CN102188750A - 一种掺锶的骨修复材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种掺锶的骨修复材料，该骨修复材料以生物骨为基础，处理后获得掺入锶元素的骨修复材料，锶相对钙掺入的摩尔浓度为0.1-10％。其制备方法是将生物骨材料浸泡在含锶溶液中，使具有促进成骨活性的锶元素通过溶液与材料间的动态离子吸附、离子交换等温和的理化作用，缓慢渗入骨矿物质成分中，从而形成掺锶的骨修复材料。

Description

一种掺锶的骨修复材料及制备方法

技术领域

本发明涉及医用材料技术领域，具体地涉及一种掺锶的骨修复材料。

本发明还涉及上述骨修复材料的制备方法。

背景技术

骨缺损一直都是困扰骨科医师的一大难题。自体骨移植被认为是骨缺损修复的金标准，这是因为自体骨具有卓越的成骨活性；然而患者在病痛之中需要承受取骨过程这一额外的手术打击，而自体骨可供取骨量十分有限，常常难以满足缺损修复的需要；供骨区术后的缺损畸形和继发痛也给患者带来持续的伤害(Raskin KA，Hornicek F.Allograft reconstruction inmalignant bone tumors：indications and limits.Recent Results Cancer Res.2009；179：51-8.)。异体或异种骨经过清洗脱脂、深低温冷冻去除抗原等程序可以制成冻干骨材料。冻干骨在临床上被广泛应用于骨缺损的充填修复，关节和脊柱的融合以及骨矫形重建手术等。在冻干骨材料的临床应用中，人们发现异体骨经过清洗脱脂、冷冻干燥以及辐照灭菌等加工程序，其天然活性成分有所丢失或部分失活，成骨活性下降；由此导致患者骨融合效果不足，骨缺损愈合时间被延长，出现植入物吸收而成骨量不足的畸形或者骨不连(Chau AM，Mobbs RJ.Bone graft substitutes in anteriorcervical discectomy and fusion.Eur Spine J.2009Apr；18(4)：449-64.)。大块深冻骨也存在同样的问题。如何改善骨修复材料的成骨活性，切实利用好这笔珍贵而特殊的医疗资源；这关系到广大骨缺损、关节和椎体融合患者的治疗效果和康复周期。

活性因子的研究由来已久。骨形成蛋白(BMP)是上世纪60年代发现的具有诱导成骨能力的小分子蛋白，也是目前被认为具有确切促进成骨活性的生物因子。人工合成骨替代材料普遍具有成骨活性相对不足这一缺点，许多研究尝试将人工合成材料诸如羟基磷灰石等与之复合以提高材料的成骨活性。然而BMP活性难以保持稳定，在活体内20-30分钟即有被灭活的情况(Illi OE，Feldmann CP. Stimulation of fracture healing by localapplication of humoral factors integrated in biodegradable

安全性和稳定性是修复材料应用中的重要问题。无机活性成分在安全和稳定性上则更容易得到保证。化学元素锶是与钙元素同族的碱土金属元素，在成熟骨骼中约相当于钙元素含量的0.035％，是人体骨中必需元素之一。在骨质发生的早期缺乏锶元素可以导致骨形成不足及骨钙化不良，新骨形成的初期锶离子的浓度较高，随着骨基质的成熟，锶离子逐渐被钙离子替换，锶离子在骨基质中保持一定的比例以维持骨质的正常功能(PorsNielsen S.The biological role of strontium.Bone.2004 Sep；35(3)：583-8.)；而骨质中锶元素的含量还与骨质的抗压强度大小密切相关(Jensen J-EB，Stang H，Kringsholm B.Relationship between trace element content andmechanical bone strength.Bone.1997；20(Suppl 4)：104.)。目前研究表明，少量增加的锶离子浓度可以显著促进成骨细胞的生长复制，刺激新骨形成；并抑制破骨细胞活性，减少新形成骨的再吸收(P.J.Marie.Strontiumranelate：A physiological approach for optimizing bone formation andresorption.Bone.2006 Feb；38(2 Suppl 1)：S10-4.)；体外成骨前体细胞培养中发现含锶组细胞培养24小时后，DNA合成量是空白组的3-4倍，而成骨细胞内的胶原和非胶原蛋白增加了35％(Bonnelye E，Chabadel A，SaltelF，et al.Dual effect of strontium ranelate：stimulation of osteoblastdifferentiation and inhibition ot osteoclast formation and resorption in vitro.Bone.2008 Jan；42(1)：129-38.)。目前研究认为锶元素至少通过两种以上的细胞反应途径促进成骨细胞的生成和成骨作用(Caverzasio J.Strontiumranelate promotes osteoblastic cell replication through at least two differentmechanisms.Bone.2008 Jun；42(6)：1131-6.)。有关的锶化合物已经被成功用于治疗骨质疏松症，而且被认为是一种安全可靠的治疗方法，具有高效低成本的特点(

Coelho J，et al.The cost-effectivenessof strontium ranelate in the UK for the management of osteoporosis.Osteoporos Int.2010 Feb；21(2)：339-49.)。目前国内外研究者们尝试将锶离子掺入羟基磷灰石(Lazic，S.，Vukovic，Z.Ion-exchange of strontium onsynthetic hydroxyapatite.J.Radioanal.Nucl.Chem.Art.1991，149，161-168.)、磷酸三钙(Matsunaga K，Murata H.Strontium substitution inbioactive calcium phosphates：a first-principles study.J Phys Chem B.2009Mar 19；113(11)：3584-9.)、骨水泥(Guo D，Xu K，Zhao X，et al.Developmentof a strontium-containing hydroxyapatite bone cement.Biomaterials.2005Jul；26(19)：4073-83.)、骨炭等生物材料(Smiciklas I，Dimovic S，Sljivic M，etal.The batch study of Sr(2+)sorption by bone char.J Environ Sci Health ATox Hazard Subst Environ Eng.2008 Feb；43(2)：210-7.)，以增强其成骨活性并已取得了初步的进展。有研究表明锶离子通过溶液浸泡掺入羟基磷灰石晶格后，在去离子水中每天的缓释速率约为3％(Smiciklas I，Dimovic S，Sljivic M，et al.The bach study of Sr(2+)sorption by bone char.J Environ SciHealth A Tox Hazard Subst Environ Eng.2008 Feb；43(2)：210-7.)；可以实现有效成份的持续缓释。利用锶离子掺入改善骨替代材料的性能是一种非常理想的途径。然而与天然骨相比，上述种类的骨替代材料仍然有吸收性和生物学性能较差的缺陷。在天然骨中掺入锶离子可以充分发挥修复材料的优势和成骨活性元素的作用，因而具有良好的临床应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺锶的骨修复材料。

本发明的又一目的在于提供上述骨修复材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的掺锶的骨修复材料中，锶相对钙掺入的摩尔浓度为0.1-10％。

本发明提供的制备上述骨修复材料的方法，是将骨材料浸泡在含锶溶液中，使锶元素有效掺入骨材料中，从而形成掺锶骨修复材料。

本发明的含锶溶液的浓度在理论上没有严格限定，只要达到1mmol/L以上即可。同样地，浸泡时间在理论上也没有严格限定，只要大于24小时即可，使锶元素有效掺入骨材料中。还可以利用震荡器进行震荡以促进锶离子的掺入。

本发明采用的骨材料为同种骨或异种骨以及同种骨或异种骨的冻干骨。

本发明的掺锶骨修复材料与骨替代材料相比较，具有如下效益：

1)生物骨材料较人工合成类的骨替代材料具有更好的生物活性和力学匹配性；

2)掺入锶元素的骨材料较未掺入锶元素的骨材料成骨活性更加出色，修复材料可以更快的被自体骨替代。

具体实施方式

本发明的掺锶骨修复材料，是将锶复合在骨材料中。

本发明的具体技术方案如下：

按照常规的组织库异体骨产品加工工艺对骨块进行序列处理，主要包括深低温冷冻1个月以上降低抗原性，切割加工成产品要求的条形、颗粒等形状，进行脱脂、清洗，冷冻干燥，辐照灭菌等程序。

无菌条件下配置不同浓度含锶溶液(氯化锶或硝酸锶)，将骨条或骨粒(包括同种骨和异种骨)按照骨∶溶液＝1∶10-200的质量比，在含锶溶液中浸泡24-720小时，实现锶离子的掺入和交换平衡。用三蒸水清洗，清除溶液残余的游离锶元素。冷冻干燥，辐照灭菌。

采用本发明制作的掺锶骨修复材料，锶掺入的摩尔浓度相对钙的摩尔浓度为0.1-10％之间；自骨小梁外层向骨质中间可以呈逐渐降低的浓度梯度分布，也可以实现在骨质中呈均匀浓度分布。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等检测结果表明锶元素有效掺入骨质磷灰石晶格之中，掺入效果稳定可靠；锶元素的最大掺入浓度远高于国外研究报道在羟基磷灰石(HA)中的锶元素最大掺入浓度。

上述含锶溶液浸泡过程并不局限于在骨质清洗冻干之后，浸泡掺锶过程还可以在保证清洁无菌的前提下，在超声清洗的加工环节进行。

采用本发明制备的掺锶骨修复材料可以具有不同水平的含锶浓度；且掺锶材料具有缓释锶离子的作用，经过一个月的去离子水浸泡缓释之后，经实际测试骨质中的锶元素仍可达初始掺锶浓度的30％，这使得该新型材料可以长效发挥锶离子的促成骨作用。

下面结合实施例和比较例对本发明作进一步详细说明，本发明的内容与权限包括但并不局限于以下实施例。

实施例1

对无菌条件下取出的骨块深低温冷冻1个月以上降低抗原性，切割加工成产品要求的颗粒形状，进行脱脂、清洗，冷冻干燥，辐照灭菌。无菌条件下配置浓度为4mmol/L的硝酸锶溶液，将骨粒在含锶溶液中常温下浸泡48h，实现锶离子的掺入。用三蒸水清洗，清除溶液残余的游离锶元素。再次冷冻干燥，辐照灭菌。结果获得的掺锶冻干骨Sr/(Sr+Ca)＝0.5％，锶元素掺入骨HA晶格中，在冻干骨中锶元素浓度由外向内呈梯度分布。

实施例2

对无菌条件下取出的骨块深低温冷冻1个月以上降低抗原性，切割加工成产品要求的颗粒形状，进行脱脂、清洗，冷冻干燥，辐照灭菌。无菌条件下配置浓度为10mmol/L的硝酸锶溶液，将骨粒在含锶溶液中常温下浸泡120h，实现锶离子的掺入。用三蒸水清洗，清除溶液残余的游离锶元素。再次冷冻干燥，辐照灭菌。结果获得的掺锶冻干骨Sr/(Sr+Ca)＝2.5％，锶元素掺入骨HA晶格中，在冻干骨中锶元素浓度呈均匀分布。

实施例3

对无菌条件下取出的骨块深低温冷冻1个月以上降低抗原性，切割加工成产品要求的块状，进行清洗脱脂，75％乙醇浸泡灭菌。无菌条件下配置浓度为80mmol/L的氯化锶溶液，将松质骨块在含锶溶液中超声清洗震荡168h，实现锶离子的掺入和交换平衡。用三蒸水清洗，清除溶液残余的游离锶元素。再次冷冻干燥，辐照灭菌。结果获得的掺锶冻干骨Sr/(Sr+Ca)＝5％，锶元素掺入骨HA晶格中，在冻干骨中锶元素浓度呈均匀分布。

实施例4

对无菌条件下取出的骨块深低温冷冻1个月以上降低抗原性，切割加工成产品要求的条形，进行脱脂、清洗，冷冻干燥，辐照灭菌。无菌条件下配置浓度为160mmol/L的氯化锶溶液，将松质骨条在含锶溶液中常温下浸泡720h，实现锶离子的掺入和交换平衡。用三蒸水清洗，清除溶液残余的游离锶元素。再次冷冻干燥，辐照灭菌。结果获得的掺锶冻干骨Sr/(Sr+Ca)＝7％，锶元素掺入骨HA晶格中，在冻干骨中锶元素浓度呈均匀分布。

比较例

将掺入5％锶元素的同种冻干骨植入兔桡骨缺损部位，选择未掺入锶元素的冻干骨作为对照组。4周时观察不掺锶对照组新骨生成不如掺锶组旺盛，掺锶组矿化沉积率显著高于对照组。对照组在第8周时植入物表面仍有部分纤维组织包裹，骨痂形成不完全；第12周时对照组缺损部位骨性愈合，骨缺损区有大量骨痂，外形不平整。掺入锶元素组8周时便已实现骨性愈合，骨膜连续；12周时骨外形平滑，植入骨材料已部分为自体活性骨替代，且塑形良好。掺锶冻干骨的愈合时间较未掺锶组显著缩短。

Claims (7)

1.一种掺锶的骨修复材料，该骨修复材料中的锶相对钙掺入的摩尔浓度为0.1-10％。

2.一种制备权利要求1所述骨修复材料的方法，是将骨材料浸泡在含锶溶液中，使锶元素掺入骨材料中，从而形成掺锶骨修复材料。

3.如权利要求2所述的制备方法，其中，含锶溶液的浓度为1mmol/L以上。

4.如权利要求2所述的制备方法，其中，浸泡时间大于24小时，使锶元素有效掺入骨材料中。

5.如权利要求2所述的制备方法，其中，骨材料为同种骨或异种骨。

6.如权利要求2、4或5所述的制备方法，其中，骨材料为同种骨或异种骨的冻干骨。

7.如权利要求2所述的制备方法，其中，采用震荡器进行震荡，以促进锶离子的掺入。