《Biomaterials Advances》：A self-setting magnesium phosphate bone putty for effective hemostasis and osteogenesis in bleeding bone defect
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本研究开发了一种基于镁磷水泥（MPP）的自固化骨修复材料，由MgO和K?HPO?分散于预胶化淀粉-聚乙二醇基质中。MPP在动态水环境中表现出优异的止血性能和骨再生促进效果，优于传统骨蜡，并通过体外和体内实验验证其临床潜力。
王一楠|刘子阳|吴晓轩|张雷|王金文|赵伊然|范丽军|孙一鸣|吕璐|杨振|周焕|杨磊
中国天津市河北工业大学健康科学与生物医学工程学院，生物材料与智能诊疗技术河北省重点实验室，健康科学与工程中心
摘要
与骨缺损相关的术中出血常常会损害手术结果。传统的止血骨蜡作为一种被动、不可降解的屏障，其生物惰性通常会引发炎症并阻碍骨再生。为了克服生物惰性骨蜡的局限性，人们尝试使用由生物陶瓷颗粒和可吸收聚合物基质组成的替代品。然而，在临床实践中，如内镜骨科手术中，所使用的止血剂需要能够在动态水环境中抵抗冲刷，牢固地附着在出血的骨表面，并形成原位的物理基质，以实现双重止血和促骨生长的功能。为此，我们制备了一种自固化、耐水的复合材料：磷酸镁基骨腻子（MPP）。该材料由氧化镁（MgO）和磷酸二氢钾（K?HPO?）分散在预糊化淀粉-聚乙二醇（PEG）基质中制成。MPP在水环境中能够快速发生酸碱反应，原位形成磷酸镁基质，将类似腻子的糊状物转化为出血区域的类似骨的固体。体外测试（如水下粘附性、液体密封性、血液相容性和细胞相容性）验证了MPP在动态水环境中的潜力。此外，形成的基质逐渐降解，质量损失从第1天的22.44?±?1.97%增加到第7天的34.52?±?2.55%。MPP还表现出比骨蜡更强的凝血激活能力，溶血率低（3.24?±?1.36%），并且增强了成骨细胞的粘附、增殖和碱性磷酸酶（ALP）的表达。体内大鼠模型进一步证实，MPP在术中止血和术后骨再生方面优于商业骨蜡。总体而言，MPP因其即时止血效果和持续的骨生成能力而受到重视，有望成为临床应用中的优秀骨科止血剂。
引言
由创伤或手术引起的出血性骨缺损是一个重要的临床挑战，因为术中出血常常会损害手术结果并阻碍术后骨再生。传统的骨蜡是一种广泛用于骨缺损的止血剂，但它存在固有的局限性，包括对湿润骨表面的粘附性差、缺乏促骨活性以及生物惰性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些特性使其不适合治疗由创伤或手术引起的出血性骨缺损[6]、[7]、[8]，尤其是在伴有动态生理盐水环境的微创内镜手术中[5]、[9]、[10]。一方面，骨内出血和内镜下的持续盐水冲洗会产生复杂的液体环境，干扰止血效果[11]；另一方面，这类骨缺损的病理微环境（尤其是在老年患者中）以机械不稳定性和氧化应激为特征，这些因素共同阻碍了骨再生[12]、[13]、[14]、[15]。
最近，可吸收的类似骨蜡的止血剂作为惰性骨蜡的替代品开始受到关注[1]、[12]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。例如，OSTENE和BoneStat主要基于水溶性聚氧烷基共聚物，能够在术中快速止血，并在术后数小时内完全吸收[20]、[22]、[23]。为了使这些止血剂更适合老年患者，人们尝试将生物陶瓷颗粒分散在可吸收聚合物基质中，以增强止血和促骨生长的效果[16]、[24]、[25]、[26]。Uwe Gbureck及其同事的一项开创性工作报道了一种基于PEG、改性淀粉和磷酸钙水泥（CPC）的自固化骨蜡[27]。然而，CPC的固化速度慢、耐水性差、对骨基质的粘附性不足，且早期机械强度不足，限制了其在内镜骨科手术动态水环境中的应用前景。
磷酸镁水泥（MPC）作为另一类自固化无机骨水泥引起了广泛关注，它具有快速固化、早期机械强度高和优异的耐水性[28]、[29]。典型的MPC配方包含MgO和磷酸盐，它们通过酸碱反应生成水合磷酸镁矿物（如MgKPO?·6H?O或Mg?(PO?)?）。这些相形成致密、高度连接的晶体网络，即使在潮湿环境中也能快速从糊状物转变为固体，具有出色的抗分解性和优异的界面适应性。此外，MPC提取物的生物活性也引起了全球研究者的兴趣[30]。作为骨骼中的必需微量元素，Mg2+可以激活Wnt/β-连环蛋白和PI3K/Akt信号通路，促进成骨前体细胞的增殖和分化[31]、[32]、[33]。此外，Mg2+可以在骨愈合早期减轻炎症并刺激新骨形成。MPC中残留的MgO产生的微碱性环境（pH约7.4–8.5）被认为可以增强成骨细胞的碱性磷酸酶表达和矿化结节形成，同时还能激活破骨细胞[30]、[34]、[35]。这些协同效应使MPC不仅可作为骨替代物，还可作为骨再生的潜在刺激剂，成为CPC的潜在替代品。
鉴于老年患者出血性骨管理的医疗需求以及MPC的优势，本研究开发了一种基于磷酸镁的骨腻子（MPP），旨在同时解决内镜手术动态水环境中的术中止血问题和老年患者病理微环境中的术后骨再生问题，为下一代骨蜡提供新的解决方案。
化学物质
除非另有说明，所有基本化学品均从Aladdin Chemicals（中国上海Aladdin生化技术有限公司）购买。蜡状淀粉由秦皇岛丽华淀粉有限公司提供（中国）。用于比较研究的商业骨蜡来自强生公司（美国）。全羊血从北京博希科技有限公司购买（中国）。抗坏血酸、β-甘油磷酸二钠盐和地塞米松从Sigma-Aldrich（美国）购买。
MPP的特性与评估
通过将样品浸泡在37?°C的SBF中振荡12小时来评估MPP在水环境中的抗塌陷性能。宏观图像（图1a）显示，样品在12小时的培养期间保持了原有的几何形状，没有表面剥落或碎裂现象。相比之下，CPP和CSP都出现了塌陷现象。这些观察结果表明，MPP在水动态环境中的结构稳定性优于CPP和CSP，使其成为潜在的候选材料。
讨论
我们开发了一种自固化的可吸收骨蜡MPP，它通过PEG-水交换引发的MgO与K?HPO?反应，实现磷酸镁相的快速原位结晶。这一转变将术中可塑的糊状物转化为固体，提供即时的止血屏障和可吸收的骨生长基质。与传统不可降解的骨蜡相比，MPP显示出更优异的止血效果和更高的新生骨体积。
结论
在本研究中，我们通过将MgO和K?HPO?与预糊化淀粉和PEG结合，开发出一种即用的MPP，作为现有骨止血剂的替代品。与传统骨蜡相比，MPP不仅保持了出色的操作性和缺损密封能力，还提供了临时的机械支撑，并促进了骨再生，这一点在体外和体内研究中得到了验证。更重要的是，MPP腻子可以轻松适应不规则的骨缺损。
作者贡献声明
王一楠：撰写——原始草稿、验证、调查、正式分析、数据管理、概念构思。刘子阳：验证、资金获取、正式分析。吴晓轩：调查、正式分析。张雷：调查、正式分析。王金文：调查。赵伊然：调查。范丽军：调查。孙一鸣：正式分析。吕璐：调查。杨振：方法学、调查、资金获取、概念构思。周焕：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32571559、U23A6008、82025025）、国家重点研发计划（2023YFC2412300）和河北省重大科技支撑计划（242W7708Z）、天津市健康研究项目（TJWJ2023QN051）、河北省高校科技研究项目（编号QN2024089）以及燕赵金台人才聚集计划骨干人才项目的支持。
