CN105251058A - 一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，将半水硫酸钙、载药的β-磷酸三钙和羟基磷灰石混合，得到改性的碳酸钙骨水泥固相粉末，以磷酸钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶为改性剂，制备中性骨水泥固化液，改善了配方可注射性；将骨水泥固相粉末与固化液混合，增加了固化产物主要成分透钙磷石和羟基磷灰石，在生物体内具有更好的降解能力。本发明所用原料简单，制备过程简易，可大规模生产。该骨水泥配方对硫酸钙型骨水泥的固化时间和可注射性的改进效果显著，并具有负载药物的功能，在临床骨组织修复领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物医用材料技术领域的方法，具体是以自制粒径为水合硫酸钙粒径为200-2000nm，所述β-磷酸三钙粒径为15-100nm，，羟基磷灰石粒径为100-1000nm为主要成分，添加阿伦磷酸钠及万古霉素等抗生素等成分，作为中性可注射骨水泥粉末。固化液部分为中性磷酸氢钠溶液或氯化钠，在其中添加磷酸化壳聚糖、明胶等组分改善骨水泥的流动性，构建促进骨结构增殖生长的新型多孔骨水泥修复体系。
背景技术
我国每年因交通事故、工伤等原因造成骨缺损而需要移植的患者达到了300万人之多，这使得临床上需要进行骨修复治疗患者的增加，刺激了骨修复材料的技术发展。骨愈合几只的自身成骨作用、骨诱导理论和骨传导理论要求理想的骨缺损修复材料应满足：①良好的生物相容性，无毒、不至畸、利于细胞粘附增殖②良好的生物降解性，基质材料在完成支架作用后降解率与组织细胞生长率相适应③三维立体多孔结构，利于细胞粘附增长，细胞外基质沉积，营养和氧气进入，也有利于血管神经生长④可塑性和一定的机械强度，为新生组织提供支撑⑤骨诱导活性，需要考虑到骨诱导性和骨传导性。可注射型骨修复材料，即注射型骨水泥，指将材料直接注射到病患部位，不需要提取塑形，微创植入，完全填充骨缺损，在体内迅速固化为有多孔微结构的支架材料并发挥骨传导作用。具有操作简单，对患者身体创伤小等优点。
硫酸钙类骨水泥是以硫酸钙为基质，附加其他促凝成分及塑化剂的制成的混合型粉末，并配以液相固化液形成的高端医疗器械类产品。半水硫酸钙是由二水硫酸钙在一定条件下脱去1.5个水分子制得。其脱水过程与加工处理条件有关，将会得到α相或者β相两种晶体，又称为煅石膏。其中短柱状六面体型α-半水硫酸钙具有极低的固液比，能获得较高强度，在植入体内后能为骨生成起到支撑作用。
磷酸钙是人体骨、牙组成的主要成分，人工合成工艺控制得到的磷酸钙如纳米羟基磷灰石在生物医用材料研究中占据着重要的地位，并以各种应用形式出现在医学研究中，是一种理想的组织植入材料。与HA相似的β-磷酸三钙，其生物降解率要高于羟基磷灰石，在力学性能方面也与羟基磷灰石相似，是较好的骨科磷酸盐材料。
其他组分如壳多糖、羟丙基纤维素、明胶等添加入固化液作为改变骨水泥流动性、增强力学性能的用途。壳聚糖及其衍生物由于其生物相容性好、可降解、对骨水泥有明显增强作用受到广泛关注。磷酸化壳聚糖是壳常作为骨骼替换和药物控制释放材料，适用于整形和组织工程,其溶解度和对金属离子的络合能力较壳聚糖本身有大幅提高［田金花等，化学研究与应用，2010］，能通过对钙离子的络合作用，延缓固化反应的进行以达到延长固化时间的作用，同时能改善注射时的固液分离现象。羟丙基甲基纤维素溶于水，水溶液具有表面活性，透明度高、性能稳定，在水中溶解不受pH值影响。羟丙基甲基纤维素具有增稠能力同时具有排盐性、pH稳定性、保水性、尺寸稳定性、优良的成膜性以及广泛的耐酶性、分散性和粘结性等特点。因此常用作骨水泥材料的改性剂［M.AnirbanJyoti，AppliedSurfaceScience，2010］，有利于提高骨水泥调和浆的流动性，改善注射性能。明胶生物相容性好、无毒性反应、易降解、能被生物体代谢，在生物领域已被广泛地用于药物的载体和控释等方面。据文献报道，将明胶微球加入到骨水泥粉末中，在实现抗压强度提高的同时，还能改善骨水泥的自粘性、抗溃散性，可促进细胞的黏附、增殖、分化等行为，而且随明胶的降解而产生的孔隙，将有利于细胞、血管的长入和新骨的重建[BigiA,etal,InternationalJournalofArtificialOrgans,2004;BigiA,etal,Biomaterials,2004;YinYJ,etal,JournalofMaterialsScience-MaterialsinMedicine,2003]。同时，明胶也会导致固化时间延长。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法。混合水热反应法制备的半水硫酸钙粉末，固相方法制备β-磷酸三钙与羟基磷灰石，制成骨水泥基粉。将促骨生长药物阿伦膦酸钠，抗菌药物万古霉素以湿磨球磨混合的方式负载于羟基磷灰石表面。中性磷酸钠溶液（PH=6~7.5），中添加磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶等组分，以延长透钙磷石骨水泥的固化时间，改善调和浆的流动性和可注射性，开发出一种满足临床操作要求的载药磷酸钙系注射型骨水泥。
一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）将半水硫酸钙、载药的β-磷酸三钙和羟基磷灰石混合，得到改性的碳酸钙骨水泥固相粉末，其中β-磷酸三钙和羟基磷灰石起到载药及调节固化时间的作用；
（2）以磷酸钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶为改性剂，制备中性骨水泥固化液，改善了配方可注射性；
（3）将骨水泥固相粉末与固化液混合，固化产物主要成分透钙磷石和羟基磷灰石改性的硫酸钙骨水泥，在生物体内具有更好的降解能力。
步骤（2）所述的磷酸溶液中磷酸钠的质量分数为10-20%，磷酸化壳聚糖的质量分数为0.01-1%，羟丙基甲基纤维素的质量分数为0.01-1%，明胶的质量分数为0.01-1%；配制方式为室温溶解或60℃以下加热助溶，还可以辅以机械搅拌或磁力搅拌。
步骤（1）所述的半水硫酸钙质量分数为50-70%，β-磷酸三钙质量分数为70-50%、羟基磷灰石的质量分数为0-10%。
所述半水合硫酸钙粒径为200-2000nm，所述β-磷酸三钙粒径为15-100nm，羟基磷灰石粒径为100-1000nm；混合方式为使用玛瑙研钵将粉末在干燥环境中充分研磨，以达到充分混合的目的。
步骤（3）所述的固液比为1.0g/mL-2.5g/mL。
步骤（3）所述的硫酸钙骨水泥，固化时间为10-30min，其注射性良好，一定压力下不发生固液分离。
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末如图2所示。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末如图3所示。
将上述溶液冷冻干燥得到的载药的β-磷酸三钙和羟基磷灰石。将半水硫酸钙、β-磷酸三钙和羟基磷灰石粉末在研磨过程中充分混匀，制备得到骨水泥固相粉末，如图4。
将磷酸氢钠溶液中溶解质量分数的磷酸化壳聚糖、明胶、羟丙基甲基纤维素，配制成骨水泥固化液；最后将骨水泥粉末与固化液按进行调和，即可得到固化时间合适，同时注射性能良好的骨水泥。本发明包括以下步骤：
1.配制质量分数为10-20%的磷酸钠溶液。配制方式可为室温溶解或超声助溶，还可以辅以机械搅拌或磁力搅拌。
2.按照固化液配方向该溶液中加入磷酸化壳聚糖，配制成质量分数为0.01-1%的磷酸化壳聚糖溶液。
3.按照固化液配方向磷酸钠-磷酸化壳聚糖溶液中添加羟丙基甲基纤维素、明胶，得到最终质量分数为0.01-1%的羟丙基甲基纤维素和0.01-1%的明胶改性的固化液。
4.若固化液长期不用，将其保存于4℃环境，使用前预溶。所述预溶方式为在37℃以下加热使固化液成为易流动的液体。
5将半水合硫酸钙、载万古霉素β-磷酸三钙和载阿伦膦酸钠的羟基磷灰石充分混合，得到半水合硫酸钙质量分数为50-70%、β-磷酸三钙质量分数为20-40%、羟基磷灰石质量分数为10-30%的复合粉末。所述半水合硫酸钙粒径为200-2000nm，所述β-磷酸三钙粒径为15-100nm，羟基磷灰石粒径为100-1000nm。混合方式为使用玛瑙研钵将粉末在干燥环境中充分研磨。
6.将骨水泥粉末与固化液按所需固液比进行调和，即可得到固化时间合适、可注射性较好的透钙磷石骨水泥，
本发明的优点在于：
1.制备方法简便，所用原料简单，适于大量生产。
2.所研制的载药新配方改善了原骨水泥的生物相容性，通过加入载药的磷酸盐微粒，改善了硫酸钙型骨水泥的难降解和过致密的材料特性。配合自制的磷酸盐固化液，骨水泥可注射性有所提高，更符合临床应用的要求。
附图说明
图1为骨水泥制备流程图。
图2为实施例1-5中使用的负载阿伦膦酸钠的羟基磷灰石TEM图片。
图3为实施例1-5中负载万古霉素的β-TCP的TEM图片。
图4为实施例1-5混合后的固体粉末SEM图片。
图5为实施例1-5测试的样品初凝时间。
图6为实施例1-5测试得到的力学性能测试。
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，给出了详细的实施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：
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉体。将上述作为配方备选。
称取0.1g磷酸化壳聚糖、0.15g明胶、0.1g羟丙基甲基纤维素，溶解于19.65g磷酸氢钠溶液中，制备得到20%磷酸氢钠、1%磷酸化壳聚糖、1.5%明胶、1%羟丙基甲基纤维素的骨水泥固化液。
纯半水硫酸钙为固相粉末，将骨水泥粉末与固化液按1.7g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTMC191测定初凝时间为14min。
实施例2：
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉体。
半水硫酸钙、β-磷酸三钙和羟基磷灰石按5:4:1的混合制备得到骨水泥固相粉体。
称取0.1g磷酸化壳聚糖、0.15g明胶、0.1g羟丙基甲基纤维素，溶解于19.65g磷酸氢钠溶液中，制备得到20%磷酸氢钠、1%磷酸化壳聚糖、1.5%明胶、1%羟丙基甲基纤维素的骨水泥固化液。
将骨水泥粉末与固化液按1.7g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTMC191测定初凝时间为25min。
实施例3：
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉体。
半水硫酸钙、β-磷酸三钙和羟基磷灰石按5:3:2的比例混合制备得到骨水泥固相粉体。
称取0.1g磷酸化壳聚糖、0.15g明胶、0.1g羟丙基甲基纤维素，溶解于19.65g磷酸氢钠溶液中，制备得到20%磷酸氢钠、1%磷酸化壳聚糖、1.5%明胶、1%羟丙基甲基纤维素的骨水泥固化液。
将骨水泥粉末与固化液按1.7g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTMC191测定初凝时间为34min。
实施例4：
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉体。
半水硫酸钙、β-磷酸三钙和羟基磷灰石按5:2:3的比例混合制备得到骨水泥固相粉体。
称取0.1g磷酸化壳聚糖、0.15g明胶、0.1g羟丙基甲基纤维素，溶解于19.65g磷酸氢钠溶液中，制备得到20%磷酸氢钠、1%磷酸化壳聚糖、1.5%明胶、1%羟丙基甲基纤维素的骨水泥固化液。
将骨水泥粉末与固化液按1.7g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTMC191测定初凝时间为28min。
实施例5：
将阿伦膦酸钠预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。
将万古霉素预溶于无水乙醇溶液中配置成0.1Mol/L溶液，然后在该溶液中加入自制的β-磷酸三钙粉体，在球磨机中混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉体。
半水硫酸钙、β-磷酸三钙和羟基磷灰石按5:1:4的比例混合制备得到骨水泥固相粉体。
称取0.1g磷酸化壳聚糖、0.15g明胶、0.1g羟丙基甲基纤维素，溶解于19.65g磷酸氢钠溶液中，制备得到20%磷酸氢钠、1%磷酸化壳聚糖、1.5%明胶、1%羟丙基甲基纤维素的骨水泥固化液。
将骨水泥粉末与固化液按1.7g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTMC191测定初凝时间为26min。
实施例1-5中固化时间和力学强度结果归结于图5、图6。
Claims (6)
1.一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）将半水硫酸钙、载药的β-磷酸三钙和羟基磷灰石混合，得到改性的碳酸钙骨水泥固相粉末，其中β-磷酸三钙和羟基磷灰石起到载药及调节固化时间的作用；
（2）以磷酸钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶为改性剂，制备中性骨水泥固化液，改善了配方可注射性；
（3）将骨水泥固相粉末与固化液混合，固化产物主要成分透钙磷石和羟基磷灰石改性的硫酸钙骨水泥，在生物体内具有更好的降解能力。
2.根据权利要求1所述的一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的磷酸溶液中磷酸钠的质量分数为10-20%，磷酸化壳聚糖的质量分数为0.01-1%，羟丙基甲基纤维素的质量分数为0.01-1%，明胶的质量分数为0.01-1%；配制方式为室温溶解或60℃以下加热助溶，还可以辅以机械搅拌或磁力搅拌。
3.根据权利要求1所述的一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的半水硫酸钙质量分数为50-70%，β-磷酸三钙质量分数为70-50%、羟基磷灰石的质量分数为0-10%。
4.根据权利要求3所述的一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，所述半水合硫酸钙粒径为200-2000nm，所述β-磷酸三钙粒径为15-100nm，羟基磷灰石粒径为100-1000nm；混合方式为使用玛瑙研钵将粉末在干燥环境中充分研磨，以达到充分混合的目的。
5.根据权利要求1所述的一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的固液比为1.0g/mL-2.5g/mL。
6.根据权利要求1所述的一种载药促骨生长注射型硫酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的硫酸钙骨水泥，固化时间为10-30min，其注射性良好，一定压力下不发生固液分离。
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