CN101530635B - 一种生物活性骨修复水泥材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学工程领域中的生物材料技术，具体地说是一种生物活性骨修复水泥材料的制备技术，其适用于骨科、脑外科和整复外等领域医学应用，如人工关节固定、骨缺损填充、修复植入等等。本发明涉及新材料为一种具有生物活性用作骨修复的粉、液双组份组合物，其特征在于包括：一粉末组份，该粉末组份包括甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或甲基丙烯酸甲酯共聚粉，以及掺锶羟磷灰石固溶体粉，它与液体组份混合时能硬固形成具一定机械强度和骨结合活性的固态物。所述液体主要组份包括甲基丙烯酸甲酯单体，当它与粉末组份混合时能形成生物活性骨修复水泥。本发明与现有技术相比，能进一步提高组合物的骨引导性和骨诱导活性，加速骨缺损部位的愈合，因此特别适用于骨科和颅颌面整形修复。

Description

一种生物活性骨修复水泥材料

[技术领域]

本发明涉及生物医学工程领域中的生物材料技术，具体地说是一种生物活性骨修复水泥材料的制备技术。

[背景技术]

传统的聚甲基丙稀酸甲脂(PMMA)骨水泥作为骨填充剂和固定假体黏合剂已在骨科临床中应用了五十年，尽管它有一定的生物相容性和较高的力学强度，但是它不能直接诱导骨组织生长，与宿主骨之间的界面结合力低，容易松动，导致植入失败；以及PMMA骨水泥在硬固时形成过高的热积聚温度易造成周围组织及脊髓损伤，因此使PMMA骨水泥的应用特别是在脊柱损伤中的应用受到限制。很多研究表明，要在人工替代材料与天然骨组织间建立一种强的化学键合，就要在材料与骨间形成类骨过渡层，由与骨组织成分相似的钙磷沉积层组成。也就是说，要赋予材料一定的生物活性。以PMMA作为母相，掺入一定比例的生物陶瓷粉末，是一种较为有效的改善生物活性的方法。迄今为止，众多研究者采用比较多的是羟磷灰石生物陶瓷，因为羟磷灰石是人体硬组织的一种无机组分，是生物活性较好的一种无机材料，与骨组织有良好的相容性和亲和力。但羟磷灰石材料也存在一定的不足，如生物降解性较弱，缺乏骨诱导作用。申请人经过长期的基础研究发现：1)掺锶羟磷灰石固溶体比纯羟磷灰石具有更好的机械性能、细胞亲和性和组织相容性；2)锶的掺入可明显促进羟磷灰石材料的骨引导性和骨结合性，并具有一定程度的骨诱导性；3)掺锶羟磷灰石固溶体不仅可以增强新骨的生成能力，而且可以延长新骨生成的总体时间和高峰期，增加新骨的生成量；4)锶的掺入可有效提高羟磷灰石陶瓷的生物降解性和材料的生理活性。因此设计将PMMA与掺锶羟磷灰石固溶体进行组合，能更大程度地发挥两者各自的长处，克服或减少不足。除了继续保持可有效降低PMMA的热积聚温度和改善机械性能之外，还能进一步提高组合物的骨引导性和骨诱导活性，加速骨缺损部位的修复。

有学者曾经将掺锶羟磷灰石固溶体与双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA)进行组合构成生物活性骨修复水泥，也可获得良好的综合性能。但据最新的资料，作为Bis-GMA原料组份之一的双酚A类似雌激素，可以引发人体荷尔蒙的反应，可能会影响婴儿发育，甚至会导致不孕、神经系统造成伤害。2008年9月《美国医学协会杂志》上发表的一项研究认为，双酚A与成年人的心脏病、糖尿病、肝功能不正常等有关联。2008年10月18日加拿大联邦政府正式宣布，决定将双酚A列入有毒物质列表中，这意味着这种广泛使用于塑料制品的化学品将在加拿大禁止使用。在日本、美国等国家也已开始将双酚A列入毒性物质之列。因此本发明涉及的新材料弥补了现有技术存在的不足，具有更好的综合性能，适用于骨科、脑外科和整复外科等领域医学应用，如人工关节固定、骨缺损填充、定制修复体植入等等。

[发明内容]

本发明的目的是为临床医疗提供一种更具生物活性骨修复水泥材料，此材料为粉、液双组份组合物，其特征在于包括：一粉末组份，该粉末组份包括甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或甲基丙烯酸甲酯共聚粉，以及掺锶羟磷灰石固溶体粉，它与液体组份混合时能产生硬固，形成具一定机械强度和骨结合活性的固态物。所述液体主要组份包括甲基丙烯酸甲酯单体，当它与粉末组份混合时能形成生物活性骨修复水泥。

粉末组份主要由两部分组成，一部分为甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或者甲基丙烯酸甲酯共聚粉，共聚粉可以是(但不限于)甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸乙酯的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸甲酯的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与苯已烯的共聚物、甲基丙烯酸甲酯与橡胶等的共聚物。均聚粉或共聚粉的粒径在60目～180目。另一部分为掺锶羟磷灰石固溶体粉，掺锶羟磷灰石固溶体的分子式如下示：Ca_5-nSr_n(PO₄)₃OH，(n＝0.25～2.5)。掺锶羟磷灰石固溶体材料制备采用“湿式法”-溶液反应方法，即在氢氧化锶和氢氧化钙悬浊液中不断滴入稀磷酸液，通过控制pH值反应合成。反应起始原料中，锶与钙的克分子数之比取5∶95～50∶50范围。反应物经700℃～1000℃温度下煅烧，此温度既能保持掺锶羟磷灰石固溶体粉的生物活性，又能较好地形成磷灰石物相晶体结构。掺锶羟磷灰石固溶体粉的粒径选取约60目或大于60目。上述两部分粉末的混合比例约在95％∶5％～50％∶50％重量比的范围之内。粉末组份中还添加约1wt％～3wt％的过氧化苯甲酰，其量足以起聚合引发剂的作用，以催化所述骨修复水泥的硬固反应。粉末组份中还包括约1wt％～10wt％的纤维物，其量足以调制增强所述骨修复水泥的机械强度和硬度；所述纤维物可以是玻璃纤维、碳纤维、聚乙烯纤维或其他纤维。

液体组份主要为甲基丙烯酸甲酯单体，还添加了少量N，N-二羟乙基对甲苯胺，其量足以起聚合促进剂作用以使所述骨修复水泥硬固。液体中还可能包括微量双甲基丙烯酸乙二醇酯，其量足以调制所述骨修复水泥的刚性和硬度。

[具体实施方式]

粉末组份中的聚甲基丙烯酸甲酯均聚体或共聚体采用单一单体或混合单体在水浴温度为80℃左右条件下悬浮聚合。粉末组份中的掺锶羟磷灰石固溶体材料(Ca_5-nSr_n(PO₄)₃OH)采用溶液反应方法制备，即在Sr(OH)₂和Ca(OH)₂悬浊液中不断滴入稀H₃PO₄，通过控制pH值反应合成。反应起始原料中，Sr与Ca的克分子数之比取5∶95～50∶50范围。反应物经700℃～1000℃温度下煅烧，此温度既能保持掺锶羟磷灰石固溶体粉的生物活性，又能较好地形成磷灰石物相晶体结构。掺锶羟磷灰石固溶体粉的粒径选取约60目或大于60目。上述两部分粉末的混合比例约在95％∶5％～50％∶50％重量比的范围之内。粉末组份中还添加约1wt％～3wt％的过氧化苯甲酰(BPO)作为聚合引发剂，通过引发剂分解产生自由基，以催化所述骨修复水泥的聚合硬固反应。粉末组份中还可视需要添加约1wt％～10wt％的纤维物，其量足以调制增强所述骨修复水泥的机械强度和硬度。

液体组份主要为甲基丙烯酸甲酯单体，还添加约1％重量的N，N-二羟乙基对甲苯胺作为聚合促进剂，与上述BPO聚合引发剂构成氧化还原体系，两者混合时产生化学反应，促使单体聚合，使所述骨修复水泥硬固。液体中还可能包括微量双甲基丙烯酸乙二醇酯，其量足以调制所述骨修复水泥的刚性和硬度。

上述生物活性骨修复水泥材料为粉、液体套装，使用时将粉、液体按要求比例均匀混合，通过不锈钢调刀或专用注射器将调和物填充到患者骨缺损部位，在室温下等待5～20分钟，骨修复水泥产生固化。也可以采用体外定制体的模式：依靠计算机医学处理软件，将患者骨缺损几何形体翻制成石膏阴模，然后填入所述生物活性骨修复水泥，待硬固、脱模后即可制得与患者骨缺损部位高度密合的人工骨修复体。

Claims (6)

1.一种具有生物活性用作骨修复的粉、液双组份组合物，其特征在于包括：一粉末组份，其中包括甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或甲基丙烯酸甲酯共聚粉，以及掺锶羟磷灰石固溶体粉；此粉末组份中的掺锶羟磷灰石固溶体粉的Sr/(Sr+Ca)摩尔分数在5％～50％之间，并且甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或甲基丙烯酸甲酯共聚粉与掺锶羟磷灰石固溶体粉之比在95％∶5％到50％∶50％重量比的范围之内，一液体组份，其中包括甲基丙烯酸甲酯单体；所述粉末和液体组份混合在一起时，能形成一可硬固的具有一定机械强度和骨结合活性的固态物质，所述粉末组份与所述液体组份之比在3∶1到1.5∶1重量比的范围之内。

2.如权利要求1所述的组合物，所述粉末组份中的甲基丙烯酸甲酯共聚粉包括甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、苯己烯、橡胶的共聚物。

3.如权利要求1所述的组合物，所述粉末组份中的甲基丙烯酸甲酯的均聚粉或甲基丙烯酸甲酯共聚粉的粒径在60～180目，掺锶羟磷灰石固溶体粉的粒径为60目或大于60目。

4.如权利要求1所述的组合物，所述粉末组份中的掺锶羟磷灰石固溶体粉制备过程是：在700℃～1000℃的温度下，煅烧所述掺锶羟磷灰石固溶体粉，此温度能保持所述掺锶羟磷灰石固溶体粉的生物活性，又能较好地形成磷灰石物相结构。

5.如权利要求1所述的组合物，还包括过氧化苯甲酰和N，N-二羟乙基对甲苯胺，其量足以起聚合引发剂和聚合加速剂作用，以催化所述骨修复水泥的硬固反应。

6.如权利要求1所述的组合物，还包括玻璃纤维、碳纤维或聚乙烯纤维，其量足以调制增强所述骨修复水泥的机械强度和硬度。