聚谷氨酸锶对磷酸钙骨水泥力学性能和体内外降解行为影响的机理研究

Lack of enough mechanical strength and controllable biodegradation behavior is the main problem for limiting the applications of the calcium phosphate cement (CPC) in vetebroplasty. To solve the problems, the strontium salt form of poly(γ-glutamic acid) (Sr-γ-PGA) which contains lots of carboxylic acids and the strontium element was chose as the compound phase of CPC to improve the mechanical strength and simultaneously adjust the biodegradation behavior to make CPC match the new bone regeneration. The calcium ions which release from the early hydration reaction of CPC will be chelated with the carboxylic acids in γ-PGA. By studying the effect of chelation reaction on the crystal nucleus formation and the growth of apatite crystals, the mechanism of Sr-γ-PGA enhance the mechanical strength CPC will be revealed. Moreover, in vitro and in vivo method will be applied to study the effects of Sr-γ-PGA on the biodegradation of CPC, for discovering the rules of Sr-γ-PGA on the degradation behavior of CPC and we will discuss the influence and mechanism of the degradation behavior of CPC/Sr-γ-PGA on the new bone regeneration. Based on these results, the theoretical basis would be built for adjusting the CPC biodegradation to match the speed of new bone regeneration. The research outcomes will provide new ideal and theoretical guidance for CPC modification design to promote the properties of CPC to fulfill applications in the treatment of vertebral compression fractures.

缺乏足够的力学强度和可控的生物降解性能是磷酸钙骨水泥（CPC）应用在椎体成形术中受到限制的主要原因。本项目针对以上问题，提出选择富含大量羧基和锶元素的聚谷氨酸锶作为CPC的复合相，旨在提高CPC力学强度的同时来改善CPC生物降解速率使其与新骨生成速率相匹配。通过对聚谷氨酸锶分子链上的羧基官能团与CPC初期水化过程中释放的钙离子发生的螯合反应对磷酸盐晶核形成和晶体生长过程的影响研究，揭示聚谷氨酸锶盐对CPC的增强机理。同时，结合体内体外实验对含锶复合磷酸钙骨水泥的降解行为的研究，明确锶对复合磷酸钙骨水泥的降解行为的影响规律，探讨复合骨水泥的降解行为对新骨再生的影响机制，为调节复合骨水泥降解速率与新骨再生速率相匹配提供理论基础。本项目的研究成果将为开发满足椎体骨折修复所需要的CPC的改性设计提供新的思路和理论指导。

缺乏足够的力学强度和可控的生物降解性能是磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement, CPC）在椎体成形术应用中受到限制的主要原因。研究针对以上问题，提出将富含大量羧基的聚谷氨酸(Poly(γ-glutamic acid)，γ-PGA）转化为对应的锶盐作为磷酸三钙基(α-TCP)骨水泥的复合相，旨在提高CPC力学强度的同时来改善CPC生物降解速率，并通过对其可操作性能、体外力学性能及生物相容性的表征探索含锶复合磷酸钙骨水泥在椎体后凸成型术的潜在应用。实验结果表明聚谷氨酸锶极大地改善了CPC的可注射性能、抗溃散性能、固化时间、抗压强度、可降解性能及体外生物相容性。具体表现为：和对照组相比，可注射性能从74.6%提高到93.3%；初凝和终凝时间从2.2±0.1 min和7.4 ± 0.4min分别延长至22.3±1.1 min 和36.7 ± 1.6 min；力学测试结果表明固化反应3天后压缩强度从14.6±1.4MPa 提高至49.3±5.0 MPa，当固化时间7天后，聚谷氨酸锶改性的CPC强度可达到60.1±5.4MPa；浸泡2个月后的降解率从6wt%提高到31wt%。体外成骨细胞实验表明聚谷氨酸锶的引入促进了成骨细胞的增殖，结合粘附在材料表面细胞的形态分析结果，证明聚谷氨酸锶复合的CPC具有良好的生物相容性。结果表明，在固相中加入8.9wt%γ-PGA，以聚谷氨酸锶盐为反应液相，制备的骨水泥具有良好的性能，有望在后凸成形术中得到应用。.基于以上结果，我们分析了聚谷氨酸及其锶盐改善CPC性能的主要原因。首先，由于γ-PGA含有大量的羧基，钙离子与羧基之间形成了离子交联，交联的γ-PGA包裹在未反应的磷酸钙颗粒周围，这些交联的γ-PGA分子缠结形成致密的微观结构，有利于提高CPC的力学强度。CPC的固化机理包括磷酸钙盐的一系列溶解和沉淀过程，最终形成热力学稳定的HA晶体。影响HA沉淀速率的因素包括原料的化学组成、粉末的粒度分布、反应温度、溶液和添加剂的用量等。在本研究中，我们推测钙离子与γ-PGA的羧基之间的化学键合形成一个亚稳相，最终转变为稳定的HA。这也解释了γ-PGA改性CPC的抗压强度随凝结时间的增加而增加的现象。