用于膝關節損傷修復的改性凝膠材料性能測試及應用護理

葉麗娜 史英韜 喻選榮 董秋月

摘 要：試驗以甲基丙烯酸羥乙酯-甲基丙烯酸二甲氨乙酯［P（H-D）］承載鹽酸左氧氟沙星（LVF），制備pH響應藥物載體，然后制備改性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基復合骨水泥，并研究其性能和臨床應用效果。結果表明：改性PMMA基復合骨水泥具備較好的pH響應釋藥性能，可以延緩釋藥周期，并且在吸水膨脹前后的抗壓強度良好，分別為85.7、64.5 MPa，其面團時間和凝固時間分別為385.2、823.0 s，凝固溫度為56.5 ℃，理化性能良好；在改性PMMA基復合骨水泥中添加3%交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）比較適宜；改性PMMA基復合骨水泥具備較好的細胞相容性和臨床應用效果，均優于普通PMMA骨水泥。改性PMMA基復合骨水泥綜合性能較好，可以在臨床應用。

關鍵詞：膝關節；軟骨損傷修復；PMMA骨水泥；釋藥性能；理化性能

中圖分類號：TQ460

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0101-05

Performance testing and application care of modified gel materials for knee joint injury repair

YE Lina，SHI Yingtao，YU Xuanrong，DONG Qiuyue

（Xingtai General Hospital of North China Medical and Health Group，Xingtai054000，Hebei China

）

Abstract：In this experiment，poly （Hydroxyethyl acrylate dimethylaminoethyl methacrylate） ［P （H-D）］ was used to carry Levofloxacin hydrochloride （LVF） to prepare pH responsive drug carrier，and then modified poly （Methyl methacrylate） （PMMA） was prepared based composite bone cement，and its performance and clinical application effectwere studied.The experimental results showed that the modified PMMA based composite bone cement had good pH responsive drug release performance，could delay the drug release cycle，and had good compressive strength before and after water absorption and expansion，which were 85.7 MPa and 64.5 MPa，respectively.Its dough time and setting time were 385.2 s and 823.0 s，respectively，and the setting temperature was 56.5 ℃.The physical and chemical properties were good.Adding 3% crosslinking agent N，N-methylenebisacrylamide （MBA） to modified PMMA based composite bone cement was more suitable.Modified PMMA based composite bone cement had good cell compatibility and clinical application effects，both of which were superior to ordinary PMMA bone cement.In summary，the modified PMMA based composite bone cement has good comprehensive performance and can be widely used in clinical practice.

Key words：knee joint;repair of cartilage damage;pMMA bone cement;drug release performance;physical and chemical properties

關節軟骨損傷屬于骨科常見疾病，并在老年群體中具有一定的發病率［1］。疾病的出現會導致老年人出現局部疼痛、功能受限等癥狀，嚴重影響到老年人的日常生活［2］。針對該病的治療，除了應用關節鏡手術以外，還需在術中應用一定的修復材料以獲得理想的損傷修復效果。基于此，研究新型的生物材料成為骨組織工程學發展中的一個重點。對此，許多學者進行了研究。例如，采用3D打印技術，將生物活性玻璃與羥基磷灰石結合，制備了一種骨修復材料，并研究其性能。結果表明，該材料與正常人體骨組織較接近，且抗壓性能符合松質骨要求，具備一定的臨床應用價值［3］。制備了一種可塑形骨填充材料，并對其性能進行研究。結果表明，在生物安全性和骨誘導能力方面，該材料表現優異，是一種較好的骨填充材料［4］。除此之外，還有在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，添加礦化膠原（MC），制備了一種改性骨水泥。結果表明，當MC質量分數為15%時，該改性骨水泥的綜合性能較好，符合國際標準以及臨床要求［5］。基于以上學者的研究，本試驗制備了一種含pH響應藥物載體的改性PMMA基復合骨水泥，并研究其性能和臨床應用效果。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：PMMA骨水泥：工業純，冠泰塑料；鹽酸左氧氟沙星（ LVF）：AR，百慕達生物；過硫酸銨（APS）：AR，翰月化工；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）：AR（三旺化工材料；甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）：AR，宏綱化工；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：AR，弘萬春藥業；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）：AR，堯同實業 。

主要設備：RD1020型電子天平（榮達儀器）；HH-1S型水浴鍋（金達來建筑器材）；DF-85-2型數顯恒溫電磁攪拌器（赫名儀器）；LP-550H型循環水真空泵（萊禾機電科技）；HN101型型真空干燥箱（華能電子）；LX-15KS型離心機（湖南粉體裝備）；YG026型試驗機（德普紡織科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 pH響應藥物載體的制備

（1）用電子天平稱取一定質量的DMAEMA和HEMA，裝入三頸燒瓶中。然后按1∶2∶1的體積比倒入MBA溶液、PVP溶液和LVF藥物溶液，其中，DMAEMA質量分數為20%［6-7］；

（2）在恒溫40 ℃和氮氣保護的環境下，將三頸燒瓶放入水浴鍋中，進行機械攪拌處理30 min。然后升高溫度到70 ℃，向三頸燒瓶中加入50 mL的APS溶液，靜置保溫處理6 h；

（3）將三頸燒瓶中獲得的產物依次進行洗滌、抽濾、冷凍干燥處理，獲得pH響應藥物載體的共聚物微球，備用。

1.2.2 改性PMMA基復合骨水泥的制備

將1.2.1中制備好的pH響應藥物載體的共聚物微球以30%固相體積比加入到PMMA骨水泥中，作為試驗組，而對照組則在PMMA骨水泥中單獨加入LVF。其中，固相和液相的配置比例均為2 g/mL，將各組物料均進行攪拌處理，混合均勻。

1.3 性能測試

1.3.1 pH響應釋藥性能

將適量的磷酸二氫鉀溶液和磷酸氫二鈉溶液加入燒杯中，然后用酸或堿溶液調節pH值至7.5、5.4，獲得不同pH值的PBS溶液，分別模擬正常環境和炎癥環境。然后將1 mL液相與2 g固相骨水泥攪拌混合，靜置至材料面團期，并在恒溫恒濕環境內放入10 mL配置好的PBS溶液中。取出試樣，再次加入10 mL的PBS溶液。通過紫外分光光度法，對試樣溶液進行測試，分析材料的pH響應釋藥性能［8-9］。

1.3.2 力學性能

利用試驗機對材料試樣進行測試，分析其強度情況。

1.3.3 理化性能

面團時間：在骨水泥固液接觸并攪拌3 min后，每隔20 s用戴手套的手指觸碰骨水泥，并記錄手指與骨水泥分離時無拉絲狀纖維的時間。

凝固時間與凝固溫度：從骨水泥固液接觸開始，用測溫儀每隔20 s測量一次溫度并記錄，直到測量出最高溫度，再繼續測量一段時間。

1.3.4 生物相容性

對骨水泥試樣進行消毒處理，然后放在24孔板中。在骨水泥試樣表面接種1 mL的細胞培養液，在培養一定時間后加入適量噻唑藍（MTT）試劑，在培養5 h后添加0.5 mL的二甲基亞砜（DMSO），進行振蕩處理12 min。之后，使用多孔酶標儀測試試樣細胞活性［10］。

1.4 臨床應用

1.4.1 一般資料

本研究針對2020年12月～2021年12月期間，在本院骨科就診并接受住院治療的70例老年膝關節軟骨損傷患者，作為觀察對象。關于此次研究的相關內容，已經提前報請本院倫理委員會審核，經批準予以實施。

1.4.2 試驗方法

在均接受基礎治療的前提下，將患者分為對照組和觀察組。對照組實施關節鏡下手術治療聯合骨水泥注射修復，而觀察組實施關節鏡下手術治療聯合含pH響應藥物載體的改性PMMA基復合骨水泥進行修復。在術后，2組患者均實施常規術后處理，給予患者抗感染治療和必要的營養支持，并結合患者術后恢復情況指導其參與一定的康復鍛煉。

1.4.3 觀察指標

1.4.3.1 膝關節功能

治療前與治療后3個月，分別對2組實施膝關節功能系統（HSS）評分。評分維度包括穩定性、功能、肌力等。其中，HSS的評分較高的組別，其中的患者膝關節功能較好。

1.4.4.2 治療總有效率

在接受治療3個月后，對2組患者進行治療總有效率評估。經治療患者膝關節疼痛癥狀消失或得到顯著改善，關節無積液或者積液情況基本消除，可正常活動，則評估為治療顯效。經治療患者膝關節疼痛癥狀與關節積液情況均得到一定的改善，但活動受限，則評估為治療顯效。經治療患者膝關節疼痛癥狀與關節積液情況無變化，活動明顯受限，則評估為治療無效。

1.4.4.3 并發癥發生情況

記錄術后3 個月2組出現下肢腫脹、切口感染等情況的病例數，統計2組并發癥發生率。

2 結果與討論

2.1 pH響應釋藥性能

本試驗對制備的改性PMMA基復合骨水泥進行釋藥性能測試，并以PMMA骨水泥作為對比，結果如圖1所示。

由圖1（a）可知，對于普通的PMMA骨水泥，環境中pH值的變化對其釋藥性能的影響不大。并且，當pH值為7.5和5.4時，PMMA骨水泥的藥物釋放曲線均在4 h左右就達到平衡，而且釋藥率均在4%左右。這表明，PMMA骨水泥不具備控制藥物釋放的能力，這主要是因為PMMA骨水泥化學性能比較穩定，不會因為環境pH值的變化而發生化學反應。同時，在PMMA骨水泥中，含有的藥物基本上都埋在其基體內部，只有在表面的藥物能夠快速釋放，發生藥物突釋［11］。而對于改性PMMA基復合骨水泥，由圖1（b）可知，pH值較低的環境下穩定釋藥率較高。在不同環境pH值下，釋藥率均在2 d左右才達到平衡。這表明，該材料具備較好的藥物緩釋能力，并且釋藥率較好，發生這種現象的原因是，改性PMMA基復合骨水泥中含有pH響應藥物載體，能夠在酸性環境下質子化，產生pH響應釋藥的能力。同時，其中含有的DMAEMA可以提高材料內部的P（H-D）與藥物之間的靜電斥力，增加藥物在吸水通路的釋放能力［12］。因此，改性PMMA基復合骨水泥具備一定延緩釋藥周期的能力和較好的術后感染治療效果。

2.2 理化性能

本試驗通過研究材料的理化性能，測試材料對實際手術操作的影響，結果如表1所示。

由表1可知，當LVF直接加入PMMA骨水泥時，材料的面團時間和凝固時間均較少，而凝固溫度較高。這會使實際手術過程中醫生操作時間減少，導致手術時間緊迫，同時，較高的凝固溫度會使材料周圍的組織受到損傷。而對于改性PMMA基復合骨水泥，其面團時間和凝固時間明顯提高，并且凝固溫度降低。這給實際手術提供了較好的操作空。這種現象的原理是改性PMMA基復合骨水泥中含有共聚物微球，使原本材料中的引發劑摻量降低，從而減緩了MMA的聚合速率，延長反應時間，進而降低材料放熱［13-14］。由此可知，與普通的PMMA骨水泥相比，本試驗制備的改性PMMA基復合骨水泥有著良好的理化性能。

2.3 交聯劑含量的影響

2.3.1 釋藥性能

材料在不同的pH值條件下的釋藥性能結果如圖2所示。

由圖2可知，在不同pH值環境下，改性PMMA基復合骨水泥的累計釋藥率隨MBA含量的增加而降低。當材料中含有3%MBA時，在pH值為7.5環境中的累計釋藥率為39.5%；而在pH值為7.5環境中的累計釋藥率為49.5%，提高了25.3%，釋藥性能較好。這是因為MBA的添加，可以控制材料中藥物在吸水通路的釋放。因此，控制改性PMMA基復合骨水泥中MBA的含量，可以調控其釋藥性能。

2.3.2 理化性能

由表2可知，隨著改性PMMA基復合骨水泥中MBA含量的增多，其面團時間和凝固時間均不斷下降，而凝固溫度則不斷升高。當材料中添加1%MBA時，其面團時間和凝固時間最多，分別是425.6、892.4 s，而此時的凝固溫度最低，為55.4 ℃。發生這種現象的原理是，隨著材料中MBA含量的增多，改性PMMA基復合骨水泥中的共聚物微球直徑減小，從而使材料中MBA與共聚物微球的反應程度增加，反應放熱增多［15］。因此，材料的面團時間和凝固時間縮短，而凝固溫度提高，這不利于實際手術中醫生的操作環境。因此。本試驗將MBA含量控制在3%。

2.4 細胞相容性

由圖3可知，當成骨細胞在各材料中的培養時間增多時，其細胞活性均在不斷增加。但是，在改性PMMA基復合骨水泥中，成骨細胞的活性明顯高于普通PMMA骨水泥。這表明，在改性PMMA基復合骨水泥中，細胞的增殖性能較好。發生這種現象的原因是，經過共聚物微球改性后，改性PMMA基復合骨水泥中含有較多的羥基和胺基，可以促進細胞的繁殖［16］。因此，本試驗制備的改性PMMA基復合骨水泥可以增強成骨細胞的增殖性能，細胞相容性較好。

2.5 臨床應用

2.5.1 膝關節功能

本研究針對2組患者進行膝關節功能HSS評分，結果如表3所示。

由表3可知，在接受治療前，2組患者的膝關節功能HSS評分的組間差異無統計學意義（P＞0.05）。而在接受治療后，對照組HSS評分均低于觀察組，組間差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.5.2 治療總有效率

本研究針對2組患者在接受治療3月后的治療總有效率進行比較，結果如表4所示。

由表4可知，2組治療總有效率進行組間比較，可以發現對照組治療總有效率低于觀察組，且組間差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.5.3 并發癥發生情況

2組并發癥發生情況結果如表5所示。

由表5可知，在并發癥發生率方面，對照組高于觀察組，且并發癥發生率分別為22.86%、2.63%，組間差異有統計學意義（P＜0.05）。

綜上所述，通過本次研究可以證實，與關節鏡手術聯合骨水泥修復相比較，對老年膝關節軟骨缺損患者實施關節鏡下手術治療聯合含pH響應藥物載體的改性PMMA基復合骨水泥進行修復，可以更好地改善患者的膝關節功能，提高治療效果，并在減少并發癥方面具有肯定的效果，故值得臨床廣泛應用及推廣。

3 結語

（1）改性PMMA基復合骨水泥釋藥率在不同pH值環境下，均在2 d左右達到釋藥平衡，可以延緩釋藥周期，具備pH響應釋藥性能，有效治療術后感染。在力學性能方面，該材料在吸水膨脹前后的抗壓強度分別是85.7、64.5 MPa，力學性能、理化性能較好，改性PMMA基復合骨水泥的面團時間和凝固時間分別為385.2、823.0 s，凝固溫度為56.5 ℃；

（2）添加3%MBA比較適宜，此時，材料的釋藥性能、力學性能和理化性能較好；

（3）改性PMMA基復合骨水泥可以增強成骨細胞的增殖性能，細胞相容性較好；

（4）改性PMMA基復合骨水泥的臨床應用效果優于普通PMMA骨水泥，可以改善患者的膝關節功能，提高治療效果，減少并發癥，可以在臨床廣泛應用。

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