PMMA/镁金属复合骨水泥的动态降解模型及对成骨细胞调控机制研究

The osteoporotic vertebral compression fractures have been one of the most common orthopedics diseases in China. The bone cement-reliant vertebroplasty is an effective treatment method of this disease. However，the clinically used polymethylmethacrylate (PMMA) bone cement will lead to the risk of fracture of the adjacent vertebral bodies due to its relatively high stiffness compared to intact osteoporotic vertebral body and vertebral instability due to the poor cement-bone interface bonding. To solve the problems, novel PMMA/magnesium partly-degradable composite bone cements were fabricated in this project. Aiming at decreasing the stiffness of the cement and enhancing the cement-bone bonding strength, the project mainly researches on the degradation behavior and the effects of material degradation on the functions of osteoblast. The project will build on the dynamic degradation model and reveal how the material parameters influence on the degradation model，and finally reveal how the degradation behavior influences on the functions of osteoblasts，in order to achieve the dynamic matching between mechanical, biological properties of the cement and requirements of vertebral restoration during the whole treating process and finally decrease the risk of the fracture of the adjacent vertebral bodies and the vertebral instability. The research outcomes will provide new theoretical guide and practical data for PMMA modification, and promote the application of novel bone cements in the treatment of vertebral compression fractures.

骨质疏松导致的椎体压缩性骨折已成为我国最常见骨科疾病之一。依赖于注射后可即刻固化形成支撑的骨水泥的椎体成形术是该疾病的有效治疗方法之一。而临床使用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥存在刚度过高而导致邻近椎体骨折以及骨与PMMA的界面结合差而导致椎体失稳两大突出问题。本项目针对以上问题，提出制备新型可部分降解PMMA/镁金属复合骨水泥，并从改善复合骨水泥刚度及骨水泥与骨组织界面结合两个方向，主要对复合骨水泥的降解行为以及复合骨水泥的降解对成骨细胞功能影响进行研究。通过建立复合骨水泥动态降解模型，揭示材料学参数对降解模型的影响，同时研究复合骨水泥降解行为对成骨细胞功能的调控机制，以实现材料降解时其力学和生物学性能变化与椎体修复需求的动态匹配，降低邻近椎体骨折和椎体失稳的风险。本项目研究成果将为PMMA骨水泥的改性设计提供新的理论指导和实用数据，促进新型骨水泥在椎体压缩性骨折治疗中的应用。

依赖于注射后可即刻固化形成支撑的骨水泥的椎体成形术是椎体压缩性骨折的有效治疗方法之一。而临床使用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥存在骨与PMMA的界面结合差而导致椎体失稳以及刚度过高两大突出问题。本项目针对以上问题，制备了可部分降解的PMMA/镁金属复合骨水泥，并从改善骨水泥与骨组织界面结合及骨水泥刚度两个方向开展了系统研究。首先，系统研究了镁金属的成分和降解速率对成骨细胞、视网膜内皮细胞、神经元细胞的影响，为PMMA/镁金属复合骨水泥的设计和优化提供基础。其次，开展了复合骨水泥的性能优化研究，探索了镁金属颗粒尺寸、浓度、合金成分（降解速率）对复合骨水泥操作性能、固化后力学性能、降解性能和生物相容性的影响。最后，单一控制镁金属浓度制备了多种复合骨水泥，对其综合性能进行了体外和体内研究。上述研究取得的重要结果包括：一，镁金属成分和降解速率对成骨细胞、视网膜内皮细胞的存活和增殖，神经元细胞的活性和轴突长度具有决定影响。二，镁金属浓度为影响复合骨水泥综合性能的最主要参数。三，低浓度镁金属的加入未显著改变PMMA骨水泥的固化时间、可注射性和抗压性能，但可降低固化放热。四，复合骨水泥中镁金属可在液体环境中逐渐降解，使周围环境呈弱碱性（pH值在8~10），降解后期表面形成孔洞、其压缩模量和抗压强度均有下降。五，优化镁金属浓度后，复合骨水泥降解产物可以促进成骨细胞的增殖、提高成骨细胞的成骨活性、并提高血管内皮细胞的血管化，同时改善成骨细胞在骨水泥表面的黏附和铺展，并抑制细菌粘附。六，优化后复合骨水泥的骨传导和骨整合性能优于单纯PMMA骨水泥，材料与周围骨组织结合力与PMMA骨水泥相比显著提高（P＜0.05）。本项目研究结果的科学意义在于提出了一种利用材料表面的局部降解来调控植入材料力学和生物学性能，从而赋予传统材料新的生物功能的理念，并为新型复合骨水泥的进一步开发提供了理论基础。此外，提供了一类“环境响应型”骨水泥，具有较好的临床应用前景。