CN102552986B - 一种用金属致孔剂制备多孔骨水泥的方法 - Google Patents

Abstract

一种用金属致孔剂制备多孔骨水泥的方法，按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄)₂·H₂O粉末研磨后制成复合粉体，在其中加入0.5mol/L的柠檬酸溶液调和，然后在其中加入金属粉末，使其自然发泡固化，得到多孔骨水泥材料。本发明选用本身就可以作为骨修复材料的金属（Mg、Ca、Al等）粉末作为致孔剂，加入骨水泥浆料中，利用活泼金属易与固化液发生化学反应，产生气体均与分布于骨水泥基质而致孔，因此可通过控制致孔剂的粒径和掺入量，控制孔径和孔隙率且孔的贯通性良好。

Description

一种用金属致孔剂制备多孔骨水泥的方法

技术领域

本发明涉及一种生物医用材料，具体的说是一种用金属致孔剂制备多孔骨水泥的方法。

背景技术

磷酸钙骨水泥通常由固相和液相调和而成。固相为一种或几种磷酸盐的混合物，液相通常为水或水基溶液。由于磷酸钙骨水泥生物相容性好，可临床任意塑形，操作方便，并且其可处理成浆料形式直接注入骨缺陷中并原位固化，实现微创，因而在临床上受外科医生的欢迎，得到广泛的应用。

研究表明，骨组织是多孔结构，所以多孔的骨修复材料更有利于骨修复过程。这是因为多孔材料可以为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞黏附和生长，有利于细胞外基质的形成，有利于氧气和营养物质的传输，有利于代谢产物的排出，同时还有利于血管和神经的长入，促进骨的重建过程。但也并不是所有多孔材料都适合于作为骨组织工程支架材料，只有具有合适的孔尺寸（100-600um）、高的孔隙率和相连通的孔形态的多孔材料才更适合。按照常规方法配置的磷酸钙骨水泥虽然也能形成微孔结构，但是孔隙率低，孔径及孔的联通程度都达不到临床要求，不利于骨的重建。因此制备具有更符合骨组织工程支架结构的多孔骨水泥具有重要的意义。

目前多孔骨水泥的制备方法很多。常用的主要有粒子溶出法、微球造孔、发泡法等。粒子溶出法在骨水泥粉体中加入可溶于水的颗粒作为造孔剂，如食盐、蔗糖、甘露醇、碳酸氢钠、磷酸二氢钠和谷氨酸钠等，待骨水泥固化后将其浸泡入水或其他溶液中，使其中的造孔剂溶出而留下孔隙。该法简单易行，孔型和孔隙率可通过造孔剂进行调节，但是耗时长，不能注射，不利于微创。同时该法的造孔剂几乎都不是骨修复材料，残留物可能影响生物相容性，不利于骨修复过程。微球造孔的方法是将骨水泥固相做成微球，或在骨水泥中添加具有骨修复作用的有机微球，如明胶、壳聚糖和聚乳酸等，通过微球间的空隙形成多孔结构。该法制备多孔骨水泥虽然有可注射性，但是孔隙率和孔的贯通程度相对较低。发泡法制备多孔骨水泥技术采用气体作为致孔剂，包括物理发泡法和化学发泡发。物理发泡法利用特殊设备在骨水泥浆料中注入气泡，设备要求高。化学发泡法主要采用化学物质产生气泡致孔，目前使用的化学发泡剂多为双氧水发泡剂、表面活性剂、碳酸盐类化合物发泡等。前两种发泡剂要配置溶液，操作步骤较复杂，且反应迅速，不易控制。后一种发泡剂使用制备的材料孔径较小在50-200um左右（CN 1193614A），且还需加入表面活性剂，操作步骤较复杂。

发明内容

本发明提供了一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥及其制备方法，通过控制致孔剂的粒径和加入量，达到控制多孔骨水泥孔隙率和孔径的目的，同时操作过程简单快捷，且可注射成型，利于临床操作。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥，由β-TCP、Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O、柠檬酸溶液和金属粉末制备而成；

所述的金属粉末为镁粉、钙粉或铝粉中的一种或几种混合；

该多孔骨水泥的制备方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液对应2.7-3.2g复合粉体，然后调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为440-460:1-3的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入金属粉末，调拌30-40s，得到含有均匀泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其自然发泡固化，得到多孔骨水泥材料；

所述的金属粉末为粒径介于200-300目的镁粉、钙粉或铝粉中的一种或几种混合。

本发明中，金属粉末在使用镁粉、钙粉或铝粉混合时，对各组分的比例无要求。

本发明选用本身就可以作为骨修复材料的金属（Mg、Ca、Al等）粉末作为致孔剂，加入骨水泥浆料中，利用活泼金属易与固化液发生化学反应，产生气体均与分布于骨水泥基质而致孔，反应机理如下：

M+H₂O→M (OH)_2(或3)+H₂↑

M+H⁺→M^2+(或3+)+H₂↑

有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点：

1）本发明通过控制致孔剂的粒径和掺入量，可使多孔骨水泥孔的直径在100-600um左右，孔隙率45-70%左右，孔的贯通性良好；同时可通过调节致孔剂的加入量，调节孔隙率，满足对松质骨的需求，操作过程简单快捷，且可注射成型，利于临床操作；

2）本发明中，致孔剂的使用量很小，不会影响到材料的主要组成，反应后致孔剂几乎没有残留，而即使少量残留，由于其本身及其与反应产物均具有骨修复材料，因此不会影响的材料的生物功能；

3）本发明所制备的多孔骨水泥，其孔径在100-600um，大孔上有小孔相互贯通，满足骨组织工程支架关于孔径的要求；同时材料的抗压强度在7-12MPa，与骨松质的力学强度相匹配；可注射系数在73%-85%之间，操作方便，并有利于临床开展微创手术。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥的方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液2.7g复合粉体，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为440：1的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入粒径介于200-300目的金属镁粉末，使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到含有均匀细小泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其发泡固化，得到多孔骨水泥材料。

取制得的材料进行各项性能检测，具体如下：

（1）固化时间

取步骤3的浆料，移入Ф9×5mm模具内，压平，置于相对湿度100%，37℃恒温箱内，400N负荷下，将一个针尖直径为 1mm 的不锈钢针扎水泥柱面，至负载停止下移为水泥固化时间。取5个样，求平均值。

（2）可注射系数的测定

取规格为2mL的注射器称重，记为m₀；然后取制备步骤3）所得的均匀浆料填入注射器(注射器内径为9mm、出口端内径为1mm)，再次称重记为m₁；待到2min时，以恒定速率150mm/min挤出CPC泥浆，待到推力大于200N时停止，取出注射器称重记为m₂。

以公式IC=(m₂-m₁)/( m₁-m₀)×100％计算可注射系数(IC)，取5个样，求平均值。

（3）抗压强度的测定

将样品制成两端平整的Ф12×12mm圆柱状试样，待样品固化后将其在相对湿度100%的37℃恒温箱内养护72h，使用SHIMADZU SES-1000测试其抗压强度，载荷900N，加压速度1mm/min。每组选取5个无损试样，测试其平均值。

（4）将样品制备为20×20×20mm的样品，使用阿基米德法测孔隙率。

（5）晶相组成测试。将材料磨成细粉，采用X晶相衍射仪（X'Pert Pro MPD X，Philips）检测其晶相组成，扫描步长0.06°/s。

检测结果为：检测骨水泥的固化时间为10min左右，抗压强度显示材料具有12Mpa左右的抗压强度，有大孔，有小孔，孔贯通，孔径在100-600um，孔隙率在45%左右，可注射系数75%，晶相组成测试表明材料的主要组成为透钙磷石。

实施例2

一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥的方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液3.2g复合粉体，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为460: 3的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入粒径介于200-300目的金属钙粉末，使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到含有均匀细小泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其发泡固化，得到多孔骨水泥材料。

取制得的材料进行各项性能检测，检测方法如实施例1所示。

检测结果为：使用吉尔摩针法检测骨水泥的固化时间为18min左右，抗压强度显示材料具有8Mpa左右的抗压强度，孔径在100-600um，大孔上有小孔相互贯通，孔隙率在70%左右，可注射系数73%，满足对松质骨的需求，晶相组成测试表明材料的主要组成为透钙磷石。

实施例3

一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥的方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液2.9g复合粉体，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为450:2的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入粒径介于200-300目的金属铝粉末，使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到含有均匀细小泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其发泡固化，得到多孔骨水泥材料。

取制得的材料进行各项性能检测，检测方法如实施例1所示。

检测结果为：使用吉尔摩针法检测骨水泥的固化时间为15min左右，抗压强度显示材料具有8Mpa左右的抗压强度，有大孔，有小孔。孔贯通，孔径在100-600um，孔隙率在70%左右，可注射系数85%，晶相组成测试表明材料的主要组成为透钙磷石。

实施例4

一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥的方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液2.7g复合粉体，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为430:3的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入粒径介于200-300目的金属铝和金属钙混合粉末，其中，金属铝和金属钙的质量比为1:1，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到含有均匀细小泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其发泡固化，得到多孔骨水泥材料。

取制得的材料进行各项性能检测，检测方法如实施例1所示。

检测结果为：使用吉尔摩针法检测骨水泥的固化时间为20min左右，抗压强度显示材料具有8Mpa左右的抗压强度，有大孔，有小孔，孔贯通，孔径在100-600um，孔隙率在65%左右，可注射系数83%，晶相组成测试表明材料的主要组成为透钙磷石。

实施例5

一种用金属致孔剂制备的多孔骨水泥的方法为：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液3.2g复合粉体，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为460:1的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入粒径介于200-300目的金属铝和金属镁混合粉末，其中，金属铝和金属镁的质量比为1:1，然后使用光滑不锈钢刀调拌30-40s，得到含有均匀细小泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其发泡固化，得到多孔骨水泥材料。

取制得的材料进行各项性能检测，检测方法如实施例1所示。

检测结果为：使用吉尔摩针法检测骨水泥的固化时间为10min左右，抗压强度显示材料具有10Mpa左右的抗压强度，有大孔，有小孔，孔贯通，孔径在100-600um，孔隙率在55%左右，可注射系数81%，晶相组成测试表明材料的主要组成为透钙磷石。

Claims (1)

1.一种用金属致孔剂制备多孔骨水泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按摩尔比为1:1的比例称取β-TCP和Ca(H₂PO₄ )₂·H₂O粉末放入研钵中，混合均匀研磨15min制得复合粉体，备用；

2）将浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液加入步骤中1）所得的复合粉体中，加入的量为每毫升柠檬酸溶液对应2.7-3.2g复合粉体，然后调拌30-40s，得到均匀浆料；

3）按质量比为440-460:1-3的比例在步骤2）的均匀浆料中迅速加入金属粉末，调拌30-40s，得到含有均匀泡沫的浆料；

4）将步骤3）的浆料倒入模具中，使其自然发泡固化，得到多孔骨水泥材料；

所述的金属粉末为粒径介于200-300目的镁粉、钙粉或铝粉中的一种或几种混合。