CN101057979A - 可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料，由固相与液相两部分组成，所述固相包括重结晶后的甘露醇和以等摩尔比混合的磷酸四钙和磷酸氢钙组成的磷酸盐混合物等，所述液相为壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖、胶原和水等；本发明还涉及所述修复材料的制备方法和在制备骨组织工程支架中的应用以及在制备骨缺损部位的修复材料中的应用。本发明的修复材料可体内降解成孔，初期强度高，后期降解速度快，有利于新骨组织生长。

Description

可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种磷酸钙骨修复材料，特别涉及一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料及其制备方法与应用。

背景技术

骨缺损的修复和重建一直是外科和相关学科的重要研究课题之一。临床上对于骨缺损的修复，常采用自体骨和生物材料来填充，但均需经过手术植入体内。近年来随着微创外科技术的发展，如经皮注射和关节腔镜外科，研制和应用可注射性骨修复材料已成为一个重要的努力方向。可注射骨修复材料具有操作简单、组织损伤小、不破坏修复区血供、手术并发症少等优点。目前常用的可注射骨修复材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)和一些天然可降解材料，如壳聚糖及其衍生物、胶原和海藻酸盐等。PMMA的组成成分和自然骨完全不同，释放的单体具有细胞毒性，生物相容性差，且凝固过程中产生热量，限制了其在临床上的应用。CPC的生物相容性较好，抗压强度高，可以在体内缓慢降解，目前已经作为内固定的辅助措施用于治疗一些选择性的骨折。

磷酸钙骨水泥是磷酸钙化合物的混合物。它由固相和液相两种原材料以一定的比例调合成糊状后植入体内，在体内环境下自行结晶固化。其固化后终产物的化学成分与骨组织的无机成分相似，其晶相结构亦与骨组织相近，植入骨缺损后可被逐渐降解吸收，降解释放的钙和磷参与缺损区骨组织形成。其固相成分是由2种或2种以上的粉末状磷酸盐混合物组成，而液相则可能是水、等渗盐水或磷酸钠。常用于合成磷酸钙骨水泥的磷酸盐有：磷酸四钙(tetracalcium phosphate)、磷酸三钙(tricalcium phosphate)、二水磷酸氢钙(dicalciumphosphate dihydrate)、磷酸氢钙(dicalcium phosphate anhydrous)等，均具有良好的生物相容性。

临床上使用的磷酸钙骨水泥，根据组成的不同可以分为三类：第一类最早研制成功，可以称为典型磷酸钙骨水泥。它由磷酸四钙和二水磷酸氢钙与水以4∶1的比例调合而成。调合成糊状注入体内，10～15min后开始固化，并转化成羟基磷灰石。这类磷酸钙骨水泥的缺点是降解吸收速度缓慢、凝结固化所需时间较长。第二类为磷灰石磷酸钙骨代用品。这类磷酸钙骨水泥的固相由磷酸三钙、磷酸七钙、偏磷酸钙、焦磷酸钙和二水磷酸氢钙等磷酸钙类化合物中的一种与脱碳磷酸钙按一定比例混合而成，它的液相为等渗盐水，灰水比为1g∶0.7～0.9ml。调合后注射入体内，15～20min内固化，固化产物可被机体完全降解吸收。第三类为碳化磷酸钙骨水泥。这类磷酸钙骨水泥的固相为磷酸一钙、α-磷酸三钙和碳酸钙的混合物，液相为磷酸钠。注入体内12小时可完成其固化反应的85％～90％。固化产物可以被机体逐渐降解吸收。

综上所述，磷酸钙骨水泥与现行骨缺损修复材料如自体骨、异体骨、PMMA骨水泥等相比，它克服了以下缺陷：①自体骨来源有限，须承受第二次手术痛苦及供区并发症；②异体骨存在免疫反应及潜在的病源传播危险；③PMMA骨水泥的固化过程伴有强放热、灼伤周围组织、不能生物降解、无法与骨组织牢固结合等。而磷酸钙骨水泥的固化反应不伴生放热；具有良好的诱导骨形成能力；可生物降解，能被新生骨以爬行替代的方式代替，且对骨重塑或骨折愈合过程无影响；无明显毒副作用，无免疫原性及致癌作用；易于塑形、有较高抗压强度及对CT和MRI成像没有干扰等优点。但磷酸钙骨水泥也有其不足之处，如机械强度不高，不能用于修复如下颌骨和股骨等高负重区的节段性缺损；另外，孔隙率较低，阻碍了细胞的长入。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料，其生物相容性好、孔隙率较大、易于注射成型，并具有较好的强度，材料表面易于细胞粘附且不影响其增殖分化，可与其它活性分子如骨形态发生蛋白等复合。

本发明的目的还在于提供该可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料的应用方式。

一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料，由固相与液相两部分调和而成，所述固相包括两种或两种以上的粉末状磷酸盐混合物，所述液相包括水，本发明的可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料还包括以下组分：

(1)所述磷酸盐混合物包括以等摩尔比混合的磷酸四钙和磷酸氢钙；

(2)所述固相还包括重结晶后的甘露醇，该甘露醇与特征(1)中所述的磷酸盐混合物以质量比为(1～4)∶(6～9)；

(3)所述液相还包括壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖和胶原，其质量比为壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原∶水＝(1～5)∶(5～25)∶(5～20)∶(0～2)∶100；

(4)所述固相和液相按固液比(0.6～1.4)g∶1ml调和配制。

优选固相中还包括以质量计2％～20％的羟基磷灰石粉末，或以重量计2％～5％的β-磷酸三钙粉末，或还包括以重量计1％～5％的消炎痛、阿斯匹林、胰岛素。

优选液相中还包括以质量计10％～20％丙烯酰胺和1％～2％聚丙烯酸铵，或还包括以质量计1％～3％的乳酸，或还包括以质量计1％～2％的羟丙基甲基纤维素。

本发明对磷酸钙骨水泥的液相进行改良，采用了生物相容性较好的壳聚糖溶液；并在固相粉末中加入了制孔剂甘露醇，利用甘露醇可在体液中溶出的特点，制备可在体内降解成孔的自固化磷酸钙骨组织修复材料。

甲壳素(chitin)又名几丁质，是一种氨基多糖聚合物，是生物学上仅次于蛋白质骨胶的最重要的动物结构材料。它是许多甲壳类动物如虾、蟹以及昆虫等外壳的重要成分；壳聚糖(chitosan)是甲壳素最重要的衍生物，是甲壳素脱乙酰化的产物。甲壳素、壳聚糖以及两者的衍生物也是应用比较广泛的生物材料。壳聚糖可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸。壳聚糖生物相容性好，能在体内被细胞降解吸收。

甘露醇(mannitol)是一种己六醇，易溶于水和热的甲醇、乙醇，其天然品广泛存在于植物的叶、茎、根中，如海藻、食用菌类、地衣类中均含有甘露醇。甘露醇广泛应用在医药工业、食品工业、化工及生物化学等方面。在临床上，甘露醇可以自由从肾小球滤过，可迅速提高血浆渗透压，使组织过多的水分向血浆转移，故可作为脱水剂、利尿剂与脑血管舒通剂等，还可作为高档药片的赋形剂及固体、液体的稀释剂等。

本发明的一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)将磷酸四钙与磷酸氢钙按照等摩尔比混合，在无水乙醇介质中球磨混合，在80～100℃下烘干，制得粉末状磷酸盐混合物；

(2)将甘露醇溶于体积浓度为50％的乙醇水溶液中，使之过饱和，然后加热至60～70℃促进甘露醇溶解，迅速冷却静置，过滤得甘露醇晶体；

(3)将步骤(1)制得的粉末状磷酸盐混合物与步骤(2)得到的甘露醇晶体混合均匀，加入或不加其他固相组分，制得固相；

(4)将壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖、胶原和蒸馏水混合，并充分搅拌，加入或不加其他液相组分，制得液相；

(5)将步骤(3)配制的固相与步骤(4)配制的液相调和配制，制得修复材料。

制备得到的修复材料可用于制备骨组织工程支架，包括：将所述修复材料注入模具中，在温度36～38℃，湿度80～100％的条件下固化24～48h，然后置于步骤(1)配制的模拟体液中，在温度36～38℃下浸泡1～3天，取出后用去离子水或蒸馏水清洗干净，80～100℃烘干，制得骨组织工程支架。其中，

模拟体液可采用现有技术或用现有技术方法制备，本发明采用的制备方法如下：在1000ml去离子水或蒸馏水中加入氯化钠24g，碳酸氢钠1.01g，氯化钾0.69g，磷酸氢二钾0.69g，氯化镁0.93g，氯化钙0.84g，硫酸钠0.21g，三羟甲基氨基甲烷18.18g，配制模拟体液，并用1.00mol/l盐酸溶液将模拟体液的pH值调到7.4；

制备得到的修复材料还可用于制备骨缺损部位的修复材料，包括直接用注射器将所述的修复材料注入骨缺损部位形成骨缺损部位的修复材料，或者

将10ng～20ng β-重组人转化生长因子β-rhTGF，载入60mg磷酸钙骨组织修复材料后，用注射器注入骨缺损部位形成骨缺损部位的修复材料。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

体内降解成孔，初期强度高，后期降解速度快，有利于新骨组织生长。

利用甘露醇可在体液环境下溶解的特点，将甘露醇与磷酸钙骨水泥复合，制备可体内降解成孔的磷酸钙骨组织修复材料。普通多孔磷酸钙骨水泥材料，由于采用磷酸钠缓冲液作为液相，故强度较低且孔隙率较低。本发明的磷酸钙骨组织修复材料，初期凝固后，固化体中只有微孔，且孔隙率低，故强度较高。随着甘露醇晶体在体内的溶出，大孔增多，孔隙率增加。本发明的可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料植入体内后，由于甘露醇晶体溶解较快，可在磷酸钙骨水泥基体中逐渐形成与甘露醇晶体尺寸大小相应的孔隙，骨细胞能够在孔内生长，有利于材料的血管化，并保证营养向材料内部组织供给，从而促进新骨组织的生长和自体骨的重建。

本发明的可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料主要用于骨缺损和骨组织工程支架材料，也可作为齿科修复材料。使用时，可将调制好的磷酸钙骨组织修复材料，直接用注射器注入骨缺损部位，也可将浆料注入模具中固化成型后，再植入骨缺损部位。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

(1)制备原料之一磷酸四钙(TTCP)粉末；

(2)将步骤(1)制得的TTCP与磷酸氢钙(DCPA)按照等摩尔比混合，在无水乙醇介质中球磨混合，80～100℃烘干，制得粉末状磷酸盐混合物；

(3)甘露醇进行重结晶作为制孔剂：

取一定量的甘露醇，溶于50％(V/V)的乙醇溶液中，使之过饱和，然后加热至60～70℃促进甘露醇溶解，迅速冷却静置，过滤得甘露醇晶体。

(4)将步骤(2)的粉末状磷酸盐混合物与步骤(3)重结晶后的甘露醇按质量比为9∶1充分混合均匀，制得磷酸钙骨组织修复材料的固相；

(5)将壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖和胶原按质量比：

壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原＝1∶5∶5∶0溶于100份质量蒸馏水中，搅拌溶解，作为磷酸钙骨组织修复材料的液相成分；

(6)将步骤(4)配制的固相复合粉末与步骤(5)配制的液相成分按固液比1.4g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

步骤(6)配制的磷酸钙骨组织修复材料可直接用注射器注入骨缺损部位，也可将10ng～20ng β-rhTGF(β-重组人转化生长因子)载入60mg磷酸钙骨组织修复材料后，植入骨缺损部位。

实施例2

(1)制备原料之一磷酸四钙(TTCP)粉末；

(2)将步骤(1)制得的TTCP与磷酸氢钙(DCPA)按照等摩尔比混合，在无水乙醇介质中球磨混合，80～100℃烘干，制得粉末状磷酸盐混合物；

(3)甘露醇进行重结晶作为制孔剂：

取一定量的甘露醇，溶于50％(V/V)的乙醇溶液中，使之过饱和，然后加热至60～70℃促进甘露醇溶解，迅速冷却静置，过滤得甘露醇晶体。

(4)将步骤(2)的粉末状磷酸盐混合物与步骤(3)重结晶后的甘露醇按质量比为6∶4充分混合均匀，制得磷酸钙骨组织修复材料的固相；

(5)将壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖和胶原按质量比：

壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原＝5∶25∶20∶2溶于100份质量蒸馏水中，搅拌溶解，作为磷酸钙骨组织修复材料的液相成分；

(6)在1000ml去离子水或蒸馏水中加入氯化钠24g，碳酸氢钠1.01g，氯化钾0.69g，磷酸氢二钾0.69g，氯化镁0.93g，氯化钙0.84g，硫酸钠0.21g，三羟甲基氨基甲烷18.18g，配制模拟体液，并用1.00mol/l盐酸溶液将模拟体液的pH值调到7.4。

(7)将步骤(4)配制的固相复合粉末与步骤(5)配制的液相成分按固液比1.1g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

(8)将步骤(7)配制的磷酸钙骨组织修复材料注入模具中，在温度36～38℃，湿度80～100％的条件下固化24～48h，然后置于步骤(6)配制的模拟体液中，在36～38℃下浸泡1～3天，取出后用去离子水或蒸馏水清洗干净，80～100℃烘干，制得骨组织工程支架备用。

在扫描电镜下观察步骤(8)制得的支架材料，表面孔径分布较均匀，在100～200μm之间，断面内部孔径为50～100μm，孔隙率较大，固化体强度较好。

实施例3

与实施例1中的磷酸钙骨组织修复材料的相比，其区别在于：

(1)磷酸盐混合物与甘露醇的质量比为7∶3；

(2)壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖和胶原按质量比为：

壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原＝2∶15∶15∶0.5；

(3)在固相中添加2％质量的羟基磷灰石粉末，然后按固液比0.6g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

实施例4

与实施例3中的磷酸钙骨组织修复材料的相比，其区别在于：

(1)壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖和胶原按质量比为：

壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原＝3∶20∶10∶1；

(2)在固相中的羟基磷灰石粉末占20％质量；

(3)固液比为1.2g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

实施例5

按实施例1中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加2％质量的β-TCP粉末，然后按固液比1.3g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料可直接注射进骨缺损部位。

实施例6

按实施例1中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加5％质量的β-TCP粉末，然后按固液比1.2g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料可直接注射进骨缺损部位。

实施例7

按实施例3中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加5％质量的β-TCP粉末，然后按固液比0.9g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料可直接注射进骨缺损部位。

实施例8

按实施例4中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加2％质量的β-TCP粉末，然后按固液比0.8g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料可直接注射进骨缺损部位。

实施例9

按实施例7中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加1％质量的消炎痛、阿斯匹林、胰岛素等药物，然后将固液调合均匀，从而制得载药体系的可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料。

实施例10

按实施例8中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原固相中添加5％质量的消炎痛、阿斯匹林、胰岛素等药物，然后将固液调合均匀，从而制得载药体系的可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料。

实施例11

按实施例9中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加10％质量丙烯酰胺和1％质量聚丙烯酸铵，然后按固液比1.4g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料骨水泥可直接注射进骨缺损部位。

实施例12

按实施例10中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加20％质量丙烯酰胺和2％质量聚丙烯酸铵，然后按固液比0.8g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。所制得的磷酸钙骨组织修复材料骨水泥可直接注射进骨缺损部位。

实施例13

按实施例11中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加1％质量的乳酸，然后按固液比0.6g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

实施例14

按实施例12中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加3％质量的乳酸，然后按固液比0.9g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

实施例15

按实施例13中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加1％质量的羟丙基甲基纤维素(HPMC)，然后按固液比1.4g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

实施例16

按实施例14中的磷酸钙骨组织修复材料的液固相配方，在原液相中添加2％质量的羟丙基甲基纤维素(HPMC)，然后按固液比1.1g∶1ml配制磷酸钙骨组织修复材料。

Claims (10)

1.一种可注射自固化磷酸钙骨组织修复材料，由固相与液相两部分组成，所述固相包括两种或两种以上的粉末状磷酸盐混合物，所述液相包括水，其特征在于

所述固相还包括重结晶后的甘露醇；

磷酸盐混合物包括以等摩尔比混合的磷酸四钙和磷酸氢钙；

固相中，所述甘露醇与磷酸盐混合物的质量比为：(1～4)∶(6～9)；

所述液相为壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖、胶原和水，液相中各物质的质量比为壳聚糖∶柠檬酸∶葡萄糖∶胶原∶水＝(1～5)∶(5～25)∶(5～20)∶(0～2)∶100；

所述固相和液相的固液比为0.6～1.4克∶1毫升。

2.根据权利要求1所述的修复材料，其特征在于所述固相中还包括占固相2～20％质量的羟基磷灰石粉末。

3.根据权利要求1或2所述的修复材料，其特征在于所述固相中还包括占固相质量2～5％的β-磷酸三钙粉末。

4.根据权利要求3所述的修复材料，其特征在于所述固相中还包括占固相1～5％质量的消炎痛、阿斯匹林、胰岛素。

5.根据权利要求4所述的修复材料，其特征在于所述液相中还包括占液相10～20％质量的丙烯酰胺和1％～2％的聚丙烯酸铵。

6.根据权利要求5所述的修复材料，其特征在于所述液相中还包括占液相1～3％质量的乳酸。

7.根据权利要求6所述的修复材料，其特征在于所述液相中还包括占液相1～2％质量的羟丙基甲基纤维素。

8.权利要求1-7之一所述修复材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将磷酸四钙与磷酸氢钙按照等摩尔比混合，在无水乙醇介质中球磨混合，在80～100℃下烘干，制得粉末状磷酸盐混合物；

(2)将甘露醇溶于体积浓度为50％的乙醇水溶液中，使之过饱和，然后加热至60～70℃促进甘露醇溶解，迅速冷却静置，过滤得甘露醇晶体；

(3)将步骤(1)制得的粉末状磷酸盐混合物与步骤(2)得到的甘露醇晶体混合均匀，加入或不加其他固相组分，制得固相；

(4)将壳聚糖、柠檬酸、葡萄糖、胶原和蒸馏水混合，并充分搅拌，加入或不加其他液相组分，制得液相；

(5)将步骤(3)配制的固相与步骤(4)配制的液相调和配制，制得修复材料。

9.权利要求1-7之一所述的修复材料在制备骨组织工程支架中的应用，其特征在于包括：将所述的修复材料注入模具中，在温度36～38℃，湿度80～100％的条件下固化24～48h，然后置于模拟体液中，在温度36～38℃下浸泡1～3天，取出后用去离子水或蒸馏水清洗干净，80～100℃烘干，制得骨组织工程支架。

10.权利要求1-7之一所述的修复材料在制备骨缺损部位的修复材料中的应用，其特征在于直接用注射器将所述的修复材料注入骨缺损部位形成骨缺损部位的修复材料，或者将10ng～20ngβ-重组人转化生长因子β-rhTGF，载入60mg磷酸钙骨组织修复材料后，用注射器注入骨缺损部位形成骨缺损部位的修复材料。