CN106563158A - 一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，包含将硫酸钙、alpha‑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alpha‑磷酸三钙起到固化主体，大颗粒硫酸钙为辅助加快降解及支撑作用，纳米羟基磷灰石起到促进骨细胞生长的功效；磷酸二氢钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶、透明质酸钠等天然无毒可降解高分子为改性剂，制备中性骨水泥固化液体，改善配方注射性；将复配固相粉末与液体混合后，固化产物后主要成分缺钙型羟基磷灰石和羟基磷灰石，硫酸钙降解后形成孔洞，在生物体内具有更好的降解能力。

Description

一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高端医用骨科材料的制备，特别是涉及一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法。

背景技术

生物活性材料在医学界得到广泛应用，其在骨缺损填充与修复中的运用是医学界的热点。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，其市场需求量也刺激了骨修复材料的市场发展。无机钙盐骨水泥材料具有良好的生物相容性，骨传导性，可塑性等特点在临床上运用于骨缺损、颌面外科和口腔科手术。其骨愈合机制的自身成骨作用、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：一、良好的生物相容性，无毒、不至畸、利于细胞粘附增殖。 二、良好的生物降解性，材料在完成支架作用后降解速率与组织细胞生长率相适应。 三、立体多孔结构，利于细胞粘附增长、细胞外基质沉积、营养和氧气进入及利于血管神经生长。 四、可塑性和一定的机械强度，为新生组织提供支撑。五、骨诱导活性，需要考虑到骨诱导性和骨传导性以促进骨组织生长。骨水泥医用材料不需要提前塑形，在操作时可直接注射病患部位，微创植入后完全填充骨缺损部位，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。

钙盐类骨水泥材料化学组成主要为硫酸钙和磷酸钙两种主要类别：硫酸钙类骨水泥是以半水硫酸钙为主要基质，附加其他促凝成分及塑化剂的制成的混合型粉末，配以固化液组成的配套高端骨科植入类医疗器械类产品。固化成分半水硫酸钙是由二水硫酸钙脱去1.5个水分子制得，脱水过程与加工处理条件有关，分为α相-或者β相-两种晶体，又称为煅石膏；磷酸钙骨水泥是以是alpha相磷酸三钙、beta相-磷酸三钙和羟基磷灰石等几种磷酸盐为基质，其中alpha-相磷酸三钙由于晶相及制作工艺的不同具有自固化效果，也可用作骨水泥固化主要成分，固化后产物为缺钙型羟基磷灰石，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。磷酸钙是人体骨、牙齿的主要成分，人工合成工艺控制得到的磷酸钙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。其他组分为注射性能调节用的天然高分子类，如壳多糖、羟丙基纤维素、明胶等添加入固化液可以改变骨水泥流动性、增强力学性能。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, 其溶解度及金属离子络合效果，较壳聚糖有大幅提高［Xiaohong Wang, Jianbiao Ma et.al, Biomaterials,Vol 23, Issue 21, 2002, 4167-4176］，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效果，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［Weizhen Liu,Jingtao Zhang et al， Acta Biomaterial，Vol 10, Issue 7,2014, 3335-3345］，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[Dennis P. Link, Juliette van den Dolder,Biomaterials,Vol 29, Issue 6, 2008, 675-682. ]。透明质酸是一种酸性粘多糖，以其独特的分子结构和理化性质在机体中显示出多种重要生理功能如润滑关节，调节血管壁通透性，调节蛋白质，水电解质扩散及转运，促进创伤愈合等，并具有特殊的保水作用[W.J.R.Currie, W.S. Hislop, K.F. Moos,British Journal of Oral and MaxillofacialSurgery, Vol 35, Issue 3, 1997, 210]。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种降解速率可调节型医用骨水泥的制备方法。混合水热反应法制备的半水硫酸钙粉末，固相方法制备alpha-磷酸三钙与羟基磷灰石，制成骨水泥基粉。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，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降解速率可调节型可注射骨水泥。

一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将硫酸钙、alpha-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alpha -磷酸三钙起到固化主体，大颗粒硫酸钙为辅助加快降解及支撑作用，纳米羟基磷灰石起到促进骨细胞生长的功效；

（2）磷酸二氢钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶、透明质酸钠等天然无毒可降解高分子为改性剂，制备中性骨水泥固化液体，改善配方注射性；

（3）将复配固相粉末与液体混合后，固化产物后主要成分缺钙型羟基磷灰石和羟基磷灰石，硫酸钙降解后形成孔洞，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2-5%，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%，透明质酸的质量分数为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）所述的硫酸钙质量分数为20-50%，β-磷酸三钙质量分数为50-70%、羟基磷灰石的质量分数为0-10%。

所述硫酸钙粒径为200-2000nm，所述alpha-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alpha-磷酸三钙，固化时间为10-20min，注射性良好，不发生固液分离。

将硫酸钙预分散于蒸馏水溶液中配置成200g/L 的分散液，然后将分散液保压加热至130摄氏度保持5个小时，经过滤后放置在100摄氏度烘箱中烘干后冷却，并经过100目筛筛分，得到的半水硫酸钙粉末，如图2所示。

将碳酸钙和磷酸二氢钙以XX：XX比例混合后的固体粉末，经高温马弗炉加热到1400摄氏度保持4个小时，然后从马弗炉中拿出骤冷至室温后得到烧结白色固体，粉碎后收集300目筛固体组分，经球磨机整形后得到alpha-磷酸三钙白色粉末，经冷冻干燥后密闭储存备用，其显微形貌如图3所示。

半水硫酸钙、alpha-磷酸三钙和羟基磷灰石粉末在研磨过程中充分混匀，并加入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0.5-5%的磷酸二氢钠溶液。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、明胶及透明质酸钠，得到最终质量分数为0.01-1%的羟丙基甲基纤维素、0.01-1%的明胶和0.01-1%透明质酸钠改性的固化液。

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、可注射性较好的骨水泥，

结合纳米技术控制组成成份微粒粒径及比例，达到体内体外可适配骨生长的降解性骨水泥产品。大规模制备的纳米及微米尺寸颗粒经自行工艺设备并精确控制，其中硫酸钙粒径为200-2000nm，主要成份alpha-磷酸三钙粒径为200-500nm，羟基磷灰石粒径为100-1000nm，添加天然高分子成分，复配成可注射骨水泥固体粉末。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。其主要成份硫酸钙和磷酸钙兼具骨诱导性及骨传导性，不同材料经分级降解后形成多孔结构，新型医用骨科修复系统。

本发明的优点在于：

1. 生物材料体内降解速率可调节，分布降解后的多孔结构利于骨细胞粘附和长入。

2. 制备方法简便，所用原料简单，适于大量生产。

3. 所研制的新配方改善了骨水泥的生物相容性，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。

本发明提供的骨水泥的制备方法，原料简单，制备过程简易，可大规模生产。该骨水泥配方对固化时间和可注射性的改进效果显著，降解速率可调节并兼具优良的力学性能。

附图说明

图1为制备工艺流程图。

图2为实施例半水硫酸钙颗粒的SEM图片。

图3为实施例alpha-磷酸钙的SEM图片。

图4为实施例3固化后的骨水泥结构SEM图片。

图5为实施例1-5测试得到的力学性能测试。

图6为实施例1-5在模拟体液中测试的降解百分率。

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alpha-磷酸三钙分散在无水乙醇中配置成40g/L 溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中以400rpm混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。其中alpha-磷酸三钙：羟基磷灰石=95:5

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2-2.5g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为12 min。

实施例2 ：

将alpha-磷酸三钙分散在无水乙醇中配置成40g/L 溶液，在球磨机中以400rpm混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。最后加入半水硫酸钙固相颗粒，经100rpm低速球磨混合，其中alpha-磷酸三钙：半水硫酸钙=80:20

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2-2.5g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为12 min。

实施例3 ：

将alpha-磷酸三钙分散在无水乙醇中配置成40g/L 溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中以400rpm混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。最后加入半水硫酸钙固相颗粒，经100rpm低速球磨混合，其中alpha-磷酸三钙：羟基磷灰石：半水硫酸钙=80:15:5

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2-2.5g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为12 min。

实施例4 ：

将alpha-磷酸三钙分散在无水乙醇中配置成40g/L 溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中以400rpm混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。最后加入半水硫酸钙固相颗粒，经100rpm低速球磨混合，其中alpha-磷酸三钙：羟基磷灰石：半水硫酸钙=70:25:5

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2-2.5g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为12 min。

实施例5 ：

将alpha-磷酸三钙分散在无水乙醇中配置成40g/L 溶液，然后在该溶液中加入自制的羟基磷灰石粉体，在球磨机中以400rpm混合进行液相研磨表面修饰，旋转蒸发溶剂后得粉末。最后加入半水硫酸钙固相颗粒，经100rpm低速球磨混合，其中alpha-磷酸三钙：羟基磷灰石：半水硫酸钙=60:35:5

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2-2.5g/mL的固液比进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为12 min。

实施例1-5中力学强度和生物材料体外实验降解时间结果归结于图5、图6。如图可知，实施例中纯alpha-TCP固化后的力学压缩强度为31.7Mpa，在加入硫酸钙及羟基磷灰石后，力学压缩强度有所下降，依次为30.9Mpa， 28.5Mpa，27.6 Mpa， 25.7Mpa。加入硫酸钙和羟基磷灰石后，新组分的骨水泥材料，体外降解速率有所加快，在40天后，实施例1至实施例5 中骨块残留质量为89.2%，85.1%， 80.5%， 78.3%， 70.2% 。

本发明提供的骨水泥的制备方法，原料简单，制备过程简易，可大规模生产。该骨水泥配方对固化时间和可注射性的改进效果显著，降解速率可调节并兼具优良的力学性能。

Claims (6)

1.一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将硫酸钙、alpha-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alpha -磷酸三钙起到固化主体，大颗粒硫酸钙为辅助加快降解及支撑作用，纳米羟基磷灰石起到促进骨细胞生长的功效；

（2）磷酸二氢钠为主体，以磷酸化壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、明胶、透明质酸钠等天然无毒可降解高分子为改性剂，制备中性骨水泥固化液体，改善配方注射性；

（3）将复配固相粉末与液体混合后，固化产物后主要成分缺钙型羟基磷灰石和羟基磷灰石，硫酸钙降解后形成孔洞，在生物体内具有更好的降解能力。

2.根据权利要求1所述一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，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2-5%，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%，透明质酸的质量分数为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所述一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的硫酸钙质量分数为20-50%，β-磷酸三钙质量分数为50-70%、羟基磷灰石的质量分数为0-10%。

4.根据权利要求1所述一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，其特征在于，所述硫酸钙粒径为200-2000nm，所述alpha-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所述一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，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所述一种降解速率可调节型注射骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的alpha-磷酸三钙，固化时间为10-20min，注射性良好，不发生固液分离。