CN103143063A - 一种可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料及制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料及其制备方法，所制备的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料由固相粉末及液相两部分组成，其中，液相是浓度为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液，固相粉末和液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml；固相粉末由磷酸钙骨水泥和45S5生物玻璃按重量比混合组成，其中45S5生物玻璃的加入量占固相粉末总量的5%~40%；磷酸钙骨水泥由磷酸四钙和无水磷酸氢钙按摩尔比1:1混合组成。具有良好的流动性，更高力学性能，降解率和生物活性，弥补了单纯的CPC或生物玻璃的不足，可用于口腔、颅面部及骨科的骨缺损修复。

Description

一种可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料及制备

技术领域

本发明属于生物医用修复材料领域，涉及一种新型的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料及其制备方法，本发明的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料具有良好的流动性，更高的力学性能，降解率及生物活性。

背景技术

据统计，在我国50岁以上人群中有骨质疏松患者近7000万，每年新发脊柱压缩骨折约181万例。目前，微创椎体成型或球囊成型术已经成为脊柱骨质疏松压缩骨折的主要外科治疗手段。现在，国内外椎体或球囊成型术中所采用的材料大多数为不可吸收的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（PMMA）。该材料存在明显缺陷，即：单纯为力学支撑材料，无生物活性（骨传导、诱导作用等），不能促进脊柱骨折愈合，并且在固化过程中发热明显，容易导致周围组织细胞坏死；同时，该材料为不可吸收高分子材料，在体内无法吸收，长期以异物形式存留，可引起相邻节段应力增加，增加邻近节段骨折的风险。因此，寻找一种具有良好流动性、骨传导、骨诱导作用，兼具良好的力学支撑性能及一定降解率的骨修复材料已经成为骨科亟待解决的难题。

磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement，CPC）因其自固化，无类似PMMA的产热效应，可任意塑性，良好的生物相容性、骨传导性及可降解被新生骨替代等特点，具有广阔的临床应用价值。骨传导性即指其能与周围骨组织良好的结合，引导骨的生长。研究表明，CPC固化过程中沉积形成的羟基磷灰石（HAp）对于维持移植物与骨界面是界面稳定具有关键作用。然而,HAp的结晶程度高，结构稳定，在体内降解缓慢，提高骨组织生成的作用有限。另外，CPC低力学强度缺点也限制了其在临床的应用（Biomaterials2009，30:2675-82；J Mater Sci:Mater Med.2011;22:607-15；J Mater Sci:Mater Med.2010；21:3065-76）。同时，在一些供血不足区域及伴代谢紊乱的老年病患中，CPC的骨传导作用并不足以达到完全的骨修复效果（J Biomed Mater Res A2008;87A:780-791），因此赋予CPC更高的传导性或诱导性可进一步改善其生物学性能。

近来，生物玻璃（BG）由于其良好的生物活性和生物相容性倍受关注（J.Biomed.Mater.Res2010;95:137-45;J.Biomed.Mater.Res2010;21:25-32）。研究表明，在生物玻璃与软组织或骨之间存在密切的离子交换，可直接参与人体骨组织的代谢和修复过程，最终可在材料表面形成与人体骨相同的无机矿物成分——碳酸羟基磷灰石，诱导新生骨组织的生长。生物玻璃释放的Si离子，在材料界面与人体骨组织之间形成化学键合，此化学键合的连接强度提供了很高的移植物与界面的稳定性，传导性优于羟基磷灰石。Ducheyne et al.等发现BG可释放Ca,P，Si离子，形成磷酸钙盐层及选择性吸收如粘连蛋白等蛋白成分，有利于成骨细胞与材料表面的吸附及细胞的成骨表达进而提高骨形成速率（Biomaterials.2009;30:3542-50；Biomaterials2006；27:1907-1926；J Biomed Mater Res A.2008;86A:31-40;J BiomedMater Res B2012;100B:437-446）。BG与MC3T3-E1细胞培养后发现，成骨细胞表型的表达明显增加。与骨髓基质细胞（MSCs）共培养后，细胞的碱性磷酸酶活性（ALP）明显高于单纯培养基培养的对照组（J.Biomed.Mater.Res.2005；73:21-29；Biomaterials2007；28:40917）。LEE等利用热压技术在700℃~800℃条件下制成了生物玻璃/HA复合材料，与单纯HA陶瓷相比，材料的抗弯强度大大提高，模拟体液SBF浸泡实验发现，与纯HA相比，材料能够激活成骨细胞，具有良好的生物相容性和生物活性（Biomaterials2005；26:4395-404）。然而，国内外研发出的生物玻璃主要为固态，植入需进行周围组织的广泛暴露，不适合椎体成型或球囊成型术的要求及不规则骨缺损如口腔及颅面部等处的骨缺损填充修复。同时，现有的生物玻璃生物力学强度相对较低，不适合应用于脊柱等重要的承重部位的骨修复。

根据申请人所做的资料检索，迄今为止未见将生物玻璃与CPC按不同比例混合进一步提高CPC生物活性及降解性能兼具良好可注射性，高力学强度的报道。

发明内容

针对现有的磷酸钙骨水泥水化产物HAp降解率低，改善骨组织生成作用有限及力学性能低等不足，本发明的目的在于，提供一种新型可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料及其制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，其特征在于，由固相粉末及液相两部分组成，固相粉末和液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml；

所述的固相粉末由磷酸钙骨水泥和45S5生物玻璃按重量比混合组成，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙和无水磷酸氢钙按摩尔比1:1混合组成，45S5生物玻璃的加入量占固相粉末总重量的5%~40%；

所述的液相是浓度为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

所述的45S5生物玻璃的原料按以下重量百分比制成：SiO₂：51.20%，NaCO₃：3.55%，CaCO₃：18.86t%，CaF₂：8.19%，K₂CO₃：7.47%，P₂O₅：10.73%。

上述可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

1）45S5生物玻璃的制备：

将45S5生物玻璃原料按照重量配比混合均匀后在高温玻璃升降炉内于1170℃熔融40min，然后快速倒入去离子水中进行水淬，然后将生物玻璃滤出并置于70℃的鼓风干燥箱中干燥1h，在玛瑙研钵体内研磨，取颗粒粒径约为10微米的生物玻璃，即得到45S5生物玻璃备用。

2）可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备：

取平均粒径为6微米的磷酸四钙及无水磷酸氢钙，两者按摩尔比为1:1配制成磷酸钙骨水泥；

将45S5的生物玻璃按固相粉末总重量（即磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的5%~40%掺加到磷酸钙骨水泥中，得到固相粉末；

取质量浓度1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液作为液相，按照固相粉末与液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml，调和形成糊状物，得到可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料。

本发明的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料可用于口腔、颅面部及骨科的骨缺损修复，如颅骨骨折，根管填充，下颌骨置换，颚窦增高术，桡骨远端骨折及椎体成型术等，亦可用于椎体塌陷和椎体骨质疏松性骨折的强化固定治疗。

本发明制备的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，能较好的满足骨修复材料良好的流动性，更高的力学性能，降解率及生物活性的要求，在临床骨组织创伤修复和骨质疏松领域具有很好的应用前景。

本发明制备的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的优点在于：45S5生物玻璃可快速释放Ca，P，Si等离子，改善材料降解性能，改变水化产物的微观结构提高力学性能，提供更稳定的化学键合和更高的生物活性，更有利于新生骨组织长入。

附图说明

图1为可注射BG-CPC复合生物材料水化1天后的X射线衍射图谱。其中，（a）为单纯CPC材料；（b）为含20wt%BG的BG-CPC复合生物材料；（c）为含40wt%BG的BG-CPC复合生物材料；

图2为可注射BG-CPC复合生物材料水化1天后的扫描电镜图；其中（a）为单纯CPC；（b）为40%的BG-CPC复合生物材料；

图3为BG-CPC复合生物材料水化1天后的压缩强度与BG重量百分含量之间力学性能关系。

图4为BG-CPC复合生物材料浸泡模拟体液7d后的扫描电镜图；其中，（a）为单纯CPC材料；（b）为40%BG-CPC复合生物材料。

图5为BG-CPC复合生物材料与单纯CPC材料在不同时间点的体外降解率的比较；

图6为BG-CPC复合生物材料与单纯CPC材料在不同时间点的可注射性比较；

图7为可注射BG-CPC复合生物材料与成骨细胞共培养7天后的细胞ALP活性。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

按照本发明的技术方案，本发明的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，固相粉末及液相两部分组成，固相粉末和液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml；

其中，固相粉末由磷酸钙骨水泥和生物玻璃组成，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙和无水磷酸氢钙按摩尔比1:1混合组成，生物玻璃的加入量占总重量（磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的5%~40%；

所述的液相是浓度为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

本发明的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，将生物玻璃与CPC的优点结合进行复合，形成了具有良好的流动性，更高力学性能，降解率和生物活性。既能通过生物玻璃的快速溶解，释放Ca，P及Si离子，改善材料降解性能，提供更稳定的化学键合和更高的生物活性，又能通过提高复合材料的可注射性及力学强度。弥补了单纯的CPC或生物玻璃的不足。

以下是发明人给出的实施例，本发明不限于这些实施例。

实施例1：

步骤一：45S5生物玻璃的制备

45S5生物玻璃的主要原料有二氧化硅，碳酸钠，碳酸钙，氟化钙，碳酸钾以及五氧化二磷。将原料按照一定比例（51.20wt%SiO₂,3.55wt%NaCO₃,18.86wt%CaCO₃,8.19wt%CaF₂,7.47wt%K₂CO₃和10.73wt%P₂O₅）混合均匀后在高温玻璃升降炉内于1170℃熔融40min后快速倒入去离子水中进行水淬，将生物玻璃滤出并置于70℃的鼓风干燥箱中干燥1h，在玛瑙研钵体内研磨，取颗粒粒径约为10微米的生物玻璃，即得到45S5生物玻璃备用。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5生物玻璃按固相粉末总重量（即磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的5%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米。液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为2.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为15±1.6min，表明加入5wt%的45S5生物玻璃并不影响CPC固化时间。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为15±2.3MPa，表明加入5wt%的45S5生物玻璃对CPC的力学性能提高不明显。XRD衍射图显示与CPC相比，无明显改变。扫描电镜观察发现，固化1天后显示材料横截面形成块状固化物并具有较多微孔，与相同固化条件下的CPC无明显差别。浸泡模拟体液（SBF）7天后可在材料表面形成一定数量纳米级HA沉积。固化7min后的可注射性能良好。与成骨细胞共培养后发现，细胞的ALP活性高于单纯CPC组，但无显著性差异。表明加入45S5生物玻璃可提高材料生物活性。

实施例2：

步骤一：与实施例1相同。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5的生物玻璃按固相粉末总重量（即磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的5%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米，液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为3.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为12±1.2min，表明提高固液比可进一步缩短固化时间。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm3）。水化1天后抗压强度为21±2.4MPa，表明提高固液比可进一步提高力学性能。注射性能与实施例1相比，明显下降，固化7min后可注射性降为54±5.0%。

实施例3：

步骤一：与实施例1相同。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5生物玻璃按（磷酸钙骨水泥+生物玻璃）总重量的20%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米；液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为2.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为21±1.4min，表明加入20wt%的45S5生物玻璃延长了CPC固化时间。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为14±0.7MPa（图3），其XRD衍射图如图1（b）所示，主衍射峰仍然为HA同时出现Ca₂SiO₄衍射峰，表明加入生物玻璃后复合材料成分发生改变。扫描电镜观察发现，固化1天后显示材料横截面结构较相同固化条件下CPC结构更为紧凑。浸泡模拟体液（SBF）7天后可在材料表面形成纳米级HA沉积，沉积的HA数量及密度明显优于单纯CPC，浸泡7到28天后，材料的降解率从4.7±0.7%提高到12.6±3.5%（图5）。固化7min后的可注射性能优于相同固化条件下的CPC（图6）。与成骨细胞共培养后发现，细胞的ALP活性明显优于单纯CPC组（图7）。表明加入45S5生物玻璃提高了材料的生物活性。

实施例4：

步骤一：与实施例1相同。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5生物玻璃按总重量（磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的20%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中，磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米，液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与固化液的比例为3.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为17±1.9min，表明提高了固液比，凝固时间缩短。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为23±0.1MPa,表明提高固液比可进一步提高力学性能。可注射性与实施例3相比，有一定下降，但仍然保持较好的可注射性能，固化7min后，可注射性为79±2.4%。

实施例5：

步骤一：与实施例1相同。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5生物玻璃按总重量（磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的40%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米，液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为2.0g/ml，调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为25±0.9min，表明随着45S5生物玻璃加入量增加，材料固化时间延长。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为26±6.7MPa（图3），其XRD衍射图如图1（c）所示，表明主衍射峰仍然为HA同时出现Ca₂SiO₄和Ca₃SiO₅衍射峰。扫描电镜观察发现，固化1天后显示材料横截面结构较相同固化条件下单纯CPC组及实施例1和3更为紧凑（图2b）。浸泡模拟体液（SBF）7天后可在材料表面形成大量纳米级HA沉积并且相互聚集形成HA沉积层覆盖于材料表面，HA数量及密度优于实施例1和3（图4b），浸泡7到28天后，材料的降解率从6.9±0.9%提高到14.6±2.9%（图5）。固化7min后的可注射性能改善明显，优于相同固化条件下的单纯CPC组及实施例3（图6）。与成骨细胞共培养后发现，细胞的ALP活性明显优于单纯CPC组（图7）。表明随着生物玻璃量的增加，生物活性进一步提高。

实施例6：

步骤一：与实施例1相同。

步骤二：生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备

将45S5生物玻璃按按总重量（磷酸钙骨水泥+生物玻璃）的40%掺加到骨水泥中组成固相粉末，其中磷酸钙骨水泥由磷酸四钙及无水磷酸氢钙混合组成，两者的摩尔比为1:1，平均粒径约为6微米，液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液。

按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为3.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的固化时间为20±2.3min，表明提高固液比可缩短凝固时间。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为39±1.6MPa。可注射性与实施例5相比，有一定下降，但固化7min后仍保持良好可注射性，为81±1.8%。

对比实施例：

可注射磷酸钙骨水泥制备：

将磷酸四钙及无水磷酸氢钙，平均粒径约为6微米，按摩尔比1:1混合后作为固相粉末，液相（固化液）为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液；按照所述固相粉末与液相（固化液）的比例为2.0g/ml调和形成糊状物。所得的可注射磷酸钙骨水泥的固化时间为14±0.7min。

将调和的糊状物填入不锈钢磨具中，置于37℃、100%湿度的模拟人体环境中水化1天后取出，脱模获得表面光滑平整的圆柱体（Ф5×10mm³）。水化1天后抗压强度为14±3.4MPa（图3），其XRD衍射图如图1（a）所示，主要衍射峰为HAp。扫描电镜观察发现，固化1天后显示材料横截面为块状，并具有较多微孔(图2a)。浸泡模拟体液（SBF）7天后可在材料表面形成纳米级HA沉积但数量显著少于实施例3和5（图4a），浸泡7到28天后，材料的降解率从1.1±0.8%提高到7.3±2.3%（图5）。固化7min后的可注射性较相同固化条件下的生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合材料明显降低（图6）。与成骨细胞共培养后发现，细胞的ALP活性明显低于生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料（图7）。

Claims (3)

1.一种可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，其特征在于，由固相粉末及液相两部分组成，其中，液相是浓度为1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液，固相粉末和液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml；

所述的固相粉末由磷酸钙骨水泥和45S5生物玻璃按重量比混合组成，其中45S5生物玻璃的加入量占固相粉末总量的5%~40%；

所述的磷酸钙骨水泥由磷酸四钙和无水磷酸氢钙按摩尔比1:1混合组成。

2.如权利要求1所述的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料，其特征在于，所述的45S5生物玻璃的原料按以下重量百分比制成：SiO₂：51.20%，NaCO₃：3.55%，CaCO₃：18.86t%，CaF₂：8.19%，K₂CO₃：7.47%，P₂O₅：10.73%。

3.权利要求1或2所述的可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

1）45S5生物玻璃的制备：

将45S5生物玻璃原料按照重量配比混合均匀后，在高温玻璃升降炉内于1170℃熔融40min后快速倒入去离子水中进行水淬，将生物玻璃滤出并置于70℃的鼓风干燥箱中干燥1h，在玛瑙研钵体内研磨，取颗粒粒径约为10微米的生物玻璃，即得到45S5生物玻璃；

2）可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料制备：

取平均粒径为6微米的磷酸四钙及无水磷酸氢钙，两者按摩尔比为1:1配制成磷酸钙骨水泥；

将45S5的生物玻璃按固相粉末总重量的5%~40%掺加到磷酸钙骨水泥中，得到固相粉末；

取1M磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液作为液相，按照固相粉末与液相的比例为2.0g/ml~3.0g/ml调和形成糊状物，得到可注射生物玻璃-磷酸钙骨水泥复合生物材料。

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