CN105031738A - 一种低放热骨水泥及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低放热骨水泥及制备方法和应用;骨水泥由粉体和液体质量比为2:1组成:粉体为β-胡萝卜素、过氧化苯甲酰2%和聚甲基丙烯酸甲酯97.5~97.95%;液体为β-胡萝卜素0.1~5%、甲基丙烯酸甲酯93~97.9%和对苯二酚1%。在骨水泥粉体和液体中,分别引入胡萝卜素,骨水泥固化时,部分胡萝卜素在BPO的作用下分解转变成维生素A,维生素A与MMA发生酯交换反应吸热,延长骨水泥的固化时间,改善骨水泥的注射性能,显著降低骨水泥的热量释放,最高温度由87℃降低到73℃。且在体内释放,起抗菌抗炎的作用,并预防骨退行性疾病的发生。本发明可用于骨质疏松等引起的骨折固定、骨缺损填充。
Description
技术领域
本发明涉及一种低放热骨水泥及制备方法和应用,主要用于骨科材料领域。
背景技术
PMMA骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯)是目前临床上应用最多的一种骨水泥,它由粉体和液体两部分组成。粉体主要成分为PMMA,液体主要成分是MMA(甲基丙烯酸甲酯)单体。PMMA骨水泥可注射成型和制成任意形状,力学强度高,但同时PMMA骨水泥还存在一些局限性[Belkoff,S.Metal...Temperaturemeasurementduringpolymerizationofpolymethylmethacrylatecementusedforvertebroplasty.Spine.2003,28:1555-1559],如单体具有一定的毒性,生物相容性欠佳,注入人体后不能吸收降解,同时其无成骨作用,与骨结合不牢固,易松动,并且聚合过程中的放热反应可能造成神经功能损伤[Cortet,Betal...Percutaneousvertebroplastyinpatientswithosteolyticmetastasesormultiplemyeloma.RevRhumEnglEd.1997,64(3):177-83/Bartucci,E.Jetal...Theeffectofadjunctivemethylmethacrylateonfailuresoffixationandfunctioninpatientswithintertrochantericfracturesandosteoporosis.J.BoneJointSurg(am).1985,67(7):1094]等。针对骨水泥聚合反应性高温对周围组织造成明显热损伤,导致局部炎症、组织坏死等一系列并发症,许多研究报道通过改变骨水泥自身特性,改良骨水泥相关技术的方法有效预防或减轻骨水泥热损伤。Arora等[AroraM,ChanEK,GuptaS,eta1.Polyrnethylmethacrylatehonecementsandadditives:areviewoftheliterature[J].WorldJOrthop,2013,4(2):67W4.]。
骨水泥在使用中不仅要减少骨水泥放热对周围组织的伤害,还要保持骨水泥具有良好的生物特性。硫酸钙、磷酸钙、羟基磷灰石等是很好的生物活性材料,羟基磷灰石是人体硬组织的无机成分,与骨组织有很好的相容性和亲和力,磷酸钙无毒性、生物相容性好、可吸收降解并被新生骨组织替代、其降解产物为羟基磷灰石,可用于填充骨缺损。
但硫酸钙、磷酸钙等加入到骨水泥中均不能改善骨水泥固化放热的问题,骨水泥的最高固化温度基本无改变。β-胡萝卜素是一种具有生理活性的脂溶性物质,其许多生物功能与人类健康有密切关系,其在抗氧化、解毒、抗癌、预防心血管疾病,已被越来越多地证实并应用于疾病的预防和治疗,但β-胡萝卜素应用于骨水泥中,应用于改善骨水泥的固化放热问题还未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低放热骨水泥,通过在骨水泥中添加β-胡萝卜素,骨水泥固化时,β-胡萝卜素分解转变的维生素A与甲基丙烯酸甲酯(MMA)发生酯交换可吸收骨水泥聚合放出的热量,降低骨水泥的最高聚合温度,延长骨水泥的固化时间,增加骨水泥的注射时间;随着骨水泥中胡萝卜素含量增加,骨水泥聚合最高温度呈下降趋势,液体中胡萝卜素质量百分比含量为5%时,骨水泥最高聚合温度由87℃降低到73℃。且在体内释放,起抗菌抗炎的作用,并预防骨退行性疾病的发生。本发明可用于骨质疏松等引起的骨折固定、骨缺损填充。
骨水泥中含有β-胡萝卜素,具有抗氧化性和抗菌性,具有抑制免疫活性细胞过度反应,淬灭引起免疫抑制的过氧化物,维持膜的流态流动性,有助于维持免疫功能必需的膜受体状态,对免疫调节分子的释放起作用,具有预防细胞老化,抗衰老的作用,还有抗菌抑菌、抗癌的作用。植入体内β-胡萝卜素释放,与体内氧自由基结合,减少氧自由基对成骨细胞的细胞毒性,可以保护成骨细胞在骨生长改建过程中产生的自由基的损害,促进成骨细胞分化。
根据本发明的研究,具体技术方案如下:
一种低放热骨水泥,由粉体和液体质量比为2:1组成,具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
β-胡萝卜素0.05~0.5%;
过氧化苯甲酰2%;
聚甲基丙烯酸甲酯97.5~97.95%;
液体:
本发明的积极进步效果在于:在骨水泥粉体和液体中,分别引入胡萝卜素,骨水泥固化时,部分胡萝卜素在BPO的作用下分解转变成维生素A,维生素A与MMA发生酯交换反应吸热,延长骨水泥的固化时间,改善骨水泥的注射性能,显著降低骨水泥的热量释放,最高温度由87℃降低到73℃。
在骨水泥粉体中,β-胡萝卜素含量的增加,骨水泥的固化时间延长。骨水泥液体中β-胡萝卜素的增加到一定量,骨水泥的固化时间延长,制备的骨水泥的抗压强度在70MPa以上,满足人体力学性能的需要。
依据上述发明的内容,也可在上述骨水泥粉体中添加磷酸钙,提供一种低放热可部分降解的骨水泥,骨水泥中含有磷酸钙盐及β-胡萝卜素,解决骨水泥植入体内后骨水泥-骨界面结合不牢,导致骨水泥不能长期固定而脱落的问题,并通过胡萝卜素的释放预防骨水泥的老化及骨退行性疾病的发生,也可以使用掺杂微量元素的磷酸钙、硫酸钙、碳酸钙以及显影剂中的一种或多种来替代磷酸钙;具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
液体:
依据上述发明的内容,也可在骨水泥液体中添加维生素A,骨水泥固化时,在BPO的作用下通过酯交换反应吸收部分骨水泥释放的热量,降低骨水泥的固化温度;其具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
磷酸钙10~30%;
过氧化苯甲酰2%;
聚甲基丙烯酸甲酯68~88%;
液体:
本发明的骨水泥的制备方法,其步骤如下:
(1)骨水泥粉体的均匀混合;
(2)骨水泥液体的配置混合:将质量百分比为0.1~5%的β-胡萝卜素或维生素A加入到93~97.9%甲基丙烯酸甲酯单体1%N,N二甲基对甲苯胺和1%对苯二酚中,通过磁力搅拌溶解、混合8~24h,得到骨水泥液体;
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有5~15分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
该骨水泥可以用于骨质疏松引起的骨折固定、骨缺损填充,应用于骨科材料领域。
骨水泥固化后磷酸钙和β-胡萝卜素(维生素A)均匀分布在骨水泥中,植入体内后,随时间推移,磷酸钙逐步降解释放出钙磷离子,引导骨细胞生长形成新的骨组织,降解形成的孔洞利于细胞长入骨水泥内部,骨-骨水泥交叉包覆,形成紧密结合,防止骨水泥-骨界面的结合不稳固,长时间磨损滑脱;在骨水泥部分降解的同时,β-胡萝卜素、维生素A起到预防骨水泥老化、抗菌杀菌的作用,并预防老年骨退行性疾病的发生。
附图说明
图1:骨水泥固化后红外光谱图;
与PMMA、β-胡萝卜素的红外标准谱图对比可知,图1中所示,3600处为游离的羟基峰,2920、2850和1470处为CH振动,1740处为酯羰基。
图2:β-胡萝卜素对骨水泥抗压强度的影响;
其中,A为骨水泥液体中含质量百分比为0.1%β-胡萝卜素的试样,B为骨水泥液体中含质量百分比为0.5%β-胡萝卜素的试样,C为骨水泥液体中含质量百分比为1%β-胡萝卜素的试样,D为骨水泥液体中含质量百分比为5%β-胡萝卜素的试样。
图3:β-胡萝卜素对骨水泥抗弯强度的影响;
其中,A为骨水泥液体中含质量百分比为0.1%β-胡萝卜素的试样,B为骨水泥液体中含质量百分比为0.5%β-胡萝卜素的试样,C为骨水泥液体中含质量百分比为1%β-胡萝卜素的试样,D为骨水泥液体中含质量百分比为5%β-胡萝卜素的试样。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此:
实施例1~3
(1)将β-胡萝卜素(0.1%、0.2%、0.5%)与PMMA(97.9%,97.8%,97.5%)、BPO(2%)混合12h,得到骨水泥粉体。
(2)将β-胡萝卜素(1%)加入到预混好的MMA(97%)、N,N二甲基对甲苯胺(1%)和对苯二酚(1%)中,通过磁力搅拌溶解、混合24h,得到骨水泥液体。
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有5~8分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
按照骨水泥行业标准,测定骨水泥最高温度及固化时间;将骨水泥注射到合适的模具中固化1h,制备抗压、抗弯强度试样,测定骨水泥的抗压、抗弯强度。
由图1测定的固化后的骨水泥的红外光谱图及对比标准谱,3600处有大量的羟基,以及2920、2850和1470处强烈的CH振动,可知有长链CH键,在骨水泥固化过程中,部分β-胡萝卜素分解变成维生素A,加之1740处酯羰基分裂并变宽,可知骨水泥固化过程中,发生酯交换反应。
由表1可知,骨水泥液体中加入质量百分比为1%的β-胡萝卜素,骨水泥粉体中随着加入的β-胡萝卜素含量的增加,骨水泥的固化时间由12min延长到17min,骨水泥最高温度由83℃降低到76℃,但骨水泥的注射时间基本无改变。
表1:β-胡萝卜素(粉)含量不同对骨水泥的性能影响
实施例4~7
(1)将β-胡萝卜素(0.1%)与PMMA(97.9%)、BPO(2%)混合12h,得到骨水泥粉体;
(2)将β-胡萝卜素(0.1%,0.5%,1%,5%)加入到预混好的MMA(97.9%,97.5%,97%,93%)、N,N二甲基对甲苯胺(1%)和对苯二酚(1%)中,通过磁力搅拌溶解、混合24h,得到骨水泥液体;
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有5~10分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
由表2及图2、3可知,骨水泥粉体中加入质量百分比为0.1%的β-胡萝卜素,骨水泥液体中随着加入β-胡萝卜素含量的增加,骨水泥的注射时间、固化时间延长、最高温度由83℃降低到73℃,抗压强度在80MPa~105MPa的范围内变动,满足骨水泥的行业标准中关于抗压强度要大于70MPa的要求,抗弯强度在47~52MPa的范围内变动。
表2:β-胡萝卜素(液)含量不同对骨水泥的性能影响
β-胡萝卜素(粉) | β-胡萝卜素(液) | 注射时间 | 固化时间 | 最高温度 |
0.1% | 0.1% | 6.5min | 12min | 87 |
实施例8-10
(1)将磷酸钙(10%、20%、30%)与β-胡萝卜素(0.2%)、PMMA(87.8%,77.8%,67.8%)、BPO(2%)混合12h,得到骨水泥粉体。
(2)将β-胡萝卜素(1%)加入到预混好的MMA(97%)、N,N二甲基对甲苯胺(1%)和对苯二酚(1%)中,通过磁力搅拌溶解、混合24h,得到骨水泥液体。
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有9~15分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
由表3可知,骨水泥液体中加入质量百分比为1%的β-胡萝卜素,骨水泥粉体中加入质量百分比为0.2%的β-胡萝卜素,随着加入的磷酸钙含量的增加骨水泥的注射时间增加,由9min延长到14min,固化时间由16min延长到20min,但骨水泥的最高温度基本无改变。
表3:磷酸钙(粉)含量不同对骨水泥的性能影响
实施例11-14
(1)将磷酸钙(20%)与PMMA(78%)、BPO(2%)混合12h,得到骨水泥粉体;
(2)将维生素A(0.1%,0.5%,1%,5%)加入到预混好的MMA(97.9%,97.5%,97%,93%)、N,N二甲基对甲苯胺(1%)和对苯二酚(1%)中,通过磁力搅拌溶解、混合24h,得到骨水泥液体;
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有8~13分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
由表4可知,骨水泥粉体中加入质量百分比为20%的磷酸钙,骨水泥液体中随着加入维生素A含量的增加,骨水泥的注射时间、固化时间延长,最高温度由86℃降低到74℃。
表4:维生素A(液)含量不同对骨水泥的性能影响
Claims (4)
1.一种低放热骨水泥,由粉体和液体质量比为2:1组成,其特征是具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
β-胡萝卜素0.05~0.5%;
过氧化苯甲酰2%;
聚甲基丙烯酸甲酯97.5~97.95%;
液体:
2.一种低放热骨水泥,由粉体和液体质量比为2:1组成,其特征是具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
液体:
3.一种低放热骨水泥,由粉体和液体质量比为2:1组成,其特征是具体组份和质量百分含量如下:
粉体:
磷酸钙10~30%;
过氧化苯甲酰2%;
聚甲基丙烯酸甲酯68~88%;
液体:
4.权利要求1、2、3所述的骨水泥的制备方法,其特征是步骤如下:
(1)骨水泥粉体的均匀混合;
(2)骨水泥液体的配置混合:将质量百分比为0.1~5%的β-胡萝卜素或维生素A加入到93~97.9%甲基丙烯酸甲酯单体1%N,N二甲基对甲苯胺和1%对苯二酚中,通过磁力搅拌溶解、混合8~24h,得到骨水泥液体;
(3)使用骨水泥混合搅拌系统,按照粉液质量比2:1先加入粉体,在加入相应的液体成分,混合均匀后,骨水泥有5~15分钟的注射时间,固化后即制得骨水泥。
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