CN104524627B - 高强度的羟基磷灰石骨水泥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度的新型羟基磷灰石骨水泥的制备方法，是以经植酸溶液表面改性的单相羟基磷灰石粉体为固相粉剂，以低浓度柠檬酸水溶液为固化液，将固相粉剂、固化液按一定固液比进行调和，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。本发明提供的骨水泥具有较高的抗压强度，其抗压强度最高可达66MPa，远高于现有的以单相羟基磷灰石为固相粉剂的骨水泥，同时具有良好的生物相容性、可操作性，固化过程不依靠酸碱反应且放热极低，并且骨水泥呈中性，其优异的综合性能满足了临床应用的要求，可适用于硬组织骨的缺损修复、骨质疏松的治疗及骨折的固定和治疗。

Description

高强度的羟基磷灰石骨水泥的制备方法

所属技术领域

本发明涉及一种生物医用材料技术领域的方法，具体是一种高强度的新型羟基磷灰石骨水泥及其制备方法。

背景技术

目前骨水泥作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，其主要包括以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥为代表的第一代骨水泥和第二代磷酸钙骨水泥。磷酸钙骨水泥克服了第一代骨水泥生物相容性差、凝固聚合过程中大量放热、单体细胞毒性作用、可操作时间有限等问题，但磷酸钙骨水泥的固化是基于磷酸钙盐间的酸碱反应（即水化作用）进行的，固化过程中会造成骨水泥周围体液pH值的改变，从而引起骨水泥周围组织产生免疫反应；同时目前磷酸钙骨水泥抗压强度一般仅为20~40MPa，有的甚至更低，从而使其应用受到很大程度的限制。

第二代骨水泥固化后的最终产物为羟基磷灰石或缺钙型羟基磷灰石，羟基磷灰石具有完美的生物相容性和骨传导性，但由于羟基磷灰石本身不具备水化固化能力，目前羟基磷灰石在第二代骨水泥中还只是作为晶种加入固相粉剂中，用来促进骨水泥的固化。只有天津大学的高川等以单相羟基磷灰石粉体为固相粉剂，以浓度为50%以上的高浓度柠檬酸水溶液为固化液制备了羟基磷灰石骨水泥，但其抗压强度只达到13.06MPa，远远低于临床应用的要求；另外虽然柠檬酸溶液浓度与骨水泥的抗压强度成正比，但是其固化液中柠檬酸浓度过高，会引起骨水泥周围组织产生免疫反应；此外，柠檬酸溶液浓度与骨水泥的固化时间成反比，其过高的柠檬酸浓度使骨水泥固化速度过快，可操作时间有限。

日本学者Mamoru Aizawa在公开号为JP2005-95346A的专利中提出了新一代骨水泥，即利用经植酸溶液表面改性的单相羟基磷灰石粉体与去离子水调和来制备骨水泥，固化过程不依靠酸碱反应从而避免了第二代骨水泥固化过程中因酸碱反应引起的pH值改变的问题，但其抗压强度只有6.8MPa；之后他在公开号为JP2008-200476A的专利中通过对羟基磷灰石粉体粒径进行优化，可使骨水泥抗压强度最高达到16MPa；他在公开号为JP2009-178225A的专利中通过向固化液中加入葡聚糖硫酸酯等多聚糖及植酸使骨水泥的抗压强度最高达到34MPa；另外他在公开号为US2010/0132593A1的专利中通过优化羟基磷灰石合成工艺使骨水泥的抗压强度达到25.3MPa，此外在公开号为JP2012-130672的专利中他还通过向固化液中加入壳聚糖使骨水泥的抗压强度达到36MPa。综上所述，目前日本学者提出的新一代骨水泥的抗压强度仅达到了松质骨的水平，在临床上不能用于受力部位或骨质薄弱部位。值得注意的是，以上所述专利中骨水泥力学实验样品在制样模具中都被施加了轴向成型压力，才可使其达到专利中所描述的抗压强度水平，但这与临床实际应用操作不符。

综上所述，第一代骨水泥存在生物相容性差、凝固聚合过程中大量放热、单体的细胞毒性作用、可操作时间有限等问题；第二代磷酸钙骨水泥在固化过程中发生酸碱反应会引起骨水泥周围体液pH值的改变，同时抗压强度比较低；日本学者Mamoru Aizawa提出的新一代骨水泥，其最高抗压强度也仅达到了松质骨的水平，不能用于受力部位或骨质薄弱部位。针对目前骨水泥存在的以上问题，本发明提出了一种高强度的新型羟基磷灰石骨水泥，其具有良好的生物相容性、骨传导性及高的抗压强度，抗压强度最高可达66MPa，固化过程不依靠酸碱反应且放热极低，在23℃下固化时其最高温度仅为25.4℃，同时由于羟基磷灰石中的磷羟基与柠檬酸中的羧基相互作用使骨水泥呈中性，其优异的综合性能完全满足了临床应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有骨水泥存在的不足，提供一种具有良好的生物相容性，高的抗压强度，固化过程放热极低且不依靠酸碱反应，同时pH值呈中性的新型羟基磷灰石骨水泥。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：以经植酸溶液表面改性的单相羟基磷灰石粉体为固相粉剂，以低浓度柠檬酸水溶液为固化液，将固相粉剂与固化液按一定固液比进行调和，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。

一种高强度的新型羟基磷灰石骨水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将羟基磷灰石粉体与植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为0.005~0.05，球磨后得到浆体；

步骤二：对球磨后得到的浆体进行抽滤、清洗、干燥，即可得到经过植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体；

步骤三：将经植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体与柠檬酸水溶液进行调和，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥；其中经植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体与柠檬酸水溶液调和时的固液质量比为1:0.25~0.45，液相中柠檬酸的质量浓度为10%~40%。

步骤一所述的球磨时间为1~4h。

步骤一所述的植酸溶液的浓度为1000~10000ppm。

步骤二所述的干燥方法为真空冷冻干燥。

本发明具有以下有益效果：

（1）具有较高的抗压强度，最高抗压强度可达66MPa；

（2）固化过程放热极低，在23℃下固化时其最高温度仅为25.4℃；

（3）骨水呈中性；

（4）固化过程不依靠酸碱反应，不会引起周围体液pH值的改变；

（5）具有良好的生物相容性及骨传导性。

其优异的综合性能满足了临床应用的要求，可适用于硬组织骨的缺损修复、骨质疏松的治疗及骨折的固定和治疗。

附图说明

图1所示为骨水泥浸泡液pH值随时间变化曲线；

图2所示为骨水泥浸泡液pH值随时间变化曲线；

图3所示为骨水泥浸泡液pH值随时间变化曲线；

图4所示为骨水泥浸泡液pH值随时间变化曲线；

图5所示为固化过程中骨水泥温度随时间变化曲线；

图6所示为固化过程中骨水泥温度随时间变化曲线；

图7所示为固化过程中骨水泥温度随时间变化曲线；

图8所示为固化过程中骨水泥温度随时间变化曲线；

具体实施方式

以下实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的事实方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。

实施例1：

步骤一：

1)称取10g羟基磷灰石粉末；

2)配置浓度为10000ppm的植酸溶液：称取1.43g质量浓度为70%的植酸溶液，向其加入蒸馏水配成40ml，用0.1mol/L的NaOH溶液将其pH值调节到7.3左右，最后用蒸馏水将溶液定容到50ml，即可得到50ml浓度为10000ppm的植酸溶液；

3)将称好的羟基磷灰石粉体与配好的植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为0.05，控制球磨时间为2h，球磨后得到浆体；

步骤二：

对球磨后得到的浆体进行抽滤、蒸馏水清洗及真空冷冻干燥，即可得到球磨2h后的经10000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体。

步骤三：

1)配置质量浓度为40%的柠檬酸水溶液：称取8g柠檬酸，将其溶于12g蒸馏水中，即可得到质量浓度为40%的柠檬酸水溶液。

2)将球磨2h后的经10000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石的粉体与40%的柠檬酸水溶液按固液质量比1:0.35混合均匀，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。

抗压强度测试：将混合均匀后得到的骨水泥立即填入尺寸为6mm×12mm的模具孔中，稍有过量。约1h后用砂纸打磨骨水泥试样上下两个端面，并进行脱模，即可得到骨水泥压缩试样。待骨水泥压缩试样在室温下固化24h后，在万能材料试验机(CMT5105)上对试样进行抗压强度测试，载荷5KN，加压速度为0.5mm/min，一组试样平行测定3次。骨水泥压缩试样的平均抗压强度为63.28MPa。

pH值测试：将混合均匀后得到的骨水泥立即填入尺寸为6mm×12mm的模具孔中，一端抹平，1h后脱模，待试样固化24h后将其放入近似生理条件37℃、100ml的蒸馏水中，用pH计（雷磁PHS-3C）测定试样浸泡液的pH值，pH值变化情况如图1所示，骨水泥浸泡液在较长时间尺度一直保持中性。

实施例2：

步骤一：

1)称取10g羟基磷灰石粉末；

2)配置浓度为7000ppm的植酸溶液，操作步骤同实施例1；

3)将称好的羟基磷灰石粉体与配好的植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为0.035，控制球磨时间为4h，球磨后得到浆体；

步骤二：

对球磨后得到的浆体进行抽滤、蒸馏水清洗及真空冷冻干燥，即可得到球磨4h后的经7000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体。

步骤三：

1)配置质量浓度为20%的柠檬酸水溶液，操作步骤同实施例1。

2)将球磨4h后的经7000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石的粉体与20%的柠檬酸水溶液按固液质量比1:0.25混合均匀，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。

抗压强度测试同实施例1，骨水泥压缩试样的平均抗压强度为50.8MPa。

pH值测试同实施例1，浸泡液pH值变化情况如图2所示，骨水泥浸泡液在较长时间尺度一直保持中性。

实施例3：

步骤一：

1)称取10g羟基磷灰石粉末；

2)配置浓度为1000ppm的植酸溶液，操作步骤同实施例1。

3)将称好的羟基磷灰石粉体与配好的植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为0.005，控制球磨时间为2h，球磨后得到浆体；

步骤二：

对球磨后得到的浆体进行抽滤、蒸馏水清洗及真空冷冻干燥，即可得到球磨2h后的经1000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体。

步骤三：

1)配置质量浓度为10%的柠檬酸水溶液，操作步骤同实施例1。

2)将球磨2h后的经1000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石的粉体与10%的柠檬酸水溶液按固液质量比1:0.35混合均匀，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。

抗压强度测试同实施例1，骨水泥压缩试样的抗压强度为40.6MPa。

pH值测试同实施例1，浸泡液pH值变化情况如图3所示，骨水泥浸泡液在较长时间尺度一直保持中性。

实施例4：

步骤一：

1)称取10g羟基磷灰石粉末；

2)配置浓度为7000ppm的植酸溶液，操作步骤同实施例1。

3)将称好的羟基磷灰石粉体与配好的植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为0.035，控制球磨时间分别为1h，球磨后得到浆体；

步骤二：

对球磨后得到的浆体进行抽滤、蒸馏水清洗及真空冷冻干燥，即可得到球磨2h后的经7000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体。

步骤三：

1)配置质量浓度为20%的柠檬酸水溶液，操作步骤同实施例1。

2)将球磨2h后的经7000ppm植酸溶液表面改性的羟基磷灰石的粉体与20%的柠檬酸水溶液按固液质量比1:0.45混合均匀，即可得到高强度的新型羟基磷灰石骨水泥。

抗压强度测试同实施例1，骨水泥压缩试样的抗压强度为44.9MPa。

pH值测试同实施例1，浸泡液pH值变化情况如图4所示，骨水泥浸泡液在较长时间尺度一直保持中性。

实施例5：

固化过程放热测试：取实施例1中制备的在浓度为10000ppm的植酸溶液中经过2h球磨同时改性后的羟基磷灰石粉体为固相粉剂，质量浓度为40%的柠檬酸水溶液为固化液。将固相粉剂、固化液、智能温度记录仪(L93-1H)及骨水泥混合设备在23℃下保持2h；然后将固相粉剂与固化液按固液质量比1:0.35混合均匀，立即将混合后得到的骨水泥填入尺寸为60mm×6mm的模具孔中，用智能温度记录仪连续测定其温度，直至温度开始下降后不久为止，骨水泥放热情况如图5所示，固化过程中骨水泥的最高温度为25.4℃，温升仅为2.4℃，放热极低。

实施例6：

固化过程放热测试：取实施例2中制备的在浓度为7000ppm的植酸溶液中经过4h球磨同时改性后的羟基磷灰石粉体为固相粉剂，质量浓度为20%的柠檬酸水溶液为固化液。控制固液质量比为1:0.25，其他操作步骤同实施例5，骨水泥放热情况如图6所示，固化过程中骨水泥的最高温度为24.7℃，温升仅为1.7℃，放热极低。

实施例7：

固化过程放热测试：取实施例3中制备的在浓度为1000ppm的植酸溶液中经过2h球磨同时改性后的羟基磷灰石粉体为固相粉剂，质量浓度为10%的柠檬酸水溶液为固化液。控制固液质量比为1:0.35，其他操作步骤同实施例5，骨水泥放热情况如图7所示，固化过程中骨水泥的最高温度为25℃，温升仅为2℃，放热极低。

实施例8：

固化过程放热测试：取实施例4中制备的在浓度为7000ppm的植酸溶液中经过1h球磨同时改性后的羟基磷灰石粉体为固相粉剂，质量浓度为20%的柠檬酸水溶液为固化液。控制固液质量比为1:0.45，其他操作步骤同实施例5，骨水泥放热情况如图8所示，固化过程中骨水泥的最高温度为24.8℃，温升仅为1.8℃，放热极低。

Claims (1)

1.一种高强度的羟基磷灰石骨水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将羟基磷灰石粉体与植酸溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时改性，其中植酸与羟基磷灰石的质量比为1:(20~200)，球磨后得到浆体；其中植酸溶液的浓度为1000~10000ppm，球磨时间为1~4h；

步骤二：对球磨后得到的浆体进行抽滤、清洗、干燥，即可得到经植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体；其中干燥方法为真空冷冻干燥；

步骤三：将经植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体与柠檬酸水溶液进行调和，即得到高强度的羟基磷灰石骨水泥；其中经植酸溶液表面改性的羟基磷灰石粉体与柠檬酸水溶液调和时的固液质量比为1:（0.25~0.45），液相中柠檬酸的质量浓度为10%~40%。