CN108553687A - 一种注射型骨填充材料及其制备方法与使用方法 - Google Patents

一种注射型骨填充材料及其制备方法与使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种注射型骨填充材料及其制备方法与使用方法，涉及医用材料技术领域，包括β‑磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖0.5‑1.8wt％、柠檬酸8‑15wt％、聚乙烯醇1‑2wt％，余量为去离子水；载药微球是以Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N‑异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基‑β‑环糊精，药物负载在羟丙基‑β‑环糊精上。本发明能够将消炎药物同骨水泥一起注入骨折椎体内，后期可根据患者的发炎情况通过磁热疗的方式在体外控制药物的释放，无需进行药物注射，避免了对患者的再次伤害。

Description

一种注射型骨填充材料及其制备方法与使用方法
技术领域
本发明涉及医用材料技术领域，尤其涉及一种注射型骨填充材料及其制备方法与使用方法。
背景技术
骨质疏松性椎体压缩骨折是由于骨质疏松症导致的骨质进行性脱钙和骨小梁结构异常，是老年脆性骨折之一，占骨质疏松性骨折的45％。骨质疏松性椎体压缩骨折好发于脊柱胸腰段和中胸段，可导致脊柱后凸畸形、顽固性背痛、驼背等功能障碍，以及继发出现的其他并发症，显著降低了患者的生活质量。传统治疗方法为长期卧床、药物治疗和佩戴支具，但非手术治疗无法有效缓解疼痛，而长期卧床又可导致骨质疏松程度进一步加重及并发症出现，带来沉重的护理负担，据报道保守治疗5年内骨质疏松性椎体压缩骨折患者的死亡率高达23％-34％。由于骨质疏松对螺钉把持力较差，导致内固定失败率高，加之多数患者年老体弱，伴有较多内科疾患，手术风险大，因而内固定手术也较少使用；即使能够耐受手术内固定，但由于无法对骨折实现即刻稳定，患者同样无法早期下地活动，而且要接受二次取出内固定手术之苦，与非手术治疗比较没有优越性，因此临床上很少应用，除非伴有脊髓神经损伤需减压者。
椎体成形和椎体后凸成形治疗作为一种真正意义上的脊柱微创技术，经皮通过椎弓根向骨折椎体内注入填充剂(骨水泥)，来增强椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓解腰背部疼痛。由于这两种手术创伤小、操作简便、安全性高、疼痛缓解确切、下床活动早，椎体成形或椎体后凸成形已成为目前骨质疏松性椎体压缩骨折保守治疗效果不佳时的首选治疗方法。但人体在出现骨质疏松性椎体压缩骨折后很容易出现发炎情况，且不同病人在不同阶段出现的发炎情况又会极大不同，而现有的方式多采用注射药物的形式进行消炎，注射的方式一是给患者带来了额外的伤痛，二是在病况出现反复的情形下必须再次进行药物注射，导致患者受到反复的伤痛。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种注射型骨填充材料，使消炎药物同骨填充材料一起注入骨折椎体内，后期根据患者的发炎情况通过磁热疗的方式体外控制药物的释放，无需进行药物注射，避免了对患者的再次伤害。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种注射型骨填充材料，包括β-磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖0.5-1.8wt％、柠檬酸8-15wt％、聚乙烯醇1-2wt％，余量为去离子水；载药微球是以Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基-β-环糊精，药物负载在羟丙基-β-环糊精上，药物为疏水性药物。
进一步，注射型骨填充材料中，载药微球的质量百分比为6wt％-12wt％。
进一步，疏水性药物为环丙沙星、白藜芦醇、左氧氟沙星、头孢西丁、亚胺培南、舒巴坦中的一种或者几种的共混物。
进一步，Fe3O4纳米粒子的粒径为10-90nm，载药微球的粒径为40-150nm。
此外，本发明还提供了一种注射型骨填充材料的制备方法，具体步骤如下：
S1：采用原子转移自由基法和碱式开环法在Fe3O4纳米粒子表面上修饰上羟丙基-β-环糊精，得到改性Fe3O4纳米粒子；
S2：采用饱和水溶液法将疏水性药物的醇溶液缓缓滴加到饱和改性Fe3O4纳米粒子的水溶液中，然后于30℃下恒温加热搅拌40-80min，再放入4℃的冰箱中低温保存12h，抽滤除去滤液，滤饼先后用去离子水和无水乙醇洗涤，再将滤饼放入-40℃冷冻干燥机中干燥24h，得到载药粒子；
S3：取N-异丙基丙烯酰胺单体溶于100倍质量的去离子水，然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体0.05-0.15倍质量的载药粒子，以及N-异丙基丙烯酰胺单体0.01倍质量的引发剂，再于70℃磁力搅拌下反应12h，高速离心去除上清液，下层凝胶真空干燥，得到载药微球；
S4：按质量百分比分别取羧甲基壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇和去离子水，充分搅拌混合，得到固化液；
S5：分别取β-磷酸三钙骨水泥和载药微球，混合均匀后，按0.7-1.0mL/g的液固比加入固化液，搅拌均匀，即得到注射型骨填充材料。
进一步，S3中的引发剂采用过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或者几种的共混物。
进一步，S3中下层凝胶真空干燥的条件为：温度为40～45℃，真空度为0.09MPa～0.1MPa，干燥时间2～3h。
本发明一种注射型骨填充材料的使用方法包括：
将现配的注射型骨填充材料注入骨折椎体内后，通过采用50-70kHz、7.5kA/m的交变磁场进行磁热疗的方式控制载药微球对疏水性药物的释放。
聚N-异丙基丙烯酰(PNIPAAm)为温敏性水凝胶，可感知温度变化，在其最低临界溶解温度上下做出可逆的溶胀-收缩体积转变，因而能够实现药物的可控释放，并且其最低临界温度为32℃左右，非常接近人体温度；Fe3O4纳米粒子为磁性纳米粒子，在交变磁场下，由于磁滞效应、弛应等，可将交变磁场能量转变为热能，能使周围介质升温，当温度上升至40-42℃时，载药微球表层的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶发生不可逆的体积溶胀，进而实现对药物的突释，以达到能够根据骨折病况在体外控制体内药物释放点的目的。羟丙基-β-环糊精具有疏水的内腔和亲水的表面，是超分子化学中的基础物质之一，并且其无毒、性质稳定、结构独特的特点，作为药物载体增加难溶性药物的溶解度或改善药物溶出度。
需要说明的是：由于在低强低频磁场范围内，Fe3O4粒径大于60nm时，磁滞损耗的产热率随粒径的减小而升高；粒径小于60nm时，磁滞损耗的产热率随粒径的减小而降低；粒径小至14nm时，弛豫出现，磁滞损耗减小；因此，不同粒径的Fe3O4磁粉在交变磁场下的产热率是不同的，本发明可以根据这种规律用多种不同粒径的Fe3O4纳米粒子制备多种载药微球，并按不同的比例混合使用，然后通过控制交变磁场的频率来分别控制各种载药微球进行药物释放，以使机体内的药物浓度能够能够不同病况进行体外控制。
本发明的有益效果：本发明的骨填充材料能够将消炎药物同骨填充材料一起注入骨折椎体内，后期可根据患者的发炎情况通过磁热疗的方式在体外控制药物的释放，无需在后期进行药物注射，避免了对患者的再次伤害；此外，释放出的疏水性药物在机体内的溶解度和溶出度强，能够提高药物的利用率和药效。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例一
一种注射型骨填充材料，包括β-磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，其中载药微球的质量百分比为6wt％％，载药微球的粒径为40-150nm，固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖0.5wt％、柠檬酸8wt％、聚乙烯醇1wt％，余量为去离子水；载药微球是以粒径为10nm的Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基-β-环糊精，药物负载在羟丙基-β-环糊精上，药物为亚胺培南。其制备方法如下：
采用原子转移自由基法和碱式开环法在Fe3O4纳米粒子表面上修饰上羟丙基-β-环糊精，得到改性Fe3O4纳米粒子；采用饱和水溶液法将疏水性药物的醇溶液缓缓滴加到饱和改性Fe3O4纳米粒子的水溶液中，然后于30℃下恒温加热搅拌40-80min，再放入4℃的冰箱中低温保存12h，抽滤除去滤液，滤饼先后用去离子水和无水乙醇洗涤，再将滤饼放入-40℃冷冻干燥机中干燥24h，得到载药粒子；取N-异丙基丙烯酰胺单体溶于100倍质量的去离子水，然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体0.05倍质量的载药粒子，以及N-异丙基丙烯酰胺单体0.01倍质量的过硫酸铵，再于70℃磁力搅拌下反应12h，高速离心去除上清液，下层凝胶于温度为40～45℃，真空度为0.09MPa～0.1MPa，干燥时间2～3h，得到载药微球；按质量百分比分别取羧甲基壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇和去离子水，充分搅拌混合，得到固化液；分别取β-磷酸三钙骨水泥和载药微球，混合均匀后，按0.7mL/g的液固比加入固化液，搅拌均匀，即得到注射型骨填充材料。
实施例二
一种注射型骨填充材料，包括β-磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，其中载药微球的质量百分比为12wt％，载药微球的粒径为40-150nm，固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖1.8wt％、柠檬酸15wt％、聚乙烯醇2wt％，余量为去离子水；载药微球是以粒径为90nm的Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基-β-环糊精，药物负载在羟丙基-β-环糊精上，药物为白藜芦醇和左氧氟沙星的共混物。其制备方法如下：
采用原子转移自由基法和碱式开环法在Fe3O4纳米粒子表面上修饰上羟丙基-β-环糊精，得到改性Fe3O4纳米粒子；采用饱和水溶液法将疏水性药物的醇溶液缓缓滴加到饱和改性Fe3O4纳米粒子的水溶液中，然后于30℃下恒温加热搅拌40-80min，再放入4℃的冰箱中低温保存12h，抽滤除去滤液，滤饼先后用去离子水和无水乙醇洗涤，再将滤饼放入-40℃冷冻干燥机中干燥24h，得到载药粒子；取N-异丙基丙烯酰胺单体溶于100倍质量的去离子水，然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体0.15倍质量的载药粒子，以及N-异丙基丙烯酰胺单体0.01倍质量的过硫酸钠，再于70℃磁力搅拌下反应12h，高速离心去除上清液，下层凝胶于温度为40～45℃，真空度为0.09MPa～0.1MPa，干燥时间2～3h，得到载药微球；按质量百分比分别取羧甲基壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇和去离子水，充分搅拌混合，得到固化液；分别取β-磷酸三钙骨水泥和载药微球，混合均匀后，按1.0mL/g的液固比加入固化液，搅拌均匀，即得到注射型骨填充材料。
实施例三
一种注射型骨填充材料，包括β-磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，其中载药微球的质量百分比为10wt％，载药微球的粒径为40-150nm，固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖1.2wt％、柠檬酸9wt％、聚乙烯醇1.5wt％，余量为去离子水；载药微球是以粒径为40nm的Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基-β-环糊精，药物负载在羟丙基-β-环糊精上，药物为环丙沙星和舒巴坦的共混物。其制备方法如下：
采用原子转移自由基法和碱式开环法在Fe3O4纳米粒子表面上修饰上羟丙基-β-环糊精，得到改性Fe3O4纳米粒子；采用饱和水溶液法将疏水性药物的醇溶液缓缓滴加到饱和改性Fe3O4纳米粒子的水溶液中，然后于30℃下恒温加热搅拌40-80min，再放入4℃的冰箱中低温保存12h，抽滤除去滤液，滤饼先后用去离子水和无水乙醇洗涤，再将滤饼放入-40℃冷冻干燥机中干燥24h，得到载药粒子；取N-异丙基丙烯酰胺单体溶于100倍质量的去离子水，然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体0.1倍质量的载药粒子，以及N-异丙基丙烯酰胺单体0.01倍质量的过硫酸钾，再于70℃磁力搅拌下反应12h，高速离心去除上清液，下层凝胶于温度为40～45℃，真空度为0.09MPa～0.1MPa，干燥时间2～3h，得到载药微球；按质量百分比分别取羧甲基壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇和去离子水，充分搅拌混合，得到固化液；分别取β-磷酸三钙骨水泥和载药微球，混合均匀后，按0.8mL/g的液固比加入固化液，搅拌均匀，即得到注射型骨填充材料。
将实施例一至实施例三制备得到的载药微球各取20g，加入1mL的去离子水，然后置于7.5kA/m的交变磁场中，测试水温15-20min达到40℃所需要的交变磁场的频率(kHz)和时间(min)，以及该频率下达到的最高水温(℃)，测试结果如下表所示：
由上表数据可知，不同粒径Fe3O4纳米粒子制备得到的载药微球达到40℃所需要的交变磁场的频率与Fe3O4纳米粒子的粒径成正比，间在15-20min达到40℃所用的交变磁场的频率为52-68kHz，并且在52-68kHz的交变磁场中，达到的最高水温均在42-48℃内，不会影响正常细胞的生命活动。因此，本发明的载药微球可以通过控制交变磁场的频率来分别控制各种载药微球进行药物释放，同骨填充材料一起注入骨折椎体内后，可根据患者的发炎情况通过磁热疗的方式在体外控制药物的释放，无需在后期进行药物注射，避免了对患者的再次伤害。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种注射型骨填充材料，包括β-磷酸三钙骨水泥、固化液和载药微球，其特征在于，所述固化液包括下述组分按质量百分比组成：羧甲基壳聚糖0.5-1.8wt％、柠檬酸8-15wt％、聚乙烯醇1-2wt％，余量为去离子水；
所述载药微球是以Fe3O4纳米粒子为芯材，并在芯材表面复合一层聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的核壳结构，所述Fe3O4纳米粒子表面修饰有羟丙基-β-环糊精，药物负载在羟丙基-β-环糊精上，所述药物为疏水性药物。
2.根据权利要求1所述的一种注射型骨填充材料，其特征在于，所述注射型骨填充材料中，载药微球的质量百分比为6wt％-12wt％。
3.根据权利要求2所述的一种注射型骨填充材料，其特征在于，所述疏水性药物为环丙沙星、白藜芦醇、左氧氟沙星、头孢西丁、亚胺培南、舒巴坦中的一种或者几种的共混物。
4.根据权利要求3所述的一种注射型骨填充材料，其特征在于，所述Fe3O4纳米粒子的粒径为10-90nm，所述载药微球的粒径为40-150nm。
5.一种如权利要求4所述的注射型骨填充材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：采用原子转移自由基法和碱式开环法在Fe3O4纳米粒子表面上修饰上羟丙基-β-环糊精，得到改性Fe3O4纳米粒子；
S2：采用饱和水溶液法将疏水性药物的醇溶液缓缓滴加到饱和改性Fe3O4纳米粒子的水溶液中，然后于30℃下恒温加热搅拌40-80min，再放入4℃的冰箱中低温保存12h，抽滤除去滤液，滤饼先后用去离子水和无水乙醇洗涤，再将滤饼放入-40℃冷冻干燥机中干燥24h，得到载药粒子；
S3：取N-异丙基丙烯酰胺单体溶于100倍质量的去离子水，然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体0.05-0.15倍质量的载药粒子，以及N-异丙基丙烯酰胺单体0.01倍质量的引发剂，再于70℃磁力搅拌下反应12h，高速离心去除上清液，下层凝胶真空干燥，得到载药微球；
S4：按质量百分比分别取羧甲基壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇和去离子水，充分搅拌混合，得到固化液；
S5：分别取β-磷酸三钙骨水泥和载药微球，混合均匀后，按0.7-1.0mL/g的液固比加入固化液，搅拌均匀，即得到注射型骨填充材料。
6.根据权利要求5所述的一种注射型骨填充材料的制备方法，其特征在于，S3中所述的引发剂采用过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种或者几种的共混物。
7.根据权利要求5所述的一种注射型骨填充材料的制备方法，其特征在于，所述S3中下层凝胶真空干燥的条件为：温度为40～45℃，真空度为0.09MPa～0.1MPa，干燥时间2～3h。
8.一种如权利要求5所述的注射型骨填充材料的使用方法，其特征在于，该使用方法的步骤包括：
将现配的注射型骨填充材料注入骨折椎体内后，通过采用50-70kHz、7.5kA/m的交变磁场进行磁热疗的方式控制载药微球对疏水性药物的释放。
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