由骨质疏松症和关节炎引起的骨折和关节退化是全球主要的健康问题，尤其是在老年人群中。仅骨质疏松性骨折每年就影响超过880万人，给医疗系统带来了巨大负担，并严重影响了生活质量[1]。在骨科手术中，骨水泥——最常用的是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）——对于全关节置换术和椎体成形术等手术来说是不可或缺的[[2], [3], [4], [5], [6]]。骨水泥作为金属植入物和宿主骨之间的结构桥梁，确保了植入物的固定，促进了载荷传递，并使患者能够在手术后很快恢复活动能力。
尽管广泛使用，传统的PMMA骨水泥本质上具有生物相容性：它作为一种填充和承重材料，不会促进直接的生物整合或新骨的形成[[7], [8], [9], [10], [11]]。这种缺乏骨传导性的特点意味着固定主要依赖于表面接触和骨压缩的机械互锁，而不是接触性骨生成。缺乏生物结合增加了植入物松动的长期风险，这是导致昂贵且侵入性较高的翻修手术的主要原因[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。此外，由毒性引起的严重全身并发症——统称为骨水泥植入综合征（BCIS）——仍然是一个未解决的安全问题，在高风险群体中报告的低血压、低氧血症、心律失常、心脏骤停甚至围手术期死亡率高达0.6–1%[[18], [19], [20]]。随着手术量的增加和老年人群中翻修率的上升，迫切需要具有改进生物性能和安全性的下一代骨水泥。
传统的PMMA骨水泥是通过将聚合物粉末与单体液体混合制成的，其中聚合过程由过氧化苯甲酰（BPO）引发。其细胞毒性来源于多种因素，包括聚合过程中产生的大量自由基、未聚合的单体残余物以及放热反应释放的热量[[9], [10], [11],[21], [22], [23], [24], [25]]。值得注意的是，即使在聚合完成后，大约仍有0.8%的原始BPO成分未被消耗[26]，继续构成潜在的生物危害。几十年来，这些缺点被认为是PMMA水泥固有的、不可避免的特性。然而，引发剂化学的进步——特别是三丁基硼烷（TBB）的发展和应用——挑战了这一假设。研究表明，与BPO相比，TBB在聚合过程中减少了近一个数量级的自由基产生，从而显著降低了细胞毒性[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]。
在金属植入物学中，微尺度表面改性是提高骨传导性的成熟策略。例如，通过酸蚀、喷砂或等离子喷涂在钛表面上制造1–15 μm范围内的微凹坑和微不规则结构，可以促进成骨细胞分化，加速骨整合，并改善骨-植入物界面的生物力学性能[[34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]]。微粗糙表面不仅促进了接触性骨生成，还减少了软组织的侵入[[48], [49], [50], [51]]，增加了植入物周围骨的硬度和刚度[37,40]，并通过上调细胞外基质蛋白增强了界面粘附[52], [53], [54], [55]]。这些原理彻底改变了钛和陶瓷植入物表面的设计[47,[56], [57], [58]]。
尽管在金属植入物中微粗糙表面的好处已经得到证实，但在PMMA骨水泥研究中，表面形貌一直被忽视。这种忽视反映了概念和技术上的障碍。从概念上讲，PMMA水泥长期以来被认为是一种被动的填充材料[2,3,7]，研究重点主要集中在整体机械强度、处理性能、抗生素释放和化学生物相容性上，而不是界面生物学。因此，商业PMMA配方中的颗粒大小主要是根据混合行为和机械一致性选择的，而不是作为生物表面工程的设计变量。
从技术上讲，传统的BPO引发的聚合过程对表面控制有内在限制。聚合过程相对较慢，并且对材料表面的氧气和水分非常敏感，导致颗粒膨胀、轮廓模糊和固化过程中的表面平滑。这些效应有效地消除了细小颗粒带来的特征，使得在PMMA骨水泥上实现可控的微尺度形貌变得不可行。因此，与可以通过减法或加法表面处理进行后处理的钛不同，PMMA水泥缺乏一种可行的策略来将聚合化学与表面形态分离。这些因素共同导致了长期以来认为表面形貌在骨水泥中既不可控也不具有生物学相关性的观点，使得微粗糙度几乎没有得到探索。
在这项研究中，我们通过两项创新来克服传统PMMA骨水泥的生物学限制：（1）改进聚合物粉末颗粒的大小；（2）使用TBB作为聚合引发剂。使用30–40 μm聚合物颗粒的标准PMMA水泥通常表现出中等尺度的、轻微波浪状的表面，这是由于颗粒较大和聚合引起的平滑作用。这种形态缺乏最佳刺激成骨细胞功能所需的微尺度复杂性。我们的方法使用较小的聚合物颗粒来创建更精细的形貌，而TBB——即使在氧化或水合环境中也能快速、完全聚合——保持了颗粒轮廓，形成了微尺度的半球形突起。根据数学建模，这种策略旨在使表面积增加57%，从而增强生物和机械互锁（图1）。
本研究的目标是确定这种假设的微粗糙度是否可以在PMMA骨水泥上成功实现，并评估其生物活性、骨传导性和表面特性与传统PMMA-BPO水泥相比的情况。通过结合TBB聚合化学和颗粒大小优化，我们的目标是将PMMA骨水泥从一种生物相容的材料转变为一种生物惰性、骨传导性和骨整合的材料，从而减少植入物松动，降低翻修率，最终改善患者的治疗效果。
