一提到水泥，想必大家第一反应都是盖房子的水泥，盖房子砌砖头所用的“胶水”就是水泥。

那么听到“骨水泥”这个名字，想必大家都能联想到这应该是一种与骨头有关的生物材料，再结合“水泥”的实际含义，不难猜到它的真正用途。没错，如同你想的那样，骨水泥是骨粘固剂的常用名，是一种用于骨科手术的医用材料，其主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMP），主要用于人工关节置换手术，由于它的部分物理性质以及凝固后外观和性状颇像建筑、装修用的白水泥，便有了如此通俗的名称。

  骨水泥的产生与分类

生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。另一方面，人工关节的固定、不稳定性骨折的内固定等同样也需要一种新的生物医用材料。因此，一种新型的生物材料-骨水泥成为了人们关注的热点。

生物骨水泥在发展过程中形成了两大体系：PMMA骨水泥（生物相容性较差）和磷酸钙骨水泥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)，为代表的传统丙烯酸酯类骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝粘结剂。但PMMA属于生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成有机的化学界面结合，另外凝固聚合过程中产生热量、单体的细胞毒性作用、可操作时间有限等不足也限制了其临床应用1。

CPC骨水泥：磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)最早由美国的Brown和Chow于20世纪80年代提出，CPC是由一种或几种磷酸钙盐粉末的混合物与调和用的液相发生水化发应，在生理条件下能自固化，如：在温度(37℃)、 湿度(100%)条件下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物-羟基磷灰石或透钙磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性1。

  骨水泥发展史

骨水泥的历史最早可以追溯到1870年，Themistokles Gluck曾用石膏和胶水制成的水泥固定了一个由象牙制成的全膝关节假体。Otto Rohm和Kulzer是早期的先驱者，他们对骨水泥的物理特性和用途进行了广泛的研究。现代PMMA骨水泥的时代来自于Degussa和Kulzer(1943年)的专利，他们曾描述过如果加入一种辅助引发剂(如叔芳香族胺)，甲基丙烯酸甲酯(MMA)在室温下的聚合机制。英国著名外科医生John Charnley被广泛认为是在骨科中首次使用骨水泥的人，他在1958年将骨水泥用于全髋关节置换术。这是骨科手术进展中的一个重要里程碑。此外，Charnley第一个意识到PMMA可以十分便捷地用于髓腔填充，并易于与骨的形态相融合。20世纪70年代，美国食品和药物管理局（FDA）批准骨水泥用于髋关节和膝关节假体的固定。自那时起，虽然骨水泥已被广泛用于将假体固定在活骨上，但骨水泥的使用趋势也在不断变化2。

 PMMA骨水泥的组成

PMMA骨水泥通常是由粉末和液体组成的双组份系统。这两种成分以大约2:1的比例混合，发生聚合反应，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）物质的共聚物珠子。
  ● 启动剂，如过氧化苯甲酰（BPO），促使聚合物和单体在室温下聚合。
  ● 对比剂，如二氧化锆（ZrO2）或硫酸钡（BaSO4），使骨水泥不透射线。使骨水泥具有不透光性。
  ● 抗生素（例如，庆大霉素、妥布霉素）。

  
  

（2）液体成分

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  ● 一种单体，甲基丙烯酸甲酯（MMA）。
  ● 促进剂（N,N-二甲基对甲苯胺）（DMPT）。
  ● 稳定剂（或抑制剂），防止在储存期间因暴露在光线或高温下而过早聚合。

  
  

 抗生素骨水泥

事实证明，骨水泥特别有用，因为特定的活性物质，如抗生素，可以添加到粉末成分中。这使得骨水泥成为一种现代给药系统，可将所需药物直接递送到手术部位。骨水泥的局部活性物质水平明显低于全身单次注射的临床常规剂量。研究表明，在骨水泥中添加各种类型的抗生素，每包标准骨水泥的用量少于2g，不会对骨水泥的某些机械性能（抗压或抗拉强度）产生不利影响，但超过2g的用量会削弱这些性能。在不影响骨水泥本身机械性能的前提下，除了加载抗生素，骨水泥中也能加载其他生物活性物质，如加载细菌素4和银纳米粒5用于细菌感染，说明了骨水泥除了治疗骨关节外，还具有抗细菌感染等方面的治疗潜力。

 骨水泥的缺点

骨水泥的最大特点是固定快，术后早期就可以下地进行康复活动。当然，骨水泥也有一些缺点，如填充时偶尔可引起骨髓腔内高压，致使脂肪滴进入血管，引起栓塞。另外，它毕竟与人体骨骼不同，时间过久，人工关节仍可能发生松动1。骨水泥在关节置换中的主要缺点之一是水泥碎裂和磨损碎片的异物反应，导致假体松动和假体周围骨溶解。粗糙的金属表面和PMMA骨水泥产生的磨损颗粒会促进局部炎症活动，导致髋关节置换的慢性并发症。从组织学上看，在松动的假体中，有一层类似滑膜的细胞，在含有巨噬细胞和磨损颗粒的基质支持下，排列在骨水泥界面上。活化的巨噬细胞表达细胞因子，包括白细胞介素-1、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子α，它们是假体周围溶骨的媒介。骨水泥组成成分中单体是有毒的，有可能对水泥成分产生过敏反应2。

 骨水泥材料文献案例精选

Bioactive Materials：双重功能多孔和顺铂负载的聚甲基丙烯酸甲酯水泥用于重建承重骨缺损可杀死骨肿瘤细胞

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

  摘要：

恶性骨肿瘤的治疗通常是先切除肿瘤组织，然后用骨移植替代物填充骨缺损。鉴于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥的可靠性，它是临床骨科中最常用的骨替代物。然而，PMMA的致密性使这种生物材料不适合用于局部输送化疗药物以限制骨肿瘤的复发。该研究通过添加羧甲基纤维素（CMC）在PMMA水泥中引入多孔性，以促进这种化疗药物的局部输送，同时为承重部位的骨重建保留足够的机械性能。结果显示，PMMA骨水泥的机械强度随着CMC含量的增加而逐渐下降。在加入≥3%的CMC后，PMMA骨水泥释放了高达18%的负载顺铂，相比之下，含有较低数量CMC的骨水泥在28天内仅释放了不到2%的顺铂。这种顺铂的释放在体外有效地杀死了骨肉瘤细胞，在第7天时，死亡细胞的比例增加到91.3%，这证明从这些PMMA骨水泥中释放的顺铂保留了化学治疗活性。此外，与完整的胫骨相比，用含有高达3%的CMC的PMMA骨水泥填充的胫骨表现出相当的抗压强度。总之，该研究证明，通过使用CMC引入多孔性，可以使PMMA骨水泥具有治疗活性，从而使顺铂的释放不至于影响到超过临界水平的机械性能。因此，这些数据表明，基于PMMA的双功能骨水泥是一种可行的治疗方案，可用于填补承重部位骨肿瘤切除后的骨缺损6。

Journal of Controlled Release：释放抗生素的可生物降解骨水泥对人类长骨感染的治疗

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

  摘要：

修复耐甲氧西林葡萄球菌（MRSA）的慢性骨髓炎和由此产生的骨缺损是骨科的主要挑战之一。以前的研究表明，加载抗生素的可生物降解复合骨水泥在体外试验和治疗实验性骨髓炎方面是有效的。该骨水泥由聚（乳酸-共-乙二醇）包裹的抗生素-双相磷酸钙颗粒复合物和石膏粘合剂中的添加剂抗生素粉末组成。在这项研究中，通过分析组织病理学、X光片、磁共振成像、扫描电子显微镜和血清药物浓度等结果，对43名慢性MRSA骨髓炎患者（年龄5-57岁）进一步研究，评估其体外生物学特性（细胞相容性、血小板活化）、抗感染性和骨再生潜力，与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥和肠外疗法进行比较，为期1年。与PMMA水泥相比，复合水泥显示出更高的细胞相容性和凝固活性。此外，术后不同的临床和放射学检查结果也证明了复合骨水泥在成功率、更快的败血症控制和骨再生方面优于其他治疗方式。低的血清抗生素浓度和正常的血清钙水平表明，富含钙的复合骨水泥在人类中的应用是安全的。因此，我们得出结论，复合骨水泥是治疗慢性骨髓炎的一个有希望的候选材料7。

参考文献：

[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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