CN103432624B - 可注射液态金属骨水泥及其制备方法和专用注射装置 - Google Patents

Abstract

一种可注射液态金属骨水泥，以液态金属为主要成分，液态金属的熔点为45～100℃，为铋基合金或者镓基合金，本发明同时提供了所述可注射液态金属骨水泥的制备方法和实现该制备方法的专用器具，本发明骨水泥可注射，固化速度快，凝固温度低，制备工艺简单，体内外环境中结构稳定，可回收利用，且具有X射线自显影功能。

Description

可注射液态金属骨水泥及其制备方法和专用注射装置

技术领域

本发明涉及骨缺损修复技术领域，特别涉及一种可注射液态金属骨水泥及其制备方法和专用注射装置。

背景技术

长久以来，骨质疏松、骨肿瘤、骨缺损等骨疾病和关节疾病作为重大类疾病严重危害着人类健康。尤其在老年人群体中，该类疾病患病率呈逐年增高趋势。骨水泥作为一种广泛应用于临床骨科疾病的修复材料，可以有效的改善该类疾病患者的身体状况。其主要应用包括人工关节置换术，骨缺损修复和替代等。现如今临床常用的骨水泥主要包括聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥。

其中，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥常被用于骨科内置物的固定，在人工关节的固定中，PMMA填充于假体和宿主骨之间，形成固定带，使假体和宿主啮合在一起。PMMA型骨水泥具有一定的生物相容性和较高的力学强度。然而临床实践也发现其仍存在不足。其修复部分经常会出现骨断裂，并且摩擦产生的磨损颗粒会导致假体松动。随着时间的推移，严重者会出现骨水泥和骨体发生脱离，因而经常有些病人需要重新置换假体，由此给病人带来了大的精神痛苦与物质压力，并且也给手术增加了难度。另外，PMMA骨水泥的固化温度为90℃，由此产生的热量容易灼伤周围组织。

此外，上述提及的磷酸钙骨水泥常被用于骨缺陷的修复。其聚合温度较低，生物相容性良好。但这种材料的力学强度较低，而且在硬化过程中容易出现缺陷，从而导致水泥硬化后，在外力作用下被破坏，影响使用效果和寿命。并且这种无机钙基骨水泥遇到血液容易发生溃散，从而导致肺栓塞等不良影响，即使加入其它改良剂，提高了骨水泥的粘性，但又会导致固化时间的延长。

由于PMMA和磷酸钙材料本身并不具备X射线显影功能，因此需要在其中加入显影剂如硫酸钡。然而硫酸钡进入血液会严重危害人体健康。并且这两种骨水泥材料都需要固相和液相的调和进行固化，操作起来较为复杂。

因此，除传统骨水泥所具备的优点之外，一种稳定性好、自身可放射显影、操作简单、固化温度低、固化速度快的骨水泥是临床急需的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可注射液态金属骨水泥及其制备方法和专用注射装置，该骨水泥可注射，固化速度快，凝固温度低，制备工艺简单，体内外环境中结构稳定，可回收利用，具有X射线自显影功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可注射液态金属骨水泥，以液态金属为主要成分。

所述液态金属的熔点为45～100℃，为铋基合金或者镓基合金，其中，铋基合金组分为：金属铋的质量百分含量为33～78%，金属铟的质量百分含量为7～60%，金属锡的质量百分含量为7～60%，金属锌的质量百分含量为0～9%；镓基合金组分为：金属镓的质量百分含量为10～80%，金属铟的质量百分含量为15～80%，金属锡的质量百分含量为5～60%。

进一步地，该可注射液态金属骨水泥中，还包括加入至所述液态金属中的用于增加骨水泥强度或提供人体所需元素的营养元素，以保证与液态金属骨水泥接触部位周围骨组织的正常生长，其中所述营养元素包括钙、镁、磷、铁元素，以原子或以化合物形式存在。

进一步地，该可注射液态金属骨水泥中，还包括加入至所述液态金属中的抗生素，以减少或避免在手术过程中引起微生物感染，其中所述抗生素包括盐酸四环素(TTCH)和单相α－磷酸三钙(α-TCP)。

本发明同时提供了所述可注射液态金属骨水泥的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，制备液态金属骨水泥材料1：

将装有预定配比各成分金属材料的烧杯放置于真空干燥箱中加热，设置温度为200～400℃，持续时间约为10～36小时，然后利用磁力搅拌加热器对呈熔融状态的金属混合物进行混合搅拌，设置温度60～200℃，搅拌时间3～5小时，最终形成均匀的液态金属骨水泥材料1；

步骤二，液态金属骨水泥材料1填充至目标区固化成型为支撑体3：

将装有液态金属骨水泥材料1的容器4放置在加热平台5上，待液态金属骨水泥材料1熔化后，用注射器2吸取至储存室，然后注射至目标区并经过加压处理固化成型为结构可控的支撑体3。

所述支撑体3为实心结构、空心结构或者微孔结构。

优选地，可利用局部加热方法，使用注射器2将液态金属骨水泥材料1从目标区域取出，所述局部加热方法包括电热棒加热和激光加热。

所述液态金属骨水泥材料1包括共晶类型和非共晶类型的低熔点合金。

所述加压处理是在注射过程中进行，加压方式为气体加压或机械加压。

本发明还提供了一种实现所述可注射液态金属骨水泥制备方法的专用注射装置，包括注射器2，在注射器2的外部设置有保温层或加热装置9。

本发明可注射液态金属骨水泥经细胞实验验证对小鼠胚胎成纤维细胞无毒副作用，具有良好的生物相容性。验证实验按照ISO9003医疗器械生物学评价中细胞毒性测试方法进行：（1）首先将液态金属骨水泥1经过模具成型为固化的圆柱体，在37℃的细胞正常培养基中浸泡5天后，提取浸泡后的培养液；（2）利用提取液取代正常的细胞培养基进行细胞培养2天，同时选取利用正常培养基进行同样操作的细胞为对照组；（3）毒性测试结果显示，由浸泡过液态金属骨水泥1的培养基处理过的细胞，其活性是对照组的60%～95%，表明该液态金属骨水泥1的细胞毒性很弱或几乎没有细胞毒性。

同时，本发明可注射液态金属骨水泥还具有很好的X光显影效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明所采用的低熔点液态金属，在较低的加热温度下即可熔化，在室温下又可自行固化，用传统注射器就可以完成骨水泥的填充，操作简单。

（2）本发明所述的可注射液态金属骨水泥1，熔化后流动性好，固化速度快，塑形能力强，适用于各种形状的骨修复，凭借其可注射的特点，可以用注射器方便地直接注射到缺损部位，并在该位置固化，整个过程简单一体化；而且，一旦需要取出固化后的金属骨水泥，只需对其采用微波、激光、电阻加热等方式予以加热，即可在其融化后通过注射器抽吸出体外，这对于已康复组织的正常生长十分有利。

（3）本发明所述的可注射液态金属骨水泥1，由于固化温度较低、固化时间短，与传统骨水泥的高聚合温度相比，可以降低或避免周围临近组织被灼伤，有利于周围骨组织的正常生长和生理状态不受影响。

（4）本发明所述的可注射液态金属骨水泥1在室温下，性质稳定，可长期室温保存。但为了其能更好的发挥作用，最好能密封保存，保证低氧，远离酸碱环境。其结构稳定性还体现在作为骨水泥固化后的状态上，磷酸钙骨水泥的固化受体液和血液的影响，并在固化后易形成缺陷，对后期使用效果影响较大，但低熔点液态金属相比之下，固化条件简单，注射缺损位置即可迅速固化，受周围环境影响较小，且由于其刚性较小，经实验测试，即使施加很大的压力也不会出现裂缝。

（5）本发明所述的可注射液态金属骨水泥1，在生物体内有很好的X光影像，由于液态金属骨水泥这种独特的性质，不需要在额外添加其他造影剂，即可利用X光机进行监视，避免了因骨水泥泄露给手术增加难度和给病人带来痛苦，便于对骨水泥的位置进行观察和确认。

（6）本发明所述的可注射液态金属骨水泥1，制备工艺简单，成本低。

附图说明

图1可注射液态金属骨水泥注射前的准备和操作示意图。

图2带有保温层的可注射液态金属骨水泥注射器具。

图3猪股骨中成型的液态金属骨水泥支撑体的X光影像。

图4可注射液态金属骨水泥在固化过程中的温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做具体说明，但本发明的应用范围不会只局限于以下实施例中。

实施例1

首先制备液态金属骨水泥材料1，其采用铋（Bi）基合金：

将金属铋（Bi）、金属铟（In）、金属锡（Sn）和金属锌（Zn）按照35%、48.7%、15.9%和0.4%的质量分数混合在一个空的烧杯里。把烧杯放入真空干燥箱中，在温度为360℃下，连续加热20小时。此时，几种金属混在一起，呈金属液的状态。为了保证合金成分的均匀性，将其放在磁力搅拌加热器上，在160℃下加热熔化，充分搅拌4小时即可。得到的低熔点合金熔点为59.1℃。制得的低熔点合金骨水泥密封后，可在室温下长期保存。

完成液态金属骨水泥材料1的制备后，继而可将其填充至目标区固化成型为支撑体3，用于人工关节固定，骨缺损修复和骨组织支架。如图1所示，将装有液态金属骨水泥材料1的容器4放置在加热平台5上，待液态金属骨水泥材料1熔化后，通过注射器活塞8由注射器2吸取至储存室，然后注射至骨头6的目标位置7处，并经过加压处理固化成型为结构可控的支撑体3。

在液态金属骨水泥材料1注射的过程中，或注入到目标位置7之后，可对液态金属骨水泥材料1进行加压，使其更好地填充于目标区域。加压方法为气体加压或机械加压。气体加压时采用惰性气体进行加压，机械加压采用手动或者机械装置进行施压。施压时间与所述液态金属骨水泥材料1的固化时间对应一致。

本实施例中的铋铟锡锌组成的骨水泥，具有较低的熔点，而且固化速度快。为了验证该特点，把新鲜猪骨放入37℃的水浴锅中，再将热电偶分别放置于该骨的骨髓腔中和空气中。如图4所示，液态金属骨水泥注射后不到10min，其温度即降至室温。

为了测试液态金属骨水泥的细胞毒性，将熔化了的液态金属骨水泥用注射器注入到圆柱形模具中，固化后取出，得到高为29.4mm，直径4.8mm的圆柱。用紫外灭菌后，根据ISO9003标准，放入1.6ml培养基中，37℃放置5天。将液态金属制成的圆柱从培养基中取出，得到的提取液用来培养细胞。按照标准，选用小鼠胚胎成纤维细胞（3T3）作为实验对象，在用正常培养基培养24h后，改用完全提取液培养2天，对照组用正常培养基进行培养。之后用中性红染色，酶标仪读出OD值。经过计算，细胞活性是对照组的69%。证明该液态金属材料可以用来制作骨水泥。

为了测试该骨水泥的X光显影性，将液态金属骨水泥熔化后，用注射器注入新鲜猪股骨中，并在X射线下进行成像，得到结果如图3所示，该液态金属骨水泥自身具有十分清晰地显影性，不需要额外添加造影剂，便于监测。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中的液态金属骨水泥材料为镓（Ga）基合金，其组分为：金属镓（Ga）的质量百分含量为40%，金属铟（In）的质量百分含量为30%，金属锡（Sn）的质量百分含量为30%。其他材料与步骤与实施例1相同。

实施例3

与实施例1不同，本实施例采用专门注射器具进行注射，如图2所示，该专门注射器具是在注射器2外部加上保温层或加热装置9，利用外部设备通过连接线10对保温层或加热装置9的温度进行控制，实现温度可控可测。

由于液态金属骨水泥材料1熔点较低，固化速度快，而本实施例中的专门注射器具能使得其在注射装置内保持液体状态的时间，防止其在注射器中就发生固化。在液态金属骨水泥材料1未吸入注射器2之前，采用外部控制设备，对注射器2外部的保温层或加热装置9进行加热。通过保温层或加热装置9内置的温度传感器，将温度数值反馈给控制设备，以此保持保温层温度的恒定。保温层或加热装置9的温度可设置为实施例1中铋铟锡锌合金的熔点温度。利用该专门注射器具吸入的熔化的液态金属骨水泥材料1，可以在注射器具中较长时间的保持液态而不固化，从而为操作者提供了充裕的时间来做注射前的准备。降低了对骨水泥操作者的要求，以免在液态金属骨水泥吸入注射器后，一段时间内未注射，而固化在注射器内，影响注射操作。

其他材料与步骤与实施例1相同。

实施例4

实施例4中，可注射液态金属骨水泥材料成分为：金属铋（Bi）、金属铟（In）和金属锡（Sn），质量分数分别是32.5%、51%和16.5%。制备过程与实施例1相同，最终得到的低熔点合金熔点为59℃。制得的低熔点合金骨水泥密封后，可在室温下长期保存。

为了测试该液态金属骨水泥的细胞毒性，按照与实施例1相同的步骤进行实验。经过计算，细胞活性是对照组的90%。证明该材料可以用来制作骨水泥。

实施例5

与实施例4不同，本实施例采用注射装置进行注射，使得温度可控可测。在液态金属骨水泥未吸入注射器2之前，采用外部控制设备，对注射器2外部的保温层进行加热。通过保温层内置的温度传感器，将温度数值反馈给控制设备，以此保证保温层温度的恒定。保温层的温度可设置为实施例3中铋铟锡合金的熔点温度。

其他材料与步骤与实施例4相同

实施例6

与实施例1不同的是，本实施例骨水泥中添加有营养元素。采用实施例1所述的配制好的铋（Bi）基合金骨水泥，在其中添加其重量比10%的钙、镁、磷、铁元素类纳米颗粒，用于增加骨水泥强度或提供人体所需元素的营养元素，以保证与液态金属骨水泥接触部位周围骨组织的正常生长。其他材料与步骤与实施例1相同。

实施例7

与实施例2不同的是，本实施例骨水泥中添加有抗生素。采用实施例2所述的配制好的镓（Ga）基合金骨水泥，在其中添加其重量比10%的纳米颗粒抗生素如盐酸四环素(TTCH),和单相α－磷酸三钙(α-TCP)，以减少或避免在手术过程中引起微生物感染。其他材料与步骤与实施例2相同。

实施例8

与实施例1不同的是，本实施例骨水泥中添加有营养元素和抗生素。

实施例9

与实施例1不同的是，本实施例中的液态金属骨水泥材料组份为：金属铋质量分数78%，金属铟质量分数7%，金属锡质量分数7%，金属锌质量分数8%。

实施例10

与实施例1不同的是，本实施例中的液态金属骨水泥材料组份为：金属镓质量分数10%，金属铟质量分数30%，金属锡质量分数60%。

Claims (4)

1.一种可注射液态金属骨水泥的制备方法，所述可注射液态金属骨水泥以液态金属为主要成分，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，制备液态金属骨水泥材料(1)：

将装有预定配比各成分金属材料的烧杯放置于真空干燥箱中加热，设置温度为200～400℃，持续时间为10～36小时，然后利用磁力搅拌加热器对呈熔融状态的金属混合物进行混合搅拌，设置温度60～200℃，搅拌时间3～5小时，最终形成均匀的液态金属骨水泥材料(1)；

步骤二，液态金属骨水泥材料(1)填充至目标区固化成型为支撑体(3)：

将装有液态金属骨水泥材料(1)的容器(4)放置在加热平台(5)上，待液态金属骨水泥材料(1)熔化后，用注射器(2)吸取至储存室，然后注射至目标区并经过加压处理固化成型为结构可控的支撑体(3)。

2.权利要求1所述的可注射液态金属骨水泥的制备方法，其特征在于，所述支撑体(3)为实心结构、空心结构或者微孔结构。

3.权利要求1所述的可注射液态金属骨水泥的制备方法，其特征在于，所述液态金属骨水泥材料(1)包括共晶类型和非共晶类型的低熔点合金。

4.权利要求1所述的可注射液态金属骨水泥的制备方法，其特征在于，所述加压处理是在注射过程中进行，加压方式为气体加压或机械加压。