CN107625993A - 一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗菌性能和生物相容性的骨水泥及其制备方法。将合金颗粒与PMMA粉体均匀混合，再与MMA单体混合，经自固化得到一种骨水泥。由于添加了具有抗菌性能的生物相容性合金颗粒，通过表面电荷效应或释放杀菌金属离子发挥明显的抗菌效果，具有明显广谱抗菌效果，有效降低金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠杆菌和MRSA等细菌在骨水泥表面的粘附；并通过可控释放抗菌金属离子，可有效抑制骨水泥周围细菌引起的感染。同时，颗粒的合金化设计使得该骨水泥具有优异的生物相容性。本发明的制备方法具有工艺简单、设备要求低、重复性好的特点，所提供的骨水泥可用于骨缺损填充、关节成形术、股骨头坏死治疗及椎体成形术等领域。

Description

一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种骨水泥及其制备方法，特别涉及一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥及其制备方法，属于复合医用材料、医疗器械、医药卫生领域。

背景技术

骨水泥在骨科手术，特别是微创手术中具有重要的应用价值。目前，骨水泥已经应用于骨缺损的填充、关节假体固定以及经皮椎体成形术等骨科手术领域。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）体系骨水泥由于其优异的操作性能和力学性能等优势是目前应用最为广泛的骨水泥，甚至在目前在经皮椎体成形术等治疗中的唯一临床使用的骨水泥。

现有临床使用的PMMA骨水泥不具备抗菌性能，因此PMMA 将会因细菌侵入和生物膜在其表面的形成而增加感染的风险。根据英国官方数据统计，在全关节手术置换中，术后感染几率达1.7～2%。而在美国，全关节手术置换中术后感染几率则达2.3%，其中踝关节置换的术后感染率达到惊人的15%。骨水泥植入部位细菌感染会对上述骨水泥辅助手术治疗造成灾难性的后果：住院时间延长和住院费用大幅增加，可能致使患者截肢，甚至导致病人的死亡。因此，预防骨水泥植入部位感染具有重大意义。

目前，通过全身及局部注射抗生素是预防骨科手术术后感染的有效途径。局部负载抗生素的PMMA 骨水泥显示出较好的抗菌效果，能有效降低术后感染几率。然而，由于抗生素的不合理使用，耐药菌在临床上逐渐增多（如耐药金黄色葡萄球菌MRSA、耐药表皮葡萄球菌MRSE 等），难以再应用常规植入的抗生素骨水泥。此外，由于抗生素对人体危害日益明显，减少抗生素的使用已成为一个重要治疗原则。因此，发展不基于抗生素的新型抗感染PMMA骨水泥材料具有迫切的临床需求。

大量研究证实银、铜及其离子具有强烈的抗菌功能，参见文献：“AntibacterialActivity and Mechanism of Action of the Silver Ion in Staphylococcus aureusand Escherichia coli（Appl Environ Microbiol 2008;74:2171-8）”和“A mechanisticstudy of the antibacterial effect of silver ions on Escherichia coli andStaphylococcus aureus（J Biomed Mater Res 2000;52:662-8）”，揭示了银离子的抗菌作用；文献“Metallic copper as an antimicrobial surface （Appl Environ Microbiol2011;77:1541-7）和“Investigations into the antibacterial behavior of coppernanoparticles against Escherichia coli（Ann Microbiol 2010;60:75-80）”，揭示了铜及其离子的抗菌性能；文献“The antibacterial effects of zinc ion migration fromzinc-based glass polyalkenoate cements（J Mater Sci Mater Med 2006;17:489-94）”报道了锌离子的抗菌效果。然而，直接将纯银、纯铜、纯锌加入PMMA中制备抗菌骨水泥，将导致在体内银、铜、锌离子的暴释，存在较大的潜在毒性。

发明内容

本发明针对现有PMMA复合骨水泥存在的不足，提供一种具有抗菌功能和生物相容性的PMMA复合骨水泥及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，它包括固态粉体组分和液体组分，按质量体积比（0.5～3g）：1 ml混合形成；所述的固态粉体组分包括按质量比为（50～70）：（0.1～3）：（27～50）的聚甲基丙烯酸甲酯粉体、过氧化苯甲酰、显影剂，及占固态粉体质量百分数为1～40%的抗菌合金颗粒，所述的抗菌合金颗粒为粒径1～1000μm的钛合金、不锈钢中的一种，或任意组合；所述的液体组分包括按质量比为（98～99.5）：（0.5～2）的甲基丙烯酸甲酯单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺，及对苯二酚，液体中对苯二酚的浓度为5～10ppm。

本发明技术方案还包括提供一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥的制备方法，步骤如下：

（1）按质量比（50～70）：（0.1～3）：（27～50）称取聚甲基丙烯酸甲酯体、过氧化苯甲酰、显影剂，再称取抗菌合金颗粒，充分混合均匀后，得到固态粉体，所述的抗菌合金颗粒为固态粉体质量百分数的1～40%，抗菌合金颗粒为粒径1～1000μm的钛合金、不锈钢中的一种，或任意组合；

（2）按质量比（98～99.5）：（0.5～2）称取甲基丙烯酸甲酯单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺，再称取对苯二酚，充分混合均匀后，得到液体，液体中对苯二酚的浓度为5～10ppm；

（3）将步骤（1）得到的固态粉体和（2）得到的液体在温度为4～23℃的条件下保温处理1小时以上, 再在温度为23±1℃的条件下， 将步骤（2）所述的液体加入到步骤（1）所述的固态粉体中，充分搅拌混合、自发固化后，得到一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥。

本发明所述的钛合金为在纯钛、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb中添加了铜、银、锌元素中的一种，或添加了所述元素的任意组合；其中，铜、银和锌元素的质量分数总和为0.5～10%。

所述的不锈钢为在317L不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢中添加了铜、银和锌元素中的一种，或添加了所述元素的任意组合；其中，铜、银和锌元素的质量分数总和为0.5～10%。

所述的聚甲基丙烯酸甲酯粉体的粒径为5～100μm。

所述的显影剂为粒径5～50μm的氧化锆粉体，或粒径为0.5～5μm的硫酸钡粉体。

本发明利用合金化原理，将银、铜和锌作为一种合金元素加入到不锈钢、钛或钛合金基体内，进一步制备含银、铜、锌的医用合金颗粒。进一步通过将上述合金颗粒与PMMA骨水泥结合，通过实现银和铜元素的可控释放，制备具有强烈抗菌功能和生物安全性的骨水泥。

通过抗菌合金的加入，本发明骨水泥对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌，以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等细菌具有强烈的抗菌作用。而且，通过合金化设计，实现了铜、银和锌的可控释放，使得本发明骨水泥具有良好生物相容性。此外，本发明对骨水泥的整体配方进行了优化：通过添加适量显影剂，使得该骨水泥体系在手术中X光清晰可见，真正具有临床应用价值；通过添加过氧化苯甲酰、N,N-二甲基聚合甲苯胺、对苯二酚等成分和控制制备温度，优化了骨水泥的操作性能和注射性能。总之，本发明通过对骨水泥体系的成分设计及优化调整，得到的骨水泥具有优异的抗菌性、生物相容性、操作性能和可注射性，以及良好显影性。

与现有材料及制备方法相比，本发明具有如下明显的有益效果：

1.本发明利用的抗菌金属颗粒制备简单，原料来源丰富，成本低廉，且对环境友好，对人体无害。

2.本发明所制备的PMMA骨水泥不使用抗生素的前提下具有优异的抗菌性，同时具有优异生物相容性、兼具可操作性、显影性和生物安全性，可用于骨缺损填充、关节假体固定、股骨头坏死治疗及椎体成形术等骨科手术领域。

3.通过金属颗粒的加入，可有效降低PMMA骨水泥聚合放热。

4.本发明提供了一种可持续释放有益金属离子的骨水泥材料；复合骨水泥植入体内后可向周围持续地释放适量有益金属离子，如铜、锌。上述金属离子为人体中的有益元素，特别是对骨骼健康具有重要作用。在体内适量释放上述离子，可为骨骼系统补充有益元素，并且可以防治由于上述元素缺乏引起的一些疾病。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案作进一步说明。

实施例1：

以粒径为50～70μm的PMMA粉体，粒径为5～20μm的氧化锆粉体，粒径分别为50～100μm和20～50μm的317L-Cu与316L-Ag合金粉体为原料，将PMMA粉体、过氧化苯甲酰、二氧化锆以质量比60：2：38均匀混合，再加入合金粉体，包括317L-Cu合金（含1.5wt.% Cu的317L不锈钢）和316L-Ag合金（含1.25wt.% Ag的316L不锈钢），得到固体粉体；合金粉体的质量百分数占总固体粉体的30%，将它们均匀混合。

将MMA单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺以质量比99:1混合，再加入对苯二酚，得到液体，液体中对苯二酚的浓度为5ppm。

将上述制备得到的固态粉体与液体在10℃放置2小时，然后在23℃下以质量体积比3g：1ml进行混合，制备骨水泥。

同时，按相同条件，以不含317L-Cu与316L-Ag合金粉体的骨水泥作为对照组。

利用大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌，进行细菌表面粘附实验测试材料的抗菌性能。培养24小时后，扫描电镜结果表明：含317L-Cu与316L-Ag合金粉体的骨水泥表面粘附三种细菌的细菌量明显低于对照组骨水泥。利用成骨细胞进行体外细胞黏附和增殖实验，24小时和72小时电镜观察显示成骨细胞在含317L-Cu与316L-Ag合金粉体的骨水泥表面黏附和增殖均优于对照组骨水泥。

实施例2：

将PMMA粉体、过氧化苯甲酰、硫酸钡以质量比70：2：28均匀混合，然后将Ti-Cu合金（5wt.% Cu），Ti-Ag合金（2.5wt.% Ag）加入，其质量百分数占总粉体的25%，然后均匀混合。将MMA单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺以质量比98.5:1.5混合，然后加入对苯二酚，浓度为8ppm。将上述固态粉体与液体在4℃放置1小时，然后在23℃下以质量体积比2.5g：1ml进行混合，制备骨水泥。其中PMMA粉体粒径为50～70μm，硫酸钡粉体粒径为1～2μm，Ti-Cu与Ti-Ag合金粉体粒径均为50～100μm。其它制备条件相同，不含Ti-Cu与Ti-Ag合金粉体的骨水泥作为对照组。

将大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌种植在含Ti-Cu、Ti-Ag骨水泥及对照骨水泥表面。24小时后，利用细菌活死染色观察骨水泥表面细菌粘附和活死情况，结果显示含Ti-Cu、Ti-Ag骨水泥表面总细菌量，活细菌量和死活细菌比均明显低于对照组骨水泥，结果有显著性差异。将成骨细胞种植在三种骨水泥表面，24小时后进行细胞活死染色，结果显示成骨细胞在含Ti-Cu、Ti-Ag骨水泥表面活细胞数量大于对照组骨水泥，而死活细胞比例低于对照组骨水泥。

实施例3：

将PMMA粉体、过氧化苯甲酰、氧化锆以质量比65：2：33均匀混合，然后将分别将316L-Cu合金（含2wt.% Cu的316L不锈钢）、304-Ag合金（含1.5wt.% Ag的304不锈钢）、纯铜（Cu＞99.5wt.%）、纯银（Ag＞99.5wt.%）加入，合金成分及合金质量百分数见表1，然后均匀混合。将MMA单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺以质量比99:1混合，然后加入对苯二酚，浓度为6ppm。将上述固态粉体与液体在20℃放置12小时，然后在23℃下，以质量体积比2g：1ml进行混合，制备骨水泥。其中PMMA粉体粒径为50～70μm，二氧化锆粉体粒径为10～20μm，金属及合金粉体粒径均为100～200μm。其它制备条件相同，但不含合金粉体的骨水泥作为对照组。

根据中国医药行业标准“YY 0459-2003 《外科植入物 丙烯酸类树脂骨水泥》”，测试了上述骨水泥的抗压强度，结果见表1。

根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表1所示骨水泥对常见感染菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌）作用后的杀菌率。体外抗菌性能检测结果见表1，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(%) = [(对照样品活菌数-骨水泥活菌数)/对照样品活菌数]×100，对照样品活菌数是在对照样品（对照样品为培养基）上进行细菌培养后的活菌数，骨水泥活菌数是指在骨水泥上进行细菌培养后的活菌数。

同时，根据国标GBT16886.5-2003医疗器械生物学评价，对骨水泥浸出液对NIH3T3细胞（小鼠成纤维细胞）的细胞毒性进行了评价，结果见表1。

结果显示加入金属颗粒的骨水泥的杀菌率明显高于对照组PMMA骨水泥。同时，相对于加入纯Cu和纯Ag的骨水泥，加入其它金属颗粒的骨水泥的细胞相对增值率明显较高，满足生物安全性要求，而加入纯Cu和纯Ag的骨水泥显示出细胞毒性。

表1 实施例3骨水泥的性能测试结果

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实施例4：

将PMMA粉体、过氧化苯甲酰、硫酸钡以质量比59：1：40均匀混合，然后将分别将不同成分的Ti-Ag、Ti-Zn、Ti-Cu、Ti-Zn-Ag、Ti-Zn-Cu合金，纯铜（Cu＞99.5wt.%）、纯银（Ag＞99.5wt.%）加入，合金成分及合金质量百分数见表2，然后均匀混合。将MMA单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺以质量比99:1混合，然后加入对苯二酚，浓度为6ppm。将上述固态粉体与液体在23℃放置24小时，然后在23℃下，以质量体积比2g：1ml进行混合，制备骨水泥。其中PMMA粉体粒径为70～90μm，硫酸钡粉体粒径为1～2μm，合金粉体粒径均为200～300μm。其它制备条件相同，但不含合金粉体的骨水泥作为对照组。

利用实施例3所述方法测量了表2中骨水泥的抗压强度；定量测试了骨水泥对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、MRSA作用后的杀菌率；同时对骨水泥浸出液对NIH3T3细胞的细胞毒性进行了评价，结果见表2。

结果显示加入金属颗粒的骨水泥具有显著的抗菌性能，而对照组PMMA骨水泥则不具备抗菌性能。同时，加入钛合金颗粒的骨水泥的细胞相对增值率明显较高加入纯Cu和纯Ag的骨水泥。加入钛合金颗粒的骨水泥满足生物安全性要求，而加入纯Cu和纯Ag的骨水泥显示出一定的细胞毒性。

表2 实施例4骨水泥的性能测试结果

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Claims (6)

1.一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，其特征在于：它包括固态粉体组分和液体组分，按质量体积比（0.5～3g）：1ml混合形成；所述的固态粉体的组分包括按质量比为（50～70）：（0.1～3）：（27～50）的聚甲基丙烯酸甲酯粉体、过氧化苯甲酰、显影剂，及占固态粉体质量百分数为1～40%的抗菌合金颗粒，所述的抗菌合金颗粒为粒径1～1000μm的钛合金、不锈钢中的一种，或任意组合；所述的液体组分包括按质量比为（98～99.5）：（0.5～2）的甲基丙烯酸甲酯单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺，及对苯二酚，液体中对苯二酚的浓度为5～10ppm。

2.根据权利要求1所述的一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，其特征在于：所述的钛合金为在纯钛、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb中添加了铜、银、锌元素中的一种，或添加了所述元素的任意组合；其中，铜、银和锌元素的质量分数总和为0.5～10%。

3.根据权利要求1所述的一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，其特征在于：所述的不锈钢为在317L不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢中添加了铜、银和锌元素中的一种，或添加了所述元素的任意组合；其中，铜、银和锌元素的质量分数总和为0.5～10%。

4.根据权利要求1所述的一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，其特征在于：所述的聚甲基丙烯酸甲酯粉体的粒径为5～100μm。

5.根据权利要求1所述的一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥，其特征在于：所述的显影剂为粒径5～50μm的氧化锆粉体，或粒径为0.5～5μm的硫酸钡粉体。

6.一种如权利要求1所述的具有抗菌和生物相容性的骨水泥的制备方法，其特征在于步骤如下：

（1）按质量比（50～70）：（0.1～3）：（27～50）称取聚甲基丙烯酸甲酯体、过氧化苯甲酰、显影剂，再称取抗菌合金颗粒，充分混合均匀后，得到固态粉体，所述的抗菌合金颗粒为固态粉体质量百分数的1～40%，抗菌合金颗粒为粒径1～1000μm的钛合金、不锈钢中的一种，或任意组合；

（2）按质量比（98～99.5）：（0.5～2）称取甲基丙烯酸甲酯单体、N,N-二甲基聚合甲苯胺，再称取对苯二酚，充分混合均匀后，得到液体，液体中对苯二酚的浓度为5～10ppm；

（3）将步骤（1）得到的固态粉体和（2）得到的液体在温度为4～23℃的条件下保温处理1小时以上, 再在温度为23±1℃的条件下， 将步骤（2）所述的液体加入到步骤（1）所述的固态粉体中，充分搅拌混合、自发固化后，得到一种具有抗菌和生物相容性的骨水泥。