CN110064071A - 一种可膨胀无机骨水泥的制备方法 - Google Patents

一种可膨胀无机骨水泥的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，首先利用聚乙二醇6000对碳酸氢盐进行包覆，其次将得到包覆的碳酸氢盐与有机酸混合均匀，得到发泡剂，接着将得到的发泡剂、磷酸钙骨水泥固相和膨胀材料均匀混合，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，最后将得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉与固化液混合，搅拌，注射后固化，得到可膨胀无机骨水泥。本发明制备的可膨胀无机骨水泥具注射入体液环境后最终形成既有微孔，也有大孔的可膨胀无机骨水泥，大孔有利于骨组织长入，微孔增加了骨水泥和组织液的接触面积，有利于提高骨水泥的降解速率，在骨修复、骨缺损、骨质疏松、压缩性骨折治疗中有广阔应用前景。

Description

一种可膨胀无机骨水泥的制备方法
技术领域
本发明属于医用材料制备技术领域，涉及一种可膨胀无机骨水泥的制备方法。
背景技术
每年因交通事故造成的骨损伤和缺损患者有增无减，且随着我国人口老龄化的加剧，一种常见的骨质疏松性脆性骨折成为老年人群的常见病和多发病。在现代科技与生命科学飞速发展的今天，科研人员们研究出了一系列的骨替代材料用于骨修复，加快了人工骨替代材料领域的发展和研究。
目前，基于传统骨水泥的椎体成形术是治疗椎体压缩性骨折的主要手术方式，通过骨水泥的粘合作用稳定骨折、恢复椎体高度、改善脊柱畸形，从而缓解患者的临床症状。但传统PMMA骨水泥存在弹性模量过高易导致临近椎体再次骨折、聚合反应过程中急剧放热导致神经组织损伤甚至骨坏死等缺陷。更为重要的是，传统骨水泥在聚合放热反应过程中，其自身的化学性质随着温度降低而出现一定程度的骨水泥收缩，有研究表明，常用的五种骨水泥其体积收缩率为3％～8％。这种体积收缩往往是导致骨水泥型关节假体松动的原因之一，是影响骨水泥有效粘接椎体内微小骨折块的潜在因素。孔隙材料在结构上增加与营养物质接触的比表面积，方便骨细胞的长入，而且材料的孔隙可以用来携带活性因子或药物，从而成为具有多种优良性能的骨修复材料,但在骨组织工程方面，孔隙的存在会在一定程度上降低支架材料的机械性能和抗压能力。
专利《一种高膨胀倍率可注射吸水膨胀骨水泥及其制备方法》(申请号：CN201810735161.3，公开日：2018.12.21，公开号：CN109053968A)公开了一种高膨胀倍率可注射吸水膨胀骨水泥及其制备方法，该方法在在固相中引入了聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸-聚乙二醇修饰氧化石墨烯共聚物，液相中引入了甲基丙烯酸羟乙酯，固液双相能够协同吸水，提高吸水膨胀骨水泥的吸水膨胀倍率，但该方法是先进行化学反应，后吸水膨胀，导致水难以进入骨水泥心部，膨胀倍率有限，构建的吸水通路有限。本方法使用的固化液本身就是水，蒙脱石具有良好的吸水膨胀性能，因此可以边进行固化反应，边体积膨胀，同时还有发泡剂二次心部造孔，可获得高膨胀倍率的同时兼具均匀的多级孔道。
专利《一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥及其制备方法》(申请号：201810037931.7，公开日：2018.06.22，公开号：CN108187144A)公开了一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥及其制备方法，采用交联聚乙烯醇为膨胀材料与粉体材料混合均匀，加入固化液，注入模具固化得到复合骨水泥固化体。该方法采用交联聚乙烯醇作为膨胀材料，向骨水泥中引入了有机物制得可注射膨胀骨水泥，但此法所得骨水泥内部多致密，膨胀不足，阻碍营养物质的运输以及骨细胞的长入。
专利《一种可注射型多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法》(申请号：201811085265.0，公开日：2019.01.25，公开号：CN109260511A)公开了一种可注射型多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法，将固相粉末与发泡固化液调和成均匀的糊状物，得到可注射型多孔磷酸钙骨水泥。该方法通过发泡法为骨水泥造孔，所得多级孔结构气孔率高，但以闭合孔为主，不利于骨细胞长入。
发明内容
本发明的目的是提供一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，解决了现有技术中存在的骨水泥造孔率不良、固化后出现体积收缩的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，具体按照下述步骤实施：
步骤1，在碳酸氢盐外包覆聚乙二醇6000层；
步骤2，将步骤1包覆后的碳酸氢盐与有机酸混合，得到发泡剂；
步骤3，将步骤2得到的发泡剂与磷酸钙骨水泥固相和膨胀材料均匀混合，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
步骤4，将步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉与固化液混合，搅拌，注射后固化，得到可膨胀无机骨水泥。
本发明的特点还在于：
步骤1按照下述方法进行：
步骤1.1，将碳酸氢盐粉碎，筛选，得到碳酸氢盐粉末；
将聚乙二醇6000熔融；
步骤1.2，将步骤1.1得到的碳酸氢盐粉末加入熔融后的聚乙二醇6000，搅拌均匀，冷却后粉碎，筛选，得到包覆的碳酸氢盐。
碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙。
步骤1.1中筛选碳酸氢盐时使用60目-80目筛；步骤1.1中聚乙二醇6000在60℃-80℃的温度下水浴熔融；步骤1.2中得到包覆的碳酸氢盐过45目-60目筛；聚乙二醇6000与碳酸氢盐体积比为2-5:1-3。
聚乙二醇6000层厚度为50μm-100μm。
步骤2发泡剂中，按体积百分比，由30％～70％包覆的碳酸氢盐和30％～70％有机酸组成，以上各组分体积百分比之和为100％；有机酸为酒石酸、柠檬酸或富马酸。
步骤3可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉中，按体积百分比，由5％～15％的发泡剂、55％～75％的磷酸钙骨水泥固相和40％～10％的膨胀材料组成，以上各组分体积百分比之和为100％；膨胀材料为蒙脱石。
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由30％-50％的磷酸四钙占和50％-70％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4中可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉和固化液固液比为0.2g～2g/ml，搅拌时间为10min-20min，注射后固化时间为12h～48h。
固化液为水、模拟体液、生理盐水或血清。
本发明的特点还在于：本发明制备的可膨胀无机骨水泥具有可注射性，注射入体液环境后最终形成既有微孔，也有大孔的可膨胀无机骨水泥，大孔有利于骨组织长入，微孔增加了骨水泥和组织液的接触面积，有利于提高骨水泥的降解速率。本发明制备的可膨胀无机骨水泥，在骨修复、骨缺损、骨质疏松、压缩性骨折等治疗中有广阔应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，具体按照下述步骤实施：
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为60℃-80℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过60目-80目筛的碳酸氢盐粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢盐粉末进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢盐粉末体积比为2-5:1-3，搅拌均匀，冷却后粉碎，过45目-60目筛选，得到包覆碳酸氢盐的聚乙二醇6000层厚度为50μm-100μm。
碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆后的碳酸氢盐30％～70％，有机酸30％～70％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
发泡剂中机酸为酒石酸、柠檬酸或富马酸。
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂5％～15％与磷酸钙骨水泥固相55％～75％和蒙脱石40％～10％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由30％-50％的磷酸四钙占和50％-70％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉和固化液固液比为0.2g～2g/ml，将可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉和固化液搅拌10min-20min，注射后固化12h～48h，得到可膨胀无机骨水泥。
可膨胀无机骨水泥中固化液为水、模拟体液、生理盐水或血清。
本发明一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其优点在于，采用两步方案制备了可膨胀无机骨水泥，首先：将蒙脱石作为膨胀材料，利用蒙脱石吸水膨胀的特性，在骨水泥进行固化反应的同时产生一部分体积膨胀，将其注射入体内后，在体液环境下继续膨胀，使骨/水泥界面结合更紧密，增强修复效果，解决了骨水泥易渗漏和体积収缩的问题。其次：在注射后进行发泡，此时骨水泥已具有一定粘度，发泡剂的引入弥补了膨胀材料心部因吸水困难而产生的膨胀倍率的损失，提高了骨水泥整体的膨胀效果并形成较为完整联通的吸水通路，为复合骨水泥引入多级孔结构，能够促进细胞的成骨分化以及组织长入同时还保证了一定的强度，蒙脱石的加入降低了骨水泥的含量，在固化过程中不产生热量，不会对周围组织造成影响，解决了骨水泥发热的问题。此外，蒙脱石还具有止血功能，蒙脱石能激活凝血因子，在创口表面形成以蒙脱石颗粒为核心的血粘块，还可以促进血管收缩减缓局部血流，具有止血、加速伤口愈合的作用。
实施例1
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为60℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过60目筛的碳酸氢钠粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢钠进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢钠以体积比2:1，搅拌均匀，冷却后粉碎过45目筛，得到包覆碳酸氢钠的聚乙二醇6000层厚度为50μm。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆的碳酸氢钠30％，柠檬酸70％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂5％、磷酸钙骨水泥固相55％和蒙脱石40％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由30％的磷酸四钙占和70％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，按每0.2g步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉量取1ml水混合，搅拌10min，注射后固化12h，得到可膨胀无机骨水泥。
实施例2
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为80℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过80目筛的碳酸氢钾粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢钾进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢钾以体积比3:2，搅拌均匀，冷却后粉碎过60目筛，得到包覆碳酸氢钾的聚乙二醇6000层厚度为100μm。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆的碳酸氢钾40％，酒石酸60％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂15％、磷酸钙骨水泥固相75％和蒙脱石10％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由70％的磷酸四钙占和30％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，按每2g步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉量取1ml模拟体液混合，搅拌20min，注射后固化48h，得到可膨胀无机骨水泥。
实施例3
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为70℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过70目筛的碳酸氢钙粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢钙进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢钙以体积比5:3，搅拌均匀，冷却后粉碎过50目筛，得到包覆碳酸氢钙的聚乙二醇6000层厚度为80μm。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆的碳酸氢钠50％，富马酸50％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂10％、磷酸钙骨水泥固相60％和蒙脱石30％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由50％的磷酸四钙占和50％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，按每1g步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉量取1ml生理盐水混合，搅拌15min，注射后固化24h，得到可膨胀无机骨水泥。
实施例4
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为75℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过75目筛的碳酸氢钾粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢钾进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢钾以体积比5:2，搅拌均匀，冷却后粉碎过55目筛，得到包覆碳酸氢钾的聚乙二醇6000层厚度为60μm。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆的碳酸氢钠60％，柠檬酸40％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂7％、磷酸钙骨水泥固相65％和蒙脱石28％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由60％的磷酸四钙占和40％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，按每1.5g步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉量取1ml血清混合，搅拌13min，注射后固化36h，得到可膨胀无机骨水泥。
实施例5
步骤1，将聚乙二醇6000置于烧杯中温度为65℃进行水浴加热熔融后，加入粉碎后过65目筛的碳酸氢钠粉末，将熔融后的聚乙二醇6000与碳酸氢钠进行混合，采用阿基米德排水法量取体积，聚乙二醇6000与碳酸氢钠以体积比3:1，搅拌均匀，冷却后粉碎过50目筛，得到包覆碳酸氢钠的聚乙二醇6000层厚度为70μm。
步骤2，制备发泡剂，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤1得到包覆的碳酸氢钠70％，酒石酸30％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到发泡剂；
步骤3，制备可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉，按体积百分比，采用阿基米德排水法量取体积，分别量取步骤2得到的发泡剂12％、磷酸钙骨水泥固相70％和蒙脱石18％，以上各组分体积百分比之和为100％，混合均匀，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由70％的磷酸四钙占和30％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
步骤4，按每0.5g步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉量取1ml水混合，搅拌17min，注射后固化30h，得到可膨胀无机骨水泥。
本发明实施例1、2、3、4、5制备的一种可膨胀无机骨水泥与传统CPC骨水泥的吸水倍率、体积变化率、抗压强度、开孔孔隙率的比较如下表所示：
表1本发明与传统CPC骨水泥的吸水倍率、体积变化率、抗压强度、开孔孔隙率的比较
由表1可以看出，与传统CPC骨水泥相比，本发明制备得到的可膨胀无机骨水泥具有较好的吸水倍率及膨胀倍率，同时，其力学性能较纯CPC骨水泥明显降低，但蒙脱石的存在使得吸水膨胀骨水泥的抗压强度并未大幅度降低，此外此法制备的骨水泥具有较高的开孔孔隙率，有利于骨细胞的长入以及营养物质的运输。

Claims (10)

1.一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，具体按照下述步骤实施：
步骤1，在碳酸氢盐外包覆聚乙二醇6000层；
步骤2，将步骤1包覆后的碳酸氢盐与有机酸混合，得到发泡剂；
步骤3，将步骤2得到的发泡剂与磷酸钙骨水泥固相和膨胀材料均匀混合，得到可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉；
步骤4，将步骤3得到的可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉与固化液混合，搅拌，注射后固化，得到可膨胀无机骨水泥。
2.根据权利要求1所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤1按照下述方法进行：
步骤1.1，将碳酸氢盐粉碎，筛选，得到碳酸氢盐粉末；
将聚乙二醇6000熔融；
步骤1.2，将步骤1.1得到的碳酸氢盐粉末加入熔融后的聚乙二醇6000，搅拌均匀，冷却后粉碎，筛选，得到包覆的碳酸氢盐。
3.根据权利要求2所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙。
4.根据权利要求2所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中筛选碳酸氢盐时使用60目-80目筛；所述步骤1.1中所述聚乙二醇6000在60℃-80℃的温度下水浴熔融；所述步骤1.2中所述得到包覆的碳酸氢盐过45目-60目筛；所述聚乙二醇6000与碳酸氢盐体积比为2-5:1-3。
5.根据权利要求1所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇6000层厚度为50μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤2发泡剂中，按体积百分比，由30％～70％包覆的碳酸氢盐和30％～70％有机酸组成，以上各组分体积百分比之和为100％；所述机酸为酒石酸、柠檬酸或富马酸。
7.根据权利要求1所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤3可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉中，按体积百分比，由5％～15％的发泡剂、55％～75％的磷酸钙骨水泥固相和40％～10％的膨胀材料组成，以上各组分体积百分比之和为100％；所述膨胀材料为蒙脱石。
8.根据权利要求7所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述磷酸钙骨水泥固相中，按质量百分数，由30％-50％的磷酸四钙占和50％-70％磷酸氢钙组成，以上各组份的质量百分比总和为100％。
9.根据权利要求1所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤4中可膨胀无机骨水泥前驱体固相粉和固化液固液比为0.2g～2g/ml，搅拌时间为10min-20min，注射后固化时间为12h～48h。
10.根据权利要求9所述的一种可膨胀无机骨水泥的制备方法，其特征在于，所述固化液为水、模拟体液、生理盐水或血清。
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