综述：基于生物材料的骨水泥策略：调节骨微环境并促进再生

本文聚焦骨水泥，阐述其在临床应用中的现状与局限。详细介绍无机材料、有机材料、纳米材料等对骨水泥的改性策略，以及改性骨水泥调节骨微环境（如免疫调节、抗氧化等）促进骨再生的机制，为骨修复研究提供全面参考。

　　

引言

随着人口老龄化加剧，骨质流失和骨折问题愈发常见，严重影响老年人生活质量。骨移植虽为骨重建金标准，但存在诸多弊端。骨水泥（BC）在骨科手术中应用广泛，如修复骨缺损、固定假体等，然而现有的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、磷酸钙水泥（CPC）和磷酸镁水泥（MPC）等骨水泥都有各自的缺点。近年来，复合材料在骨再生领域的应用为骨水泥的改进带来新契机，本文旨在综述复合改性骨水泥在骨再生方面的研究进展。

影响骨水泥填充后骨再生的因素

骨组织方面

1. 成骨与破骨平衡：骨再生过程中，成骨细胞和破骨细胞的平衡至关重要。它们通过复杂的细胞间信号通路协作，维持骨稳态。镁离子可调节这一平衡，抑制破骨细胞生成，为成骨细胞创造良好微环境。
2. 血管生成和神经化：血管生成与骨生成密切相关，相互促进，被称为 “血管生成 - 成骨耦合”。同时，神经 - 骨生成网络也对骨再生意义重大，促进神经血管再生是加速骨愈合的有效策略。
3. 免疫调节：免疫系统在骨再生中作用关键。巨噬细胞和 T 细胞等免疫细胞的调节对骨愈合影响深远，合适的免疫调节可营造利于骨再生的微环境。

骨水泥方面

1. 骨传导性：骨传导性是骨再生的重要特性，指材料支持成骨细胞相互作用、促进骨生长的能力。传统 PMMA 骨水泥缺乏此特性，而 CPC 和经过改性的 MPC 具有较好的骨传导性。
2. 骨诱导性：骨诱导涉及未成熟细胞分化为成骨前体细胞和骨祖细胞的过程。不同骨水泥骨诱导潜力不同，如 PMMA 植入可诱导生物活性膜形成，MPC 通过释放 Mg²⁺促进细胞分化，CPC 的骨诱导能力相对有限。
3. 生物相容性：生物相容性体现了生物材料与宿主组织的和谐互动。各类骨水泥生物相容性各异，PMMA、CPC 和 MPC 都有各自的特点，均在骨再生策略中发挥重要作用。
4. 降解：骨水泥的体内降解对骨再生至关重要，需与骨形成精确同步。PMMA 不可降解，CPC 降解缓慢且机械性能欠佳，MPC 降解速度快，在维持机械支持方面存在挑战。

无机材料改性骨水泥的应用

无机离子

多种无机离子，如镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）等，可通过多种机制促进骨再生。它们单独或共同添加到骨水泥中，能改变骨水泥性能，增强成骨和血管生成能力。例如，Sr²⁺可提高磷酸钙混合水泥的抗压强度，促进成骨和血管生成；Li⁺能通过激活 Wnt/β - catenin 信号通路增强生物相容性和骨生成能力。

生物活性玻璃

生物活性玻璃（BGs）具有骨结合、成骨和血管生成特性，其生物活性主要通过形成生物活性羟基磷灰石层和控制离子释放来实现。研究表明，含镁生物活性玻璃改性骨水泥可有效调节骨微环境，促进骨再生；掺杂锶的生物活性玻璃能增强骨水泥的成骨和血管生成能力。

其他生物陶瓷

β - 磷酸三钙（β - TCP）陶瓷和硅酸钙陶瓷等生物陶瓷可与骨水泥复合。β - TCP 能缩短 CPC 的凝固时间，提高机械强度；硅酸钙陶瓷释放的 Ca²⁺和 Si⁴⁺可促进新骨形成和血管生成，增强骨再生能力。

有机材料改性骨水泥的应用

有机酸相关材料

柠檬酸、苹果酸等有机酸材料在骨再生中作用显著，可促进钙释放，增强羟基磷灰石形成，改善骨水泥性能。例如，柠檬酸改性 MPC 可调节凝固时间、提高生物相容性、促进血管化骨再生；苹果酸镁改性 CPC 具有合适的机械性能和降解行为，通过特定信号通路促进骨愈合。

天然或合成聚合物相关材料

1. 天然聚合物：胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸钠等天然聚合物生物相容性好、可降解。胶原蛋白可增强 CPC 的机械和生物学性能；矿化胶原蛋白能改善 PMMA 骨水泥的生物学性能，降低压缩强度以匹配天然骨组织；海藻酸钠和羧甲基壳聚糖等可增强骨水泥的性能，促进骨再生。
2. 合成聚合物：聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）等合成聚合物可增强骨水泥的可注射性和抗冲刷性。PLGA 通过控制酸释放促进 CPC 降解，改善机械性能和骨传导性；聚己内酯（PCL）和聚乙烯醇（PVA）也可用于改性 CPC，但存在一定局限性。

纳米材料改性骨水泥的应用

无机纳米材料

1. 金属基纳米颗粒：Fe₃O₄/ 石墨烯氧化物（GO）纳米复合材料、氧化铁纳米颗粒（IONP）、纳米氧化镁（nano - MgO）等金属基纳米颗粒可增强骨水泥的性能。Fe₃O₄/GO 纳米复合材料可用于治疗肿瘤诱导的骨缺损，兼具磁热治疗和骨再生功能；nano - MgO/PMMA 骨水泥可促进新骨形成，提高骨结合强度。
2. 介孔二氧化硅纳米颗粒：介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）可作为药物递送平台和增强剂用于骨水泥改性。负载药物的 MSNs 可实现药物的持续释放，同时改善骨水泥的性能，如增强抗压强度、延长凝固时间和提高可注射性。
3. 生物活性玻璃纳米颗粒：介孔生物活性玻璃纳米颗粒（BGn）具有独特的结构和性能，可提高骨水泥的表面积、蛋白吸附能力和离子释放能力，促进间充质干细胞的成骨分化和内皮细胞的血管生成行为，增强骨再生能力。
4. 其他：石墨烯、层状双氢氧化物（LDHs）等无机纳米材料可改善骨水泥的机械性能和生物活性。石墨烯可增强骨水泥的机械性能，促进成骨和骨整合；LDHs 可降低 PMMA 骨水泥的聚合温度，促进骨整合。

聚合物纳米材料

PLGA 纳米纤维等聚合物纳米材料可增强骨水泥的强度和可注射性，促进血管化和骨再生。PLGA 纳米纤维降解产生的孔隙和酸性微环境有利于细胞迁移和骨生长；静电纺丝丝素蛋白（SF）纳米纤维可增强 MPC 的性能，为骨再生创造优化的微环境。

改性骨水泥介导的微环境调节以增强骨再生

骨创伤或缺失早期

1. 减轻炎症：炎症反应对骨愈合影响复杂，过度炎症会阻碍骨生成。镁、锌等元素以及生物活性玻璃等材料可调节巨噬细胞极化，促进 M2 型巨噬细胞形成，抑制炎症反应，促进血管化和骨形成。
2. 促进抗氧化：过量的活性氧（ROS）会导致细胞氧化应激，损害骨相关细胞功能。硒、富勒烯醇等抗氧化剂可减轻氧化应激，促进骨再生。硒改性 CPC 可上调抗氧化酶表达，减少 ROS 积累，增强骨矿化和骨体积。

骨再生阶段

1. 成骨细胞和破骨细胞的平衡：骨质疏松与成骨细胞和破骨细胞失衡有关，维持两者平衡对骨再生至关重要。TBB 引发剂改性的 PMMA 骨水泥、阿仑膦酸钠负载的 CPC 等可调节骨稳态，促进骨形成，抑制骨吸收。
2. 预血管化：充足的血管化是骨再生的关键，体内预血管化可加速宿主血管整合和组织再生。通过在骨水泥中添加 RGD 肽、共培养血管相关细胞等方法，可促进血管网络形成，提高骨再生效果。
3. 材料 - 细胞相互作用：材料与骨细胞的相互作用对骨再生至关重要。骨形态发生蛋白 - 2（rhBMP - 2）等生长因子与材料结合，可促进骨细胞的增殖和分化，增强骨再生能力。

结论和未来展望

骨愈合受损给医疗带来巨大挑战，生物材料工程的进展为增强骨水泥性能提供了新途径。无机材料的离子释放、有机材料的生物活性和纳米材料的独特性能，都为骨水泥的改性带来希望。未来，应进一步研究骨微环境机制，开发智能生物材料，调节炎症、氧化应激和血管化等过程，同时关注神经调节在骨再生中的作用，以实现更高效的骨再生治疗，改善患者生活质量。