CN110755682A - 含生物玻璃的硫酸钙骨水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥及其制备方法。所述含生物玻璃的硫酸钙骨水泥由粉体和固化液按照1：0.3～0.8的比例组成，所述粉体的各组分按质量百分比计为：硫酸钙盐50％～85％、生物玻璃10％～45％、有机添加剂1％～5％、无机添加剂0.1％～3％，所述粉体经研磨混合制得。本发明所述骨水泥具有优异的生物相容性，成骨性能，抗压强度，可以通过液固比制备成不同的剂型，其中注射型可用于微创，泥状产品可任意塑形，可满足病人的各种需求，可以通过调整组分配比，根据不同骨缺损大小和骨缺损区域，制备不同降解速度的骨水泥产品。

Description

含生物玻璃的硫酸钙骨水泥及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥及其制备方法。

背景技术

硫酸钙作为一种传统的骨修复材料，具有良好的生物相容性和骨传导性，已在临床上取得较优异的成果。如美国Wright公司研制的第一代骨移植替代产品Osteoset，Osteoset的晶体结构高度一致，植入体内后其吸收速率稳定；以及后续研发生产的可注射骨水泥(MIIG)，克服了Osteoset需预先成型，不能满足完全填充骨缺损腔隙，同时适用于微创手术，减轻病人痛苦。英国Biocomposites公司研发的预成型产品Stimulan和注射型产品Genex，其主要成分同样为高纯度的半水硫酸钙，在临床上同样取得了较好的疗效。但是，硫酸钙骨水泥同时也存在可注射时间较短、降解时间过快等缺点。

生物玻璃具有良好的生物活性和生物相容性，能够提供人体成骨所需的钙离子和磷酸根离子，具有较好的成骨性能；但是单纯的生物玻璃不能够实现微创注射，且不能够自固化，植入初期不能提供一定的力学支撑。

由于单一材料制备的人工骨由于自身材料的缺陷，往往难以满足多方面的要求。所以，选用两种或者两种以上材料，综合材料各方面的优势，避免材料的缺点，共同达到临床上各方面的要求就显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，由粉体和固化液按照1：0.3～0.8的比例组成，所述粉体的各组分按质量百分比计为：硫酸钙盐50％～85％、生物玻璃10％～45％、有机添加剂1％～5％、无机添加剂0.1％～3％，所述粉体经研磨混合制得。

上述方案中，所述固化液为注射用水或生理盐水。

上述方案中，所述生物玻璃的粒径为10μm～500μm。

上述方案中，所述无机添加剂为氯化锶、柠檬酸钠和硫酸镁中的一种或几种。

上述方案中，所述有机添加剂为海藻酸钠、透明质酸钠、壳聚糖、羟丙甲纤维素和羧甲基纤维素钠中的一种或几种。

上述方案中，所述硫酸钙盐为α-半水硫酸钙，或α-半水硫酸钙和二水硫酸钙按质量比99：1～90：10的组合。

上述方案中，所述α-半水硫酸钙的制备方法如下：

(1)配置柠檬酸钠溶液和硫酸镁溶液，将二水硫酸钙加入到柠檬酸钠溶液和硫酸镁溶液中，搅拌后得到浆体；

(2)将步骤(1)制备的浆体过滤，放入滤袋或其他透气容器中，放入高温高压装置中进行热处理；

(3)将步骤(2)所得材料进行高温干燥、粉碎、研磨、过筛，得到α-半水硫酸钙。；

上述方案中，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，柠檬酸钠、硫酸镁、二水硫酸钙的质量比为0.1～1：5～15：100。

上述方案中，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，步骤(2)所述热处理的温度为125℃～145℃，时间为4h～8h。

上述方案中，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，步骤(3)所述高温干燥的温度为105℃～120℃，时间为2h～12h。

上述方案中，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，步骤(1)所述搅拌的时间为1h～24h。

本发明中，硫酸钙具有良好的生物相容性和成骨性能，降解时能够提供微酸环境促进周围骨组织释放生长因子，加速骨愈合，但是降解速度过快，容易导致骨缺损未完全愈合而材料完全降解。生物玻璃能够在表面沉积羟基磷灰石，有利于骨细胞的附着，从而促进骨生长。但是单纯的生物玻璃难以实现微创注射，且不能实现自固化，植骨初期不能提供一定的力学支撑。通过将生物玻璃负载到硫酸钙中，可以延缓产品的降解速度，还可以实现产品表面沉积羟基磷灰石，加速成骨，同时解决了生物玻璃产品不能自固化的问题。

本发明中，采用不同的固液比可制成注射型产品、泥状产品或预成型产品，所述预成型产品是通过将骨水泥在特定模具下固化成型、干燥得到。添加不同含量的生物玻璃可以得到降解速度不同的骨水泥产品，适用于不同骨缺损植骨。在制备α-半水硫酸钙的过程中，由于过滤掉了水分，使得生产能够适用于常规高温高压设备，如高温高压灭菌锅，可以用于大规模生产。

本发明的有益效果：相比较于现有产品，所述骨水泥具有以下优点：1)具有优异的生物相容性和成骨性能；2)具有优秀的抗压强度，植骨初期能够提供一定的力学支撑；3)可以通过液固比制备成不同的剂型，其中注射型可用于微创，泥状产品可任意塑形，可满足病人的各种需求；4)注射型产品的固化时间为5min～20min，能够满足临床需求，且混合简单，方便临床操作；5)本发明所述注射型产品可注射性好，具有较好的抗溃散性能；6)根据不同骨缺损大小和骨缺损区域，制备不同降解速度的骨水泥产品；7)本发明所述的α-半水硫酸钙制备方法能够用于大规模生产，制备的α-半水硫酸钙含有微量镁离子，对成骨细胞的分化具有一定的促进作用，且固化后具有较好的抗压强度。

附图说明

图1为本发明所述骨水泥在模拟体液中浸泡后SEM图，(a)为实施例1骨水泥样品在模拟体液中浸泡2周的微观形貌，(b)为实施例2骨水泥样品在模拟体液中浸泡2周的微观形貌。

图2为本发明所述骨水泥注入到生理盐水中放置3天后的形貌，(a)为实施例3在生理盐水中的形貌，(b)为取出后的形貌。

图3为本发明所述骨水泥体外降解速度曲线图(a)和降解4周的形貌(b)，3个粗样品为CS/40BG，3个细样品为CS/20BG。

图4为大鼠颅骨原位植骨试验(6周)的组织学切片图(HE×20)，空白对照组(a)，实验组(b)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥(注射型)，通过如下方法制备方法：

配制质量浓度为0.1％的柠檬酸钠和2％硫酸镁溶液，将二水硫酸钙添加到溶液中，质量百分比为20％，搅拌4h，过滤，放入滤袋中，放入高温高压装置中(材料不与装置内的水接触)，在130℃环境下处理6h，处理后将材料放入110℃的环境下干燥3h，将得到材料粉碎、研磨、过筛，得到α-半水硫酸钙。

将α-半水硫酸钙75份，生物玻璃22份，羟丙甲纤维素2份，氯化钙1份，通过机械研磨使粉体混合均匀，然后按照固液比1:0.4添加注射用水，搅拌成泥状，然后转移到注射器中，注射到生理盐水中，三天不溃散，可注射时间为15min，注射到模具中，然后放入恒温恒湿箱(温度37℃，湿度98％)中固化成型，固化3d后，抗压强度为18MPa。

实施例2

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥(注射型)，通过如下方法制备方法：将实施例1制备的α-半水硫酸钙55份，二水硫酸钙5份，生物玻璃38份，羧甲基纤维素钠1.9份，氯化锶0.1份，通过机械研磨使粉体混合均匀，然后按照固液比1:0.4添加注射用水，搅拌成泥状，然后转移到注射器中，注射到生理盐水中，三天不溃散，可注射时间为11min，注射到模具中，然后放入恒温恒湿箱(温度37℃，湿度98％)中固化成型，固化3d后，抗压强度为11MPa。

实施例3

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥(注射型)，通过如下方法制备方法：将实施例1制备的α-半水硫酸钙70份，生物玻璃28份，壳聚糖1.5份，硫酸镁0.5份，通过机械研磨使粉体混合均匀，然后按照固液比1:0.4添加生理盐水，搅拌成泥状，然后转移到注射器中，注射到生理盐水中，三天不溃散，可注射时间为18min，注射到模具中，然后放入恒温恒湿箱(温度37℃，湿度98％)中固化成型，固化3d后，抗压强度为16MPa。

实施例4

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥(面泥型)，通过如下方法制备方法：将实施例1制备的α-半水硫酸钙70份，生物玻璃28份，海藻酸钠1份，透明质酸0.9份，柠檬酸钠0.1份，透过机械研磨使粉体混合均匀，然后按照固液比1:0.3添加生理盐水，混合成泥状。所述骨水泥用手可以任意塑形，可塑形时间为7min，放入模具中，在恒温恒湿箱(温度37℃，湿度98％)中固化成型，固化3d后，抗压强度为14MPa。

实施例5

一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥(预成型)，通过如下方法制备方法：将实施例1制备的α-半水硫酸钙81份，生物玻璃17.5份，透明质酸1.4份，柠檬酸钠0.1份，透过机械研磨使粉体混合均匀，然后按照固液比1:0.3添加注射用水，混合成泥状。将样品填充到模具中，固化、干燥，得到预成型产品，抗压强度为23MPa。

图1为本发明所述骨水泥在模拟体液中浸泡后SEM图，即骨水泥表面微观形貌，其中(a)为实施例1骨水泥样品在模拟体液中浸泡2周的微观形貌，(b)为实施例2骨水泥样品在模拟体液中浸泡2周的微观形貌，从图1中可以看出：骨水泥产品在模拟体液中浸泡的过程中，表面会沉积大量的多孔状羟基磷灰石，有利于成骨细胞的附着，可以促进成骨，同时减缓材料的降解。

图2为本发明所述骨水泥注入到生理盐水中放置3天后的形貌，(a)为实施例3在生理盐水中的形貌，(b)为取出后的形貌，可以看出骨水泥具有良好的抗溃散性能，且能够在生理盐水中固化，取出后样品保持原来的形态。

图3为本发明所述骨水泥体外降解速度曲线图和降解4周的形貌，可以看出当生物玻璃含量为40％时，降解速度明显变慢，且降解后体积变化较小，主要是因为生物玻璃降解较慢，当含量较高时，颗粒之间接触面较大，由于二氧化硅的存在会逐渐形成具备多孔结构的整体，有利于成骨较慢的植骨区成骨。而当生物玻璃含量较少时，由于颗粒之间难以接触，所以随着硫酸钙的降解，生物玻璃也随着散落在生理盐水中，故而体积越来越小。

图4为大鼠颅骨原位植骨试验(6周)的组织学切片图(HE×20)，从图中看出，实验组大鼠骨缺损区域基本完全愈合，愈合区域＞95％，具有优秀的成骨性能；空白对照组新骨生长不明显。

本发明所述骨水泥在降解的过程中，其中硫酸钙相会优先降解，形成局部微酸环境，加速诱导因子的释放，同时提供钙源，快速刺激骨生长。同时生物玻璃会在表面形成羟基磷灰石，有利于成骨细胞的附着，促进骨生长，同时还可以减缓材料的降解速度，防止骨缺损未完全愈合而材料完全降解。

本发明通过调节液固比制备成不同的骨水泥剂型，其中注射型可用于微创，泥状产品可任意塑形，可满足病人的各种需求；本发明所述注射型产品的固化时间为5min～20min，能够满足临床需求，且混合简单，方便临床操作；本发明所述注射型产品可注射性好，具有较好的抗溃散性能。同时根据不同骨缺损大小和骨缺损区域，制备不同降解速度的骨水泥产品。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，由粉体和固化液按照1：0.3~0.8的比例组成，所述粉体的各组分按质量百分比计为：硫酸钙盐50%~85%、生物玻璃10%~45%、有机添加剂1%~5%、无机添加剂0.1%~3%，所述粉体经研磨混合制得。

2.根据权利要求1所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述固化液为注射用水或生理盐水。

3.根据权利要求1所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述生物玻璃的粒径为10μm~500μm。

4.根据权利要求1所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述无机添加剂为氯化锶、柠檬酸钠和硫酸镁中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述有机添加剂为海藻酸钠、透明质酸钠、壳聚糖、羟丙甲纤维素和羧甲基纤维素钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述硫酸钙盐为α-半水硫酸钙，或α-半水硫酸钙和二水硫酸钙按质量比99：1~90：10的组合。

7.根据权利要求6所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述α-半水硫酸钙的制备方法如下：

（1）配置柠檬酸钠溶液和硫酸镁溶液，将二水硫酸钙加入到柠檬酸钠溶液和硫酸镁溶液中，搅拌后得到浆体；

（2）将步骤（1）制备的浆体过滤，放入滤袋或其他透气容器中，放入高温高压装置中进行热处理；

（3）将步骤（2）所得材料进行高温干燥、粉碎、研磨、过筛，得到α-半水硫酸钙。

8.根据权利要求7所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，柠檬酸钠、硫酸镁、二水硫酸钙的质量比为0.1~1：5~15：100。

9.根据权利要求7所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，步骤（2）所述热处理的温度为125℃~145℃，时间为4h~8h。

10.根据权利要求7所述的含生物玻璃的硫酸钙骨水泥，其特征在于，所述α-半水硫酸钙的制备方法中，步骤（1）所述搅拌的时间为1h~24h；步骤（3）所述高温干燥的温度为105℃~120℃，时间为2h~12h。

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