CN113491790A - 一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用 - Google Patents

一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用，涉及医用材料技术领域，其中，该抗菌骨水泥包括粉剂和液剂；所述粉剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚；所述液剂包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N‑二甲基对甲苯胺，通过将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂；再通过将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N‑二甲基对甲苯胺混合均匀得到液剂；然后，将所述粉剂与所述液剂混合，经固化成型后，得到骨水泥。

Description

一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及医用材料技术领域，具体涉及一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用。
背景技术
丙烯酸树脂粘合材料在骨科的应用已经有50多年的历史，常规聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)各科粘合材料包括由PMMA粉末、显影剂、催化剂，部分含有着色剂和抗生素成分得粉剂和由MMA、促进剂、阻聚剂，部分含有着色剂构成的液剂，使用时将粉剂和液剂混合并搅拌，然后，通过器械将骨科粘合材料传送或导入至所需部位，混合物经过粥状期、粘丝期、面团期、固化期后，固化定型，起到骨填充、关节假体固定等作用。
PMMA粘合材料是关节置换和椎体强化术中最为常用的骨科粘合材料。在人工全髋关节置换术中，骨科粘合材料的主要作用是填充股骨髓腔、固定人工关节假体和分散应力。在经皮椎体成形术和经皮球囊扩张椎体后凸成形术中，骨科粘合材料被注射到骨质疏松性椎体压缩骨折患者的椎体中，能迅速缓解疼痛，并起到增加椎体强度和稳定性、防止塌陷和恢复椎体高度的作用。
传统的PMMA粘合材料在填充和固定假体时，存在生物相容性差，不能与骨组织牢固连接，导致松动和下沉等问题；丙烯酸类粘合材料聚合时释放大量的热量，局部温度甚至可能高达100℃以上，能将周围的活组织细胞杀死；PMMA骨水泥的弹性模量较松质骨高，容易产生应力遮挡效应，造成周围宿主骨弱化，导致病人在椎体成形术后，邻近椎骨发生继发骨折。传统的PMMA粘合材料不具备生物活性，抗菌性能差，长期植入容易引起感染，而骨水泥植入部位细菌感染，会对上述骨水泥辅助手术治疗造成灾难性的后果，例如，病人住院时间延长、住院费用大幅增加，可能致使患者截肢，甚至导致病人的死亡。因此，研发抗菌性高、放热量低的PMMA骨水泥材料具有迫切的临床需求，新型抗菌骨水泥应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抗菌骨水泥及其制备方法、应用，以期至少部分地解决上述技术问题。
为实现上述技术目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种抗菌骨水泥。包括：粉剂和液剂；其中，上述粉剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚；上述液剂包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺。
根据本发明实施例：上述粉剂包括以下重量份数的材料：聚甲基丙烯酸甲酯：70～90份；过氧化苯甲酰：0.05～4份；造影剂：9～24份；对苯二酚：0.05～2份。
根据本发明实施例：上述液剂包括以下重量百分比的材料：甲基丙烯酸甲酯：80～99％；甲基丙烯酸硝基糠醇酯：0.5～18％；N，N-二甲基对甲苯胺：0.5～2％。
根据本发明实施例：上述粉剂与上述液剂的重量比包括1∶0.5～10。
根据本发明实施例：上述造影剂包括硫酸钡、二氧化锆中的一种或两种，造影剂还可选择泛影葡胺、碘普罗胺、碘曲伦的一种或几种，其中，造影剂的用量为0.1g或0.2g。
根据本发明实施例：上述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量包括30万～50万。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种抗菌骨水泥的制备方法，包括：将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂；将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺混合均匀得到液剂；将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥。
根据本发明实施例，将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂，包括：将所述聚甲基丙烯酸甲酯、所述过氧化苯甲酰、所述造影剂和所述对苯二酚混合均匀，采用环氧乙烷灭菌法进行消毒之后，得到粉剂。
根据本发明实施例，将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥，包括：将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥，固化成型后的温度小于36.7℃。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了骨水泥在骨植入材料中的应用。
(三)有益效果
本发明骨水泥的液剂中添加了甲基丙烯酸硝基糠醇酯，由于甲基丙烯酸硝基糠醇酯中含有抗菌性的硝基，因此，实现了骨水泥具有抗菌性能，避免植入人体感染的发生；甲基丙烯酸硝基糠醇酯作为大分子量聚合单体，它在聚合过程中，聚合放热小，避免了骨细胞的灼伤，从而降低骨组织的损伤。
附图说明
图1是本发明存活率测试的细胞存活率实验结果图
图2是本发明溶血率测试的容血性实验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，均可从商业途径获得。
甲基丙烯酸硝基糠醇酯通过实验室合成得到。
由于传统的PMMA粘合材料在填充和固定假体时，不具备生物活性，抗菌性能差，长期植入容易引起感染，PMMA单体聚合释放热量大，局部温度高达100℃以上，将周围的活组织细胞杀死，造成骨组织损伤；基于此，本发明在骨水泥的液剂中添加了自制的甲基丙烯酸硝基糠醇酯，由于甲基丙烯酸硝基糠醇酯中含有抗菌性的硝基，因此，实现了骨水泥具有抗菌性能，避免植入人体感染的发生；此外，甲基丙烯酸硝基糠醇酯作为大分子量聚合单体，它在聚合过程中，聚合放热小，避免了骨细胞的灼伤，从而降低骨组织的损伤。
因此，本发明提供了一种抗菌骨水泥。包括：粉剂和液剂；其中，粉剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚；液剂包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺。
本发明实施例中，在骨水泥的液剂中添加了甲基丙烯酸硝基糠醇酯，由于甲基丙烯酸硝基糠醇酯中含有抗菌性的硝基，因此，实现了骨水泥具有抗菌性能，避免植入人体感染的发生；甲基丙烯酸硝基糠醇酯作为大分子量聚合单体，它在聚合过程中，聚合放热小，避免了骨细胞的灼伤，从而降低骨组织的损伤。
根据本发明实施例：上述粉剂包括以下重量份数的材料：聚甲基丙烯酸甲酯：70～90份；过氧化苯甲酰：0.05～4份；造影剂：9～24份；对苯二酚：0.05～2份。
根据本发明实施例，上述粉剂包括以下重量份数的材料：聚甲基丙烯酸甲酯：70～90份，例如：70份、80份、85份、90份；过氧化苯甲酰：0.05～4份，例如：0.05份、1份、2份、4份；造影剂：9～24份，例如：9份、15份、18份、24份；对苯二酚：0.05～2份，例如：0.05份、0.5份、1.5份、2份。
根据本发明实施例：液剂包括以下重量百分比的材料：甲基丙烯酸甲酯：80～99％；甲基丙烯酸硝基糠醇酯：0.5～18％；N，N-二甲基对甲苯胺：0.5～2％。
根据本发明实施例，上述液剂包括以下重量百分比的材料：甲基丙烯酸甲酯：80～99％，例如：80％、85％、90％、99％；甲基丙烯酸硝基糠醇酯：0.5～18％，例如：0.5％、5％、15％、18％；N，N-二甲基对甲苯胺：0.5～2％，例如：0.5％、1％、1.5％、2％。
本发明实施例中，由于甲基丙烯酸硝基糠醇酯中引入了有抗菌性的硝基官能团，利用硝基的杀菌性能，实现了制备的骨水泥具有抗菌性能，添加生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的骨水泥无生物毒性，生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的加入能够增强骨水泥的生物活性，具有更好的生物相容性。
根据本发明实施例：上述粉剂与上述液剂的重量比包括1∶0.5～10，例如：1∶0.5、1∶5、1∶8、1∶10。
根据本发明实施例：上述造影剂包括硫酸钡、二氧化锆中的一种或两种，造影剂还可选择泛影葡胺、碘普罗胺、碘曲伦的一种或几种，其中，造影剂的用量为0.1g或0.2g。
根据本发明实施例：上述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量包括30万～50万，例如：聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为30万或40万或50万。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种抗菌骨水泥的制备方法，包括：将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂；将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺混合均匀得到液剂；将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥。
本发明实施例中，骨水泥的制备方法简单，经济效益高，便于操作，使用性能强，便于临床应用，延长病人寿命，缩短病人住院时间，减轻病人费用负担。
根据本发明实施例，将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂，包括：将上述聚甲基丙烯酸甲酯、上述过氧化苯甲酰、上述造影剂和上述对苯二酚混合均匀，采用环氧乙烷灭菌法进行消毒之后，得到粉剂。
本发明实施例中，对粉剂的消毒方法包括但不限于环氧乙烷灭菌法，还包括采用季铵盐消毒法、氯六亚甲基双胍消毒法、高压脉冲氙气紫外线消毒法中的任意一种消毒法。
根据本发明实施例，将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥，包括：将上述粉剂与上述液剂混合，固化成型后得到骨水泥，固化成型后的温度小于36.7℃。
本发明实施例中，由于固化成型温度小于36.7℃，接近人体温度，可以有效避免在骨水泥植入椎体时对骨组织造成的损伤。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了骨水泥在骨植入材料中的应用。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
将1.8g分子量为40万的PMMA粉末、0.17g硫酸钡、0.02g过氧化苯甲酰和0.01g对苯二酚混合均匀并经消毒后即得骨水泥的粉剂部分。骨水泥的液剂部分由0.8mL的甲基丙烯酸甲酯与0.18mL的甲基丙烯酸硝基糠醇酯两种混合单体并溶解有0.02mLN，N-二甲基对甲苯胺组成。将骨水泥粉末组分与液体组分混合后搅拌混匀，经注射器注射成型。
实施例2
将1.5g分子量为30万的PMMA粉末、0.17g硫酸钡、0.1g过氧化苯甲酰和0.03g对苯二酚混合均匀并经消毒后即得骨水泥的粉剂部分。骨水泥的液剂部分由0.9mL的甲基丙烯酸甲酯与0.09mL的甲基丙烯酸硝基糠醇酯两种混合单体并溶解有0.01mL的N，N-二甲基对甲苯胺组成。将骨水泥粉末组分与液体组分混合后搅拌混匀，经注射器注射成型。
对比例1
由对比例1制备的骨水泥中使用的液剂为甲基丙烯酸甲酯单一单体，其他条件与实施例1完全一致。
将实施例1-2和对比例1用于骨水泥性能测试实验，主要包括以下测试实验：存活率(MTT)测试、溶血率测试、抗菌性测试、放热性测试和弹性模量测试。
存活率(MTT)测试
细胞毒性实验样品尺寸为：高6mm，直径6.5mm的圆柱体。使用的骨水泥样品为实施例1和实施例2所述的骨水泥。
第一步，浸提液的制备：各骨水泥样品分别使用酒精，磷酸缓冲液(PBS)泡24小时后，使用完全培养基浸泡24小时得到对比例1、实施例1和实施例2骨水泥的三组浸提液。
第二步，细胞的接种：以完全培养基为对比例2，每孔接种5000-10000个人成骨细胞(HFOB)，于37℃，5％CO2环境下培养24小时和48小时后，测得细胞存活率(MTT)。
实验结果如图1所示，图1为存活率(MTT)测试的细胞存活率实验结果图。从图1可知，以对比例2为空白组，将实施例1-2和对比例1制备的骨水泥样品加入细胞培养基中，经过在24h和48h后，培养基中的细胞存活率均高于80％，说明材料是无毒性的。
溶血率测试
溶血率实验样品尺寸：高10mm，宽10mm的圆柱体，使用的骨水泥样品为实施例1和实施例2制备的骨水泥。
第一步，浸提液的制备：每个骨水泥样品使用酒精浸泡消毒24小时后，使用磷酸缓冲液(PBS)，按0.5mL/g的比例，在37℃下浸泡48h得到浸提液。
第二步，将PMMA骨水泥材料用PBS浸提液、PBS(阴性对照)和双蒸水(阳性对照)处理，每组各5份，每管2mL。
第三步，每管分别加入2％新鲜健康人血悬2mL，37℃下孵育4小时后，在1000r/min离心5min后，取上清液1mL，最后，在酶标仪下测定540nm处各样品的吸光度。
第四步，通过溶血率公式的计算实施例1-2和对比例1的容血率，溶血率＝(样品吸光度-阴性对照吸光度)/(阳性对照吸光度-阴性对照吸光度)。实验结果如图2，图2是溶血率测试的容血性实验结果图。
从图2可知，对比例1的容血率为4％左右，实施例1和实施例2的容血率为2.5％左右，因此，实施例1-2的溶血率比对比例1更低，这说明实施例1-2制备的骨水泥均具有良好的血液相容性。
抗菌性测试
抗菌性实验样品尺寸：高5mm，宽6mm的圆柱体，使用的骨水泥样品为实施例1和实施例2所述的骨水泥。
第一步，浸提液的制备：两组骨水泥样品使用酒精浸泡消毒24小时。
第二步，将大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌种植在两组骨水泥表面，24小时后，利用细菌活死染色观察骨水泥表面细菌粘附和活死情况，结果显示如表1。
表1抗菌性测试的细菌活死染色情况
Figure BDA0003168567380000081
表1为抗菌性测试的细菌活死染色情况，从表1可知，实施例1-2的杀菌率俊高于99％，而对比例1的细菌杀菌率均在55％左右，因此，实施例1-2具有较好的抗菌性能。
放热性测试
将实施例1和实施例2中与对比例1的粉剂与液剂分别进行混合搅拌，测量固化成型过程中骨水泥的最高放热温度，结果如表2所示。
表2骨水泥的放热性测试结果
骨水泥固化过程最高温度/℃
实施例1 36.7
实施例2 52.9
对比例1 98.6
表2为骨水泥的放热性测试结果，实验结果表明，实施例1的骨水泥固化过程最高温度为36.7℃，实施例2的骨水泥固化过程最高温度为52.9℃，对比例1骨水泥固化过程最高温度为98.6℃，从上述结果可以看出，实施例1和实施例2的最高温度均低于对比例1，其中，实施例1的最高温度已接近人体温度，这进一步证实了：在实施例1-2的液剂中添加大分子量甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体，它在骨水泥固化成型过程中能够明显降低固化放热。
弹性模量测试
将实施例1-2与对比例1的粉剂与液剂分别进行混合搅拌，测量固化成型过程中骨水泥的弹性模量，其中，力学性能测试依据ISO5833和ASTMF451规定的弹性模量和力学强度的测试方法，实验结果如表3所示。
表3骨水泥的弹性模量测试结果
弹性模量/MPa 力学强度/MPa
实施例1 1.2 84.0
实施例2 1.4 84.5
对比例1 1.8 85.6
表3为骨水泥的弹性模量测试结果，从表3可知，从实施例1-2到对比例1，其弹性模量依次增大，力学强度也依次变大，结果证实了实施例1-2的液剂中添加了生物基类型的甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体，在骨水泥固化成型过程中能够明显降低骨水泥的弹性模量。
综上所述，由图1和图2可知，实施例1和实施例2中，添加生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的骨水泥无生物毒性，生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的加入能够增强骨水泥的生物活性，具有更好的生物相容性。由表1、表2和表3可知，对比例1不添加甲基丙烯酸硝基糠醇酯，其骨水泥的固化过程最高温度为98.6℃，实施例1-2添加了生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体，其骨水泥的固化过程最高温度均有显著降低，最低温度达36.7℃，接近于人体自身温度，解决了传统骨水泥材料在临床使用中，聚合放热过高，灼伤骨组织的风险，保证聚合时放热温度不破坏骨组织细胞，最大限度的保留其生物活性成分，增加丙烯酸酯类聚合物骨水泥在人体使用的安全性；其次添加甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的骨水泥材料力学强度没有明显下降，但是明显降低了其弹性模量，避免了传统的聚甲基丙烯酸甲酯PMPP骨水泥材料弹性模量在体内过大，导致骨应力传导不均带来二次骨折隐患；最后，通过抗菌实验表明，添加生物基甲基丙烯酸硝基糠醇酯单体的骨水泥材料具有非常优异的抗菌性能，能够有效防治长期植入感染问题的发生。此外通过骨细胞存活率测试和溶血率测试，表明材料是无毒的，血液相容性好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗菌骨水泥，包括：粉剂和液剂；其中，
所述粉剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚；
所述液剂包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺。
2.根据权利要求1所述的骨水泥，其中，所述粉剂包括以下重量份数的材料：
聚甲基丙烯酸甲酯：70～90份；
过氧化苯甲酰：0.05～4份；
造影剂：9～24份；
对苯二酚：0.05～2份。
3.根据权利要求1所述的骨水泥，其中，所述液剂包括以下重量百分比的材料：
甲基丙烯酸甲酯：80～99％；
甲基丙烯酸硝基糠醇酯：0.5～18％；
N，N-二甲基对甲苯胺：0.5～2％。
4.根据权利要求1所述的骨水泥，其中，所述粉剂与所述液剂的重量比包括1∶0.5～10。
5.根据权利要求1所述的骨水泥，其中，所述造影剂包括硫酸钡、二氧化锆中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的骨水泥，其中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量包括30万～50万。
7.一种制备权利要求1～6任意一项所述的骨水泥的方法，包括：
将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂；
将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸硝基糠醇酯和N，N-二甲基对甲苯胺混合均匀得到液剂；
将所述粉剂与所述液剂混合，固化成型后得到骨水泥。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述将聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、造影剂和对苯二酚混合均匀，经消毒之后得到粉剂，包括：将所述聚甲基丙烯酸甲酯、所述过氧化苯甲酰、所述造影剂和所述对苯二酚混合均匀，采用环氧乙烷灭菌法进行消毒之后，得到粉剂。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述将所述粉剂与所述液剂混合，固化成型后得到骨水泥，包括：将所述粉剂与所述液剂混合，固化成型后得到所述骨水泥，固化成型后的温度小于36.7℃。
10.一种权利要求1～6任意一项所述的骨水泥在骨植入材料中的应用。
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