CN105031738B - 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.M et al...Temperature measurement during polymerization ofpolymethylmethacrylatecementused for vertebroplasty.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,Bet al...Percutaneous vertebroplasty in patients with osteolyticmetastases ormultiple myeloma.Rev RhumEngl Ed.1997,64(3):177-83/Bartucci,E.J et al...Theeffect of adjunctive methylmethacrylate on failures of fixation and functionin patients with intertrochanteric fractures and osteoporosis.J.Bone JointSurg(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[Arora M，Chan EK，Gupta S，et a1.Polyrnethylmethacrylate hone cements andadditives：a review of theliterature[J].World J Orthop，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
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 (3)
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％；
聚甲基丙烯酸甲脂97.5～97.95％；
液体：
β-胡萝卜素0.1～5％；
甲基丙烯酸甲酯93～97.9％；
N，N二甲基对甲苯胺1％；
对苯二酚1％。
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：
β-胡萝卜素0.05～0.5％；
磷酸钙10～30％；
过氧化苯甲酰2％；
聚甲基丙烯酸甲脂67.5～87.95％；
液体：
β-胡萝卜素0.1～5％；
甲基丙烯酸甲酯93～97.9％；
N，N二甲基对甲苯胺1％；
对苯二酚1％。
3.权利要求1或2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％对苯二酚溶液中，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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