CN108543110A

CN108543110A - 一种骨修复填充材料及其制备方法

Info

Publication number: CN108543110A
Application number: CN201810353378.8A
Authority: CN
Inventors: 刘晓玲; 朱晨凯; 从小晔
Original assignee: Ningbo Nuodinghan New Material Research Institute Co Ltd; University of Nottingham Ningbo China
Current assignee: Ningbo Nuodinghan New Material Research Institute Co Ltd; University of Nottingham Ningbo China
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2018-09-18

Abstract

本发明公开了一种骨修复填充材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1、将人体可吸收的磷酸盐玻璃采用玻璃熔融拉丝工艺制成磷酸盐玻璃纤维丝，并合股为磷酸盐玻璃纤维原丝束；S2、将磷酸盐玻璃纤维原丝束混合加捻制成磷酸盐玻璃纤维纱线；S3、采用3D编织机将磷酸盐玻璃纤维纱线进行囊状结构编织，制成磷酸盐玻璃囊状球体；S4、磷酸盐玻璃用球磨机碾碎为磷酸盐玻璃微球，将磷酸盐玻璃微球与磷酸钙骨填充材料均匀混合后，注入磷酸盐玻璃囊状球体内，使球体逐渐膨胀并填满椎体，并固化得到骨修复填充材料。本发明骨修复填充材料以磷酸盐玻璃颗粒为填充主体，磷酸钙骨填充材料为辅助填料，注入磷酸盐玻璃纤维织物内，能够促进骨骼的修复。

Description

一种骨修复填充材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及骨修复填充材料技术领域，特别是涉及一种骨修复填充材料及其制备方法。

背景技术

随着我国老龄人群增加，骨质疏松患者逐年增多。骨质疏松椎体压缩性骨折(osteoporotic vertiebral compression fractures，OVCF)是造成高龄老年人行动能力受限，生活质量下降的主要原因，因此OVCF的治疗日益受到人们的重视。因骨质疏松引起的椎体压缩性骨折在老年人中较为常见，而许多老年患者体质弱，伴有许多内科疾患，手术风险大，传统的保守治疗和开放手术疗效均不理想。因此既往主要是止痛、卧床休息和外部支撑等，长期卧床可加重骨质疏松，出现褥疮、肺炎等并发症甚至死亡，这给患者带来极大的痛苦。

近年来经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)在治疗OVCF方面取得了良好的效果，该技术在早期主要是治疗椎体恶性肿瘤及有症状的椎体良性肿瘤。但近年来，西方发达国家已将经皮椎体成形术作为治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折引起疼痛的首选方法。该技术通过微创的方法将骨水泥注入至压缩的椎体内，通过骨水泥等填充材料恢复椎体的高度并提高力学强度，从而缓解疼痛并减少患者因卧床带来的多种全身并发症。临床表明，椎体成形术可有效的缓解骨质疏松性椎体压缩性骨折引起的疼痛，并使患者早日离床恢复正常生活，在西方已逐渐成为治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的重要治疗手段。

目前用于PVP手术的填充材料主要为丙烯酸类骨水泥、磷酸钙类骨水泥、及硫酸钙类骨水泥。

丙烯酸类骨水泥主要是由PMMA构成的固相和甲基丙烯酸甲酯及少量聚合引发剂、稳定剂和活性剂构成的液相组成，混合后可形成具有可注射性、自固性、可塑性及固化后具有良好的力学性能等特点的骨水泥材料，然而PMMA水泥也存在诸多缺陷，如易发生椎旁及椎管内渗漏、弹性模量过高易导致临近椎体骨折，聚合温度过高损伤周围组织神经，不能降解且无生物活性。除此以外，由于PMMA自身X线下并不能显影，然而PVP需在X射线引导下完成，因此PMMA在使用时需要加入BaSO₄或ZrO₂等抗X线物质。

磷酸钙类骨水泥它是由几种磷酸钙粉末构成的固相与水、磷酸盐缓冲液或血清等构成的液相组成，混合后形成具有一定力学强度的水泥材料，而且其固化过程中放热慢、升温小，不会造成局部过热，从而克服了PMMA聚合产热过多的缺陷。其最终产物羟基磷灰石与人体骨的无机成分类似，植入体内后并不会引起组织变性或坏死，具有良好的生物相容性，并且具有出色的骨传导性和骨诱导性，能完全降解。然而，磷酸钙骨水泥固化时间过长，机械性能不足，并且降解缓慢。同时，其在X线下显影效果不佳，也需添加BaSO₄等抗X线物质提高显影效果。

硫酸钙类骨水泥是由硫酸钙二水化合物组成的矿物质。在42℃以下与水接触时可形成特定大小和形状的晶体结构，并具有原位自固化性，可根据填充部位制备成各种形状以填充修复骨缺损。研究表明，硫酸钙无毒且生物相容性好，不会引起炎症，并且抗压强度大，可被人体吸收并具备骨传导作用。但是该水泥凝固时间较长，降解速度过快。

OVCF的主要治疗目的是维持并恢复压缩椎体原有的高度和力学支撑，缓解疼痛并通过自身骨骼再生和修复重建以维持长期疗效。因此，理想的OVCF填充材料应具备良好的生物相容性与力学性能，可降解并可注射，同时可适用于X射线显影。而上述三种水泥都不能满足OVCF填充材料的使用要求。

除此之外，PVP技术对于OVCF的治疗方法主要是将可固化的水泥注射进椎体，待其固化后方实现椎体制成，然后骨水泥在固化前多为流体胶态，受骨水泥注入区域的形貌影响以及来自患者身体微动时的外力驱使，注入的骨水泥向椎管渗漏，不但降低了骨水泥在腔体内的含量，削减了水泥对椎体的力学支撑作用，还会导致的椎管内的感染。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种骨修复填充材料及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种骨修复填充材料及其制备方法，用于治疗骨质疏松以及其导致的椎体压缩性骨折等骨损伤疾病。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种骨修复填充材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将人体可吸收的磷酸盐玻璃采用玻璃熔融拉丝工艺制成磷酸盐玻璃纤维丝，并合股为磷酸盐玻璃纤维原丝束；

S2、将磷酸盐玻璃纤维原丝束混合加捻制成磷酸盐玻璃纤维纱线；

S3、采用3D编织机将磷酸盐玻璃纤维纱线进行囊状结构编织，制成磷酸盐玻璃囊状球体；

S4、磷酸盐玻璃用球磨机碾碎为磷酸盐玻璃微球，将磷酸盐玻璃微球与磷酸钙骨填充材料均匀混合后，注入磷酸盐玻璃囊状球体内，使球体逐渐膨胀并填满椎体，并固化得到骨修复填充材料。

作为本发明的进一步改进，所述磷酸盐玻璃按质量百分比包括：

P₂O₅：40～60％，CaO：10～20％，MgO：10～30％，B₂O₃：10～20％，Na₂O：0～10％，Fe₂O₃：0～10％。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1具体为：

将人体可吸收的磷酸盐玻璃采用玻璃熔融拉丝工艺，800～1200℃下将磷酸盐玻璃熔化，通过漏板拉丝制成直径为7～10μm的磷酸盐玻璃纤维丝，然后合股为磷酸盐玻璃纤维原丝束。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中磷酸盐玻璃囊状球体的直径为10～50mm，纱线间缝隙小于或等于0.1mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中磷酸盐玻璃微球的直径为0.1～100μm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中磷酸盐玻璃微球的直径为45～100μm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中注入磷酸盐玻璃囊状球体内的磷酸盐玻璃微球和磷酸钙骨填充材料按质量份数为：磷酸盐玻璃微球50～100份，磷酸钙骨填充材料0～50份。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2后还包括：

采用涂覆剂对磷酸盐玻璃纤维纱线进行表面涂覆，以提高生物活性，降低表面摩擦系数。

作为本发明的进一步改进，所述涂覆剂为多巴胺、壳聚糖、海蜇胶原中的至少一种。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种骨修复填充材料的制备方法，所述骨修复填充材料由上述制备方法制得。

本发明的有益效果是：

骨修复填充材料以磷酸盐玻璃颗粒为填充主体，磷酸钙骨填充材料为辅助填料，注入磷酸盐玻璃纤维织物内，逐步膨胀填充塌陷的脊柱椎体损伤部位，在固化后起到优良的力学支撑作用和骨传导效果，能够促进骨骼的修复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中骨修复填充材料制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种骨修复填充材料的制备方法，包括以下步骤：

其中，磷酸盐玻璃按质量百分比包括：

步骤S1具体为：

步骤S3中磷酸盐玻璃囊状球体的直径为10～50mm纱线间缝隙小于或等于0.1mm。

步骤S4中磷酸盐玻璃微球的直径为0.1～100μm，优选地，磷酸盐玻璃微球的直径为45～100μm。

步骤S4中注入磷酸盐玻璃囊状球体内的磷酸盐玻璃微球和磷酸钙骨填充材料按质量份数为：磷酸盐玻璃微球50～100份，磷酸钙骨填充材料0～50份。

进一步地，步骤S2后还包括：

采用涂覆剂对磷酸盐玻璃纤维纱线进行表面涂覆，以提高生物活性，降低表面摩擦系数。其中，涂覆剂为多巴胺、壳聚糖、海蜇胶原中的至少一种。

本发明人体可吸收的骨修复填充材料，用于治疗骨质疏松以及其导致的椎体压缩性骨折等骨损伤疾病。该材料整体为囊状球体结构，以人体可吸收磷酸盐玻璃颗粒为填充主体，磷酸钙骨填充材料(即现有技术中的磷酸钙类骨水泥)为辅助填料，磷酸盐玻璃纤维织物为外层织物。磷酸盐玻璃颗粒和磷酸钙骨填充材料注入磷酸盐玻璃纤维织物内后，逐步膨胀填充塌陷的脊柱椎体损伤部位，在固化后起到优良的力学支撑作用和骨传导效果，促进骨骼的修复。

本发明中的骨修复填充材料为微米级(0.1～100μm)，填充物为磷酸盐玻璃颗粒(50～100份)与磷酸钙骨填充材料(0～50份)的混合体。对磷酸盐玻璃进行降解性能分析和生物活性分析，表明，成骨细胞能在磷酸盐玻璃以及玻璃纤维表明良好附着，并随着时间的推移进行分裂繁殖，在细胞培养第14天时，发现成骨细胞开始分化，并发生骨矿化。

进一步地，本发明中的磷酸盐玻璃纤维纱线表面涂覆有生物相容性良好的表面上浆剂(主要成分为多巴胺、壳聚糖、海蜇胶原中的一种或几种)，保护纤维表面并降低编织过程中的摩擦，所编织的3D立体织物为囊状球体且中空结构，纱线间空隙小于或等于0.1mm，在注入填充物之前为干瘪形态。

在实施过程中，首先将囊状球体植入塌陷的椎体之间，将磷酸盐玻璃颗粒与磷酸钙骨填充材料按比例混合后，注入囊状球体之中，随着填充物含量的增多，囊状球体不断膨胀并逐渐填满脊椎塌陷的腔体，随着磷酸钙的固化逐渐凝固。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例中骨修复填充材料的制备方法具体步骤如下：

1、提供人体可吸收的磷酸盐玻璃材料，磷酸盐玻璃按质量百分比包括：

2、采用玻璃熔融拉丝工艺，1200℃下将磷酸盐玻璃熔化，通过50孔漏板拉丝制成直径为7～10μm的磷酸盐玻璃纤维丝，然后合股为磷酸盐玻璃纤维原丝束(内含50根单丝)。

3、将10股磷酸盐玻璃纤维原丝束混合加捻(捻度：100捻/m)，制成磷酸盐玻璃纤维纱线。

4、采用多巴胺(5％浓度)溶液对磷酸盐玻璃纤维纱线进行表面涂覆，喷涂次数为2～3次，直至多巴胺均匀包覆磷酸盐玻璃纤维纱线表面，提高生物活性并降低表面摩擦系数。

5、采用3D编织机将磷酸盐玻璃纤维纱线进行囊状结构编织，制成直径为20mm的囊状球体，纱线间缝隙小于或等于0.1mm。

6、将磷酸盐玻璃用球磨机碾碎为直径0.1～100μm的磷酸盐玻璃微球，然后将磷酸盐玻璃微球50份与磷酸钙骨填充材料50份均匀混合后，采用专用注射器注入磷酸盐玻璃囊状球体内，使球体逐渐膨胀并填满椎体，并固化4h后得到骨修复填充材料。

将本实施例中制备得到的骨修复填充材料置于磷酸盐缓冲液中，在37℃环境下进行为90天的降解实验，磷酸盐缓冲液定期更换以确保pH值稳定。

结果表明，该配比的骨修复填充材料在第30天质量损失为10％，外层纤维织物开始初步降解，但形貌保持完好；第60天发现纤维降解严重，填充材料质量损失达到30％，透过织物缝隙观察到磷酸盐玻璃颗粒与骨填充材料表面发生降解而形成空洞；第90天可观察到纤维基本已经降解完全，填充材料中的磷酸盐玻璃颗粒与骨填充材料释放进入溶液中，可观察到部分颗粒沉淀在缓冲液底部。

实施例2：

本实施例中骨修复填充材料的制备方法具体步骤如下：

6、将磷酸盐玻璃用球磨机碾碎为直径45～100μm的磷酸盐玻璃微球，然后将磷酸盐玻璃微球50份与磷酸钙骨填充材料50份均匀混合后，采用专用注射器注入磷酸盐玻璃囊状球体内，使球体逐渐膨胀并填满椎体，并固化4h后得到骨修复填充材料。

将本实施例中制备得到的骨修复填充材料消毒后，置于细胞培养液中浸泡，并随后在其纤维织物表面接种MG63骨细胞系，并放入细胞培养箱中进行细胞培养(37℃，CO₂浓度5％)。在第3天观察发现，MG63细胞已繁殖生长，依附在纤维表面；在第14天观察发现MG63细胞已覆盖织物表面，形成厚实的骨细胞层；随后在第28天，观察到细胞已开始分化为成骨细胞，细胞表面形成矿物晶体形态的骨细胞。

实施例3：

本实施例中骨修复填充材料的制备方法具体步骤如下：

3、将20股磷酸盐玻璃纤维原丝束混合加捻(捻度：100捻/m)，制成磷酸盐玻璃纤维纱线。

4、采用壳聚糖(5％浓度)溶液对磷酸盐玻璃纤维纱线进行表面涂覆，喷涂次数为2～3次，直至多巴胺均匀包覆磷酸盐玻璃纤维纱线表面，提高生物活性并降低表面摩擦系数。

5、采用3D编织机将磷酸盐玻璃纤维纱线进行囊状结构编织，制成直径为35mm的囊状球体，纱线间缝隙小于或等于0.1mm。

6、将磷酸盐玻璃用球磨机碾碎为直径45～100μm的磷酸盐玻璃微球，然后将磷酸盐玻璃微球70份与磷酸钙骨填充材料30份均匀混合后，采用专用注射器注入磷酸盐玻璃囊状球体内，使球体逐渐膨胀并填满椎体，并固化4h后得到骨修复填充材料。

实施例4：

本实施例中骨修复填充材料的制备方法具体步骤如下：

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

采用人体可吸收的磷酸盐玻璃颗粒为主要填充物，而磷酸钙骨填充材料为次要辅助填料，磷酸盐玻璃纤维织物作为支架。磷酸盐玻璃颗粒以其优良的生物活性，在降解过程中逐渐释放出骨修复必需的磷、镁、钙、铁、钠等离子，促进骨细胞增殖分化。由于其降解速率可调，植入修复周期可按需求控制在从三个月到一年的范围内，最终所有植入物(磷酸盐玻璃颗粒、磷酸盐玻璃纤维织物以及磷酸钙骨填充材料)都将被人体吸收；

磷酸盐玻璃纤维织物作为支架，起到了骨传递的作用，使骨细胞能够附着在纤维表面增殖分化，最终以纤维织物为桥梁链接椎体两端，重建椎体组织；

由于磷酸盐玻璃纤维对X射线成像的影响较小，本发明中含有少量的磷酸钙骨填充材料并未对植入区域的X射线成像分析造成影响，磷酸钙含量的减少显著降低了固化过程中热量的释放，保护了椎体周围的神经与组织；

由于磷酸盐玻璃纤维织物中纱线间缝隙较小，填充物注射完成后，不会从缝隙中渗出；同时，囊状形貌在一定程度上限制了骨水泥在椎体中的扩散，降低了材料对前纵韧带的损伤，减少对后缘脊髓神经系统的破坏及压迫造成的下肢麻木和瘫痪等并发症，减少对周围肌肉组织和血管组织的损伤。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种骨修复填充材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸盐玻璃按质量百分比包括：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中磷酸盐玻璃纤维囊状球体的直径为10～50mm，纱线间缝隙小于或等于0.1mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中磷酸盐玻璃微球的直径为0.1～100μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中磷酸盐玻璃微球的直径为45～100μm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中注入磷酸盐玻璃囊状球体内的磷酸盐玻璃微球和磷酸钙骨填充材料按质量份数为：磷酸盐玻璃微球50～100份，磷酸钙骨填充材料0～50份。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2后还包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆剂为多巴胺、壳聚糖、海蜇胶原中的至少一种。

10.一种骨修复填充材料的制备方法，其特征在于，所述骨修复填充材料由权利要求1～9中任意一项的制备方法制得。