 Vallet-Regi M,Arcos D.Silicon substituted hydroxyapatites. A method to upgrade calcium phos
28、phate based implants. J Mater Chem. 2005; 15:1509-1516. 12 Cardenas LJ.Takeuchi A.Matsuya S,et al.Effects of tricalcium silicate addition on basic properties of a-tricalcium phosphate cement. Journal of the Ceramic Society of Japan.2008; 116 (1349): 83-87. 13 Lugowski SJ,Smith DC,Lugowski JZ,et al.A
29、 review of silicon and silicone determination in tissue and body fluids - a need for standard reference materials.Fresenius Journal of Analytical Chemistry.1998;360(3-4): 486-488. 基金声厥国家自然科学基金资助 (81171005)。 隹者贡處 f:第一作 者调研、分析文献，并完成本综 述，第一作者对本文负责；通讯作者指导论文构架、审 校论文并提出了重要修改意见。 摩笼课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他 经济组织直接或
30、间接的经济或利益的赞助。 论理要求 : 没有与相关伦理道德冲突的内容。 此对嚴你己知 /盖营：骨水泥材料作为一种新型的可 自固化骨缺损修复材料越来越受到人们的关注。现阶段 使用的最多的骨水泥材料为聚曱基丙烯酸曱酯骨水泥 及嶙酸钙骨水泥。两者均具有十分突出的特点，但是同 时也存在一定的缺陷。因此，在临床应用中均不能取得 最为理想的修复效果。为此，材料工 作者针对骨水泥材 料，尤其是磷酸辑骨水泥进行了多种方式的改性，包括 复合无机物、有机物、纤维等，以期得到具有良好理化、 生物学性能的新型骨修复材料。 本综 述磨勿你 Jf/盖畠：磷酸钙骨水泥仍然存在不足 之处，硅酸盐的加入可有效改善轉酸盐骨水泥相
31、关的物 理化学及生物性能。实验证实： 适量硅酸盐掺入可有 效提高钙磷盐体系的抗压强度。 当硅酸盐加入甸 -磷 体系后，能够有效提高材料的生物活性，特别是引导骨 再生的能力。 转 -磷 -硅系骨水泥成分与人体牙、骨等 组织十分接近；因此鱗珪酸盐骨水泥作为一种新型的自 固化生 物材料，较传统骨水泥材料理化、生物学性能更 为优良，许多的研究已经证实其作为一种可注射的生物 填充材料，具有良好的自固化性能，在体外具有良好生 物活性、适当的降解性、生物相容性等优点。该材料有 望发展为各式新型的钙磷硅系骨水泥材料，为骨缺损的 修复提供一种新的思路。 /底床应用你，蒙 ： 义：传统的骨水泥对骨缺损的修复疗 效已经得到肯定，但临床上一些特殊病例还需要新型骨 水泥的应用。磷酸辑骨水泥中引入硅元素，其生物力学 及生物活性有了显著的提高，将成为临床上一种新型的 骨替代材料。 4718 P.0. Box 1200, Shenyang 110004