CN107754020A - 壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法及其产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法及其产品和应用，采用固相反应法将原料磷酸氢钙与碳酸钙按摩尔比2:1充分混合后，在1250‑1400℃煅烧2‑4h并急速冷却至室温，以无水乙醇为球磨介质450rpm进行球磨2‑4h，制备α‑TCP粉末；将α‑TCP粉末按1g/2mL的比例加入质量分数为0.05‑0.5%的水溶性壳聚糖季铵盐溶液，使α‑TCP粉末负载明胶质量分数为0.1‑1%，1000‑1500rpm高速搅拌0.5h后进行冷冻干燥，制备得到壳聚糖季铵盐改性的α‑TCP粉末；将上述粉末与固化液按液固比0.3‑0.4mL/g进行调和，制备得到壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥。材料注射性良好，固化时间合适，抗菌性能优异，适用于微创手术，在临床骨修复领域具有广阔的应用前景。

Description

壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法及其产品和 应用
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法及其产品和应用，以自制的α-TCP为粉末主体，以水溶性壳聚糖季铵盐为改性剂，制备得到注射性、抗菌性良好的可注射型磷酸钙骨水泥。
背景技术
可注射型磷酸钙骨水泥作为一种新型骨修复材料，与传统PMMA骨水泥相比，具有良好的骨传导性、骨诱导性、生物降解性，且固化过程不大量产热，生物相容性更好。α-TCP是制备磷酸钙骨水泥的一种常见原料，与同类骨水泥相比，它的固化时间较快、强度较高、固化后孔隙率较大，通过加入合适的改性剂，可以具备良好的可注射性，适用于微创手术。
壳聚糖季铵盐是壳聚糖经化学修饰后制得的一种壳聚糖衍生物，由于分子中引入了亲水性强的季铵盐基团，其在水中有良好的溶解性。它还保持壳聚糖本身具备的良好的吸水、保水能力。同时，壳聚糖季铵盐的广谱抗菌能力也优于壳聚糖及其他衍生物，且其独特的抗菌机理与普通抗生素类药物不同，不易产生耐药性，已被广泛应用于纺织、环保、医疗等领域。
本发明针对以上背景，以壳聚糖季铵盐作为磷酸钙骨水泥的改性剂，一方面利用其良好的吸水、保水能力，提高磷酸钙骨水泥的可注射性和抗溃散性，使材料适用于微创手术；另一方面可以克服手术过程中发生的置换后假体周围感染症状，提高手术安全性，为临床骨科克服术后感染提供了一种新的思路。为此，本发明提供了一种壳聚糖季铵盐制备以及壳聚糖季铵盐改性的磷酸钙骨水泥的制备方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于：提供一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法。
本发明再一目的在于：提供一种上述方法制备的产品。
本发明又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明与固化液调和后，骨水泥粉末在壳聚糖季铵盐分子的包覆下充分固化，以提高骨水泥的可注射性和抗溃散性。壳聚糖季铵盐在骨水泥注射至体内后，逐渐溶解扩散至骨水泥周围，发挥抗感染作用。
一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法，利用化学修饰向脱乙酰化的壳聚糖分子中引入季铵盐基团，将骨水泥粉末分散于壳聚糖季铵盐溶液中，通过冷冻干燥使壳聚糖季铵盐分子链均匀包覆于骨水泥粉末之上，包含以下步骤：
（1）采用固相反应法将原料磷酸氢钙与碳酸钙按摩尔比2:1充分混合后，在1250-1400℃煅烧2-4h并急速冷却至室温，以无水乙醇为球磨介质450rpm进行球磨2-4h，制备α-TCP粉末；
（2）将α-TCP粉末按1g/2mL的比例加入质量分数为0.05-0.5%的水溶性壳聚糖季铵盐溶液，使α-TCP粉末负载明胶质量分数为0.1-1%，1000-1500rpm高速搅拌0.5h后进行冷冻干燥，制备得到壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末；
（3）将上述壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末与固化液按液固比0.3-0.4mL/g进行调和，制备得到壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥。
步骤（1）所述的固相反应法的原料混合方式为使用无水乙醇为介质的湿法球磨，转速为400rpm，球磨时间为2-4h。
所述的水溶性壳聚糖季铵盐为任意自制或商业的水溶性壳聚糖季铵盐，脱乙酰度达75%以上，季铵盐基团取代度达70%以上，以保证该分子在水中的溶解度。
步骤（3）所述固化液为质量分数2.5%的磷酸氢二钠溶液，配制方式为常温下磁力搅拌或机械搅拌溶解。
本发明提供一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明提供一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥在外科可注射型骨支架材料中的应用。
本发明包括以下步骤：
1、将磷酸氢钙和碳酸钙按摩尔比2:1混合均匀。所述混合方式为超纯水为球磨介质下400rpm球磨混合，混合时间2-4h，混合后的悬浊液置于130℃烘箱中干燥。
2、上述干燥后的原料置于1250-1400℃马弗炉中高温煅烧2-4h，反应结束后取出，在鼓风环境中急速冷却，得到α-TCP粉末。将产物以无水乙醇为球磨介质450rpm进行球磨2-4h，球磨后的悬浊液使用旋转蒸发仪除去乙醇，置于60℃烘箱中干燥过夜。
3、将壳聚糖粉末分散于水中，利用装有搅拌器和冷凝回流装置的三口烧瓶进行反应，60℃水浴中搅拌一段时间后加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（ETA），在60-90℃条件下持续搅拌反应15h。反应物用多倍量异丙醇洗涤、沉淀后，再反复以蒸馏水溶解，异丙醇沉淀，并用少量丙酮洗涤后，置于80℃烘箱中干燥至恒重，制备得到壳聚糖季铵盐。
4、配制质量分数为0.05-0.5%的上水壳聚糖季铵盐水溶液。将α-TCP粉末与上述明胶溶液按1g/2mL的比例混合，使α-TCP粉末负载壳聚糖季铵盐质量分数为0.1-1%，1000-1500rpm高速搅拌0.5h，进行冷冻干燥，制备得到壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末。
5、配制质量分数为2.5%的磷酸氢二钠水溶液。所述溶液的配制方式为室温下搅拌溶解，搅拌方式为磁力搅拌或机械搅拌。上述溶液作为骨水泥固化液储存备用。
6、将骨水泥固化液与壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末按液固比0.3-0.4mL/g进行调和，即得到注射性、抗菌性良好的可注射型磷酸钙骨水泥。
本发明的优点在于：
1、本发明以水溶性壳聚糖季铵盐溶液与α-TCP粉末分散后冻干的混合方式，两者充分混合，改善体系的可注射性和抗溃散性。
2、化学修饰后的壳聚糖季铵盐较壳聚糖本身具有更好的水溶性，注射至修复部位后，能迅速溶解扩散至周围，发挥抗菌作用。本发明提供的制备方法简单，符合临床使用的需求，具有广阔的应用前景。
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。
（1）α-TCP粉末制备：
将磷酸氢钙粉末和碳酸钙粉末按摩尔比2:1称量，以总质量的1.5倍的超纯水为介质湿法球磨，转速400rpm，球磨时间4h，球磨珠与粉末质量比为3:1，球磨后置于130℃烘箱中干燥。将干燥后的粉末置于1400℃马弗炉中高温煅烧4h，反应结束后取出，在鼓风环境下急速冷却。将冷却后的粉末以1g/mL的比例加入无水乙醇湿法球磨，转速450rpm，球磨时间为4h，球磨珠与粉末质量比为4:1。粉末悬浊液使用旋转蒸发仪除去乙醇后置于60℃烘箱中充分干燥，制备得到α-TCP粉末。
（2）壳聚糖季铵盐制备：
将5g壳聚糖粉末分散于水中，利用装有搅拌器和冷凝回流装置的三口烧瓶进行反应，60℃水浴中搅拌一段时间后加入27g2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（ETA），在60-90℃条件下持续搅拌反应15h。反应物用多倍量异丙醇洗涤、沉淀后，再反复以蒸馏水溶解，异丙醇沉淀，并用少量丙酮洗涤后，置于80℃烘箱中干燥至恒重，制备得到壳聚糖季铵盐。
（2）3.5.2 注射能力系数测试
将内径为20mm，末端开口内径2mm的20mL注射器垂直置于力学测试机平板上，将骨水泥粉末与固化液按一定合适比例混合均匀置于注射器中，于混合后120s时进行测试。以速率15mm/min推进将骨水泥推出，直至最大推进力为100N时停止。将推出的骨水泥重量占总重量的百分比作为注射能力系数。
（3）抗菌试验测试：
骨水泥调和后填入φ6*12cm3模具，置于37℃100%湿度环境中充分固化24h。参照标准GB/T21510-2008附录B测试材料抗菌性，以大肠杆菌为测试菌种。取培养三代以上的大肠杆菌，用PBS缓冲溶液稀释至适宜浓度（约为105cfu/mL）；称取抗菌骨水泥1.0g±0.05g放入三角瓶中，加入95mL含0.1%吐温-80的PBS混合后，再加入5.0mL上述预制菌悬液。对照组按上述方法配制不含抗菌骨水泥的菌悬液。将试验组和对照组置于37℃150rpm恒温摇床中振荡孵育2-4h。振荡结束后，试验组和对照组经过适当的稀释，接种于含有琼脂培养基的平皿上，每个浓度设置2个平行样，将上述平皿于37℃培养箱中培养24h，做活菌培养计数。
实施例1
称取0.02g上述（2）所制的壳聚糖季铵盐溶解于40mL超纯水中，50℃加热搅拌促进溶解，然后向水溶液中加入20g上述（1）所制α-TCP粉末，1500rpm高速搅拌0.5h后用液氮快速冷冻，进行冷冻干燥48h以上，制备得到骨水泥粉末。配制质量分数为2.5%的磷酸氢二钠水溶液作为固化液，将固化液与骨水泥粉末按液固比0.35mL/g进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为9min，终凝时间为21min；按实上述（2）测试注射能力系数为95%，水中不溃散；按上述（3）测试材料抗菌性，结果为空白组菌落数为6.3*109cfu/mL，试验组菌落数为4.3*109cfu/mL，抗菌率为31.8%。
实施例2
称取0.1g上述（2）所制的壳聚糖季铵盐溶解于40mL超纯水中，50℃加热搅拌促进溶解，然后向水溶液中加入20g上述（1）所制α-TCP粉末，1500rpm高速搅拌0.5h后用液氮快速冷冻，进行冷冻干燥48h以上，制备得到骨水泥粉末。配制质量分数为2.5%的磷酸氢二钠水溶液作为固化液，将固化液与骨水泥粉末按液固比0.35mL/g进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为9min，终凝时间为22min；按上述（2）测试注射能力系数为93%，水中不溃散；按上述（3）测试材料抗菌性，结果为空白组菌落数为3.32*109cfu/mL，试验组菌落数为1.4 *108cfu/mL，抗菌率为95.8%。
实施例3
称取0. 2g上述（2）所制的壳聚糖季铵盐溶解于40mL超纯水中，50℃加热搅拌促进溶解，然后向水溶液中加入20g上述（1）所制α-TCP粉末，1500rpm高速搅拌0.5h后用液氮快速冷冻，进行冷冻干燥48h以上，制备得到骨水泥粉末。配制质量分数为2.5%的磷酸氢二钠水溶液作为固化液，将固化液与骨水泥粉末按液固比0.35mL/g进行调和，参照标准ASTM C191测定初凝时间为9min，终凝时间为22min；按上述（2）测试注射能力系数为95%，水中不溃散；按上述（3）测试材料抗菌性，结果为空白组菌落数为3.14*109cfu/mL，试验组菌落数为1.0*107cfu/mL，抗菌率为99.7%。

Claims (6)

1.一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，利用化学修饰向脱乙酰化的壳聚糖分子中引入季铵盐基团，将骨水泥粉末分散于壳聚糖季铵盐溶液中，通过冷冻干燥使壳聚糖季铵盐分子链均匀包覆于骨水泥粉末之上，包含以下步骤：
（1）采用固相反应法将原料磷酸氢钙与碳酸钙按摩尔比2:1充分混合后，在1250-1400℃煅烧2-4h并急速冷却至室温，以无水乙醇为球磨介质450rpm进行球磨2-4h，制备α-TCP粉末；
（2）将α-TCP粉末按1g/2mL的比例加入质量分数为0.05-0.5%的水溶性壳聚糖季铵盐溶液，使α-TCP粉末负载明胶质量分数为0.1-1%，1000-1500rpm高速搅拌0.5h后进行冷冻干燥，制备得到壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末；
（3）将上述壳聚糖季铵盐改性的α-TCP粉末与固化液按液固比0.3-0.4mL/g进行调和，制备得到壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的固相反应法的原料混合方式为使用无水乙醇为介质的湿法球磨，转速为400rpm，球磨时间为2-4h。
3.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，所述的水溶性壳聚糖季铵盐为任意自制或商业的水溶性壳聚糖季铵盐，脱乙酰度达75%以上，季铵盐基团取代度达70%以上，以保证该分子在水中的溶解度。
4.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述固化液为质量分数2.5%的磷酸氢二钠溶液，配制方式为常温下磁力搅拌或机械搅拌溶解。
5.一种壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥，其特征在于根据权利要求1-4任一所述方法制备得到。
6.根据权利要求5所述壳聚糖季铵盐改性抗菌磷酸钙骨水泥的应用。
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