CN103463678B

CN103463678B - 一种多功能医用生物骨水泥

Info

Publication number: CN103463678B
Application number: CN201310388851.3A
Authority: CN
Inventors: 吴子祥; 谭权昌; 雷伟; 臧渊; 李阳; 于龙
Original assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Current assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: CN103463678A

Abstract

本发明公开了一种多功能医用生物骨水泥，制得的该多功能医用生物骨水泥由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：5%～15%，生物活性玻璃：20%，磷酸钙骨水泥：64.9%～74.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%，原料的质量百分比之和为100%。该多功能医用生物骨水泥具有吸水自膨胀功能，能够减少骨水泥用量，进而减少骨水泥渗漏；有较好的组织相容性，可以诱导新骨形成增加椎体的强度，并且在体内可降解不在体内残留异物；同时缓释阿仑膦酸钠有效抗骨质疏松，减少骨吸收进一步增强椎体。因此该多功能医用生物骨水泥应用于椎体成形术具备用量少、促成骨、抗骨吸收的优点。

Description

一种多功能医用生物骨水泥

技术领域

本发明涉及一种医用生物填充材料，特别涉及一种多功能医用生物骨水泥，特别适合于骨质疏松条件下的椎体压缩性骨折或骨缺损的修复。

背景技术

随着世界范围内的人口老年化的趋势加重，骨质疏松所导致的骨质疏松椎体压缩性骨折（osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF）不断增加。更为严重的是，由于骨折导致脊柱后突畸形改变躯干力线，使临近节段椎体骨折的风险增加，形成“骨折-畸形-再骨折”的恶性循环，严重影响了老年人的身心健康和生活质量。

经皮椎体成形术及经皮椎体后突成形术是目前广泛应用的治疗椎体压缩性骨折的经典微创外科术式，其共同目的是将椎体成形生物材料注入椎体内来恢复椎体高度、增强椎体强度，恢复脊柱稳定性、缓解患者疼痛、纠正脊柱畸形。

目前最常用的椎体成形的生物材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，因具有其良好的可操作性、生物相容性、化学稳定性及良好的力学性能而广泛运用于临床，但PMMA骨水泥功能单一，只是依靠其力学强度恢复椎体高度发挥支撑作用，并且PMMA骨水泥弹性模量较高，改变了椎体间的应力分布易导致邻近椎体的再次骨折；而且在体内不可降解吸收，在体内终身残留；同时在临床应用中产热过大及可能出现的PMMA骨水泥渗漏造成损伤部位周围的神经组织损伤；另外PMMA骨水泥没有抗骨质疏松的作用，既不能促进新骨的生成又不能抑制骨吸收，所以不能从根本上解除骨质疏松性椎体压缩性骨折的病因。

目前，国内外尚未检索到具有局部抑制骨吸收、抗骨质疏松作用、能够治疗椎体压缩骨折的新型骨水泥材料。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种功能医用生物骨水泥，该多功能医用生物骨水泥能够实现在减少骨水泥总用量的前提下实现自膨胀的功能，以增加体积、填补椎体压缩所导致的椎体体积缺失并进而减少骨水泥的渗漏；有较好的组织相容性，能够在体内逐渐降解被自身组织替代，不在体内残留终身异物；同时促进新骨形成、抑制骨吸收，增加骨质疏松骨骨量、改善骨质酥松骨骨骼状态增强骨强度，从根本上治疗骨质疏松压缩性骨折。

为了实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：

一种多功能医用生物骨水泥，其特征在于，制得的该多功能医用生物骨水泥由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：5%～15%，生物活性玻璃：20%，磷酸钙骨水泥：64.9%～74.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%，原料的质量百分比之和为100%。

所述聚丙烯酸微球的粒径为100～300nm。

所述生物活性玻璃选择CaO-P₂O₅-SiO₂钙磷硅系生物活性玻璃或Na₂O-CaO-P₂O₅-SiO₂系生物玻璃；粒径范围在50μm-500μm之间。

所述磷酸钙骨水泥的粒径为2μm。

所述纳米阿仑膦酸钠微球粒径为100nm～200nm。

采用本发明的多功能医用生物骨水泥，在术中，室温条件下，在多功能医用生物骨水泥中加入适当比例的无菌生理盐水，搅拌至膏状，用骨水泥注射装置将该多功能医用生物骨水泥注射至患者的压缩性骨折部位或骨缺损部位进行填充。

本发明的多功能医用生物骨水泥与现有技术相比，具有以下优点：

1、组分中的聚丙烯酸微球是聚丙烯酸单体在交联剂的作用下聚合而成的具有相互连通的孔洞结构的高分子吸水树脂，其可以通过聚丙烯酸分子所带亲水基团羟基及相互连通的孔洞结构吸水膨胀，具有较好的溶胀速率及溶胀度，从而实现在骨水泥用量总量减少的条件下，通过聚丙烯酸微球的膨胀而增加骨水泥的体积，从而减少骨水泥的渗漏发生的可能性，并且该多功能医用生物骨水泥在加无菌生理盐水混合的过程中产热少，能有效避免损伤部位周围的神经组织。

2、组分中的生物活性玻璃具有骨引导及骨诱导的作用，能够促进新骨的形成，备有良好的组织相容性。

3、组分中的纳米阿伦磷酸钠微球能够在局部缓释阿仑膦酸钠，在损伤部位形成阿仑膦酸钠有效浓度，抑制骨吸收，有效抗骨质疏松增强骨强度，同时避免阿伦磷酸钠全身用药所产生的不良反应。

4、组分中的磷酸钙骨水泥能够在手术早期提供力学支撑恢复椎体高度，并且能逐渐降解为组分中的生物活性玻璃诱导新骨生成提供空间，便于新骨长入骨材料，从而形成骨中有骨水泥、骨水泥中有骨。实现各组分之间的优势互补作用，最终在体内完全降解，由自身骨组织所替代，由完全再生实现损伤的修复作用。

附图说明

图1为本发明的多功能医用生物骨水泥的制备流程图；

图2为本发明的多功能医用生物骨水泥与CPC骨水泥扫描电镜，其中，（a）图为本发明的多功能医用生物骨水泥扫描电镜，（b）图为CPC骨水泥扫描电镜；

图3为本发明的多功能医用生物骨水泥与CPC骨水泥模拟体液浸泡14天扫描电镜；其中，（c）图为本发明的多功能医用生物骨水泥模拟体液浸泡14天的扫描电镜，（d）图为CPC骨水泥模拟体液浸泡14天扫描电镜；

图4为本发明的多功能医用生物骨水泥与CPC骨水泥植入骨组织30天组织切片图；其中（e）图为本发明的多功能医用生物骨水泥植入骨组织30天组织切片，（f）图为CPC骨水泥植入骨组织30天组织切片图。

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

参见图1，本实施列给出一种多功能医用生物骨水泥的组分及其制备方法。该多功能医用生物骨水泥由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球5%～15%，生物活性玻璃：20%，磷酸钙骨水泥：64.9%～74.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%，原料的质量百分比之和为100%。

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：

本实施例制备的多功能医用生物骨水泥，由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：5.0%，生物活性玻璃：20.0%，磷酸钙骨水泥：74.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%。

上述多功能医用生物骨水泥的制备方法是，按组方将原料聚丙烯酸微球、生物活性玻璃、磷酸钙骨水泥、纳米阿仑膦酸钠微球在三维混合机采用干态混合法充分混合均匀，包装即可。

实施例2：

本实施例制备的多功能医用生物骨水泥，由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：10.0%，生物活性玻璃：20.0%，磷酸钙骨水泥：69.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%。

制备方法同实施例1。

实施例3：

本实施例制备的多功能医用生物骨水泥，由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：15.0%，生物活性玻璃：20.0%，磷酸钙骨水泥：64.9%，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1%。

制备方法同实施例1。

以上实施例中，聚丙烯酸微球的制备方法非常成熟，例如，采用水溶液聚合法制备，完全干燥后采用球磨法研磨成微球，其粒径为100nm～300nm。

生物活性玻璃选择CaO-P₂O₅-SiO₂钙磷硅系生物活性玻璃或Na₂O-CaO-P₂O₅-SiO₂系生物玻璃；且为烧结或溶胶凝胶法制备的粒径范围在0.001μm-500μm的医用生物材料级微粒。

磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement，CPC），是由磷酸钙等含钙粉料组成，在生理条件下具有自固化能力及降解活性、成骨活性的无机材料，用水性液体调和后可转化生成其它磷酸钙而凝结硬化的一类骨修复材料，特点是临床上可随调随用，目前已经为本领域技术人员临床使用的材料，本实施例中，磷酸钙骨水泥的粒径为2μm。

纳米阿仑膦酸钠微球以明胶及阿仑膦酸钠纯品粉剂制备（中国人民解放军第四军医大学硕士学位论文，阿仑膦酸钠明胶纳米粒的研制及其相关生物学特性的实验研究，李波，2007年），所得纳米阿伦磷酸钠微球粒径为100nm～200nm。

术中使用时，将上述实施例制备的多功能医用生物骨水泥，在室温条件下加入适当比例的无菌生理盐水，调和成膏状，用骨水泥注入装置注射至患者的压缩性骨折部位或骨缺损部位进行填充。

经发明人对上述实施例制备的多功能医用生物骨水泥，经实验测定，其理化性能指标如下：

在23±1℃的环境温度下，将上述实施例多功能骨水泥及对照实施例磷酸钙骨水泥加入适当比例的无菌生理盐水充分搅拌混合后分别测定以下理化性质：

终凝时间：制备12mm×6mm标本骨水泥标本，维卡特仪（SS-S-403,Shinohara Manufacturing Co.,Ltd.，Tochigi,Japan）测定骨水泥的终凝时间。间隔30s将维卡特针放置在标本表面，直至骨水泥表面针头压痕消失为骨水泥的终凝时间。

固化温度：按照ISO5833骨水泥标准，将骨水泥加入适量无菌生理盐水混合充分后填入模具，用热电偶温度计（WMZK-01，上海飞龙电器仪表有限公司）测定骨水泥的固化温度。

膨胀系数：按照下列公式计算骨水泥的膨胀系数=（吸水后骨水泥的质量－干燥后材料的质量）/干燥后材料的质量；

压缩强度：按照ISO5833骨水泥标准，制备12mm×6mm圆柱体标本，在37℃恒温下固化24h后，用AGS-10KN万能材料试验机（AGS-10KN,Universal Testing Machines,Shimadzu，Japan）测定压缩强度。

实施例1的多功能医用生物骨水泥：终凝时间18±1.22min、固化温度45±1.64℃、膨胀系数1.2±0.25倍、压缩强度28±1.58MPa；

实施例2的多功能医用生物骨水泥：终凝时间16±1.10min、固化温度43±1.32℃、膨胀系数1.5±0.71倍、压缩强度26±1.43MPa；

实施例3的多功能医用生物骨水泥：终凝时间12±1.65min、固化温度41±1.52℃、膨胀系数2.0±0.63倍、压缩强度25±1.72MPa；

对照实施例的磷酸钙骨水泥（CPC骨水泥）：终凝时间24±1.72min、固化温度51±2.11℃、膨胀系数0倍、压缩强度31±2.10MPa；

图2示37℃恒温下固化24h后，扫描电镜观察多功能医用生物骨水泥较磷酸钙骨水泥凝固更为紧密；

图3示模拟体液浸泡14天后，扫描电镜观察多功能医用生物骨水泥表面沉积大量羟基磷灰石，优于磷酸钙骨水泥；

图4示植入骨组织30后行组织切片染色，多功能生物骨水泥发生降解的同时有大量骨组织长入，而磷酸钙骨水泥新骨长入较少。

根据以上实验数据总结该多功能医用生物骨水泥具有以下性能特性：

1、多功能医用生物骨水泥膨胀系数：体积膨胀倍率为1～2倍；

2、多功能医用生物骨水泥的固化时间：固化的终凝时间为12min～18min，在术中具备充分的手术操作时间；

3、多功能医用生物骨水泥的固化温度≤50℃，能显著减少对损伤部位周围组织的损伤；

4、多功能医用生物骨水泥的压缩强度强度为25MPa～28MPa，与松质骨的压缩强度接近，能在手术早期发挥力学支撑的作用。

5、多功能医用生物骨水泥生物活性优于普通磷酸钙骨水泥。

综上，本发明所制备的多功能医用生物骨水泥，能实现自膨胀功能减少骨水泥的用量，渗漏小，并且能在术后早期提供力学支撑为骨水泥促进骨生成提供时间条件，同时该多功能医用生物骨水泥能够抑制骨吸收，从促进骨生成和抑制骨吸收两方面提高骨量、增加骨强度，是一种良好的新型骨修复材料。

Claims

1.一种多功能医用生物骨水泥，其特征在于，制得的该多功能医用生物骨水泥由以下原料按照质量百分比组成：聚丙烯酸微球：5％～15％，生物活性玻璃：20％，磷酸钙骨水泥：64.9％～74.9％，纳米阿仑膦酸钠微球：0.1％，原料的质量百分比之和为100％；

所述聚丙烯酸微球的粒径为100～300nm；

所述纳米阿仑膦酸钠微球粒径为100nm～200nm；

所述聚丙烯酸微球是聚丙烯酸单体在交联剂的作用下聚合而成的具有相互连通的孔洞结构的高分子吸水树脂；

所述生物活性玻璃为采用烧结或溶胶凝胶法制备的粒径范围在0.001μm-500μm的CaO-P₂O₅-SiO₂钙磷硅系生物活性玻璃，或者为采用烧结或溶胶凝胶法制备的粒径范围在0.001μm-500μm的Na₂O-CaO-P₂O₅-SiO₂系生物玻璃；

所述纳米阿仑膦酸钠微球为以明胶及阿仑膦酸钠纯品粉剂制备所得。

2.如权利要求1所述的多功能医用生物骨水泥，其特征在于，所述生物活性玻璃选择CaO-P₂O₅-SiO₂钙磷硅系生物活性玻璃或Na₂O-CaO-P₂O₅-SiO₂系生物玻璃；粒径范围在50μm-500μm之间。

3.如权利要求1所述的多功能医用生物骨水泥，其特征在于，所述磷酸钙骨水泥的粒径为2μm。