CN105709275A - 超声响应性骨修复材料、制作方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有抗感染功能的超声响应性骨修复材料、制作方法及声敏物质在用于制作抗感染的骨修复材料中防止感染发生的用途，超声响应性骨修复材料是一种含有声敏物质的骨修复材料，是通过声敏物质覆盖于骨修复材料表面，或在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，使骨修复材料内部含有声敏物质，在超声波作用下激活骨修复材料表面或内部的声敏物质生成活性氧物质，杀伤微生物；防止骨感染的发生，该超声响应性骨修复材料能够应用于临床所有骨缺损的修复，防止骨修复材料植入后感染的发生，其效果是现有骨修复材料所无法比拟的。

Description

超声响应性骨修复材料、制作方法及其用途

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有抗感染功能的超声响应性骨修复材料、制作方法及其用途。

背景技术

骨缺损是临床骨科常见的疾病之一。随着世界人口的不断增长及老年化，创伤、感染以及肿瘤切除所造成的骨缺损越来越多。在美国，每年就多达100万人次的外科手术需要骨修复材料。这驱动了骨修复材料的蓬勃发展。

目前临床应用的骨修复材料主要有聚甲基丙烯酸甲酯、氧化铝陶瓷、生物玻璃、磷酸三钙、钛金属、骨水泥以及以羟基磷灰石/硫酸钙为基质的生物材料。中国专利(CN102390941)公开了一种医用α-半水硫酸钙人工骨修复材料。这些材料的诞生为骨缺损的修复做出了巨大的贡献。然而，骨修复材料的植入常常伴随着微生物的植入，防治骨修复材料植入后感染已成为骨外科一个重要课题。为预防骨修复材料植入感染的发生，人们尝试应用具有抗感染功能的骨修复材料。目前主要是应用负载抗生素的骨修复材料以达到预防目的。然而，这种负载抗生素骨修复材料的防治感染效果有限，且易导致耐药菌株的产生。因此，这迫切要求我们发展新型具有抗感染功能的骨修复材料。

光动力治疗(photodynamictherapy,PDT)是近年兴起的利用选择性蓄积于肿瘤组织细胞中的光敏剂在适当波长光激发下发生光敏反应定位杀伤肿瘤细胞的新型治疗方法。肿瘤PDT具有两个突出的优点即光敏剂在肿瘤组织细胞中选择性积聚和光照剂量、范围的可控性，使PDT具有能相对特异性地杀伤肿瘤细胞，对健康组织损害小等特点。近年的研究发现，光动力治疗对病原微生物如细菌、真菌、病毒和寄生虫，甚至耐药性微生物均有杀伤作用。由此发展而来的光动力灭菌技术(photodynamicinactivation,PDI)、光动力化学抗菌治疗(photodynamicantibacterialchemotherapy,PACT)为消毒灭菌技术和临床抗感染领域提供了新的手段。由于光在组织中穿透深度有限，使PDT、PDI和PACT在临床应用方面存在较大的局限性。有趣的是，低强度超声象光能量一样也可激活光敏剂在内的某些药物产生活性氧物质，对肿瘤细胞产生杀伤作用。我们最近的研究发现低强度超声波可活化竹红菌素B对耐药性金黄色葡萄菌产生杀伤作用。超声波作为一种机械波，对生物组织有较强的穿透力，且聚集超声可无创伤地将声能聚集于深层组织。超声波治疗的无创伤性和设备简单、操作方便，将使得利用超声波活化声敏物质杀伤病原微生物的声动力作用有望发展成为临床抗感染的有效手段。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有抗感染功能的超声响应性骨修复材料，在一定强度超声波作用下产生活性物质，阻抑病原微生物的生长，以防止骨修复材料植入后感染的发生。

实现本发明目的的技术方案是利用声敏物质修饰骨修复材料获得超声响应性骨修复材料，植入骨缺损病变处，采用超声波辐照该支架激活敏感剂，发生声化学反应产生活性氧物质，直接阻抑病原微生物的生长，防止骨修复材料植入后感染的发生。

为实现上述发明目的，本发明提供一种超声响应性骨修复材料，其是一种含有声敏物质的骨修复材料，是通过声敏物质覆盖于骨修复材料表面，或在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，使骨修复材料内部含有声敏物质，在超声波作用下激活骨修复材料表面或内部的声敏物质生成活性氧物质，杀伤微生物。

作为优选方式，所述声敏物质为安全无毒的治疗或诊断用的被超声波激活后能产生活性氧的物质。

作为优选方式，所述的声敏物质为二氢卟酚、玫瑰红(roseBengal，也称孟加拉红)、姜黄素、核黄素、大黄素、氧化钛(TiO2)、芦荟大黄素、金丝桃素、假金丝桃素、卟啉及其衍生物、酞菁及其衍生物、竹红菌素及其衍生物、藻胆蛋白及其衍生物、叶绿素及其衍生物之中任何一种或任何几种。

作为优选方式，所述骨修复材料为甲基丙烯酸甲酯、氧化铝陶瓷、生物玻璃、磷酸三钙、钛金属、骨水泥以及以羟基磷灰石/硫酸钙为基质的生物材料。

作为优选方式，所述的活性氧物质为单态氧和自由基。

本发明还提供一种超声响应性骨修复材料的制作方法，使声敏物质覆盖于骨修复材料表面，或在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。

作为优选方式，使所述声敏物质覆盖于骨修复材料表面采用下列方法之一完成：通过直接浸渍或喷涂多聚物载体介导的方法完成，或通过直接浸渍或喷涂蛋白质载体介导的方法完成；或通过电化学处理的方法完成，或通过离子束沉积方法完成。

作为优选方式，所述多聚物载体介导声敏物质覆盖于骨修复材料表面的方法中的多聚物选自多聚乳酸、明胶蛋白、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸、聚酐、聚已内酰胺、聚氨基酸、聚羟乙基甲基丙烯酸其中的一种，或上述多聚物间的共聚物。

作为优选方式，所述的超声波为脉冲波或连续波，频率为20KHz-3MHz,声强为0.25-3W/cm²，作用时间为0.25-30分钟。

本发明还提供一种所述的声敏物质在用于制作抗感染的骨修复材料中防止感染发生的用途。

在本发明中，所述用作修饰骨修复材料的声敏物质为安全无毒且能在超声波激活下产生活性氧物质的声敏剂，这些物质为亲水性、亲油性或两亲性的声敏剂。所述产生的活性氧物质为单态氧和/自由基(freeradicals)。对用于骨修复材料的声敏剂的类型、颗粒尺寸大小等物理性状没有过多的限制，只要该声敏剂在施用在骨修复材料上后，在超声波作用下能产生活性氧物质即可。目前在声动力学领域中广泛使用的各种声敏剂及其衍生的任何声敏物质均可以作为本发明的骨修复材料上的声敏剂。所述的超声波可为能聚焦或不能聚焦的治疗或诊断用的超声波。可为脉冲波或连续波，且其频率为20KHz-3MHz,声强为0.25-3W/cm²，作用时间为0.25-30分钟。

多聚物或蛋白质载体介导声敏剂覆盖于骨修复材料表面的方法是应用多聚物或蛋白质与声敏剂结合后，直接应用浸渍使声敏剂覆盖于骨修复材料表面；或应用辐射固化、光固化作用使声敏剂覆盖于骨修复材料表面。离子束沉积可直接在骨修复材料上进行镀膜。所述的骨修复材料为安全无毒的能够促进骨修复的物质，可以是自行制备或市场上现成的，主要有聚甲基丙烯酸甲酯、氧化铝陶瓷、生物玻璃、磷酸三钙、钛金属、骨水泥以及以羟基磷灰石/硫酸钙为基质的生物材料。

现有的骨修复材料均存在一定的局限性，如临床常用的骨修复材料没有抗感染功能；负载抗生素骨修复材料的防治感染效果有限，且易导致耐药菌株的产生。与现有骨修复材料相比，本发明中用具有安全无毒作用且能在超声波激活下产生活性氧物质阻抑病原微生物的生长，防止骨修复材料感染的发生。该超声响应性骨修复材料能够应用于临床所有骨缺损的修复，防止骨修复材料植入后感染的发生，其效果是现有骨修复材料所无法比拟的。利用声敏剂作为骨修复材料修饰剂获得超声响应性骨修复材料将有利于骨材料植入治疗技术在临床应用更为广泛。

附图说明

图1是超声波活化声敏剂发生声化学反应生成活性氧物质的示意图：

图2是实施1中的超声波活化声敏剂产生活性氧物质及对金黄色葡萄球菌的杀伤作用的示意图

图3为超声波活化声敏剂对金黄色葡萄球菌的杀伤效果图；

图中A为空白对照组，即细菌没有经声敏剂处理，也没有经超声波空化；图中B为单纯超声波处理组，即细菌仅被超声波空化，但没有经声敏剂处理；图中C为单纯声敏剂处理组，即细菌仅被声敏剂处理，但没有超声波空化；图中D为超声波活化声敏剂组，即细菌被声敏剂处理后再经超声波空化作用。

图4、声敏剂位于骨修复材料内部及覆盖层的超声响应性骨修复材料的截面图

图5、声敏剂位于覆盖层的超声响应性骨修复材料的截面图。

图6、声敏剂位于骨修复材料内部的超声响应性骨修复材料的截面图。

图中1为骨修复材料，2为声敏剂，3为骨修复材料覆盖层。

具体实施方式

以下是本发明的非限定实施例：

实施例1：体外培养细菌上观察声敏剂在超声波作用下对金黄色葡萄球菌的杀伤效果：培养靶细菌：选择金黄色葡萄球菌，常规培养于37℃含5％二氧化碳、饱和水汽的培养箱中；接着，取对数生长期的靶细菌(1×10⁶cfu/ml)，加入声敏剂如二氢卟酚chlorine6于37℃含5％二氧化碳、饱和水汽的培养箱中孵育15分钟，由于有部分声敏剂chlorine6可能没有被靶细菌吞噬，还游离在培养液中，所以在超声作用前，洗涤数次将培养液中残余的chlorine6去除；然后，应用超声波(频率为1.0MHz，声强为1.56W/cm²)照射靶细菌。在超声波作用下，声敏剂chlorine6发生声化学反应生成活性氧物质(如图1所示)。平板计数法观察到声敏剂在超声作用下阻抑金黄色葡萄球菌的生长达7个数量级(如图2、图3所示)。

在本实施例1中，选择的声敏剂是一种安全无毒、在超声波作用下能产生活性氧物质的声敏剂，除了chlorine6外，还可以是酞菁铝、5-氨基乙酰丙酸、竹红菌素衍生物、得克萨菲啉镥、玫瑰红(rosebengal)、血卟啉或血卟啉单甲醚等。

实施例2：将声敏剂竹红菌素倒入无水乙醇中，充分混匀再经过过滤、排气制成竹红菌素溶液；然后，置骨修复材料于所述竹红菌素溶液中，浸沾10秒-4小时后取出；用氮气吹干；再重复上述步骤1-3次，最后用氮气吹干，获得超声响应性骨修复材料。

在本实施例2中，选择的声敏剂是一种安全无毒、在超声波作用下能产生活性氧物质的声敏剂，除了竹红菌素外，还其可以是酞菁铝、5-氨基乙酰丙酸、单天门冬酰胺二氢卟酚、得克萨菲啉镥、玫瑰红(rosebengal)、血卟啉、或血卟啉单甲醚等。

实施例3：将声敏剂玫瑰红(rosebengal)加入聚氨基酸(polyamineacid)中充分搅匀，然后，将所得的液体涂敷在骨修复材料表面；自然晾干或用氮气吹干.获得超声响应性骨修复材料。

实施例4：一种超声响应性骨修复材料的制作方法，使声敏物质覆盖于骨修复材料表面，所述声敏物质为血卟啉。然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。所述骨修复材料为甲基丙烯酸甲酯。所述的活性氧物质为单态氧。使所述声敏物质覆盖于骨修复材料表面通过直接浸渍或喷涂多聚物载体介导的方法完成，所述多聚物为多聚乳酸。

实施例5：一种超声响应性骨修复材料的制作方法，使声敏物质覆盖于骨修复材料表面，所述声敏物质为酞菁。然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。所述骨修复材料为氧化铝陶瓷。所述的活性氧物质为自由基。使所述声敏物质覆盖于骨修复材料表面通过直接浸渍或喷涂蛋白质载体介导的方法完成。

所述蛋白质载体介导为应用明胶蛋白与声敏剂酞菁结合30分钟后，再通过浸渍使声敏剂酞菁覆盖于骨修复材料表面。

实施例6：一种超声响应性骨修复材料的制作方法，在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，所述声敏物质为血卟啉单甲醚。然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。所述骨修复材料为以羟基磷灰石/硫酸钙为基质的生物材料。

所述的活性氧物质为单态氧。使所述声敏物质覆盖于骨修复材料表面采用下列方法之一完成：通过直接浸渍或喷涂多聚物载体介导的方法完成，所述多聚物为聚氨酯。

实施例7：一种超声响应性骨修复材料的制作方法，使声敏物质覆盖于骨修复材料表面，所述声敏物质为氧化钛(TiO₂)。然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。所述骨修复材料为磷酸三钙。所述的活性氧物质为单态氧。

使所述声敏物质氧化钛(TiO₂)覆盖于骨修复材料表面采用电化学处理的方法完成，或通过离子束沉积方法利用离子束溅射镀膜系统将声敏剂(TiO₂)直接镀膜于骨修复材料表面来完成。

Claims (10)

1.一种超声响应性骨修复材料，其特征在于其是一种含有声敏物质的骨修复材料，是通过声敏物质覆盖于骨修复材料表面，或在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，使骨修复材料内部含有声敏物质，在超声波作用下激活骨修复材料表面或内部的声敏物质生成活性氧物质，杀伤微生物。

2.根据权利要求1所述的一种超声响应性骨修复材料，其特征在于所述声敏物质为安全无毒的治疗或诊断用的被超声波激活后能产生活性氧的物质。

3.根据权利要求1所述的一种超声响应性骨修复材料，其特征在于所述的声敏物质为二氢卟酚、玫瑰红(roseBengal，也称孟加拉红)、姜黄素、核黄素、大黄素、氧化钛(TiO2)、芦荟大黄素、金丝桃素、假金丝桃素、卟啉及其衍生物、酞菁及其衍生物、竹红菌素及其衍生物、藻胆蛋白及其衍生物、叶绿素及其衍生物之中任何一种或任何几种。

4.根据权利要求1所述的一种超声响应性骨修复材料，其特征在于所述骨修复材料为甲基丙烯酸甲酯、氧化铝陶瓷、生物玻璃、磷酸三钙、钛金属、骨水泥以及以羟基磷灰石/硫酸钙为基质的生物材料。

5.根据权利要求1所述的一种具有抗感染功能的超声响应性骨修复材料，其特征在于所述的活性氧物质为单态氧和自由基。

6.一种超声响应性骨修复材料的制作方法，其特征在于：使声敏物质覆盖于骨修复材料表面，或在制作骨修复材料过程中加入声敏物质，然后在超声波作用下激活骨修复材料中的声敏物质生成活性氧物质以杀伤微生物。

7.根据权利要求6所述的超声响应性骨修复材料的制作方法，其特征在于，使所述声敏物质覆盖于骨修复材料表面采用下列方法之一完成：通过直接浸渍或喷涂多聚物载体介导的方法完成，或通过直接浸渍或喷涂蛋白质载体介导的方法完成；或通过电化学处理的方法完成，或通过离子束沉积方法完成。

8.根据权利要求7所述的超声响应性骨修复材料的制作方法，其特征在于所述多聚物载体介导声敏物质覆盖于骨修复材料表面的方法中的多聚物选自多聚乳酸、明胶蛋白、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸、聚酐、聚已内酰胺、聚氨基酸、聚羟乙基甲基丙烯酸其中的一种，或上述多聚物间的共聚物。

9.根据权利要求6所述的超声响应性骨修复材料的制作方法，其特征在于所述的超声波为脉冲波或连续波，频率为20KHz-3MHz,声强为0.25-3W/cm2。

10.根据权利要求1至5任意一项所述的声敏物质在用于制作抗感染的骨修复材料中防止感染发生的用途。