CN111888521B - 骨修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨修复材料及其制备方法和应用。原料组合物包含下述组分：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石。氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠骨水泥粉的摩尔比为6：1：4、5：1：3或3：1：1，其中缺钙羟基磷灰石占总质量的20%。骨水泥的固化液为EGCG水溶液，浓度为120µmol/L。所载的药为去铁胺。本发明骨修复材料的制备方法简单易行；凝固时间适宜，具有很好的生物相容性、成骨性和降解性，能促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，可刺激细胞生长，刺激成骨细胞向骨细胞分化；其可直接注射进骨缺损处。

Description

骨修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医学生物材料领域，尤其涉及一种骨修复材料及其制备方法。
背景技术
随着人口老龄化，中、青年创伤的增加，骨修复材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。另一方面，人工关节的固定、不稳定性骨折的内固定等同样也需要一种新的生物医用材料。因此，一种新型的生物材料－骨水泥成为了人们关注的热点。
骨水泥最大特点是固定快，术后早期就可以下地进行康复活动。可注射骨水泥治疗骨质疏松骨折缺损：采用微创手术治疗骨质疏松骨折缺损（经皮下注射骨水泥到骨折缺损部位）显示出了很好的疗效，并已广泛应用于临床。
生物骨水泥在发展过程中形成了两大体系：生物相容性较差的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyImethacrylate cement, PMMA)和生物相容性良好的磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)。
PMMA骨水泥：以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyImethacrylate cement,PMMA)，为代表的传统丙烯酸酯类骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝粘结剂。但PMMA属于生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成有机的化学界面结合，另外凝固聚合过程中产生热量、单体的细胞毒性作用、可操作时间有限等不足也限制了其临床应用。
CPC骨水泥：磷酸钙骨水泥最早由美国的Brown和Chow于 20世纪80年代提出。CPC是由一种或几种磷酸钙盐粉末的混合物与调和用的液相发生水化发应，在生理条件下能自固化，如：在温度(37℃)、湿度(100%)条件下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物－羟基磷灰石或透钙磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性。作为一种骨修复材料，无机磷酸盐骨水泥具有良好的骨修复效果，并且能注射入人体骨缺损处。
此外，还进一步开发了硫酸钙骨水泥(CSC)、磷酸钙镁骨水泥等，作为骨修复材料。
然而，目前临床应用的骨水泥都存在自身难以克服的缺点：如PMMA存在聚热反应，无骨传导作用，不能降解吸收等；CPC固化时间较长，力学强度低，降解速度慢；CSC脆性大，强度低，降解太快，产生酸性降解产物，导致炎症反应等。此外，骨水泥，例如在填充时偶尔可引起骨髓腔内高压，致使脂肪滴进入血管，引起栓塞。另外，骨水泥毕竟与人体骨骼不同，时间过久，人工关节仍可能发生松动。
近年来，已有很多研究者考虑将药物载入骨水泥中以实现修复骨缺损和治疗骨疾病的双重效果。
再者，感染是骨科植入物的严重并发症之一，是植入物失败的主要原因。感染会破坏植入材料与骨的骨性结合，而良好的骨性结合也会抑制细菌粘附于材料表面，从而减少感染的发生。
综上，本领域还需要一种兼具抗感染和促进骨生长双重功效的植入物，既抑制细菌粘附，同时又促进成骨细胞的粘附和增殖，并且植入体内后可发挥其抗感染功能和提高植入物与宿主骨的骨性结合的材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中磷酸钙镁骨水泥的固化时间、中后期强度和降解性等仍需进一步优化的缺陷，提供了一种磷酸钙镁基骨修复材料、原料组合物及其制备方法、应用。本发明的磷酸钙镁基骨修复材料具有良好的生物相容性、成骨性、抗感染性和抗菌性，能促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，抑制细菌感染。该磷酸钙镁基骨修复材料的制备工艺简单易行，可直接注射进骨缺损处，为生物活性骨修复制备提供了重要材料基础。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供了一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包含：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石。
在一些实施方式中，所述缺钙羟基磷灰石的粒径为1~20 μm，优选为3~5 μm。在一些实施方式中，所述氧化镁的粒径为1-20 µm，优选为1-10 µm，更优选5~10 µm。在一些实施方式中，所述磷酸二氢钙、磷酸二氢钠为无机粉末；所述磷酸二氢钙、磷酸二氢钠的粒径为1~50 µm，优选为10~20 µm。
在一些实施方式中，所述缺钙羟基磷灰石钙磷摩尔比为1.50。
在一些实施方式中，所述缺钙羟基磷灰石占所述骨水泥组分的20重量%。
在一些实施方式中，所述骨水泥组分中，氧化镁、磷酸氢钙、和磷酸二氢钠的摩尔比为约6：1：4、5：1：3或3：1：1，优选地所述摩尔比为3：1：1。
在一些实施方式中，所述骨修复材料组合物还包含用于骨修复的药物，所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。优选地，所述药物为去铁胺。
在一些实施方式中，所述药物负载在缺钙羟基磷灰石上。在其他实施方式中，所述药物与所述骨水泥组分混合。
在一些实施方式中，所述骨修复材料组合物还包含固化液。
在一些实施方式中，固化液是EGCG水溶液，其中所述EGCG的浓度100~150 μmol/L，优选120 μmol/L。
第二方面，本发明提供了一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石；和
b) 将所述骨水泥组分与固化液混合，其中所述固化液是EGCG水溶液。
在一些实施方式中，所述方法还包括将所述缺钙羟基磷灰石在搅拌下浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的缺钙羟基磷灰石的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。优选地，所述药物为去铁胺。
在一些实施方式中，所述药物溶液的浓度为100~150 μmol/L，和/或所述浸渍的时间为0.5~1 h。
在一些实施方式中，所述方法还包括将用于骨修复的药物与所述骨水泥组分以150 mg药物/1000 g骨水泥的比例混合，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为去铁胺。
第三方面，本发明提供了一种骨修复材料，其通过本发明第二方面的方法制备。
第四方面，本发明提供了本发明第一方面的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。
在一些实施方式中，所述骨科疾病选自：骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
（1）本发明骨修复材料的制备方法简单易行；
（2）本发明的骨修复材料通过所选的成分组合获得了多方面综合的改进特性，包括：适宜的凝固时间（可为6~10 min），很好的生物相容性、成骨性和降解性，能促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，可刺激细胞生长，刺激成骨细胞向骨细胞分化，从而为生物活性骨修复的制备提供了重要实验基础；具有优异的体外降解性能、抗压强度和缓释性能；并且可直接注射进骨缺损处。进一步地，负载药物，例如负载去铁胺后的骨修复材料具有一定的抗骨质疏松性能，并且有明显的成骨作用；可具有良好的抗菌性能，能有效地防止术后感染，抑制细菌感染，避免二次手术的风险。
以下将对本发明的各个方面进行更详细的说明。
1. 骨质疏松症
骨质疏松骨折多为脆性骨折，最大特点就是骨折块多而碎，容易造成骨缺损；另外，骨质疏松骨折缺损很难愈合，这是由于骨缺损区域周边的血管病变及新生血管减少，导致骨质疏松骨折愈合进程缓慢（骨延迟愈合或不愈合）。因此，针对骨质疏松骨折缺损的微创治疗，需要研制一种能够在骨折缺损区域快速血管化及促进骨再生的可注射骨修复材料。
骨生长和骨再生过程包括成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收。当骨形成和骨吸收的平衡被打破，导致成骨细胞介导的骨形成弱于破骨细胞介导的骨吸收时，骨表现出以骨质疏松为代表的病变状态，表现为骨脆性增加、骨微结构破坏，及增加骨折风险。
骨折以及其它的骨骼结构性破裂通过类似的发育顺序的过程来愈合，要求成骨细胞的浸润和后续的基质沉积。
一般认为，骨质疏松症影响骨再生的原因在于：① 成骨细胞的数量和活性下降，② 破骨细胞数量和活性增加。因此，在骨质疏松状况下，为了促进骨再生并修复骨缺损，骨修复材料应该具有的性能：提高成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的活性。此外，骨修复还应考虑骨再生过程中的生物力学性能，以及可能出现的继发症状，例如感染等。
2. 骨修复材料
人工骨修复材料是用于骨修复治疗的生物医学材料。为了更接近骨骼组织的性能，已经开发了一系列的人工骨修复材料，包括改性天然材料、生物陶瓷材料和高分子材料等。
生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。
骨水泥在骨科手术中用作骨粘固剂。骨水泥具有良好的骨修复效果，并且能注射入人体骨缺损处。
本发明提供了一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包含：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石。
在本发明的骨水泥组分中，磷酸二氢钙、磷酸二氢钠都是无水的粉末。具体地，所述粉末为微米级粉末颗粒，粒径为1~50 µm，优选为10~20 µm。
在本发明的骨水泥组分中，使用经过煅烧、球磨的氧化镁。所述煅烧的操作和条件可为本领域常规。优选地，所述锻烧条件为：温度1500~1700℃保温1~3h，例如温度1600℃保温2h或3h。所述煅烧的升温过程中，升温速率一般为5~10℃/min，优选为8℃/min。优选地，经球磨后，所述氧化镁的粒径为1-20 µm，优选为1-10 µm，更优选5~10 µm。
大量的生物相容性实验证明缺钙羟基磷灰石无毒、无刺激、不致过敏反应、不致突变以及不会破坏生物组织。骨水泥加入缺钙羟基磷灰石，不仅提高骨水泥的力学强度，而且由于其（溶解性比羟基磷灰石大）溶解释放出钙磷等离子，刺激细胞增殖。
在本发明的骨修复材料组合物中，所述缺钙羟基磷灰石占所述骨水泥组分的20重量%。羟基磷灰石通常具有约1.50的钙磷摩尔比。缺钙羟基磷灰石具有良好的吸附性能。在本发明中，采用的缺钙羟基磷灰石的粒径为1~20 μm，优选3~5 μm，有利于吸附小分子药物。
本发明的骨修复材料组合物还可以进一步包含用于骨修复的药物，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为去铁胺。在一个实施方式中，所述药物负载在羟基磷灰石上。在其他实施方式中，所述药物与所述骨水泥组分混合。
在本发明的骨修复材料组合物中，所使用的氧化镁、磷酸氢钙、和磷酸二氢钠的6：1：4、5：1：3或3：1：1，优选地所述摩尔比为3：1：1。
本发明的骨修复材料组合物还可以进一步包含固化液。本发明的固化液可以为本领域中已知的固化液，例如纯水。优选地，用于本发明的固化液是EGCG水溶液，其中所述EGCG的浓度100~150 μmol/L，优选120 μmol/L。
3. 用于骨修复的药物
根据本发明的骨修复材料组合物可以进一步包含用于骨修复的药物，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。
骨质疏松状况下，为了促进骨再生并修复骨缺损，通常采取提高成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的活性的药物。用于减少破骨细胞的数量和活性的药物包括例如雌激素类或选择性雌激素受体调节剂，如雷诺昔芬；双膦酸盐类的药物，如阿仑膦酸盐、唑来膦酸等。用于增加成骨细胞的数量和活性的药物包括例如甲状旁腺激素类（PTH），如PTH（1－84）和PTH（1－34）；前列腺素E2；他汀类药物，如斯伐他汀；以及氟化物的药物，如氟化钠等。所述抗骨质疏松的药物还可以包括用于预防和治疗骨质疏松症的补充剂，例如降钙素；钙剂和维生素D。
除此之外，氧化应激（oxidative stress，OS）在骨质疏松发生发展中起着重要作用，OS破坏了骨形成与骨吸收之间平衡，导致了骨质疏松的发生。OS是由于机体内活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）产生过多，超出了机体的清除能力，导致氧化和抗氧化失衡的一种状态。研究表明：过多的ROS影响成骨细胞和破骨细胞之间的偶联，进而降低骨形成，促进骨吸收，使骨量减少。诸多研究证实了抗氧化剂在治疗骨质疏松方面的疗效，因此，研究利用抗氧化剂来防治骨质疏松近年来受到了特别的关注。
同时，骨形成和血管形成是偶联的，成骨在时间和空间上总是伴随着血管入侵；“易血管化的材料”能促进成骨。成功的骨修复不仅需要骨植入材料能刺激新骨形成，而且能促进血管形成；良好的血供及血管生成能力对骨再生修复至关重要；血流能带来新骨再生需要的营养、氧气、细胞、生长因子等。
研究表明：低氧诱导因子（hypoxia-inducible factor-α，HIF-α）信号通路对骨发育及骨重建均有至关重要的作用，激活HIF-α信号通路能显著促进骨折愈合、骨缺损修复。具体地，激活HIF-α信号通路不仅能上调血管内皮生长因子（VEGF）、血小板衍生因子（PDGF）等成血管因子的表达，诱导血管长入，而且还能诱导间充质干细胞向成骨细胞分化，从而促进新骨和血管二者形成，加速骨重建。
去铁胺（desferrioxamine，DFO）是一种能在常氧条件下激活HIF-α信号通路的化合物，化学性质稳定，便于长期储存；DFO能上调HIF-α信号通路的表达，，能明显上调骨髓基质干细胞的成骨及成血管相关基因，实现早期快速血管化。研究表明：DFO通过刺激血管再生进而加速骨生成，局部应用DFO可以促进骨折愈合、骨缺损愈合，因此，在本发明中，优选地，所述用于骨修复的药物是去铁胺。利用DFO激活HIF-α信号通路，刺激新骨和血管形成，从而促进骨再生，快速形成骨性结合，修复大段骨缺损。
如前所述，生物材料相关感染仍然是临床骨科中的一种危害严重的并发症，是导致骨科植入材料失败的主要原因之一。因此，所述用于骨修复的药物还包括本领域已知的各种抗感染药物，包括例如青霉素类、头抱菌素类、氨基糖苷类、大环内酯类、四环素类、喹诺酮类、磺胺类等。
除此之外，研究表明：表没食子儿茶素没食子酸酯（Epigallocatechin gallate,EGCG）不仅具有抗氧化功效，而且具有抗菌活性，EGCG对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、巴氏杆菌、链球菌都有较强的抑制作用。因此，在本发明中，优选地，所述用于骨修复的药物可以包括没食子酸类(GA)药物。
EGCG（Epigallocatechin gallate）即表没食子儿茶素没食子酸酯，是绿茶茶多酚的主要组成成分，是从茶叶中分离得到的儿茶素类单体，具有抗菌、抗氧化、抗炎以及抗肿瘤作用。研究表明：GA能增加骨的碱性磷酸酶活性、DNA和钙的含量，具有促进成骨细胞增殖与分化及新骨形成的功能。体外实验表明：EGCG能通过降低氧化应激水平来防止成骨前体细胞凋亡，提高成骨前体细胞的成骨分化能力；体内实验表明：EGCG能改善骨密度下降、骨量降低及骨组织微结构改变。
通过将包含EGCG的骨修复材料微创注射到骨质疏松骨折缺损处，局部缓释EGCG，清除骨缺损周围骨组织过多的ROS，可以提高成骨细胞的数量和活性，抑制破骨细胞的数量和活性，从而促进骨形成，抑制骨吸收。利用该骨修复材料修复骨质疏松骨折缺损，并治疗周围骨组织的骨质疏松（缓释EGCG），防止再骨折。
除此之外，本发明人还发现，EGCG能与金属离子（镁离子：Mg2+）发生螯合作用（EGCG-COOH与Mg2+）；因此，通过调控固化液中的GA含量，调控该骨水泥体系的固化速度、力学强度、降解性以及缓释EGCG等性能；另外，通过调控骨水泥体系的降解性能，可以实现骨水泥对DFO的缓释，从而实现多重有益效果。
4. 制备方法
本发明提供了一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石；和
b) 将所述骨水泥组分与固化液混合，其中所述固化液是EGCG水溶液。
任选地，所述方法还包括将混合的骨水泥组分和固化液调和，凝固，并固化的步骤。本发明中，所述固化的操作和条件可为本领域常规，一般为37℃，湿度100%，固化24~120h，例如在37℃，湿度100%的条件下固化72h。所述固化是指骨修复材料组合物形成的固态骨水泥进行固化反应的过程。
固化反应中，骨水泥粉末与固化液接触后，易溶于水的磷酸二氢钠迅速溶解并产生H+与PO43-，使溶液pH值降低。在水与H+的作用下，氧化镁与磷酸氢钙溶解，产生大量的Mg2+与OH-。与此同时，溶液中的H+及OH-发生酸碱中和反应，Mg2+、Na+、Ca2+与NH4+、PO43-反应生成一系列水化产物。随着水化的不断进行，水化产物增加，当达到饱和度后开始结晶析出并不断长大，通过物理聚集的方式形成复杂的网格结构，覆盖在未完全水化的氧化镁颗粒上，彼此链接填充反应物间的空隙，最终形成以未反应的氧化镁颗粒为骨架，水化产物为粘聚体的硬化结构。
在本发明中，所述固化液的用量可为本领域常规，一般能够使得所述骨水泥组分调和为浆状物即可。本领域技术人员可以根据期望的使用要求，例如pH、凝固时间、抗压强度、药物释放速率等，调整使用的固化液的用量。
在一些实施方式中，所述方法还包括将所述缺钙羟基磷灰石在搅拌下浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的缺钙羟基磷灰石的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。优选地，所述药物为去铁胺。在一些实施方式中，所述药物溶液的浓度为100~150 μmol/L，和/或所述浸渍的时间为0.5~1 h。
在一些实施方式中，所述方法还包括将用于骨修复的药物与所述骨水泥组分以150 mg药物/1000 g骨水泥的比例混合，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为去铁胺。
本发明的骨修复材料组合物具有适宜的凝固时间。优选地，所述凝固时间为6~10min。凝固的时间是指加入固化液调和由浆状转化为块状的时间。
本发明还提供了根据本发明的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。由此制备的骨修复材料也在本发明预期保护的范围之内。
根据本发明，可以将由此制备的骨修复材料注射进骨缺损处，从而治疗骨科疾病。所述骨科疾病包括但不限于骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损等。用于注射所述骨修复材料的装置和方法是本领域中已知的。
本发明的创新性、特色及解决的关键问题
本研究设计负载功能化合物（DFO和EGCG）、可注射的磷酸镁基骨水泥体系（骨水泥粉末=MgO+NaH2PO4+DFO，固化液=EGCG水溶液），原位形成骨水泥，并通过发挥生物活性材料和功能化合物的共同作用，不仅修复骨质疏松骨折缺损，而且治疗植入物周围骨组织的骨质疏松，预防二次骨折的发生，从而实现骨折缺损修复和骨质疏松治疗一体化。骨植入材料松动是导致其失效的主要原因，感染会破坏植入材料与骨的骨性结合界面（导致松动/失效），而良好的骨性结合也能减少感染的发生（防止细菌进入骨结合界面）。
具体地，本发明的有益效果至少体现于以下方面：
可注射/原位成孔的磷酸镁基骨水泥体系，避免了缺损区由于填充致密骨水泥而导致弹性模量过大，引起相邻的骨组织（骨质疏松）发生再骨折的风险；骨水泥的多孔结构，不仅有利于骨组织长入及骨水泥降解（致密骨水泥降解缓慢），快速修复骨缺损；而且有利于功能化合物持续地缓释出来（致密骨水泥把药物包裹在其内，很难释放出来），发挥其生物功能作用。
DFO能通过激活HIF-a信号通路，促进血管与骨形成，从而防止骨质疏松的骨形成下降和骨量丢失，骨强度下降和骨微结构损坏。因此，本研究尝试构建含有DFO的骨水泥，微创注射到骨质疏松骨折缺损处，局部缓释DFO，激活HIF-a信号通路，促进骨形成及血管生成，修复骨质疏松骨缺损，并治疗周围骨组织的骨质疏松（缓释DFO），防止再骨折。
本发明利用制备生物活性骨水泥负载天然抗菌药物，赋予骨植入材料的抗菌功能，避免感染，维持骨性结合界面，实现植入物的长期稳定。制备生物活性骨水泥，并载功能药物EGCG，赋予骨植入材料促新骨和血管形成及抗感染等多重功能。通过发挥生物活性材料、纳微孔结构和功能药物的协同作用，促进新骨形成/长入及血管化。
附图说明
图1为实施例1所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥复合粉末和其固化液的照片。
图2为实施例1、实施例2和实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥固化3天后的抗压强度。
图3为实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁载药骨水泥在1、2、3、5、7天固化后的抗压强度。
图4为实施例3 (20%)、实施例6以及对照组所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后的抗压强度。
图5为实施例3 (20%)、实施例4和实施例5所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后的抗压强度。
图6为实施例3所得骨水泥在固化3天后的抗压强度。
图7为实施例3 (20%)、实施例4和实施例5所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥的凝结时间。
图8为实施例1、实施例2和实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后泡入PBS溶液1、7、14、21和28天时的pH值。
图9为实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后的XRD图谱。
图10为实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后的FTIR图谱。
图11（a）为实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后的SEM图片，图11（b）为实施例3 (20%)所得骨水泥在固化7天后的SEM图片。
图12为实施例2、实施例3 (20%)所得缺钙羟基磷灰石-磷酸镁骨水泥在固化3天后浸泡于PBS溶液中，去铁胺的释放行为。
图13为实施例3 (20%)、实施例4和实施例5所得骨水泥在固化3天后浸泡于PBS溶液中，去铁胺的释放行为。
图14为实施例3 (20%)、6和对照组的细胞增殖与粘附情况。图14a、图14d分别为对照组未添加EGCG的骨水泥组24h、72h细胞粘附情况；图14b、图14e为固化液EGCG浓度为120μmol/L的骨水泥24h、72h细胞粘附情况；图14c、图14f为实施例6的固化液EGCG浓度为150μmol/L的骨水泥复合骨修复材料组24h、72h细胞粘附情况。
图15为实施例3 (20%)、6和对照组的OD值。
图16为实施例3 (20%)、6和对照组的ALP活性。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
配方：6MgO+ Ca(H2PO4)2+ 4NaH2PO4 +缺钙HA (20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）将缺钙羟基磷灰石颗粒溶入200 μmol/L去铁胺溶液，搅拌2 h后离心干燥，既得所需载药缺钙羟基磷灰石颗粒；
（2）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（3）将将骨水泥粉末与EGCG固化液（120 μmol/L）按0.55g/100 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72 h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5 µm。
实施例2
配方：5MgO+ Ca(H2PO4)2+ 3NaH2PO4 +缺钙HA (20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）将缺钙羟基磷灰石颗粒溶入200 μmol/L去铁胺溶液，搅拌2 h后离心干燥，既得所需载药缺钙羟基磷灰石颗粒；
（2）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（3）将骨水泥粉末与EGCG固化液（120 μmol/L）按0.55g/120 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72 h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5µm。
实施例3
配方：3MgO+ Ca(H2PO4)2+ NaH2PO4 +缺钙HA (0%、10%或20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（2）将去铁胺粉末与骨水泥粉末均匀混合；
（3）将含去铁胺的骨水泥粉末与EGCG固化液（120 μmol/L）按0.55g/150 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72 h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5µm。
实施例4
配方：3MgO+ Ca(H2PO4)2+ NaH2PO4 +缺钙HA (20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（2）将去铁胺粉末与骨水泥粉末均匀混合；
（3）将含去铁胺的骨水泥粉末与EGCG固化液（120 μmol/L）按0.55g/160 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5µm。
实施例5
配方：3MgO+ Ca(H2PO4)2+ NaH2PO4 +缺钙HA (20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（2）将去铁胺粉末与骨水泥粉末均匀混合；
（3）将含去铁胺的骨水泥粉末与EGCG固化液（120 μmol/L）按0.55g/170 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72 h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5µm。
实施例6
配方：3MgO+ Ca(H2PO4)2+ NaH2PO4 +缺钙HA (20%)
骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）按上述配方，将氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石均匀混合，获得骨水泥粉末；
（2）将去铁胺粉末与骨水泥粉末均匀混合；
（3）将含去铁胺的骨水泥粉末与EGCG固化液（150 μmol/L）按0.55g/150 mg的比例调和，入模凝固后（凝固时间为6~10 min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即可。
骨水泥复合骨修复材料中，缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5µm。
对照例
未添加缺钙羟基磷灰石的骨水泥（即纯磷酸镁骨水泥）制备方法如下：将1 g氧化镁与3 g磷酸二氢钠均匀混合，取2 g去离子水与粉相调和，入模凝固后放置在37℃，100%湿度的环境下固化72 h即得。
效果实施例1
抗压强度测试
测定抗压强度样品的规格是直径6 mm，高度12 mm，用电子万能试验机（E42.503，优鸿测控技术（上海）有限公司）对样品（实施例1~6、对照组）的抗压强度进行测试，将固化后的骨水泥样品置于材料万能试验机上，保证样品与仪器接触面平滑，以恒定速度（1 mm/min）进行抗压强度检测，考察固化样品的抗压强度。测试结果如图2~6所示。
由图2可知，3个不同配方中，实施例3中配方所得的骨水泥强度最高，其中M1为实施例1，M2为实施例2，M3为实施例3。
由图3可知，骨水泥的强度随着固化时间的增加而增加，其中，固化时间为7天的骨水泥强度最高，为38.1 MPa，1天的最低，为20.2 MPa。骨水泥强度在固化3天后强度有明显的提高。
由图4可知，随着固化液中EGCG的浓度的增加，由于EGCG螯合作用的增强，骨水泥强度随之增加，最高为40.8 MPa。
由图5可知，随着固化液的增加，骨水泥强度略有提升，固化液170 mg时强度最高，为39.8 MPa，加入160 mg固化液的骨水泥次之，为38.58 MPa，加入150 mg固化液的骨水泥的强度最小，为34.4 MPa。
由图6可知，在实施例3中，随着缺钙羟基磷灰石的加入，骨水泥强度逐渐增强。
效果实施例2
凝结时间测试
凝结时间是在骨水泥调和过程中，用秒表记录骨水泥的初凝和终凝时间，统计结果见图7。由图7可知，随着固化液加入量的增加，凝结时间不断增加，加入量为150 mg时凝结时间为8 min；加入量是160 mg时，凝结时间就增加到20 min，加入量是170 mg时，凝结时间最多，达到45 min。
效果实施例3
体外降解性测试
骨水泥体外降解性是在37℃的Tris-HCL溶液中浸泡84天，通过其失重率和pH变化情况来判定。
将样品（实施例1、实施例2、对照组，直径12 mm，厚度2 mm）浸泡在Tris-HCL中（浸泡比例20 mL/g），每周更新一次Tris-HCL溶液。分别在第1、7、14、21、28、35、42、49、56、63、70和84天将材料从溶液中取出干燥并称重。
计算失重率的公式如下：
失重率=（W0-Wt）/ W0×100%
其中，W0=骨水泥初始质量，Wt=每个时间段骨水泥干重。
将样品（实施例1~3，直径12 mm，厚度2 mm）浸泡在Tris-HCL中（浸泡比例20 mL/g），每周更新一次Tris-HCL溶液。分别在第1、7、14、21、28、35、42、49、56、63、70和84天，用pH计（PhS-3C，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定其溶液pH值。
测试结果见图8，其中M1为实施例1，M2为实施例2，M3为实施例3。
效果实施例 4
XRD、FTIR测试
采用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR；美国Nicolet公司Magna-IR 550型）在中红外光（3700-400cm-1）范围内对实施例3骨水泥样品的相关官能团进行分析。
采用X射线衍射仪（XRD；日本Rigaku公司D/max 2550VB/PC型），在广角（10-80°）范围内对实施例3骨水泥样品的物相进行分析。
测试结果见图9、图10。由图10的FTIR图谱可知，实施例3固化3天和7天都生成了磷酸钙钠镁。而且由图9的XRD图谱可知，虽然都生成了磷酸钙钠镁，但7天的骨水泥比3天的骨水泥氧化镁，磷酸二氢钙的峰强降低，表明固化更加完全。
采用SEM对固化3天、7天的实例3进行表面形态观察。
测试结果见图11。
图11（a）为固化3天的骨水泥照片，骨水泥表面有调和的沟壑痕迹，而且表面有3μm~5μm的缺钙羟基磷灰石颗粒，分布比较均匀。
图11（b）为固化7天的骨水泥照片，骨水泥表面相对平滑，而且也分布着3μm~5μm的缺钙羟基磷灰石颗粒。
效果实施例5
药物缓释实验
将实施例2~5的骨水泥（载药）放入真空干燥箱中37℃干燥，将干燥后的材料放入10 mL装有PBS（pH=7.0）的离心管中探究药物缓释的情况，整个药物缓释实验在37℃恒温震荡箱中进行。在1~12周取上清液200 μL，用酶标仪测吸光度值，同时向离心管中补充200 μLPBS（pH=7.0）溶液。然后通过标准曲线计算每个时间段去铁胺的累积释放量。
图12为实施例2~3的骨水泥（载药）的体外缓释曲线图
图13为实施例3~5的骨水泥（载药）的体外缓释曲线图
由图12可知，去铁胺并没有明显的突释现象，而是随着骨水泥的降解缓慢释放，在第7周，释放量达到80%以上。
由图13可知，EGCG对去铁胺有螯合作用，降低了去铁胺的释放速率。
效果实施例6
细胞粘附增殖实验
对实施例3、6与对照组中所得的骨水泥进行细胞粘附增殖实验，其中样品直径为12mm，厚度为2mm。
细胞粘附增殖实验的具体方法如下：
从小鼠的四肢骨髓中提取rBMSCs，培养在DMEM 培基中。培基中含有10 vol%的胎牛血清和1 vol%的抗生素。细胞培养条件为37 ℃，100%饱和湿度和5%CO2。在进行细胞实验之前，首先需要利用环氧乙烷对样品进行灭菌处理。将灭菌后的样品置于24孔板中进行细胞实验，其中细胞接种密度均为5×104个细胞/孔，每隔3天需要更换一次培养液。培养24h、72h后采用SEM对表面进行细胞形态观察。测试结果见图14。
由图14可知，三组骨水泥细胞都铺展良好，有伪足伸出。负载EGCG促进了材料表面细胞的黏附。
使用MTT法分析样品表面细胞的增殖情况。rBMSCs 在样品表面分别培养1，3 和5天后加入MTT 溶液，在37 ℃下培养4 小时。加入二甲基亚砜。然后在37℃下培养15分钟。之后取上清液至96 孔板中，使用酶标仪读取570 nm 处的吸光度值（O.D.）。测试结果见图15。
细胞成骨分化
通过分析细胞中碱性磷酸酶（ALP）的活性来评价细胞的成骨分化能力。rBMSCs在样品表面使用成骨诱导培养基，地塞米松，抗坏血酸和 β-甘油磷酸钠培养7，10和14天后除去培养介质，使用PBS溶液清洗3次。之后，滴加NP-40溶液裂解细胞，以得到细胞裂解液。然后加入2 mg/mL pNPP溶液，与上述制得的裂解液共培养30分钟。共培养后，加入0.1 mol/LNaOH 溶液终止反应。使用分光光度计在波长405 nm处读取吸光度值。测试结果见图16。
本发明制得的骨水泥复合材料，生物活性优良，成骨性能显著提高，为生物活性骨修复或替代材料的制备提供了重要实验基础。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包含：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石，所述骨修复材料还包含EGCG水溶液，其中所述缺钙羟基磷灰石占所述骨水泥组分的20重量%，并且氧化镁、磷酸二氢钙、和磷酸二氢钠的摩尔比为6：1：4、5：1：3或3：1：1。
2.根据权利要求1所述的骨修复材料组合物，其中所述缺钙羟基磷灰石的粒径为1~20μm；所述氧化镁的粒径为1-20 µm；且所述磷酸二氢钙、磷酸二氢钠的粒径为1~50 µm。
3.根据权利要求2所述的骨修复材料组合物，其中所述缺钙羟基磷灰石的粒径为3~5 μm；所述氧化镁的粒径为1-10 µm；且所述磷酸二氢钙、磷酸二氢钠的粒径为10~20 µm。
4.根据权利要求3所述的骨修复材料组合物，其中所述氧化镁的粒径为5~10 µm。
5.根据权利要求1所述的骨修复材料组合物，其中所述缺钙羟基磷灰石的钙磷摩尔比为1.50。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的骨修复材料组合物，其还包含用于骨修复的药物，所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。
7.根据权利要求6所述的骨修复材料组合物，其中所述药物为去铁胺。
8.根据权利要求6所述的骨修复材料组合物，其中所述药物负载在缺钙羟基磷灰石上。
9.根据权利要求1所述的骨修复材料组合物，其中所述EGCG水溶液的浓度为100~150 μmol/L。
10.根据权利要求9所述的骨修复材料组合物，其中所述EGCG水溶液的浓度为120 μmol/L。
11.一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠和缺钙羟基磷灰石，其中所述缺钙羟基磷灰石占所述骨水泥组分的20重量%，并且氧化镁、磷酸二氢钙、和磷酸二氢钠的摩尔比为6：1：4、5：1：3或3：1：1；和
b) 将所述骨水泥组分与固化液混合，其中所述固化液是EGCG水溶液。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括将所述缺钙羟基磷灰石在搅拌下浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的缺钙羟基磷灰石的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述药物溶液的浓度为100~150 μmol/L，且所述浸渍的时间为0.5~1 h。
14.根据权利要求11所述的方法，其还包括将用于骨修复的药物与所述骨水泥组分以150 mg药物/1000 g骨水泥的比例混合，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。
15.根据权利要求12或14所述的方法，其中所述药物为去铁胺。
16.一种骨修复材料，其通过权利要求11-15中任一项所述的方法制备。
17.根据权利要求1-10任一项所述的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。
18.根据权利要求17所述的用途，其中所述骨科疾病选自：骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损。
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