用于骨组织工程的二水焦磷酸钙骨水泥的配方、体外理化与生物学评估：一种新型生物响应性磷酸钙骨水泥的开发与表征

　　本研究针对传统羟基磷灰石骨水泥降解缓慢和炎症反应问题，开发了新型单斜晶系二水焦磷酸钙骨水泥(m-CPPDc)。通过调控水合焦磷酸钙相组成，获得了低炎症潜力(IL-1β产生降低2倍)、高稳定性且能释放更多钙/磷酸根离子的生物响应性骨水泥，ALP酶可促进其焦磷酸盐水解，为骨缺损修复提供了新策略。

　　

在骨组织工程领域，钙磷基生物材料因其与骨矿物成分相似而被广泛研究，但传统的羟基磷灰石(HA)基材料存在降解缓慢的问题，限制了新骨生成空间。同时，临床上的焦磷酸钙二水合物(CPPD)晶体沉积已知会引发疼痛性炎症反应，这似乎与骨修复材料的理想特性相矛盾。然而有趣的是，近年研究发现焦磷酸盐基材料实际上具有作为生物活性骨替代物的潜力，这种看似矛盾的现象激发了研究人员的探索欲望。

为了解决这一矛盾并开发新型骨修复材料，来自法国图卢兹大学的研究团队在《Acta Biomaterialia》上发表了一项创新性研究。他们首次成功研制出纯单斜晶系二水焦磷酸钙(m-CPPD)骨水泥，并系统评估了其理化性能和生物学特性。研究人员通过巧妙的配方设计，将热活化无定形焦磷酸钙(a-CPP act)、单斜焦磷酸钙一水合物(m-CPPM)和m-CPPD晶种混合，以焦磷酸钾溶液作为液相，通过溶解-再结晶机制形成了纯m-CPPD骨水泥。

研究采用的主要技术方法包括：X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)用于物相表征，扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，热重分析(TGA)测定水合状态，离子滴定法测定钙/磷释放，并使用人单核细胞THP1和人骨髓间充质干细胞(hMSCs)进行体外炎症反应和细胞相容性评价。

3.1. 纯合成CPP粉末的理化表征

通过沉淀法合成的结晶性CPP反应粉末显示为纯相，m-CPPM相仅含一个结构水分子。热活化处理使a-CPP样品中的正磷酸根离子含量增加一倍，但未改变其无定形结构和形态，这种内部水解产生的正磷酸根离子反而稳定了无定形结构。

3.2. m-CPPD骨水泥的理化表征

3.2.1. 化学固化反应研究

水泥固化反应基于溶解-再结晶机制，在37℃湿气氛中24小时内完成。XRD和FTIR分析表明，在9-15小时成熟期内形成良好结晶的m-CPPD，48小时后水泥完全由团聚晶体构成，晶体尺寸小于溶液沉淀法制备的m-CPPD。Gillmore针法测得的物理初始固化时间为85分钟，总孔隙率为69%。

3.3. 水泥在水介质中的演化

3.3.1. 在SBF溶液中的演化

水泥在SBF中保持稳定(质量损失<1%)，早期释放钙、焦磷酸根和正磷酸根离子，pH快速升高后稳定在7.1。焦磷酸根离子释放浓度较低(15天后约0.04mM)，SEM显示表面无磷灰石形成，表明释放的焦磷酸根离子有效抑制了磷灰石结晶。

3.3.2. m-CPPDc在TRIS和TRIS+ALP溶液中的演化

在含ALP酶的介质中，m-CPPDc释放的三种离子(Ca、orthoP和pyroP)浓度均更高。焦磷酸根离子在TRIS+ALP介质中未被检测到，而正磷酸根离子显著增加(约3倍)，证实ALP酶将释放的焦磷酸根水解为正磷酸根。m-CPPDc释放的钙和正磷酸根离子浓度均高于Apc水泥。

3.4. mCPPDc水泥的体外炎症潜力

通过水泥路线获得的团聚m-CPPD晶体比溶液沉淀法制备的孤立m-CPPD晶体的炎症潜力显著降低(m-CPPDc与孤立m-CPPD晶体：1366±203 vs 3256±813 pg/mL)，且细胞死亡率更低(3.00% vs 9.66%)。

3.5. mCPPDc水泥的细胞毒性和细胞相容性

m-CPPDc双相水泥(含m-CPPT-β)显示无细胞毒性(76±10%细胞存活率)，而单相m-CPPDc有细胞毒性效应(68±17%)。Live/Dead检测证实hMSCs在双相水泥上大多保持活力并形成细胞聚集体。细胞培养实验显示，有细胞存在时焦磷酸根浓度降低，表明hMSCs细胞膜上的ALP酶可能水解了水泥释放的焦磷酸盐。

研究结论表明，通过水泥配方策略可以开发出完全由水合焦磷酸钙组成的新型磷酸钙骨水泥家族。m-CPPDc骨水泥结合了低炎症潜力、细胞相容性和在不同水介质中的高稳定性，同时比仿生磷灰石水泥释放更多的钙和正磷酸根离子。ALP酶的存在显著增强了离子的释放，证实了这种材料作为一种生物学响应型骨水泥的潜力。

该研究的重要意义在于首次证明了纯焦磷酸钙骨水泥的可行性，并揭示了通过调控水合焦磷酸钙相组成可以调节材料的再吸收性和炎症反应。这种新型骨水泥不仅为骨缺损修复提供了新选择，而且为研究关节CPPD钙化的形成和诊断提供了一套模型材料。特别是其固有的生物响应特性——通过ALP酶的作用释放促进骨形成的离子，展现了在骨组织工程中的应用前景。