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

那么聽到“骨水泥”這個名字，想必大家都能聯想到這應該是一種與骨頭有關的生物材料，再結合“水泥”的實際含義，不難猜到它的真正用途。沒錯，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的醫用材料，其主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMP），主要用于人工關節置換手術，由于它的部分物理性質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。

  骨水泥的產生與分類

生物活性陶瓷作為骨填充、修復材料已經在臨床上大量應用，但由于這些材料都是高溫燒結后的塊狀或顆粒狀，不具有可塑性。醫生在手術過程中無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，人工關節的固定、不穩定性骨折的內固定等同樣也需要一種新的生物醫用材料。因此，一種新型的生物材料-骨水泥成為了人們關注的熱點。

生物骨水泥在發展過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)，為代表的傳統丙烯酸酯類骨水泥是一種由粉劑和液劑組成的室溫自凝粘結劑。但PMMA屬于生物惰性材料，不能與宿主骨組織形成有機的化學界面結合，另外凝固聚合過程中產生熱量、單體的細胞毒性作用、可操作時間有限等不足也限制了其臨床應用1。

CPC骨水泥：磷酸鈣骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)最早由美國的Brown和Chow于20世紀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和用的液相發生水化發應，在生理條件下能自固化，如：在溫度(37℃)、 濕度(100%)條件下發生水化反應得到與人體骨組織相近的固化產物-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由象牙制成的全膝關節假體。Otto Rohm和Kulzer是早期的先驅者，他們對骨水泥的物理特性和用途進行了廣泛的研究。現代PMMA骨水泥的時代來自于Degussa和Kulzer(1943年)的專利，他們曾描述過如果加入一種輔助引發劑(如叔芳香族胺)，甲基丙烯酸甲酯(MMA)在室溫下的聚合機制。英國著名外科醫生John Charnley被廣泛認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節置換術。這是骨科手術進展中的一個重要里程碑。此外，Charnley第一個意識到PMMA可以十分便捷地用于髓腔填充，并易于與骨的形態相融合。20世紀70年代，美國食品和藥物管理局（FDA）批準骨水泥用于髖關節和膝關節假體的固定。自那時起，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。這兩種成分以大約2:1的比例混合，發生聚合反應，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）物質的共聚物珠子。
  ● 啟動劑，如過氧化苯甲酰（BPO），促使聚合物和單體在室溫下聚合。
  ● 對比劑，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）。
  ● 促進劑（N,N-二甲基對甲苯胺）（DMPT）。
  ● 穩定劑（或抑制劑），防止在儲存期間因暴露在光線或高溫下而過早聚合。

  
  

 抗生素骨水泥

事實證明，骨水泥特別有用，因為特定的活性物質，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代給藥系統，可將所需藥物直接遞送到手術部位。骨水泥的局部活性物質水平明顯低于全身單次注射的臨床常規劑量。研究表明，在骨水泥中添加各種類型的抗生素，每包標準骨水泥的用量少于2g，不會對骨水泥的某些機械性能（抗壓或抗拉強度）產生不利影響，但超過2g的用量會削弱這些性能。在不影響骨水泥本身機械性能的前提下，除了加載抗生素，骨水泥中也能加載其他生物活性物質，如加載細菌素4和銀納米粒5用于細菌感染，說明了骨水泥除了治療骨關節外，還具有抗細菌感染等方面的治療潛力。

 骨水泥的缺點

骨水泥的最大特點是固定快，術后早期就可以下地進行康復活動。當然，骨水泥也有一些缺點，如填充時偶爾可引起骨髓腔內高壓，致使脂肪滴進入血管，引起栓塞。另外，它畢竟與人體骨骼不同，時間過久，人工關節仍可能發生松動1。骨水泥在關節置換中的主要缺點之一是水泥碎裂和磨損碎片的異物反應，導致假體松動和假體周圍骨溶解。粗糙的金屬表面和PMMA骨水泥產生的磨損顆粒會促進局部炎癥活動，導致髖關節置換的慢性并發癥。從組織學上看，在松動的假體中，有一層類似滑膜的細胞，在含有巨噬細胞和磨損顆粒的基質支持下，排列在骨水泥界面上?；罨木奘杉毎磉_細胞因子，包括白細胞介素-1、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子α，它們是假體周圍溶骨的媒介。骨水泥組成成分中單體是有毒的，有可能對水泥成分產生過敏反應2。

 骨水泥材料文獻案例精選

Bioactive Materials：雙重功能多孔和順鉑負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發。該研究通過添加羧甲基纖維素（CMC）在PMMA水泥中引入多孔性，以促進這種化療藥物的局部輸送，同時為承重部位的骨重建保留足夠的機械性能。結果顯示，PMMA骨水泥的機械強度隨著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18%的負載順鉑，相比之下，含有較低數量CMC的骨水泥在28天內僅釋放了不到2%的順鉑。這種順鉑的釋放在體外有效地殺死了骨肉瘤細胞，在第7天時，死亡細胞的比例增加到91.3%，這證明從這些PMMA骨水泥中釋放的順鉑保留了化學治療活性。此外，與完整的脛骨相比，用含有高達3%的CMC的PMMA骨水泥填充的脛骨表現出相當的抗壓強度。總之，該研究證明，通過使用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臨界水平的機械性能。因此，這些數據表明，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人類長骨感染的治療

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

  摘要：

修復耐甲氧西林葡萄球菌（MRSA）的慢性骨髓炎和由此產生的骨缺損是骨科的主要挑戰之一。以前的研究表明，加載抗生素的可生物降解復合骨水泥在體外試驗和治療實驗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-雙相磷酸鈣顆粒復合物和石膏粘合劑中的添加劑抗生素粉末組成。在這項研究中，通過分析組織病理學、X光片、磁共振成像、掃描電子顯微鏡和血清藥物濃度等結果，對43名慢性MRSA骨髓炎患者（年齡5-57歲）進一步研究，評估其體外生物學特性（細胞相容性、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）水泥和腸外療法進行比較，為期1年。與PMMA水泥相比，復合水泥顯示出更高的細胞相容性和凝固活性。此外，術后不同的臨床和放射學檢查結果也證明了復合骨水泥在成功率、更快的敗血癥控制和骨再生方面優于其他治療方式。低的血清抗生素濃度和正常的血清鈣水平表明，富含鈣的復合骨水泥在人類中的應用是安全的。因此，我們得出結論，復合骨水泥是治療慢性骨髓炎的一個有希望的候選材料7。

參考文獻：

[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

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[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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