CN101843920A - 自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法，1)将半水硫酸钙和磷酸三钙骨水泥粉末混合均匀获得混合骨水泥粉体；2)将明胶、NaH₂PO₄和水，在45～50℃将明胶和NaH₂PO₄在水中加热搅拌，直至明胶及NaH₂PO₄完全溶解，形成混合调和液；3)将步骤1)的混合骨水泥粉体与步骤2)的溶液均匀混合，随即加入浓度为25～50％的戊二醛水溶液，将混合骨水泥粉末浆体注入钢模中，在室温下调和60～90s，取出后于37℃恒温、湿度为100％的条件下固化1～2h，得到复合支架。在孔隙率为71％的条件下，抗压强度平均值可提高至8.1MPa；支架的孔隙率高、大孔直径在100-300μm之间，其抗压强度高，在体内可起到很好的支撑作用，本发明制备的自成孔磷酸钙骨水泥支架可作为人体硬组织的修复材料。

Description

自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法

技术领域

本发明涉及一种自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术

随着现代骨科学的发展、创伤程度和骨科疾病谱的变化，以及人们对术后功能恢复和生活质量要求的提高。临床上由骨肿瘤、四肢脊柱畸形矫形、严重骨创伤、骨质疏松、骨坏死等原因造成的骨缺损，都需要通过骨移植的方法进行重建和治疗。但由于自体骨来源有限，增加手术创伤，且异体骨存在免疫反应和传播疾病的危险，因此限制了其在临床上的应用。人工骨植入材料一直是骨组织研究的重点，期望能够替代自体或异体骨的应用。高孔隙率、可降解、较高的初期力学性能和良好的生物活性是骨修复材料必需满足的基本条件。目前常用的无机人工骨材料包括活性生物陶瓷、玻璃(或玻璃陶瓷)和磷酸钙骨水泥。

与磷酸盐生物陶瓷(如羟基磷灰石和B-磷酸三钙)和玻璃相比，磷酸钙骨水泥(Calciumphosphate cement，CPC)在可塑性、晶形和组成的调控方面具有突出的优势。磷酸钙骨水泥在生理环境下可自固化转化为与人体骨组织相似的羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，具有随意塑形的特点，生物活性良好。但CPC也存在一些难以克服的问题，如固化时间偏长，力学性能不足，孔隙率较低，且孔径较小(一般小于10μm)，新骨难以长入；同时水化产物(主要为HA)降解缓慢不利于骨快速愈合，使其应用受到一定程度的限制，目前主要用于非承重骨的小区域的修复。近年来开展了大量的有关骨水泥的改性研究以提高其力学性能，调节固化时间和改善生物降解性。主要研究和专利可分两大类：一是针对CPC无大孔，且孔隙率低的问题，常在CPC基体中加入可溶性的碳酸氢钠、氯化钠晶粒或蔗糖等成孔剂，可以制备出具有较大孔径、高孔隙率的骨水泥材料。如中国专利CN1193614A，将酸式盐、碱式盐或表面活性剂作为成孔剂与磷酸盐骨水泥按一定比率混合制得多孔固化体，且不改变磷酸钙骨水泥的自固化特性和固化产物组成，固化体中大孔直径范围为100-300μm。类似的专利有CN1699239A、CN1736928A、US7,381,262等。此类专利没有描述成孔剂的引入与孔隙率和抗压强度的相关性。但一般随孔隙率的增加，固化体在体液中的强度往往会急剧下降。第二类是将多孔磷酸盐骨水泥与高分子复合构建支架，其力学性能由明显改善。中国专利CN101007183A介绍了一种原位成孔自固化磷酸钙复合组织工程支架的制备方法，将高孔隙率骨水泥浸泡于高分子溶液中，抽真空产后，将高分子灌注到骨水泥多孔支架中，经冰冻干燥获得多孔复合支架；再重复上述步骤，直至高分子完全填入多孔支架的孔隙中。高分子主要包括壳聚糖、明胶、胶原、丝素、淀粉、海藻酸钠盐、纤维蛋白和纤维素衍生物。类似的专利还有CN 1736928、CN101125223A。其中CN101125223A介绍了磷酸钙骨水泥/壳聚糖-明胶复合支架的制备方法和抗压强度。将壳聚糖-明胶溶液与磷酸钙骨水泥粉末复合制得骨水泥固化体，再经过冰冻干燥可获得多孔支架。当孔隙率为66％和77％时，固化体的抗压强度仅为1.7和0.33MPa，远不能满足松质骨的要求。同样，中国专利CN 101496909A介绍了一种磷酸钙骨水泥与一定比率的聚多糖复合制得的复合骨水泥，具有较高的初期强度和韧性、可降解，该复合材料的强度可满足承重骨的要求，但由于壳聚糖微球降解产物呈碱性，抑制了磷酸钙骨水泥基体的降解，从而影响新骨生成。但此类专利对骨水泥复合支架在模拟体液环境中的成孔情况和强度变化没有描述。美国专利US0,068,243公开了一种具有大孔、可降解磷酸钙骨水泥的制备技术。将无机复合粉末(α-磷酸钙、B-磷酸钙、无定形磷酸钙、一水磷酸氢钙和二水磷酸钙中的一种或多种)与0.1-30％的可降解的高分子聚合物混合，经过调和与固化获得骨水泥，其大孔直径大于100μm，抗压强度大于10MPa。高分子聚合物主要包括聚乳酸、聚乙醇酸、羧基乙酸内酯、聚己内酯和相关的共聚物，如聚乳酸/聚羟基乙酸、胶原、聚偶磷氮、树枝状聚合物和多聚糖；聚原酸酯、聚酐、聚二氧六环酮、透明质酸、聚羟基丁酸酯和它们的盐和复合物。高分子聚合物以粉末颗粒、晶须和微球的形式与无机磷酸盐混合；采用此专利技术获得的多孔骨水泥支架不仅具有直径大于100μm的大孔，且抗压强度较高，专利没有涉及高分子聚合物的添加量与孔隙率的相关性，以及对降解性能的影响。尤其是作为成孔剂的高分子聚合物以粉末颗粒、晶须或微球等形式添加到磷酸钙骨水泥基质中时，往往会延长骨水泥的固化时间，不利于手术的操作。

明胶作为磷酸钙骨水泥的成孔剂主要利用了其独特的理化性能：遇水溶胀，形成凝胶，在体液环境下能被酶降解，被人体吸收；但未经交联改性的明胶遇水迅速溶胀、溶解速度快，由溶胀明胶降解形成的孔隙结构常常无法控制，且初期强度快速下降。将明胶与别的物质(如戊二醛)发生交联反应，可有效控制明胶的降解速率(这也是明胶可作为药物释放载体的主要原因)，从而保证支架的初期强度。对明胶交联改性的研究报道很多，如专利CN101099739，CN101167736，US7282220，US 20070264341等。因此交联明胶与磷酸钙骨水泥复合，可以通过调节交联明胶尺寸和降解速率来控制骨水泥中的大孔尺寸和增强初期强度。

半水硫酸钙(CaSO₄·1/2H₂O，α-CSH)固化速度快，具有良好的生物相容性，作为骨替代材料的研究已达一个世纪之久。但半水硫酸钙单独作为骨修复材料时存在以下缺点：1)固化后的强度较低，难以提供修复部位长期所需的力学强度；2)在修复初期不能与周围骨组织形成化学键合作用，呈现出较弱的生物活性；3)降解速度太快，硫酸钙在体内完全降解吸收的时间依据植入部位而不同，一般在28～72天。由于局部降解产物浓度过大，超过了吞噬细胞和破骨细胞分解吸收，且降解过程中呈现酸性，从而导致一些切口的并发症，作为骨修复材料，半水硫酸钙的理化性能还有待改善。

因此探索一种在降解过程能够原位形成孔径分布在100～300μm大孔，具有高于8MPa的抗压强度和可通过明胶交联程度调节降解特性的高孔隙率骨修复支架的制备方法，对骨损伤的治疗将有积极促进作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法，依该方法制得的支架，可以根据半水硫酸钙加入量来调节固化时间、固化体的微观结构、产物的降解速率和降解过程支架的强度变化。同时可根据交联明胶的交联工艺和交联明胶的加入量来调节骨水泥中原位成孔的直径范围、孔隙率和支架强度。将骨水泥在模拟体液中降解3～14天，可获得孔径范围为100-300μm，孔隙率为36-81％，抗压强度在4.5-13.8MPa的多孔支架，可用于治疗骨组织缺损和修复。

本发明的自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法，其步骤如下：

1)混合骨水泥粉末的制备：

按半水硫酸钙和磷酸三钙骨水泥粉末的质量比为(5～20)∶(95～80)称取相应物质，混合均匀获得混合骨水泥粉体.；

2)混合调和液的制备：照质量百分

明胶       5～20

NaH₂PO₄    0.8～1.2

水         余量，

在45～50℃将明胶和NaH₂PO₄在水中加热搅拌，直至明胶及NaH₂PO₄完全溶解，形成混合调和液；

3)自成孔高力学性能磷酸钙骨水泥支架的制备：

将步骤1)的混合骨水泥粉体与步骤2)的溶液均匀混合，使单位混合调和液体积中的骨水泥粉末质量为1～1.5g/mL，随即加入浓度为25～50％的戊二醛水溶液，按混合调和液中明胶含量与戊二醛溶液中戊二醛含量质量比(50～31)∶(50～69)使明胶交联5～10分钟，最终得到混合骨水泥粉末浆体，将混合骨水泥粉末浆体注入钢模中，在室温下调和60～90s，取出后于37℃恒温、湿度为100％的条件下固化1～2h，得到复合支架。

对上述骨水泥在模拟体液进行试验，将自成孔磷酸钙骨水泥支架置于模拟体液中浸泡3-14天，交联明胶经过降解，可自发成孔，获得孔隙率为36-81％，大孔直径范围为100-300μm，具有贯穿性微孔的支架，当孔隙率为71％时，支架抗压强度可达8.1MPa，大于8MPa的应用要求；支架由Ca/P比为1.47-1.62的磷灰石组成。

α-磷酸钙骨水泥(CPC)粉末的配置采用本申请人的专利CN133842425A和CN101143718公开的方法制备。

本发明获得的自成孔磷酸钙骨水泥支架具有十分显著的优点：

通过加入适量的半水硫酸钙可以修正因交联明胶的引入导致磷酸钙骨水泥固化时间延长的特点，半水硫酸钙与骨水泥粉末质量比为1∶9时，固化时间缩短至20分钟，可满足手术操作需要；随戊二醛溶液加入量及浓度的不同，可以对磷酸钙骨水泥的降解时间加以调控；部分水解产物磷灰石为针状形貌，在孔隙率为71％的条件下，抗压强度平均值可提高至8.1MPa；支架中的明胶通过降解，使获得的支架的孔隙率高、大孔直径在100-300μm之间，形态分布均匀，有利于骨组织和其它有机组织的长入，大孔之间有贯穿式纳米通孔，可促进体液循环，并加速支架的降解，促进骨修复；自成孔磷酸钙骨水泥支架中的交联明胶在模拟体液中降解后所获得的支架，其抗压强度高，在体内可起到很好的支撑作用，本发明制备的自成孔磷酸钙骨水泥支架可作为人体硬组织的修复材料。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的自成孔磷酸钙骨水泥支架在模拟体液中浸泡14天后的X衍射图谱，揭示支架由半水硫酸钙和羟基磷灰石组成；

图2为本发明实施例2制得的骨水泥在降解14天后支架测试抗压强度，获得的应力-应变曲线图，揭示支架在具有高强度的同时，断裂类型也在向塑性转变；

图3为本发明实施例3制得的自成孔磷酸钙骨水泥支架的扫描电镜像片，揭示了支架交联明胶降解彻底，具有高孔隙率，且贯通性良好。

具体实施方式

实施例1

步骤一：骨水泥复合粉末的配置

骨水泥复合粉末包括半水硫酸钙(α-CaSO₄·1/2H₂O)和磷酸三钙骨水泥粉末。以总质量为25克，按质量比为3∶97称取0.75克α-CaSO₄·1/2H₂O和24.25克α-磷酸三钙骨水泥粉末。其中α-磷酸三钙骨水泥粉末包括α-磷酸三钙(α-TCP)、Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、碳酸钙和羟基磷灰石粉末，按质量比为86∶5∶5∶4；称取20.86克α-TCP粉末、1.21克分析纯的Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、1.21克分析纯的CaCO₃和0.97克羟基磷灰石粉末配置骨水泥，将骨水泥复合粉末在玛瑙碾钵中均匀研磨、待用。α-磷酸三钙粉末和羟基磷灰石粉末的具体制备过程可以分别按照本发明人的专利CN133842425A和CN101143718公开的方法制备。

步骤二：自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备

将1.25g明胶以及0.2g NaH₂PO₄溶于温度为40℃的去离子水中，配制明胶浓度为0.05g/mL，NaH₂PO₄浓度为0.008g/mL的25mL混合调和液；将步骤一中的骨水泥复合粉末全部加入到混合调和液中，混合均匀后得到1g/mL混合骨水泥初浆，即刻加入质量百分数为25戊二醛溶液5mL，继续加热，交联5min，得到磷酸钙骨水泥的混合浆；取此混合浆1.0g填入金属模具中，60s后取出，放入温度为37℃、湿度为100％的恒温箱中固化，28min完全固化；然后置于37℃，pH＝7.4的模拟体液中，14天后交联明胶降解率达到90％以上，骨水泥支架的孔隙率为59±3.2％，贯通性好，抗压强度平均值为13.8MPa，用X射线分析骨水泥在模拟体液中水化14天后所得支架的组成，图1的衍射图谱揭示支架由半水硫酸钙和羟基磷灰石组成。

实施例2：

步骤一：骨水泥复合粉末的配置

除了半水硫酸钙(α-CaSO₄·1/2H₂O)与磷酸三钙骨水泥粉末的混合比率不同之外，其余的制备方法与实施例1的步骤一相同。以总质量为25克，按质量比为5∶95称取1.25克α-CaSO₄·1/2H₂O和23.75克α-磷酸三钙骨水泥粉末。其中磷酸三钙骨水泥粉末包括α-磷酸三钙(α-TCP)、Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、碳酸钙和羟基磷灰石粉末，按质量比为86∶5∶5∶4；称取20.42克α-TCP粉末、1.19克分析纯的Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、1.19克分析纯的CaCO₃和0.95克羟基磷灰石粉末配置骨水泥，将骨水泥复合粉末在玛瑙碾钵中均匀研磨、待用。

步骤三：自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备

将2.5g明胶以及0.208g NaH₂PO₄溶于温度为40℃的去离子水中，配制明胶浓度为0.12g/mL，NaH₂PO₄浓度为0.01g/mL的20.8mL混合调和液；将步骤一中的骨水泥复合粉末全部加入到混合调和液中，混合均匀后后得到1.2g/mL混合骨水泥初浆，即刻加入质量百分数为30戊二醛溶液10mL，继续加热，交联8min，得到磷酸钙骨水泥的混合浆；取此混合浆1.0g填入金属模具中，60s后取出，放入温度为37℃、湿度为100％的恒温箱中固化，20min完全固化；然后置于37℃，pH＝7.4的模拟体液中，14天后交联明胶降解率达到90％以上，骨水泥支架的孔隙率为71±4.6％，贯通性好，抗压强度平均值为8.1MPa(如图2所示)。

实施例3：

步骤一：骨水泥复合粉末的配置

除了半水硫酸钙(α-CaSO₄·1/2H₂O)与磷酸三钙骨水泥粉末的混合比率不同之外，其余的制备方法与实施例1的步骤一相同。以总质量为25克，按质量比为∶20∶80称取5克α-CaSO₄·1/2H₂O和20克α-磷酸三钙骨水泥粉末。其中磷酸三钙骨水泥粉末包括α-磷酸三钙(α-TCP)、Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、碳酸钙和羟基磷灰石粉末，按质量比为86∶5∶5∶4；称取17.2克α-TCP粉末、1克分析纯的Ca(H₂PO₄)₂·H₂O、1克分析纯的CaCO₃和0.8克羟基磷灰石粉末配置骨水泥，将骨水泥复合粉末在玛瑙碾钵中均匀研磨、待用。

步骤三：自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备

将3.4g明胶以及0.21g NaH₂PO₄溶于温度为40℃的去离子水中，配制明胶浓度为0.2g/mL，NaH₂PO₄浓度为0.012g/mL的17mL混合调和液；将步骤一中的骨水泥复合粉末全部加入到混合调和液中，混合均匀后后得到1.5g/mL混合骨水泥初浆，即刻加入质量百分数为50戊二醛溶液15mL，继续加热，交联10min，得到磷酸钙骨水泥的混合浆；取此混合浆1.0g填入金属模具中，60s后取出，放入温度为37℃、湿度为100％的恒温箱中固化，17min完全固化；然后置于37℃，pH＝7.4的模拟体液中，14天后交联明胶降解率达到90％以上(如图3所示)，骨水泥支架的孔隙率为81±6.3％，贯通性好，抗压强度平均值为5.3MPa。

Claims (1)

1.一种自成孔磷酸钙骨水泥支架的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)混合骨水泥粉末的制备：

按半水硫酸钙和磷酸三钙骨水泥粉末的质量比为(5～20)∶(95～80)称取相应物质，混合均匀获得混合骨水泥粉体.；

2)混合调和液的制备：照质量百分

明胶        5～20

NaH₂PO₄     0.8～1.2

水          余量，

在45～50℃将明胶和NaH₂PO₄在水中加热搅拌，直至明胶及NaH₂PO₄完全溶解，形成混合调和液；

3)自成孔高力学性能磷酸钙骨水泥支架的制备：

将步骤1)的混合骨水泥粉体与步骤2)的溶液均匀混合，使单位混合调和液体积中的骨水泥粉末质量为1～1.5g/mL，随即加入浓度为25～50％的戊二醛水溶液，按混合调和液中明胶含量与戊二醛溶液中戊二醛含量质量比(50～31)∶(50～69)使明胶交联5～10分钟，最终得到混合骨水泥粉末浆体，将混合骨水泥粉末浆体注入钢模中，在室温下调和60～90s，取出后于37℃恒温、湿度为100％的条件下固化1～2h，得到复合支架。

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