CN105107021A - 一种可注射型抗菌骨水泥及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可注射型抗菌骨水泥及制备方法和应用，包括粉体和液体两部分；粉体和液体的质量比2.5～1:1；粉体由银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石和半水硫酸钙组成，其中半水硫酸钙质量百分含量为50％～95％，银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石为5％～50％；所述的半水硫酸钙为α-半水硫酸钙；液体由水或有机物水溶液组成；骨水泥植入体内后，银锶元素同步降解释放，银缓释降解赋予骨水泥良好的抗菌效果，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有明显的抑菌作用；锶的缓释降解提高了骨水泥的生物相容性、生物降解性，并在一定程度上提高了骨水泥的成骨活性。骨水泥具有抗菌、可注射性好、抗压强度高的特点，用于多种骨折固定和骨缺损的填充修复。

Description

一种可注射型抗菌骨水泥及制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，涉及一种可注射用于骨组织修复兼具抗菌性的骨水泥；特别是一种可注射型抗菌骨水泥及制备方法和应用。

背景技术

人工骨修复是目前治疗骨缺损较为理想的方法。硫酸钙作为一种传统的骨修复材料，以其良好的生物相容性、可注射性、骨传导性等在骨修复方面具有良好的应用前景：自1892年Dressman首次使用硫酸钙成功治愈骨缺损以来，硫酸钙骨修复材料逐渐发展，1996年美国Wright公司研制生产了外科级硫酸钙骨水泥并通过美国FDA及欧洲各国认证；美国Wright公司又生产出了新一代可注射型植骨材料——MIIG骨水泥，不仅临床疗效和生物学性质更加确切、稳定，而且为微创治疗骨缺损提供了一种有效途径；此外，Biocomposites公司生产的新一代可载药的注射型人工骨Stimulan在为新生骨形成提供临时支架的同时，还能够为抗生素的释放起到缓释载体的作用。但是，硫酸钙骨水泥同时也存在可注射时间较短、缺乏骨诱导活性等缺点。

羟基磷灰石具有良好的生物活性和生物相容性，对新骨生长具有诱导作用。但是羟基磷灰石机械强度低、降解速度慢等缺点在一定程度上限制了其应用。锶(Sr)作为一种人体的微量元素，不仅可以增加成骨细胞相关基因的表达和间充质干细胞碱性磷酸酶活性，而且可以阻碍破骨细胞的分化，有利于细胞增殖，达到更好的成骨效果。掺锶羟基磷灰石是在羟基磷灰石中掺锶后形成的置换式固溶体，根据文献报道，含有较低剂量的锶(一般低于10％)的掺锶纳米羟基磷灰石能够提高其生物降解性和生物相容性，甚至能在一定程度上提高其骨诱导活性。

人工骨修复材料植入后也极易发生感染等并发症。银(Ag)作为一种最常见抗菌剂已经得到广泛研究，其对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有良好的抗性，但将银锶双元素共掺杂改善羟基磷灰石的研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的具有抗菌性的可注射型骨水泥及制备方法，在羟基磷灰石中同时引入银、锶元素，替代钙元素生成银、锶双元素共掺杂羟基磷灰石，银的掺杂赋予羟基磷灰石抗菌性，锶的掺杂赋予羟基磷灰石骨诱导性，将合成的银、锶共掺杂羟基磷灰石与硫酸钙复合制备可注射型抗菌骨水泥，制得的骨水泥具有抗菌性好、可注射、强度高的特点，同时还具有良好的生物相容性和骨诱导性。

本发明采用的技术方案是：

一种可注射型抗菌骨水泥，包括粉体和液体两部分；粉体和液体的质量比2.5～1:1；

粉体：由银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石和半水硫酸钙组成，其中半水硫酸钙质量百分含量为50％～95％，银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石为5％～50％；所述的半水硫酸钙为α-半水硫酸钙；

液体：由水或有机物水溶液组成；具体选用下面的一种：

0.05～3％的海藻酸钠水溶液；0.05～3％的透明质酸钠水溶液；0.01～1％的聚乙烯醇水溶液；0.01～1％的聚乙二醇水溶液；0.01～5％的羧甲基纤维素钠水溶液或注射水；特别选用0.05～3％的海藻酸钠水溶液。

在银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石中，摩尔比Ag/(Ag+Sr+Ca)为0.01～0.3:10，Sr/(Ag+Sr+Ca)为0～5:10，Sr元素含量为0时，制备的为掺银纳米羟基磷灰石。

银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石按照以下步骤制备：

(1)配置相同浓度的硝酸银溶液、硝酸锶溶液、硝酸钙溶液及磷酸钠溶液；

(2)将四种溶液分别泵入到装有注射用水可搅拌的容器中，泵入速度分别为硝酸银溶液0.1～3mL/min，硝酸锶溶液0～20mL/min，硝酸钙溶液77～99.9mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，泵入总量不超过500mL，泵入结束后继续搅拌30～60min；

(3)将混合均匀的溶液转移置于150℃环境下反应5h，停止反应，经洗涤、抽滤，反复3～5次，得到白色沉淀，在80℃下，恒温干燥、研磨得到不同含量的银、锶共掺杂的纳米羟基磷灰石。

配置溶液的浓度不得大于0.5mol/L，制备过程未添加模板剂等杂质相，获得的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石中纯度高，形貌可控，为棒状纳米晶，粒径均匀分布在3～30nm，具有抗菌性，骨诱导性。可添加到硫酸钙中用于改善骨水泥的注射性、力学性能、抗菌性能及骨诱导性。

可注射型抗菌骨水泥的制备方法如下：

(1)按照质量比调配银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石和半水硫酸钙粉体。

(2)按照粉液质量比2.5～1:1，将粉体加入液体混合，搅拌均匀，在37℃、100％相对湿度条件下固化形成可注射型抗菌骨水泥。

骨水泥粉体中部分半水硫酸钙可被二水硫酸钙或磷酸钙替代，用于改善骨水泥的固化性能及降解性能，来满足不同情况缺损的需要，可用于骨折固定、骨缺损的填充。

本发明优点在于：不需要任何添加剂，直接控制原料添加量及反应温度，制备银锶双元素共掺杂羟基磷灰石，银锶同时取代晶格中的钙，制备不同掺杂量的银锶双元素共掺杂纳米羟基磷灰石，赋予羟基磷灰石抗菌性和骨诱导性，形貌可控为棒状纳米晶，粒径均匀分布在在3～30nm。将制备的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石与半水硫酸钙复合，按照一定的粉液质量比与水或有机物水溶液混合、固化，制备出一种新型的可注射型抗菌骨水泥。骨水泥植入体内后，银锶元素同步降解释放，银缓释降解赋予骨水泥良好的抗菌效果，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有明显的抑菌作用；锶的缓释降解提高了骨水泥的生物相容性、生物降解性，并在一定程度上提高了骨水泥的成骨活性。本发明制得的骨水泥具有抗菌、可注射性好、抗压强度高的特点，同时还具有良好的生物相容性和可降解性。本发明简单、易操作，可以用于多种骨折固定和骨缺损的填充修复。

附图说明

图1：银锶双元素共掺杂纳米羟基磷灰石XRD图；

由图1所示，可知分别为Sr1Ag0.01、Sr1Ag0.1、Sr1Ag0.3、Sr2Ag0.3、Sr5Ag0.1的XRD；

图2：银锶双元素共掺杂纳米羟基磷灰石TEM图；

如图2(a)为Sr1Ag0.3的TEM、图2(b)为Sr2Ag0.3的TEM；

图3：可注射型抗菌骨水泥抗压强度图；

图4：可注射型抗菌骨水泥在模拟体液中浸泡7天后的XRD图谱；

图5：可注射型抗菌骨水泥在模拟体液中浸泡7天后的SEM图；

图6：可注射型抗菌骨水泥对革兰氏阴性菌大肠杆菌的抑菌环图。

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：

银锶共掺杂纳米羟基磷灰石的制备：

(1)配置相同浓度的硝酸银溶液、硝酸锶溶液、硝酸钙溶液及磷酸钠溶液，溶液的浓度为0.3mol/L；

(2)将四种溶液使用蠕动泵分别泵入到装有500mL注射用水可搅拌的容器中，泵入速度分别为硝酸银溶液3mL/min，硝酸锶溶液10mL/min，硝酸钙溶液87mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，泵入总量为480ml，泵入结束后继续搅拌60min；

(3)将混合均匀的溶液转移置于150℃环境下反应8h，停止反应，经注射水洗涤、抽滤，反复3～5次，得到白色沉淀，在80℃下，恒温干燥、研磨得到银锶共掺杂纳米羟基磷灰石[Sr1Ag0.3]。

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.85g(95％)半水硫酸钙和0.15g(5％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.3)，混合均匀；液体是质量百分比为3％的海藻酸钠溶液1.5g，加入到粉体中(粉液质量比2:1)搅拌混合2.5min，可注射时间为8min左右。

如图1所示对制备的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石进行XRD表征，与纯HA对比，如图1所示，由于银、锶原子半径大，晶格畸变，衍射峰向低角度偏移，可知银锶元素替代钙元素，实现了对纳米羟基磷灰石的银锶双元素共掺杂。

对制备的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石进行TEM表征，如图2(a)所示，可知制备的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石形貌为棒状纳米晶，粒径尺寸为3～30nm。

将骨水泥注射到制样模具中，固化后得到直径为6.0mm长度为12mm的试样。在万能力学测试机上进行抗压强度测试，测试机压头的位移速率为0.3mm/min，直至试样破裂，如附图3-A所示，制得的试样抗压强度在为14.9MPa。

实施例2：

按照实施例1的方法，控制溶液的泵入速度分别为硝酸银溶液1mL/min，硝酸锶溶液10mL/min，硝酸钙溶液89mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，制备银锶掺杂的纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.1)，并进行XRD表征。

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.4g(80％)半水硫酸钙和0.6g(20％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.1)，混合均匀；液体是质量百分比为1％的海藻酸钠溶液1.25g，加入到粉体中(粉液质量比2.4:1)搅拌混合2min，可注射时间为7.5min左右。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为11.2MPa(附图3-B所示)。

将固化后的骨水泥置于SBF溶液中7天，烘干研磨进行XRD表征，如附图4所示，固化后的骨水泥成分主要为二水硫酸钙和羟基磷灰石，说明固化过程中半水硫酸钙很快变成二水硫酸钙。

对固化后的样品进行扫描电子显微镜观察，如附图5所示，固化后的骨水泥成柱状分布，并有纳米羟基磷灰石粒子均匀分布在柱状物表面。

实施例3：

按照实施例1的方法，控制溶液的泵入速度分别为硝酸银溶液0.1mL/min，硝酸锶溶液10mL/min，硝酸钙溶液90.9mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，制备银锶掺杂的纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.01)，并进行XRD表征。

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.1g(70％)半水硫酸钙和0.9g(30％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.01)，混合均匀；液体是质量百分比为0.05％的海藻酸钠溶液2g，加入到粉体中(粉液质量比1.5:1)搅拌混合3min，可注射时间为10min左右。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为11.8MPa(附图3-C所示)。

实施例4：

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取1.8g(60％)半水硫酸钙和1.2g(40％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr1Ag0.3)，混合均匀；量取注射用水2.5mL，加入到粉体中(粉液质量比1.2:1)搅拌混合2.5min，可注射时间为13min左右。

将骨水泥制成圆片(Φ12mm×2mm)，对其进行抗菌实验，对大肠杆菌的抑菌环直径平均为22cm(如附图6所示)，说明该抗菌骨水泥对大肠杆菌具有良好的抗菌性。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为12.5MPa(附图3-D所示)。

实施例5：

按照实施例1的方法，控制溶液的泵入速度分别为硝酸银溶液1mL/min，硝酸锶溶液0mL/min，硝酸钙溶液99mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，制备银锶掺杂的纳米羟基磷灰石(Sr0Ag0.1)，

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取1.5g(50％)半水硫酸钙和1.5g(50％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr0Ag0.1)，混合均匀；量取注射用水3mL，加入到粉体中(粉液质量比为1:1)搅拌混合3min，可注射时间为20min左右。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为10.7MPa(附图3-E所示)。

实施例6：

按照实施例1的方法，控制溶液的泵入速度分别为硝酸银溶液3mL/min，硝酸锶溶液20mL/min，硝酸钙溶液77mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，制备银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr2Ag0.3)，并进行XRD表征。

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.7g(90％)半水硫酸钙和0.3g(10％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr2Ag0.3)，混合均匀；量取注射用水1.5mL，加入到粉体中(粉液质量比为2:1)搅拌混合2min，可注射时间为5min左右。

如图2(b)所示，对制备的银锶共掺杂纳米羟基磷灰石进行TEM观察，形貌为棒状纳米晶，粒径尺寸为3～30nm。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为15.5MPa(附图3-F所示)。

实施例7：

按照实施例1的方法，控制溶液的泵入速度分别为硝酸银溶液1mL/min，硝酸锶溶液50mL/min，硝酸钙溶液49mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，制备银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr5Ag0.1)，并进行XRD表征。

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.85g(95％)半水硫酸钙和0.15g(5％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr5Ag0.1)，混合均匀；量取去离子水2mL，加入到粉体中(粉液质量比为1.5:1)搅拌混合2min，可注射时间为12min左右。

按照实施例1的方法制备、测试试样抗压强度，所得结果为15.3MPa(附图3-G所示)。

实施例8：

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.4g(80％)半水硫酸钙、0.45g(15％)二水硫酸钙和0.15g(5％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr5Ag0.1)，混合均匀；量取去离子水2mL，加入到粉体中(粉液质量比为1.5:1)搅拌混合2min，可注射时间为11min左右。

实施例9：

可注射型抗菌骨水泥的制备：称取2.4g(80％)半水硫酸钙、0.45g(15％)磷酸三钙和0.15g(5％)银锶共掺杂纳米羟基磷灰石(Sr5Ag0.1)，混合均匀；量取去离子水2mL，加入到粉体中(粉液质量比为1.5:1)搅拌混合2min，可注射时间为13min左右。

本发明公开和提出的骨水泥和制备方法及应用，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (8)

1.一种可注射型抗菌骨水泥，包括粉体和液体两部分，其特征是：

粉体：由银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石和半水硫酸钙组成，其中半水硫酸钙质量百分含量为50％～95％，银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石为5％～50％；

液体：由水或有机物水溶液组成；

粉体和液体的质量比2.5～1:1。

2.如权利要求1所述的骨水泥，其特征是所述的有机水溶液包括0.05～3％的海藻酸钠水溶液、0.05～3％的透明质酸钠水溶液、0.01～1％的聚乙烯醇水溶液、0.01～1％的聚乙二醇水溶液或0.01～5％的羧甲基纤维素钠水溶液的一种。

3.如权利要求1所述的骨水泥，其特征是所述的半水硫酸钙为α-半水硫酸钙。

4.如权利要求1所述的骨水泥，其特征是在银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石中，摩尔比Ag/(Ag+Sr+Ca)＝0.01～0.3:10，Sr/(Ag+Sr+Ca)为0～5:10，Sr元素含量为0时，制备的为掺银纳米羟基磷灰石。

5.如权利要求1所述的骨水泥，其特征是银、锶共掺杂纳米羟基磷灰石制备方法是：

(1)配置相同浓度的硝酸银溶液、硝酸锶溶液、硝酸钙溶液及磷酸钠溶液；

(2)将四种溶液分别泵入到装有注射用水带搅拌的容器中，泵入速度分别为硝酸银溶液0.1～3mL/min，硝酸锶溶液0～20mL/min，硝酸钙溶液77～99.9mL/min，磷酸钠溶液60mL/min，泵入结束后继续搅拌30～60min；

(3)将混合均匀的溶液转移置于150℃环境下反应5h，停止反应，经洗涤、抽滤，得到白色沉淀，在80℃下，恒温干燥、研磨得到不同含量的银、锶共掺杂的纳米羟基磷灰石。

6.可注射型抗菌骨水泥的制备方法，其特征是步骤如下：

按照粉体和液体的质量比2.5～1:1，将粉体加入液体混合，搅拌均匀，在37℃、100％相对湿度条件下固化形成可注射型抗菌骨水泥。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是骨水泥粉体中部分半水硫酸钙用二水硫酸钙或磷酸钙替代。

8.可注射型抗菌骨水泥的应用于骨折固定、骨缺损的填充。