文獻解讀丨生物活性聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥治療骨質疏松性椎體壓縮性骨折
研究背景
目前全球骨缺損手術每年約為2000萬例，為保持原有骨骼的結構與功能的完整，骨修復就必須依賴于移植材料，因而臨床治療中對于具有支撐作用的骨植入材料需求量巨大。植入材料的特性對于骨修復具有重要影響，是再生醫學研究中的關鍵問題，也是臨床骨修復的核心要點。聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 骨水泥是臨床上出現很早、使用非常廣泛的骨水泥制品，其安全性和臨床效果已經得到普遍認可。但是過高的彈性模量、相對較低的生物活性都限制了它在臨床使用上的進一步應用和發展。
骨組織的修復和再生是一個動態過程，始于骨祖細的增殖和遷移，最終分化為成熟骨細胞。雖然骨組織具有較強的再生能力，但是當大段骨組織損傷造成大范圍骨缺損時，為保持原有骨骼的結構和功能，骨的修復就必須依賴于移植材料。植入材料的特性對于骨修復具有重要影響，該過程的影響成為再生醫學研究中的關鍵問題，也是臨床骨修復的核心要點。骨植入材料主要有自體骨、異體骨(同種異體骨、異種骨)和合成材料等。自體骨一直被認為是骨移植材料的金標準，但來源有限，取骨后容易出現穿孔、傷口感染、膿腫、出血等相關并發癥，植入困難、創傷大等，也使其在臨床上的應用受到限制。隨著組織工程技術的不斷發展，人工骨不僅可以實現大批量生產，而且往往具有新的研究不斷賦予的生物相容性、成骨誘導性等特點，使得人工骨普遍應用于臨床骨修復以及作為骨外科填充材料。
鑒于上述缺點，材料和醫學科學家嘗試了多種PMMA骨水泥改性策略，通過改變單體、添加生物活性材料或有機材料等策略來優化PMMA骨水泥的生物機械性能和生物學活性。
方法與結果
本研究以PMMA骨水泥作為支持材料，在其中添加具有生物活性的礦化膠原（MC）材料，通過基礎實驗研究復合骨水泥的材料學表征以及體內外活性，通過將該材料應用于臨床，探究臨床的實用性以及價值。采用兔骨質疏松模型對復合骨水泥材料MC-PMMA在體內的生物相容性及成骨性能進行評價。
采用島津InspeXio SMX-225 CT FPD HR對骨水泥進行掃描重建，統計骨水泥的孔隙率。如圖1所示，PMMA骨水泥的孔隙率與MC-PMMA骨水泥的孔隙率幾乎相同（5.61±0.16%比7.22±0.53%）。與PMMA骨水泥相比，MC-PMMA具有較低的CT值（9.36±0.13對5.46±0.22）。
圖1 島津micro-CT掃描材料結果
體內實驗中，更重要的評價環節為影像學評價。在4周，8周，12周時處死兔子，選擇有材料的椎體，在Micro-CT定位下確定材料的位置，并進行硬組織切片和染色。采用島津InspeXio SMX-225 CT FPD HR掃描樣品，掃描后經三維等值畫圖軟件重建并進行成骨體積分析測定。通過X線透視及CT掃描影像評估樣品植入前后的形狀、骨密度，并通過成骨體積的測量進行定量分析。
術后各組在各個時間點的典型掃描三維重建結果如圖2A所示，骨水泥材料牢固地結合到骨組織上，沒有明顯的間隙。通過顯微CT進行的三維渲染顯示了缺損和骨水泥的位置。在圖2A中，骨水泥具有以紅色和黃色顯示的高CT值，而骨是黑色的。隨著骨水泥被骨替代，顏色變為綠色，藍色，最后變為黑色，表明CT值逐漸降低。在4周時，兩組標本的骨水泥CT值和體積相似。在8周時，MC-PMMA組的CT值下降，但在PMMA組中幾乎相同。在12周時，MC-PMMA組的CT值與以前相似的區域更多。然而，PMMA組的CT值保持不變。骨水泥的界面外觀和CT值的差異表明MC-PMMA組中的材料吸收和骨再生比PMMA組更多。在手術后4,8和12周，MC-PMMA骨水泥組的椎體重建三維圖像的定量顯示比PMMA骨水泥組有更多的骨形成（圖2B-E）。手術后4周，MC-PMMA組的骨量百分比和骨小梁厚度較高。然而，骨小梁厚度或骨小梁分離沒有差異。手術后8周和12周，與PMMA組相比，MC-PMMA組的骨小梁厚度顯著增加，骨量百分比增加，骨小梁數較高，骨小梁分離度較低，表明隨著時間的推移MC-PMMA組的骨生長增加。
圖2 micro-CT三維重建結果和計算結果
總結與討論
本研究通過向廣泛用于PVP和BKP的PMMA骨水泥品牌的粉末中添加礦化膠原來開發基于生物活性PMMA的骨水泥。與PMMA骨水泥相比，MC-PMMA骨水泥的壓縮模量顯著降低，而處理時間大致相同。MC-PMMA骨水泥促進細胞增殖和分化，并加速骨質疏松兔模型中椎骨的修復和小規模臨床試驗中患者的OVCF。我們的研究結果表明，MC-PMMA骨水泥有望用于臨床轉化。
微焦點X射線CT裝置
inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
高分辨率，圖像清晰
擅長復合材料的拍攝
操作簡單、試驗速度快
文獻題目
《Bioactive poly (methyl methacrylate) bone cement for the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures》
使用儀器
島津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
第一作者
諸進晉，楊淑慧
原文鏈接：
https://doi.org/10.7150/thno.44276
