CN105999418B - 一种可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法 - Google Patents
一种可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法,其解决了现有材料力学性能较差、耐压及及抗折强度不高的技术问题,其由具有生物活性的陶瓷粉末、高分子聚合物、添加剂组成,本发明同时提供了其制备方法。本发明可广泛用于外科手术用修复材料制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及外科手术用修复材料,具体地说涉及一种可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法。
背景技术
骨科每天面临众多因创伤、肿瘤、感染、先天性缺陷等原因导致的骨缺损,然而,自体移植的痛苦和异体移植的排异使传统的骨移植技术难以满足治疗的需求,一直是骨科医生面临的难题之一。
多年来,各国科学家一直致力于理想的骨修复材料的研制与开发,但是目前临床上使用的传统骨缺损修复材料,由于各自本身的缺陷而限制了应用。理想的骨缺损修复材料应满足下列要求:①易于成型,可填充不规则的骨腔;②在环境中能自行凝固,硬化时间合理;③有优良的生物活性和骨再生的潜能;④良好的机械性能和耐久性能;⑤无毒和无免疫原性。
磷酸钙骨水泥(Caleium phosphate Cement,CPC),又叫自固化磷酸钙,在上世纪80年代中期,由E.Brown和L.Chow发明。它主要由磷酸钙粉末和液相(蒸馏水,溶液以及血液等)组成。当两者混合成浆体后,在短时间内及一定的生理环境(37℃,湿度100%)下发生水化凝固,最终的产物为骨骼的主要无机成分——羟基磷灰石。由于磷酸钙骨水泥具有优良的生物活性、生物相容性、自固化能力以及易塑性,因此在修复骨缺损、骨折治疗以及骨病治疗等骨科临床中显示出良好的效果,在骨修复领域有广泛的应用前景。此外磷酸钙骨水泥在牙科、整形外科和脑外科也有广泛的应用,目前磷酸钙骨水泥已成为生物医用材料领域的重点和热点之一。
与自体骨、异体骨、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等传统骨缺损修复材料相比,磷酸钙骨水泥的优势非常明显。与自体骨和异体骨相比,磷酸钙骨水泥不仅来源广泛,避免了异体骨的排斥反应以及可能的病源传播,而且不像自体骨需承受第二次手术痛苦及供区并发症;与PMMA相比,PMMA固化反应放热较大,易灼伤周围组织,且与人体骨结合不牢,易松动,寿命短,而磷酸钙骨水泥固化放热很少,性能稳定。而且随着研究的不断深入,磷酸钙骨水泥的可降解被组织逐步吸收,被新生骨代替;可作为多种药物的载体等诸多优点不断被发掘出来。
目前,磷酸钙骨水泥已成为生物材料研究中最为活跃的研究领域之一,但磷酸钙骨水泥在实际应用中仍存在许多问题。例如,磷酸钙骨水泥的力学性能却普遍较差,耐压及抗折强度仅与松质骨相当,只能用于骨缺损的填充、修复及某些受力较小的非承重骨替换,应用范围较小。此外,磷酸钙骨水泥本身固化时间长,粘结性能差,抗水溶性(血溶性)差,降解缓慢等缺点也限制了其应用的进一步推广。
随着医学和材料学技术的不断发展,迫切需要研制出一种新型骨水泥材料,既能继承传统磷酸钙骨水泥优良的生物活性、生物相容性、自固化能力以及易塑性,又能具有较高的力学性能,合适的固化时间,优良的粘结性能和抗水溶性(血溶性)。
硅酸盐水泥具有较好的可塑性,适应性强,耐久性好,还可以与各种有机、无机材料制成各种用途的水泥基复合材料,因此,对硅酸盐水泥进行适当的改性,制备成具生物活性的硅酸盐骨水泥,将会有广阔的应用前景。
发明内容
本发明就是为了解决现有材料力学性能较差、耐压及及抗折强度不高的技术问题,提供一种力学性能较好、耐压及抗折强度高的可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法。
为此,本发明提供可注射型生物活性骨水泥材料,其由具有生物活性的陶瓷粉末、高分子聚合物、添加剂组成;具有生物活性的陶瓷粉末由硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成。
优选的,高分子聚合物为聚乙二醇。
优选的,添加剂为羟丙甲纤维素、氯化钙、硫酸钙、碳酸钙、氧化锶和酒石酸中的一种或多种。
优选的,生物活性骨水泥材料为糊状材料。
优选的,生物活性骨水泥材料中陶瓷粉末材料的质量百分数为30%~80%,高分子聚合物的质量百分数为15%~65%,余为添加剂。
本发明同时提供一种可注射型生物活性骨水泥材料的制备方法,生物活性骨水泥材料,其由具有生物活性的陶瓷粉末、高分子聚合物、添加剂组成;具有生物活性的陶瓷粉末由硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成。其包括如下步骤:(1)称量115~126质量份的碳酸钙、23~28质量份的二氧化硅、2.4~2.9质量份的三氧化二铝、3.4~4.1质量份的四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比(5~30):1,转速400转每分钟,球磨2~12小时;(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15分钟;(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得粉末状材料;(5)取步骤(4)所得陶瓷粉末状材料与高分子聚合物、添加剂按比例称量混合,即得可注射型糊状生物活性骨水泥材料。
优选的,具有生物活性的陶瓷粉末由硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成;所述高分子聚合物为聚乙二醇;所述添加剂为羟丙甲纤维素、氯化钙、硫酸钙、碳酸钙、氧化锶和酒石酸中的一种或多种。
优选的,步骤(5)中的比例为:陶瓷粉末材料的质量百分数为30%~80%,高分子聚合物的质量百分数为15%~65%,余为添加剂。
本发明的有益效果为:
(1)本发明通过将硅酸盐与液态高分子聚合物混合,得到糊状的骨水泥材料,该材料流动性好,在使用前不用再与液剂混合,可直接注射到缺损部位,固化成型,具有良好的临床可操作性。
(2)本发明所制得的生物活性骨水泥材料与成骨相关细胞具有良好的亲和性,可促进成骨细胞的粘附、增殖和分化;体内植入后可见材料具有良好的组织相容性。
(3)本发明所采用的制备和加工方法简单,可控性强,能用于工业化生产。
本发明所提供的可注射型生物活性骨水泥材料在宏观性能和微观结构上均具有良好的性能,在骨修复过程中,为成骨相关细胞的粘附、生长和分化提供更适宜的微环境;此外,该制备方法可使得骨修复材料具有良好的临床操作性,有助于进一步拓展其临床应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例1中可注射型生物活性骨水泥材料的扫描电子显微镜照片;
图2为本发明实施例1中可注射型生物活性骨水泥材料的EDS图谱;
图3为本发明实施例1中可注射型生物活性骨水泥材料的XRD图谱;
图4为本发明实施例1中可注射型生物活性骨水泥材料的体外细胞毒性检测结果(CCK-8法);
图5为本发明实施例1中成骨细胞在可注射型生物活性骨水泥材料上生长1天后的SEM照片;
图6为本发明实施例1中可注射型生物活性骨水泥材料的体内修复骨缺损12周组织切片的光镜照片。
具体实施方式
本发明提供了一种可注射型生物活性骨水泥材料及其制备方法,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)称量115g碳酸钙、28g二氧化硅、2.9g三氧化二铝、4.1g四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比30:1,转速400转每分钟,球磨12h;
(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15min;
(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;
(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得粉末状材料;
(5)取步骤(4)所得粉末状材料60%,其中,硅酸三钙35%,硅酸二钙10%,硅酸钙6%,铝酸三钙5%,铁铝酸四钙4%;丙三醇的质量分数为35%,羟甲基纤维素2%,氯化钙2%,氧化锶1%混合均匀,即得糊状生物活性骨水泥材料。
(6)将步骤(5)所得的材料经冷冻干燥、压片成型、灭菌处理后,接种骨髓间充质干细胞进行体外培养,1天后取样固定经扫描电镜观察细胞形貌。
(7)将步骤(5)所得的材料经无菌处理后植入大鼠颅骨缺损,术后12周取样进行组织学观察。
实施例2
(1)称量120g碳酸钙、25g二氧化硅、2.4g三氧化二铝、3.4g四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比20:1,转速400转每分钟,球磨10h;
(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15min;
(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;
(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得粉末状材料;
(5)取步骤(4)所得粉末状材料50%,其中,硅酸三钙25%,硅酸二钙5%,硅酸钙6%,铝酸三钙8%,铁铝酸四钙6%;丙二醇的质量分数为45%,羟甲基纤维素2%,硫酸钙2%,氧化锶1%混合均匀,即得可注射型糊状生物活性骨水泥材料。
(6)将步骤(5)所得的材料经冷冻干燥、压片成型、灭菌处理后,接种骨髓间充质干细胞进行体外培养,1天后取样固定经扫描电镜观察细胞形貌。
(7)将步骤(5)所得的材料经无菌处理后植入大鼠颅骨缺损,术后12周取样进行组织学观察。
实施例3
(1)称量126g碳酸钙、23g二氧化硅、2.4g三氧化二铝、3.4~4.1g四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比10:1,转速400转每分钟,球磨5h;
(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15min;
(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;
(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得粉末状材料;
(5)取步骤(4)所得粉末状材料30%,其中,硅酸三钙20%,硅酸二钙2%,硅酸钙3%,铝酸三钙1%,铁铝酸四钙4%;聚乙二醇醇的质量分数为65%,羟甲基纤维素2%,碳酸钙2%,氧化锶1%混合均匀,即得可注射型糊状生物活性骨水泥材料。
(6)将步骤(5)所得的材料经冷冻干燥、压片成型、灭菌处理后,接种骨髓间充质干细胞进行体外培养,1天后取样固定经扫描电镜观察细胞形貌。
(7)将步骤(5)所得的材料经无菌处理后植入大鼠颅骨缺损,术后12周取样进行组织学观察。
实施例4
(1)称量125g的碳酸钙、23~28g的二氧化硅、2.4~2.9g的三氧化二铝、3.4~4.1g的四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比5:1,转速400转每分钟,球磨2h;
(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15min;
(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;
(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得粉末状材料;
(5)取步骤(4)所得粉末状材料80%,其中,硅酸三钙35%,硅酸二钙20%,硅酸钙10%,铝酸三钙5%,铁铝酸四钙10%;丙三醇的质量分数为15%,羟甲基纤维素2%,氯化钙2%,氧化锶1%混合均匀,即得可注射型糊状生物活性骨水泥材料。
(6)将步骤(5)所得的材料经冷冻干燥、压片成型、灭菌处理后,接种骨髓间充质干细胞进行体外培养,1天后取样固定经扫描电镜观察细胞形貌。
(7)将步骤(5)所得的材料经无菌处理后植入大鼠颅骨缺损,术后12周取样进行组织学观察。
Claims (3)
1.一种可注射型生物活性骨水泥材料的制备方法,其特征是所述生物活性骨水泥材料由具有生物活性的陶瓷粉末、高分子聚合物、添加剂组成,所述具有生物活性的陶瓷粉末由硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成,具体步骤包括如下:
(1)称量115~126质量份的碳酸钙、23~28质量份的二氧化硅、2.4~2.9质量份的三氧化二铝、3.4~4.1质量份的四氧化三铁,放入球磨罐中,球料比(5~30):1,转速400转每分钟,球磨2~12小时;
(2)球磨完成后,将混合好的材料取出烘干冷却,装入模具中,在油压机上以10Mpa的压力压成圆片状,保压15分钟;
(3)将压制好的圆片放入马弗炉中煅烧,升温速度10℃/min,800℃保温3h,然后升至1450℃,保温2h,取出空冷至室温;
(4)将制得的材料利用高能球磨机粉碎,过200目筛,制得陶瓷粉末状材料;
(5)取步骤(4)所得陶瓷粉末状材料与高分子聚合物、添加剂按比例称量混合,即得可注射型糊状生物活性骨水泥材料。
2.根据权利要求1所述的可注射型生物活性骨水泥材料的制备方法,其特征在于所述具有生物活性的陶瓷粉末由硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成;所述高分子聚合物为聚乙二醇;所述添加剂为羟丙甲纤维素、氯化钙、硫酸钙、碳酸钙、氧化锶和酒石酸中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的可注射型生物活性骨水泥材料的制备方法,其特征在于所述步骤(5)中的比例为:陶瓷粉末材料的质量百分数为30%~80%,高分子聚合物的质量百分数为15%~65%,余为添加剂。
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