骨質疏松性骨折是世界范圍內最嚴重的健康問題之一，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥作為填充固定材料被廣泛應用于骨科修復領域。但是由于PMMA的生物惰性，因此體內長期植入后，易發生滑脫、移位，且易造成周圍骨的二次骨折等臨床并發癥。因此向PMMA基體引入能與骨組織形成良性界面的生物活性材料是解決PMMA骨水泥生物惰性的有效途徑。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院潘浩波研究員，崔旭副研究員，柳州工人醫院李兵教授合作在ACS Appl. Mater. Interfaces在線發表題目為“Biological Fixation of Bioactive Bone Cement in Vertebroplasty: The First Clinical Investigation of Borosilicate Glass (BSG) Reinforced PMMA Bone Cement”的文章，張浩、崔穎琳、卓祥龍為論文的第一作者。本研究開發了一種兼具力學支撐與促進成骨性能的可注射性生物活性骨水泥（BSG/PMMA 骨水泥），是一種具有良好的可注射性的產品，注入椎體后可快速固化并對骨折椎體提供支撐，恢復其原有高度；同時，其中的硼硅酸玻璃可以降解促進骨整合，使骨與BSG/PMMA 骨水泥形成良好的骨性結合。
圖1 BSG/PMMA骨水泥的制備及BSG/PMMA骨水泥促進骨修復的示意圖
據報道，弱堿性pH能為新骨形成提供有利的環境——成骨細胞的活性顯著增加，而破骨細胞的活性受到顯著抑制，因此堿性pH微環境對于誘導骨骼生長至關重要，尤其是在骨質疏松癥患者中。根據ISO 5833中對PMMA骨水泥性能的要求，以10- BSG/PMMA骨水泥為研究對象；以商品PMMA骨水泥（OSTEOPAL® plus）作為對照，發現對照組的pH值基本穩定在7.3左右，并無明顯波動。而實驗組從一開始的pH9.5左右，到1 h后pH逐漸下降，7 h后pH值降低為8.7左右并持續穩定，使材料表界面形成了堿性離子微環境。且實驗組可持續釋放Ca2+、Sr2+等對成骨有益的離子，并能有效提高hBMSC的成骨相關基因的表達，顯著抑制RAW264.7的破骨相關基因。表明其具有體外成骨性能。并且由于10-BSG/PMMA骨水泥在體內植入后可抑制活化的M1型巨噬細胞，而M1型巨噬細胞已被發現可激活破骨細胞生成并增加破骨細胞活性的細胞因子，從而導致骨吸收，因此10-BSG/PMMA骨水泥在調節局部骨免疫學以增強骨再生方面顯示出良好的潛力。
通過將10- BSG/PMMA 骨水泥和對照組OSTEOPAL®plus植入植入山羊椎體中進行骨整合實驗的探究，兩者安全性和有效性基本相同，但10- BSG/PMMA 骨水泥的骨形成量高于對照組。因此，該新材料可誘導骨形成來增加骨量，有效降低因骨密度低而繼發性骨折的風險。
圖2 10-BSG/PMMA骨水泥進行的人體臨床試驗
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c15250
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