摘 要
目的探讨骨质疏松性椎体骨折(OVFs)椎体成形术中骨水泥改性的研究进展。
方法以“骨水泥”“椎体成形术” “改性”“注射型骨修复材料”及“bone cement”“vertebroplasty”“osteoporotic vertebral fractures”“modification”等为中、英文检索词,检索中国知网、万方数据库、PubMed等数据库2005年12月—2025年6月关于OVFs椎体成形术中骨水泥改性的研究,共158篇文献,剔除质量较低、重复研究的文献,最终纳入44篇文献(中文1篇、英文43篇),围绕聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥、磷酸钙骨水泥(CPCs)、磷酸镁骨水泥(MPCs)及生物活性玻璃(BG)骨水泥等,从力学性能和生物活性两方面进行改性分析总结。
结果PMMA骨水泥通过加入矿化胶原、层状双氢氧化物、硅/碳基填料、羟基磷灰石或构建可膨胀/多孔网络等方式,可降低弹性模量、促进骨整合;与硫酸钙骨水泥复合能缩短凝固时间并减少渗漏。CPCs利用其多孔结构载入生物活性因子(如骨形态发生蛋白、富血小板血浆),显著提升抗压/抗弯强度与成骨性能,兼具良好的可降解与载药潜力,但需精确控制药物释放。MPCs具有优异的抗冲洗性和较高的抗压强度,通过调控空隙率,以及与CPCs、小分子化合物、多糖等复配,可同步增强降解速率的调控、促进成骨与成血管分化过程。BG骨水泥具有可注射和自固化性能以及促成骨潜力,可与壳聚糖、化合物等结合改性,但研究尚处临床前阶段。
结论不同材质骨水泥主要通过添加生物活性组分、功能性离子、单种或多种复合物及载药微结构等进行改性,以增强其力学匹配性、生物活性、降解可控性与成骨性能;但大多数技术多处于实验阶段,只有少数已应用于临床。
关键词 椎体成形术;骨水泥;骨质疏松性椎体骨折;骨水泥改性
骨质疏松性椎体骨折(osteoporotic vertebral fractures, OVFs)是骨质疏松症最常见并发症之一,占骨质疏松骨折的50%;50岁以上男性发病率为 194/10万、女性为508/10万[1]。OVFs主要治疗方式是通过椎体成形术,向患者椎体中注入具有良好生物相容性和适宜力学性能的骨水泥,可快速缓解疼痛并防止椎体塌陷。聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)骨水泥和磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cements, CPCs)是临床最常用的椎体成形材料。但现有研究表明,临床常用骨水泥因弹性模量显著高于骨质疏松骨,易引发术后相邻椎体骨折[2],而且骨水泥注入后与组织共存时,也会存在炎症反应。因此,对骨水泥进行改性,以提升骨水泥的生物学活性和力学性能成为研究的热点。基于此,我们以“骨水泥”“椎体成形术” “改性”“注射型骨修复材料”及“bone cement”“vertebroplasty”“osteoporotic vertebral fractures”“modification”等为中、英文检索词,检索中国知网、万方数据库、PubMed等数据库,纳入2005年12月—2025年6月相关研究研究共158篇,剔除质量较低、重复研究的文献,最终纳入44篇文献进行系统复习,探讨OVFs椎体成形术中骨水泥改性的研究进展,旨在为骨水泥性能优化研究及其在椎体成形术中的应用提供理论依据。
1 PMMA骨水泥改性研究
PMMA骨水泥是最早广泛应用于医学领域的骨水泥材料。John于1958年首次将PMMA骨水泥应用于全髋关节置换术,开启了骨水泥在骨科领域的广泛应用。此后,PMMA骨水泥的应用范围不断扩大,Dreamond于1984年首次使用经皮椎内注射PMMA骨水泥,开创了经皮椎体成形术的先河。
PMMA骨水泥凭借优异的生物相容性以及快速固化特性被广泛应用,但其固有缺陷仍制约临床疗效:首先,PMMA的弹性模量与人体骨组织存在的明显差异,是椎体成形术后病椎再骨折及邻近椎体骨折的关键因素之一[2];其次,PMMA骨水泥凝固后发生收缩,也导致骨水泥无法起到支撑椎体高度的作用;最后,椎体成形术中PMMA骨水泥缺乏生物活性且不可降解,限制了其在促进骨细胞生长和再生方面的潜力,也阻碍了填充部位的骨重塑过程[3]。因此诸多研究者针对PMMA的力学性能和生物活性进行改良。
1.1 PMMA骨水泥力学性能改良
针对PMMA骨水泥弹性模量与椎骨不匹配的问题,研究者们已探索多种改良方法,其中添加矿化胶原效果明显[4-7]。矿化胶原由Ⅰ型胶原和纳米羟基磷灰石构成,可模拟天然骨基质的化学成分与微观结构。Jiang等[4]将矿化胶原整合入PMMA骨水泥中,研究发现改良后的PMMA骨水泥在保持原有特性的基础上,弹性模量显著降低。Zhu等[5]对比了39例采用PMMA 骨水泥和40例采用矿化胶原- PMMA骨水泥行椎体成形术的Kümmell病患者,发现两者抗压强度差别不大,但是采用矿化胶原- PMMA骨水泥填充的患者椎体高度恢复更好,该结果与Yang等[6]研究结果类似。Li等[7]通过Meta分析发现,矿化胶原-PMMA组患者相较于PMMA组患者在椎体成形术术后相邻椎体骨折和骨水泥渗漏的发生率更低、成骨效果更好。
也有学者向PMMA骨水泥中加入各类有机物质,调控其聚合过程以降低弹性模量。Miao等[8]向PMMA骨水泥中添加小肠黏膜下层细胞外基质后,骨水泥弹性模量降低、抗压强度提高。Park等[9]在PMMA骨水泥中加入10%体积分数的透明质酸和聚乙二醇,降低了骨水泥的弹性模量,并获得了更好的生物活性。Chen等[10]则采用明胶作为致孔剂,将PMMA骨水泥的弹性模量降至接近松质骨的水平。
固化后的PMMA骨水泥会发生一定比例的体积回缩,从而导致骨水泥难以发挥支撑椎体高度的作用。Yang等[11]将丙烯酸和苯乙烯与PMMA骨水泥粉末以1∶1的比例混合,制备出一种新型PMMA共聚物骨水泥,在体外测得其体积膨胀率高达87.5%± 0.5%,弹性模量低至(1 468.2±275.8)MPa,这种三维网络结构能够吸收体液后膨胀以补偿收缩。Chen等[12]向PMMA骨水泥中加入丙烯酸和氧化石墨烯,并以亲水的甲基丙烯酸羟乙酯替代甲基丙烯酸甲酯,获得具有较高膨胀倍率的复合骨水泥,抗压强度也降低至(78.3±3.2)MPa。
虽然诸多学者对PMMA骨水泥进行了力学性能的改良,但是仍有问题亟需解决:首先,目前对PMMA骨水泥改良弹性模量的研究尚未充分考虑不同患者骨密度的差异;针对不同骨质疏松程度的患者,应匹配不同强度的骨水泥。其次,骨水泥比例回缩导致其无法支撑椎体高度。目前提出的解决方案仅停留在实验室阶段,还缺乏长期的动物实验和临床验证。未来骨水泥力学性能的改良可能会趋向于个性化发展,定制不同材料和比例的骨水泥,以适应不同人群的需要。
1.2 PMMA骨水泥生物活性改良
PMMA骨水泥中的甲基丙烯酸甲酯单体聚合过程中产生的自由基可诱发氧化应激,导致局部炎症、骨质疏松[13],而完全聚合后的PMMA骨水泥虽然展现出良好的生物相容性,但因其具有高度生物惰性,在体内几乎不发生降解。为改善其骨整合能力与成骨活性,研究者常通过掺入碳纳米管、柠檬酸硅、羟基磷灰石等功能性成分对骨水泥进行改性。Xu等[14]通过碳纳米管和石墨烯对PMMA骨水泥改性,从细胞层面证明了改性增强了骨水泥细胞附着性和成骨细胞活性。但也有文献指出,维持机械性能的可接受碳纳米管含量非常低,若将碳纳米管与其他硅酸盐或磷酸盐相组合,生物活性更佳[15]。Zhao等[16]采用柠檬酸硅对PMMA骨水泥改性后,发现骨水泥在细胞和实验动物层面具有良好的成骨性能和抗炎抗菌活性,并且一定程度上促进血管生成。Wang等[17]发现,与PMMA骨水泥相比,层状双氢氧化物改性的PMMA骨水泥上的细胞黏附更好、存活率更高,进一步通过动物模型验证发现,改性骨水泥的外周钙沉积相比于PMMA骨水泥更多。
羟基磷灰石通过模拟骨组织的无机成分来改善骨水泥的生物活性和机械强度。Shirar等[18]采用羟基磷灰石纳米纤维和二维磷酸镁纳米片改性PMMA骨水泥,发现复合骨水泥相较于单纯PMMA骨水泥生物活性更好。Hossain等[19]制备了由不同浓度的PMMA、羟基磷灰石和β-磷酸三钙构成的改性骨水泥,较单纯PMMA骨水泥成骨能力更强,进一步研究表明,30%PMMA、56%羟基磷灰石、14% β-磷酸三钙联合制备的骨水泥在骨质疏松大鼠的胫骨缺损中成骨效果最好。Lu等[20]制备了锶元素掺杂的羟基磷灰石改性PMMA骨水泥,通过动物实验证明改性骨水泥的骨结合强度明显高于单纯PMMA骨水泥。
对PMMA骨水泥生物活性改良的研究目前仍处于临床前阶段。PMMA骨水泥的高度生物惰性也意味着其优异的稳定性。而生物活性材料的引入,往往在其降解过程中存在不稳定期。因此,改性PMMA骨水泥应进行更多长期大规模的动物实验,以期获得更稳定、更具有生物活性的骨水泥。未来对PMMA骨水泥的改性研究应聚焦于添加物与PMMA是否存在一个最优配比,能够在降低渗漏风险(工作性能)、维持足够机械强度(力学性能)和提供适度生物活性(生物学性能)三者之间取得最佳平衡。因此仍需在材料科学、力学和生物学层面进行大量基础与临床转化研究。
2 CPCs改性研究
CPCs最早由美国的 Brown和 Chow[21]于20世纪80年代提出并应用于骨科。CPCs由固相磷酸三钙、无水磷酸氢钙等磷酸钙盐和液相的水或磷酸盐溶液构成。当以上物质按特定比例混合,CPCs发生水化反应进行注射后,自固化为最终产物羟基磷灰石。由于羟基磷灰石是天然骨的主要成分,因此在椎体成形术后展现出优异的生物活性。目前研究表明,在缓解OVFs患者的疼痛方面CPCs与PMMA骨水泥疗效相当[22],而CPCs因其多孔特征具有良好的生物降解性,可以逐渐被代谢吸收,从而引导骨再生,达到新骨形成的目的,并且形成的多孔结构有利于药物的递送。但是,CPCs材料普遍存在脆性问题,这使得其在受力时易于断裂,表现出较差的韧性和抗压能力;并且CPCs孔隙的互连性较低,这限制了新骨和血管的形成,导致在骨缺损处的骨形成能力不足[23]。
2.1 CPCs力学性能改良
CPCs在刚度和最大抗压强度方面逊色于PMMA骨水泥,这限制了CPCs在椎体成形术中的应用。为了提升CPCs的力学性能,研究者采取了多种策略在临床前阶段改性CPCs。
Roshanfar等[24]将杂交丝素蛋白和κ-卡拉胶纳米纤维改性CPCs,结果显示CPCs抗压和抗弯曲强度增大,同时,在细胞水平发现改性骨水泥上附着的细胞表现出更好的矿化能力。Zhou等[25]制备了以丝素蛋白和硒元素改性的骨水泥进行动物实验,发现改性CPCs通过激活 GPx 1 介导的抗氧化途径,维持附着在骨水泥表面的细胞线粒体功能,加速了骨质疏松性鼠填充部位的骨再生。Zhang等[26]报道了一种由革兰氏阴性菌分泌的纤维素改性的CPCs,其具有更高的热稳定性和抗压强度,在体外细胞水平促进了附着细胞的生长和增殖。Cui等[27]合成了透明质酸改性的CPCs,显著增加了抗压强度,改性CPCs使得骨髓间充质干细胞具有更强的成骨分化能力;并且进行动物模型实验进一步证明了改性CPCs骨水泥较单纯CPCs具有更好地促进新骨形成的能力。
向CPCs中添加金属离子是另一种能够改善力学性能的思路。Schumacher等[28]将锶离子替代部分钙离子,在体外测定其最大抗压强度提升约90%。Ik Gülhan等[29]进一步开发了一种由锶离子、三硅酸钙、磷酸钙和丝素蛋白组成的改性CPCs,其在抗压强度、pH稳定性、生物相容性、成骨能力上都优于传统CPCs。
添加各类生物活性物质是改性CPCs的有效策略,但复杂的多组分改性也增加了材料体系的不确定性和临床转化难度,特别是应用于椎体成形术时,改性骨水泥应当易于配置且性质稳定。未来的研究应更注重材料的简化、标准化和可控性,确保其可重复生产,同时应开展更贴近临床场景的灵长类动物长期实验,验证改性CPCs骨修复效果与长期安全性。
2.2 CPCs生物活性改良
为了充分发挥CPCs的多孔利于载药特性,研究者们通过引入骨相关生物来源蛋白、生物制剂来改性CPCs。其中,骨形态发生蛋白因其优秀的成骨诱导功能,受到了广泛关注。田永福等[30]对80例慢性骨髓炎伴骨缺损患者注射CPCs进行骨修复,发现骨形态发生蛋白联合抗生素改性的CPCs较单纯CPCs,可更好促进患者的骨缺损修复并缩短疗程。
Hasan等[31]通过富血小板血浆改性CPCs并应用于新西兰兔骨缺损模型中,发现改性CPCs成骨性能明显强于单纯CPCs。Li等[32]构建了自体骨髓间充质干细胞和富血小板血浆改性的CPCs,并对小型猪股骨缺损模型进行填充,结果表明改性骨水泥组成骨均多于CPCs组。Cunha等[33]将蛇毒中提取的纤维蛋白胶用以改性CPCs,发现该种纤维蛋白胶在提高CPCs抗压强度的同时,也增强了动物模型中骨水泥促成骨再生能力。
通过骨形成蛋白、富血小板血浆等生物活性因子改性的CPCs,发挥了其因多孔结构而具备的缓释作用,然而这些生物活性因子应用于椎体成形术时会增加患者的医疗成本,而且通过CPCs进行负载的生物活性物质最佳载药量与释放动力学难以精确控制。因此,未来的研究应更注重开发智能可控的缓释技术(如微球包裹、层层自组装)以模拟生理性成骨过程的时序性需求,同时探索更具成本效益和稳定性的活性因子替代物(如小分子肽、外泌体)来满足椎体骨缺损填充的相应需求。
3 碳酸镁骨水泥(magnesium phosphate cement,MPCs)改性研究
MPCs作为一种新型无机骨水泥,其组成体系主要包括氧化镁、磷酸盐及缓凝剂等。目前尚未见MPCs应用于椎体成形术的临床报道,但已有大量基础研究探索其在骨缺损修复中的应用潜力。
现有文献表明,无论是传统MPCs还是经改性MPCs均展现出优异的抗冲洗稳定性,这意味着MPCs发生渗漏的概率低;并且MPCs的抗压强度较传统CPCs更高[34]。Kanter等[35]制备的MPCs在山羊骨缺损模型中实现了10个月内完全降解,且不同孔隙率MPCs降解特性不同。Wu等[36]制备了MPCs与CPCs复合的磷酸镁钙骨水泥,不仅凝固时间更短、抗压强度更高,其降解速率也显著高于单一组分的CPCs和MPCs。
在生物活性研究上,Shi等[37]通过在MPCs基质中引入硫酸软骨素,显著促进了成骨前体细胞的增殖、黏附和分化能力。Zhao等[38]报道,中空介孔二氧化硅纳米颗粒搭载甲状旁腺激素和阿仑膦酸盐的改性MPCs,具有药物时空释放、降解速率可控的特性;改性MPCs可加速血管形成、促成骨分化,同时搭载的阿仑膦酸盐还可以抑制破骨细胞形成。Krokhicheva等[39]合成的锌磷酸镁钙骨水泥不仅抗压强度大,还兼具抗菌活性(对金黄色葡萄球菌抑制率达90%)和促成骨能力。
当前MPCs研究存在两个亟待解决的问题:第一,不同研究团队采用的MPCs体系存在显著差异,但各体系的优势特征与局限性尚未建立系统比较;第二,对材料微观结构(如晶体形状、孔隙分布)与反应机制的关联性研究不足。后续研究应建立标准化的体系评价方法,重点阐明材料组分-结构-性能的构效关系,为临床转化提供理论支撑。
4 生物活性玻璃(bioactive glass, BG)骨水泥改性研究
BG是一种非晶态的无机固体材料,通常以硅酸盐为基础,也可能含磷酸盐、硼酸盐。目前常用的BG主要由二氧化硅、氧化钠、五氧化二磷、硼酸、碳酸锶等基本成分组成。虽有人使用BG改性PMMA骨水泥应用于临床[40],但目前缺少BG单独用于椎体成形术的临床报道,BG应用于骨缺损修复仍然处于基础研究阶段。
Cui等[41]将BG和壳聚糖溶液混合,研制出具有可注射性能和自固化性能的BG骨水泥,该骨水泥在兔股骨髁缺损中展现出较好的成骨能力。随后,Cui等[42]将氧化锶颗粒掺入硼酸盐生物活性玻璃水泥中,获得了具有更强成骨特性的BG骨水泥。为了让BG骨水泥自发地调节整个骨愈合过程,Li等[43]设计了锶和铜改性的硼硅酸盐玻璃,在细胞和实验动物层面证明了该骨水泥同时具有抗感染、血管生成和成骨性能。Mansoori-Kermani等[44]也开发了一种含有半水硫酸钙、BG和硅酸三钙的改性BG骨水泥,该水泥的抗压强度达到了51.04 MPa,并显示出良好的生物活性和骨结合能力。
当前BG骨水泥研究存在的问题与MPCs类似,不同研究团队采用的体系之间优势特征与局限性尚未建立系统比较;原料之间的构效关系未得到阐明,仍需更多基础研究为临床转化提供理论支撑。
5 总结与展望
综上所述,不同材质骨水泥主要通过添加生物活性组分、功能性离子、单种或多种复合物及载药微结构等进行改性,以增强其力学匹配性、生物活性、降解可控性与成骨性能,但是目前多数处于实验阶段,少数应用于临床。总体仍存在三方面瓶颈问题:首先,配方、混配工艺与评价方法缺乏标准化,跨体系结果难以可比;其次,多组分改性带来的结构-性能-生物学相互作用机理与长期稳定与安全性证据不足,成本可及性仍待权衡;最后,临床证据总体样本量小、随访期短,缺乏基于骨密度与应力场分层的多中心前瞻性随机对照研究。未来的研究应进一步探索个性化骨水泥的开发,根据患者的骨质疏松程度和具体情况,定制不同材料的骨水泥。同时,还需深入研究骨水泥的降解动力学与力学性能演变规律,开展中长期随访的多中心随机对照研究及临床试验,以期为临床治疗提供更安全、有效的骨水泥材料,改善患者的生活质量。
作者贡献声明
梅光宇:文献检索、论文撰写;程黎明:研究设计、论文审校指导
利益冲突声明
所有作者声明不存在利益冲突
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Research progress on the modification of bone cement in vertebroplasty for osteoporotic vertebral fractures
Mei GuangyuCheng Liming
(Department of Orthopaedics, Tongji Hospital Affiliated to Tongji University, Shanghai 200333, China)
Abstract:
ObjectiveThis study aimed to summarize research progress on bone cement modification for vertebroplasty in osteoporotic vertebral fractures (OVFs) and delineate composition-microstructure-property relationships with key points for clinical translation.
MethodsThe search terms in Chinese and English include "骨水泥" "椎体成形术" "改性" "注射型骨修复材料" and "bone cement" "vertebroplasty" "osteoporotic vertebral fractures" "modification." A total of 158 literature studies on bone cement modification in OVF vertebroplasty from December 2005 to June 2025 are retrieved from databases such as China National Knowledge Infrastructure, Wanfang, and PubMed. Low-quality and repetitive studies are excluded. Finally, 46 studies (one in Chinese and 43 in English) are included. The research on the modification of bone cement mainly focuses on the modification analysis of polymethyl methacrylate (PMMA), calcium phosphate bone cements (CPCs), magnesium phosphate bone cements (MPCs), and bioactive glass (BG) in terms of mechanical properties and life activities.
ResultsPMMA can reduce the elastic modulus and promote bone integration through mineralized collagen, layered dihydroxides, silicon/carbon-based fillers, hydroxyl-hydroxyapatite or construction of expandable/porous networks. When combined with calcium sulfate bone cement, PMMA can shorten the setting time and reduce leakage. CPCs utilize their porous structure to load bioactive factors (such as bone morphogenetic protein, platelet-rich plasma), significantly enhancing compressive/bending strength and osteogenic performance. They also possess good degradability and drug-loading potential, but the drug release needs to be precisely controlled. MPCs have anti-flushing properties and high strength. Controlling porosity and their combination with CPCs, small-molecule compounds, and polysaccharides can simultaneously improve the control of degradation rate and the osteogenic/angiogenic differentiation process. BG bone cement has injectable and self-curing properties and bone-promoting potential. It can be modified by combining with chitosan or compounds, but it is still in the preclinical stage.
ConclusionBone cements of different materials are mainly modified by adding bioactive components, functional ions, polymer complexes, and drug-loaded microstructures to enhance their mechanical compatibility, biological activity, controllable degradation, and osteogenic performance. However, at present, most of the various technologies are still in the experimental stage, with only a few being applied in clinical practice.
Keywords: Vertebroplasty;Bone cement;Osteoporotic vertebral fractures;Modification of bone cement
引用本文: 梅光宇, 程黎明. 骨质疏松性椎体骨折椎体成形术中骨水泥改性的研究进展[J]. 中华解剖与临床杂志, 2026, 31(2): 122-128. DOI: 10.3760/cma.j.cn 101202-20250708-00177.
通讯作者:程黎明,Email: limingcheng@tongji.edu.cn
基金信息: 国家重点专科建设项目(Z155080000004);上海市重中之重研究中心B类项目(2023ZZ02016);上海市“科技创新行动计划”医学创新研究专项项目(23Y31900203)
文章编号:2095-7041(2026)02-0122-07
收稿日期:2025-07-08
出版日期:2026-02-06
网刊发布日期:2026-02-05
本文编辑:崔忆旋
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