CN111388751A - 一种复合骨水泥及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种复合骨水泥及其制备方法和应用，属于生物医用材料技术领域。所述复合骨水泥由固相与液相按照重量比0.8～2.8：1复合而成，其中，所述固相为羟基磷灰石，所述液相为海藻酸钠溶液。本发明的复合骨水泥以羟基磷灰石和海藻酸钠为原料，其中，羟基磷灰石溶出的钙离子与海藻酸钠生成海藻酸钙水凝胶，能够自行固化，有效抑制骨水泥的溃散，具有优异的抗溃散性、可注射性及可塑性。此外，本发明的复合骨水泥还具有优异的生物相容性，能支持相关成骨细胞的粘附、增殖和分化，使其在促进骨再生及治疗骨缺损方面的方面具有重要的应用价值。本发明的制备方法具有简单可操作、成本低、易于实现规模化生产等优点。

Description

一种复合骨水泥及其制备方法和应用
技术领域
本发明实施例涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种复合骨水泥及其制备方法和应用。
背景技术
骨缺损是骨科中最常见的疾病，需要大量的骨修复材料来治愈和修复，因此研制各种适合于人体骨缺损修复的生物医用材料具有重要的社会意义。在无机骨修复材料领域，相比于块状的生物陶瓷材料，自固化材料因其具有低温固化、可注射、可根据骨缺损部位的形状任意塑形的独特性能(Journal ofthe Ceramic Society of Japan1991；99:954-64)得到广泛的关注及应用。
羟基磷灰石(Hydroxyapatite)简称HA或HAP，化学分子式：Ca10(PO4)6(OH)2，是人体齿骨中的主要无机成分，在人体骨中，HA大约占60％，是一种长度为20～40nm，厚度1.5～3.0nm的针状结晶物，是较为理想的骨替代材料。然而现有羟基磷灰石骨水泥存在颗粒间结合力较弱的缺陷，导致该材料在注射过程中产生严重的固液分离，或在应用中容易被血液冲散等问题。
因此，研制一种具有优异的抗溃散性、可注射、可塑形的羟基磷灰石骨水泥是非常必要的。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种复合骨水泥及其制备方法和应用，以解决现有羟基磷灰石骨水泥存在可注射性差，或易溃散等问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，本发明实施例提供了一种复合骨水泥，所述复合骨水泥由固相与液相按照重量比0.8～2.8：1复合而成，其中，所述固相为羟基磷灰石，所述液相为海藻酸钠溶液。
进一步地，所述羟基磷灰石的制备方法：按照通式[Ca10(PO4)6(OH)2]称取钙源前驱和磷源前驱，并分别配制成悬浮液，将钙源前驱悬浮液添加到磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀后，在0～250℃下水热反应10～76h，抽滤，得到的羟基磷灰石水热粉体在500～1000℃下烧结2～6h。
进一步地，所述羟基磷灰石是粒径为50～1000nm的棒状结构。
进一步地，所述海藻酸钠溶液为质量百分比浓度为0.5～7.41wt％的海藻酸钠水溶液，优选为4～6wt％。
进一步地，所述海藻酸钠溶液的制备方法：将海藻酸钠粉体添加到去离子水中，室温搅拌1～5h。海藻酸钠溶液于低温环境保存备用，例如置于4℃冰箱保存。
进一步地，海藻酸钠的分子量为5000～200000。
根据本发明实施例的第二方面，本发明实施例提供了一种上述的复合骨水泥的制备方法，将羟基磷灰石添加到海藻酸钠溶液中，室温搅拌1～5min，即得到糊状骨水泥。
根据本发明实施例的第三方面，本发明实施例提供了一种上述的复合骨水泥在促进骨再生及治疗骨缺损方面的应用。
本发明实施例具有如下优点：
本发明的复合骨水泥以羟基磷灰石和海藻酸钠为原料，其中，羟基磷灰石溶出的钙离子与海藻酸钠生成海藻酸钙水凝胶，能够自行固化，有效抑制骨水泥的溃散，具有优异的抗溃散性、可注射性及可塑性。同时，本发明的复合骨水泥还具有优异的生物相容性和生物活性，能支持相关成骨细胞的粘附、增殖和分化，使其在促进骨再生及治疗骨缺损方面的方面具有重要的应用价值。本发明的制备方法具有简单可操作、成本低廉、易于实现规模化生产等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为羟基磷灰石的SEM图。可以看出在片状颗粒的表面50～1000nm长的羟基磷灰石短棒状结构沿着长轴方向整齐排列，具有有序等级形貌，与天然骨的微观形貌相似。
图2为羟基磷灰石和实施例1的复合骨水泥的XRD图。其中，复合骨水泥图谱无尖锐峰表现出低结晶度特征，与羟基磷灰石相比，各个峰较弥散，强度较低；复合骨水泥中羟基磷灰石结晶度下降，与天然骨较为类似。
图3为实施例1的复合骨水泥的FTIR图谱。其中，羟基磷灰石中钙离子溶出与海藻酸钠结合形成海藻酸钙凝胶。海藻酸钙中存在-OH，其伸缩振动吸收峰出现在3454cm-1，海藻酸钙中的-COO-伸缩振动峰位于1500～1400cm-1处，1643cm-1处峰是由海藻酸钙中O-H弯曲振动引起的，此外，海藻酸钙中由于钙的交联形成的C-O-Ca-OCO-基团，使得C-O的伸缩振动吸收明显增强；另外，2926cm-1处为C-H的伸缩振动吸收峰，羟基磷灰石中P-O的弯曲振动吸收峰出现在560cm-1和603cm-1处。
图4为实施例2与对比例2的复合骨水泥的抗溃散性能比较。
图5为实施例1的复合骨水泥表面的细胞黏附情况。
图6为MC3T3-E1在羟基磷灰石和实施例1的复合骨水泥表面经1，4，7天共培养后的吸光度值比较。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
本发明的羟基磷灰石的制备方法如下：
按照通式[Ca10(PO4)6(OH)2]称取钙源前驱和磷源前驱，并分别配制成悬浮液，将钙源前驱悬浮液添加到磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀后，在0～250℃下水热反应10～76h，抽滤，得到的羟基磷灰石水热粉体在500～1000℃下烧结2～6h。作为优选，以下实施例和对比例中使用的羟基磷灰石的制备方法如下：准确称取3.7808g Ca(H2PO4)2·H2O，2.5931g Ca(OH)2，分别添加40mL去离子水配制成钙源前驱悬浮液和磷源前驱悬浮液，将钙源前驱悬浮液添加到磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀后，在180℃下反应18h，抽滤，得到的羟基磷灰石水热粉体在600℃下烧结4h，制成的羟基磷灰石的SEM图见图1。
实施例1
本实施例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取5g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌4h，得到质量百分比浓度为4.76％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比1.6：1混合，室温搅拌3min，得到糊状复合骨水泥。
实施例2
本实施例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取重量为2g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀2h，得到质量百分比浓度为1.96％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比1.45：1混合，室温搅拌1.5min，得到糊状复合骨水泥。
实施例3
本实施例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取3g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀2.5h，得到质量百分比浓度为2.91％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比1.45：1混合，室温搅拌1.5min，得到糊状复合骨水泥。
实施例4
本实施例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取4g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀4h，得到质量百分比浓度为3.85％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比1.6：1混合，室温搅拌2min，得到糊状复合骨水泥。
实施例5
本实施例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取6g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀4h，最终得到质量百分比浓度为5.66％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比2.1：1混合，室温搅拌3min，得到糊状复合骨水泥。
对比例1
本对比例的复合骨水泥的制备方法：
(1)海藻酸钠溶液的配制：称取5g，分子量为5000～200000的海藻酸钠粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌4h，得到质量百分比浓度为4.76％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)羟基磷灰石与海藻酸钠溶液按照重量比3.5：1混合，室温搅拌4min，得到糊状复合骨水泥。
对比例2
本对比例的复合骨水泥的制备方法：
羧甲基纤维素溶液的配制：称取5g羧甲基纤维素粉体添加到100mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀4h，得到质量百分比浓度为4.76％的羧甲基纤维素溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
羟基磷灰石与羧甲基纤维素溶液按照重量比1.6：1混合，室温搅拌3min，得到糊状复合骨水泥。
测试例
一、可注射性和可塑性
将实施例1-5及对比例1-2制得的糊状复合骨水泥分别置于注射器中静置5分钟，然后进行可注射性实验。另取实施例1-5及对比例1-2制得的糊状复合骨水泥，分别将其捏合成形，进行可塑性观察。
结果显示：本发明的糊状复合骨水泥静置5分钟后仍可注射，捏合后可根据需求任意塑形；对比例1制得的复合骨水泥静置5分钟后，在注射器中不能注射，捏合后粉体颗粒会脱落，不易成型；对比例2的复合骨水泥静置5分钟后仍可注射，捏合后可成型。
结果表明：本发明实施例和对比例2的复合骨水泥均具有优异的可注射性和可塑性。
二、抗溃散性
将实施例1-5及对比例2制得的复合骨水泥分别装入注射器中，并手动注射到去离子水中，观察材料在水中的溃散情况。另取实施例1-5及对比例2制得的糊状复合骨水泥，分别将其捏合成形后置于去离子水中，观察材料在水中的溃散情况。以实施例2的复合骨水泥作为示例进行说明，图4为实施例2的复合骨水泥，见4(a)和4(b)，与对比例2的复合骨水泥，见4(c)的抗溃散性能比较，从图中可以看到，实施例2的复合骨水泥在水中可以保持形状，未有溃散现象发生，而对比例2的复合骨水泥在水中开始扩散。
结果表明：本发明实施例的复合骨水泥具有优异的抗溃散性能。
三、成骨性评价
使用直径为13mm模具将0.5g复合骨水泥在压制成片状材料。所用细胞为小鼠胚胎成骨细胞(MC3T3-E1)。将片材置于24孔培养板中，向每个孔中加入1.5ml具有一定细胞质量百分比浓度的细胞悬浮液，将平板轻轻转移到37℃培养箱中培养1、4和7天进行体外成骨性能评价。图5是实施例1的复合骨水泥表面的细胞黏附情况，图中显示样品上的细胞显示出良好的状态，细胞很好地铺展在样品的表面上，并且可以清楚地观察到成骨细胞的丝状伪足。
图6为MC3T3-E1在羟基磷灰石(HA)和实施例1的复合骨水泥(HA-SA)表面经1，4，7天共培养后的吸光度值(OD值)比较。随着培养时间增加，HA和HA-SA材料的OD值逐渐升高，且HA-SA均高于同时期HA的OD值，说明本发明的复合骨水泥能更好的促进成骨细胞的粘附，增殖及分化。
与空白组相比，本发明实施例1的复合骨水泥与MC3T3-E1共培养7后可促成骨增殖率为：
Figure BDA0002398762200000071
与HA组相比，本发明实施例1的复合骨水泥与MC3T3-E1共培养7后可促成骨增殖率为：
Figure BDA0002398762200000072
结果表明：本发明的复合骨水泥具有高效促成骨性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种复合骨水泥，其特征在于，所述复合骨水泥由固相与液相按照重量比0.8～2.8：1复合而成，其中，所述固相为羟基磷灰石，所述液相为海藻酸钠溶液。
2.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述羟基磷灰石的制备方法：按照通式[Ca10(PO4)6(OH)2]称取钙源前驱和磷源前驱，并分别配制成悬浮液，将钙源前驱悬浮液添加到磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀后，在0～250℃下水热反应10～76h，抽滤，得到的羟基磷灰石水热粉体在500～1000℃下烧结2～6h。
3.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述羟基磷灰石是粒径为50～1000nm的棒状结构。
4.根据权利要求1所述的复合骨水泥，其特征在于，所述海藻酸钠溶液为质量百分比浓度为0.5～7.41wt％的海藻酸钠水溶液。
5.根据权利要求4所述的复合骨水泥，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的制备方法：将海藻酸钠粉体添加到去离子水中，室温搅拌1～5h。
6.根据权利要求5所述的复合骨水泥，其特征在于，海藻酸钠的分子量为5000～200000。
7.一种权利要求1所述的复合骨水泥的制备方法，其特征在于，将羟基磷灰石添加到海藻酸钠溶液中，室温搅拌1～5min，即得到糊状骨水泥。
8.权利要求1所述的复合骨水泥在促进骨再生及治疗骨缺损方面的应用。
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