CN101444638B - 可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺。本制备工艺采取水泥固相为一定颗粒度分布且按一定摩尔比配制的Ca4(PO4)2O与β-SrxCa3-x(PO4)混合粉末,液相为去离子水或浓度低于2.0mol/l的稀磷酸溶液,参与反应的固相与液相之间的质量比为0.1~4.0。生理环境下的最终固化产物为掺锶羟基磷灰石和剩余的β-磷酸三钙锶。该骨水泥具有较高力学性能、合适凝结时间、产物相成分可变、掺锶量与钙锶/磷比可调、降解速率可控等优势,较之传统磷酸钙骨水泥及其它类型掺锶磷酸钙骨水泥具有更广阔临床应用前景。

Description

可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种生物活性骨水泥的制备工艺,特别涉及可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺。
背景技术
磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,简称CPC),属多孔结构且固化产物是羟基磷灰石,具有良好的生物相容性、骨传导性,尤其可处理成浆料形式直接注入骨缺陷中并原位固化,因而在牙科骨替代、矫正及重建外科中得到广泛应用。磷酸钙骨水泥主要由两部分组成:磷酸钙粉末与固化液。固化液一般是水或者稀磷酸水溶液,磷酸钙粉末主要有磷酸四钙(Ca4(PO4)2O)、磷酸氢钙(CaHPO4·2H2O或CaHPO4)、磷酸二氢钙(Ca(H2PO4)2·H2O或Ca(H2PO4)2)、磷酸八钙(Ca8H2(PO4)2·5H2O)、磷酸三钙(α-或β-Ca3(PO4)2)、焦磷酸钙(Ca2P2O7)等。然而,现有磷酸钙骨水泥由于其固化产物一般为羟基磷灰石。而羟基磷灰石在体内降解速率极其缓慢,难以与较快的新生骨组织生长速度相匹配,且未降解的水泥残留物将可能成为体内潜在的感染源[Friedman CD,Constantino PD,Jones K,et al.Otolaryngol Head Neck Surg,1991,117:385-389.],这大大限制了此类骨修复材料更广阔的临床应用前景。因此,改进磷酸钙骨水泥的体内降解性能成为目前该领域研究的重要焦点之一。采用离子掺杂技术是改进羟基磷灰石骨水泥的一个重要方法。1995年美国学者在Science上报道了[Constantz BR,IsonIC,Fulmer MT,et al.Skeletal repair by in situ formation of the mineral phase of bone.Science,1995;257:1796-1799.]将碳酸盐作为固相组份之一掺入磷酸钙骨水泥后可获得碳酸化磷灰石骨水泥,其降解性能得到了显著提高,但降解时间与较快的骨组织生长速率相比仍然偏长。2001年法国学者(L.Lerous,J.L.Lacout.Preparation of calcium strontium hydroxyapatites by a new route involving calciumphosphate cements.J.Mater.Res.2001,16(1):171~178)将硝酸锶Sr(NO3)2掺入H3PO4的水溶液作为固化液,与固相粉末Ca4(PO4)2O和α-Ca3(PO4)2混合得到了掺锶磷灰石骨水泥,但缺点是最终固化产物中含有大量对人体组织不利的NO3 -离子,不适于临床上人体骨修复等应用,有关力学性能方面的后续研究及类似内容还未见报道。2004年本发明人(郭大刚,徐可为,憨勇.含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺.国家发明专利,专利号:ZL200410025920)首次发明了以Ca4(PO4)2O、SrHPO4、CaHPO4为固相粉末,以稀磷酸为固化液的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥,并对其体内外性能进行了系统研究,发现该水泥材料不仅具有良好生物相容性、生物活性,而且掺锶磷灰石骨水泥在体内的降解速率相对纯羟基磷灰石骨水泥提高了~73.9%(Guo DG,Xu KW,Zhao XY,Han Y.Development of a strontium-containing hydroxyapatite bone cement.Biomaterials,2005,26(19):4073-4083;Guo DG,Xu KW,Han Y,Zhao XY.The influence of theSr doses on the in vitro biocompatibility and in vivo degradability of the single-phaseSr-incorporated HAP cement.Journal of Biomedical Materials Research,2008;86A(4):947-958)。然而,掺锶磷灰石在体内仍需较长时间才能完全降解。因此,采用新的改进方法与技术,进一步提高磷灰石骨水泥的降解速率仍是目前该领域急需解决的重要课题。
在磷酸钙陶瓷的研究过程中,国外学者[Dacilsi G,Legeros RZ,Nery E,et al.Transformation of biphasic calcium phosphate ceramics in vivo:ultrastructural andphysicochemical characteristics.J Biomed Mater Res,1989;23:883-894]及本发明人[Guo DG,Han Y,Xu KW,Lu F.The in situ synthesis of biphasic calciumphosphate scaffolds with controllable compositions,structures,and adjustableproperties.Journal of Biomedical Materials Research.2009;88A:43-52]发现将羟基磷灰石与磷酸三钙按一定比率构建的双相磷酸钙陶瓷具有比羟基磷灰石纯相陶瓷更快的降解速率。同时,为进一步改进双相磷酸钙陶瓷的降解速率,本发明人设计出由掺锶磷灰石与磷酸三钙锶组成的掺锶双相磷酸钙陶瓷及其骨组织工程支架[郭大刚,徐可为,憨勇.高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架及其制备方法.国家发明专利,公开号:CN101053673],且通过初步试验证实掺锶双相磷酸钙陶瓷的降解速率不仅易于调控,而且较之纯相掺锶磷灰石及未掺锶双相磷酸钙陶瓷的降解速率更快。作为一种新型的生物陶瓷,临床应用时掺锶双相磷酸钙陶瓷一般以块体或粉末的形式修复骨缺损。然而,掺锶双相磷酸钙陶瓷以块体形式修复骨缺损时,不可避免地存在难成型性的缺点(即难以加工成复杂的形状,以适合修复具有特殊解剖学形状的骨缺损),而直接以粉末修复骨缺损时虽解决了难成型性的缺点,但其体内服役时没有任何强度,且容易随体液流动发生二次迁移等不足。据此,若能设计出新型的固化产物为掺锶磷灰石与磷酸三钙锶组成的掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,可以注射方式付诸临床应用,不仅同时克服掺锶双相磷酸钙陶瓷块体与陶瓷粉末付诸临床应用时的不足,而且将有可能在改进磷酸钙骨水泥的降解性能上取得重要突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺,本发明制备的骨水泥的掺锶量与钙锶/磷摩尔比可调、降解速率可控。
本发明的技术方案是这样解决的:
1)固相粉末的组成:将磷酸四钙Ca4(PO4)2O与β-磷酸三钙锶
β-SrxCa3-x(PO4)2按照摩尔比1∶(m+k)混和,其中m为反应物中实际参与反应的β-SrxCa3-x(PO4)2摩尔量与Ca4(PO4)2O摩尔量的比值,k为最终固化物中剩余的β-SrxCa3-x(PO4)2摩尔量与反应物中Ca4(PO4)2O摩尔量之间的比值,0<x≤3.0,0<m/k<50;
2)液相的制备:配制浓度为y的稀磷酸H3PO4水溶液作为水泥液相,其中0mol/l≤y≤2.0mol/l,y=0时,水泥液相为去离子水;
3)固/液比选择:水泥调和时,参与反应的固相粉末质量与液相质量之间的比为z,其中0.1≤z≤4.0;
按照上述固/液比范围将固相粉末与液相调和制成可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥。
采用本发明制备工艺制成的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,最终固化产物为掺锶羟基磷灰石Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q和剩余的β-Ca3-xSrx(PO4)2的混合物,其中p=mx/n,q=10-[4+3m)]/n,n=0.333(m+1)+(0.061+0.008xm+0.052m)y/z,0<p≤10,0≤q≤1,n、p、q为便于表达的中间参量,x、y、z、m、k物理意义及取值范围同上;固化产物中Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q与β-Ca3-xSrx(PO4)2的质量百分含量分别为[100na/(na+kb)]%、[100kb/(na+kb)]%,其中a=87.62x+1004.69-40.083p-74.082q,b=47.54x+310.2,a、b仅为中间参量。当m、x、y、z、k等水泥制备参数给定时,n、p、q、a、b就确定,从而固化产物中Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q和β-Ca3-xSrx(PO4)2的分子式、质量百分含量,以及Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q中的钙锶/磷摩尔比(Ca+Sr)/P、掺锶量Sr/(Ca+Sr)就确定。
采用本发明制备工艺制成的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,固化体压缩强度为15~50MPa,初凝时间为2.5~10min,终凝时间为8~25min,钙锶/磷摩尔比(Ca+Sr)/P在1.50~1.67之间可控,掺锶量Sr/(Ca+Sr)在0~99%范围内可调,适合人体非负载部位的骨修复。
采用本发明制备工艺制成的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,固相粉末磷酸四钙Ca4(PO4)2O、β-磷酸三钙锶β-SrxCa3-x(PO4)2的平均粒度范围分别为0.8μm~200μm、0.8~200μm。
采用本发明制备工艺制成的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,其降解速率不仅可以根据固化产物中Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q与β-Ca3-xSrx(PO4)2的相对含量、掺锶量、锶/磷摩尔比等参数予以调控,而且高于纯掺锶磷灰石骨水泥的降解速率。
采用本发明制备工艺制成的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥,在临床上可直接以注射方式付诸应用,不仅克服了掺锶双相磷酸钙陶瓷块体的难成型性,而且克服了由掺锶磷灰石与β-磷酸三钙锶直接组成的掺锶双相磷酸钙陶瓷粉末在体内发生的无强度以及二次迁移的不足,该材料较之传统磷酸钙骨水泥及其它类型掺锶磷酸钙骨水泥具有显著的优势及更广阔的临床应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步详细说明:
实施例1:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr0.15Ca2.85(PO4)2摩尔比为1∶(2+0.5),即m=2,k=0.5)与0.26g浓度y为1mol/l的H3PO4水溶液(其中x=0.15;固/液质量比z为2.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为86.66%的掺锶羟基磷灰石(Ca8.89Sr0.27(PO4)6(OH)0.32,(Ca+Sr)/P=1.53,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=2.95%)与13.34%的β-Sr0.15Ca2.85(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为37.54MPa。初凝时间为3.5min,终凝时间为12.5min。细胞毒性试验结果为0级。
实施例2:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr0.3Ca2.7(PO4)2摩尔比为1∶(2+0.5),即m=2,k=0.5)与0.258g浓度y为1mol/l的H3PO4水溶液(其中x=0.3;固/液质量比z为2.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为86.41%的掺锶羟基磷灰石(Ca8.67Sr0.55(PO4)6(OH)0.44,(Ca+Sr)/P=1.54,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=5.97%)与13.59%的β-Sr0.3Ca2.7(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为36.36MPa。初凝时间为4.0min,终凝时间为12.5min。细胞毒性试验结果为0级。
实施例3:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr2.5Ca0.5(PO4)2摩尔比为1∶(2+0.5),即m=2,k=0.5)与0.255g浓度y为1mol/l的H3PO4水溶液(其中x=2.5;固/液质量比z为2.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为84.34%的掺锶羟基磷灰石(Ca4.53Sr4.54(PO4)6(OH)0.14,(Ca+Sr)/P=1.51,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=50.06%)与16.66%的β-Sr2.5Ca0.5(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为32.18MPa。初凝时间为3.5min,终凝时间为11.5min。细胞毒性试验结果为1级。
实施例4:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr2.5Ca0.5(PO4)2摩尔比为1∶(2+1),即m=2,k=1)与0.296g浓度y为0.5mol/l的H3PO4水溶液(其中x=2.5;固/液质量比z为1.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为71.11%的掺锶羟基磷灰石(Ca4.68Sr4.68(PO4)6(OH)0.72,(Ca+Sr)/P=1.56,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=50%)与28.89%的β-Sr2.5Ca0.5(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为30.22MPa。初凝时间为5.0min,终凝时间为13.5min。细胞毒性试验结果为1级。
实施例5:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr0.5Ca2.5(PO4)2摩尔比为1∶(2+2),即m=2,k=2)与0.18g浓度y为0.25mol/l的H3PO4水溶液(其中x=0.5;固/液质量比z为2.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为60.31%的掺锶羟基磷灰石(Ca8.81Sr0.98(PO4)6(OH)1.58,(Ca+Sr)/P=1.63,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=10.01%)与39.69%的β-Sr0.5Ca2.5(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为28.67MPa。初凝时间为5.5min,终凝时间为14.5min。细胞毒性试验结果为0级。
实施例6:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-SrCa2(PO4)2摩尔比为1∶(2+2),即m=2,k=3)与0.30g浓度y为0.1mol/l的H3PO4水溶液(其中x=1;固/液质量比z为1.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为48.69%的掺锶羟基磷灰石(Ca7.86Sr1.96(PO4)6(OH)1.64,(Ca+Sr)/P=1.64,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=19.96%)与51.31%的β-SrCa2(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为28.67MPa。初凝时间为5.5min,终凝时间为14.5min。细胞毒性试验结果为1级。
实施例7:将0.6g水泥混合粉末(Ca4(PO4)2O与β-Sr0.25Ca2.75(PO4)2摩尔比为1∶(2+5),即m=2,k=5)与0.463g浓度y为0.1mol/l的H3PO4水溶液(其中x=0.25;固/液质量比z为0.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中,3d后形成固化体的最终产物成分为38.69%的掺锶羟基磷灰石(Ca9.19Sr0.48(PO4)6(OH)1.34,(Ca+Sr)/P=1.62,掺锶量Sr/(Ca+Sr)=4.96%)与61.31%的β-Sr2.5Ca0.5(PO4)2。试样在SBF中浸泡3天的平均压缩强度为16.19MPa。初凝时间为4.5min,终凝时间为13.0min。细胞毒性试验结果为1级。

Claims (2)

1.可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺,其特征在于:
1)固相粉末的组成:将磷酸四钙Ca4(PO4)2O与β-磷酸三钙锶β-SrxCa3-x(PO4)2按照摩尔比1:(m+k)混和,其中m为反应物中实际参与反应的β-SrxCa3-x(PO4)2摩尔量与Ca4(PO4)2O摩尔量的比值,k为最终固化物中剩余的β-SrxCa3-x(PO4)2摩尔量与反应物中Ca4(PO4)2O摩尔量之间的比值,0<x≤3.0,0<m/k<50;
2)液相的制备:配制浓度为y的稀磷酸H3PO4水溶液作为水泥液相,其中0mol/l≤y≤2.0mol/l,y=0时,水泥液相为去离子水;
3)固/液比选择:水泥调和时,参与反应的固相粉末质量与液相质量之间的比为z,其中0.1≤z≤4.0;
按照上述固/液比范围将固相粉末与液相调和后以形成均匀一致的水泥浆料,填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实,将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中,然后置入温度为37℃、相对湿度为100%的环境中固化,预固化30min后,将试样取出并迅速浸入SBF模拟体液中,3d后形成固化体的最终产物;
所述的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥最终固化产物为掺锶羟基磷灰石Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q和剩余的β-Ca3-xSrx(PO4)2的混合物,其中p=mx/n,q=10-[4+3m)]/n,n=0.333(m+1)+(0.061+0.008xm+0.052m)y/z,0<p≤10,0≤q≤1,n、p、q为便于表达的中间参量,x、y、z、m、k物理意义及取值范围同上;固化产物中Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q与β-Ca3-xSrx(PO4)2的质量百分含量分别为[100na/(na+kb)]%、[100kb/(na+kb)]%,其中a=87.62x+1004.69- 40.083p-74.082q,b=47.54x+310.2,a、b仅为中间参量,当水泥制备参数m、x、y、z、k给定时,n、p、q、a、b就确定,从而固化产物中Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q和β-Ca3-xSrx(PO4)2的分子式、质量百分含量,以及Ca10-p-qSrp(PO4)6(OH)2-2q中的钙锶/磷摩尔比(Ca+Sr)/P、掺锶量Sr/(Ca+Sr)就确定。
2.根据权利要求1所述的可降解掺锶双相磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺,其特征在于,其固相粉末磷酸四钙Ca4(PO4)2O、β-磷酸三钙锶β-SrxCa3-x(PO4)2的平均粒度范围分别为0.8μm~200μm、0.8μ m~200μm。 
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EP0511868B1 (en) * 1991-05-01 1996-09-25 Chichibu Onoda Cement Corporation Medical or dental hardening compositions
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