CN113750289A - 基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磷酸钙的有机‑无机复合生物活性材料及其制备方法，包括：水剂和粉剂，水剂包括水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水，粉剂包括磷酸氢钙和磷酸四钙。本发明通过磷酸钙纳米簇、有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂结合的方式，形成有机‑无机交联结构的生物活性材料，保留了CPC良好的生物相容性，自固化且固化过程放热少，完全固化前可注射，可塑形，力学强度能够在较大范围内调控，且生物相容性好，可应用于多个领域。完全固化后可吸收环境中的水分膨胀而形成多孔结构，有利于细胞长入与患者组织融合，且材料膨胀会对周围骨形成持续微小的应力，有利于促进骨再生。

Description

基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法。

背景技术

骨水泥是一类可以在注射到人体后，原位固化塑形的骨填充材料，在临床上主要应用于椎体成形术及充当大段骨缺损，有广泛的临床需求和巨大市场价值，骨水泥在发展过程中形成了多种体系，其中最重要的两大体系是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacrylate，PMMA)和磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)。

PMMA骨水泥的前体具有一定的毒性，在人体内固化时会放出大量的热，造成周围组织的水肿或坏死，CPC的前体和固化后产物都没有毒性，固化时放热很少，固化产物在体内会逐渐转变为羟基磷灰石，因此，CPC有望取代PMMA骨水泥成为更安全、有效的骨填充材料。然而，现有CPC的杨氏模量较小，脆性大，在液体环境中易溃散。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法，旨在解决现有CPC在液体环境下的力学强度和力学稳定性不足的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，包括：水剂和粉剂，所述水剂包括水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水，所述粉剂包括磷酸氢钙和磷酸四钙。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水剂的体积与所述粉剂的质量之间的比例为每1μl水剂加入0.65～35mg粉剂。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水剂中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为1.2％～20％。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水剂中柠檬酸的质量百分比为0.5％～20％。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水溶性钙盐为氯化钙。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水溶性磷酸盐为正磷酸盐、磷酸一氢盐和磷酸二氢盐中的一种或多种。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水溶性钙盐中的Ca与所述水溶性磷酸盐中的P的摩尔比为0.5～1.5:1。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水溶性钙盐与所述聚天冬氨酸的质量比为1:1～10。

所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其中，所述水溶性磷酸盐与所述聚丙烯酸的质量比为1:1～10。

一种所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料的制备方法，其中，包括：

将磷酸氢钙和磷酸四钙混合，得到粉剂；

将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水混合，得到水剂；

将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌，静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。

有益效果：本发明通过磷酸钙纳米簇、有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂结合的方式，形成有机-无机交联结构的生物活性材料，保留了CPC的良好生物相容性，自固化且固化过程放热少，完全固化前可塑形，塑形时间通过水剂、粉剂比例，及柠檬酸含量等参数调控，完全固化后在液体环境下可像海绵一样吸收环境中的水分膨胀而形成多孔结构，并且具有良好的韧性和长期力学稳定性，吸水后形成的多孔结构有利于细胞长入与患者组织融合，且材料膨胀会对周围骨形成持续微小的应力，有利于促进骨再生。不仅如此，由于该材料塑形阶段可注射，力学强度可在较大范围内调控，且生物相容性好，可应用于口腔，整形外科，组织再生等多个领域。

附图说明

图1是本发明实施例制备的有机-无机复合生物活性材料的吸水性能图；

图2是本发明实施例制备的有机-无机复合生物活性材料的细胞毒性图；

图3是本发明实施例制备的有机-无机复合生物活性材料的的压缩疲劳试验F-N图；

图4是本发明实施例制备的有机-无机复合生物活性材料的的压缩疲劳试验F-N图的局部放大图。

具体实施方式

本发明提供一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于疾病和创伤等原因，全球每年约有百万患者需要进行骨移植手术，利用骨填充材料修复缺失的骨质。自体骨是临床使用的骨填充材料的金标准，但来源有限，且供体部位可能发生并发症。异体骨需要灭活以消除免疫原性，但灭活过程同时也降低了异体骨的生物活性，造成移植后发生重吸收和骨不连，严重的会导致患者畸形，因此研究可替代骨组织的生物材料得到了骨组织修复领域研究人员的广泛重视。

骨水泥是一类可以在注射到人体后，原位固化塑形的骨填充材料，骨水泥在发展过程中形成了多种体系，其中最重要的两大体系是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacrylate，PMMA)和磷酸钙骨水泥(calciumphosphate cement，CPC)。PMMA骨水泥力学性能稳定，应用效果好，聚合后的产物无毒性，耐腐蚀，但其缺乏生物活性，不能在体内降解，部分情况下需进行二次手术取出，更严重的是，PMMA骨水泥的前体具有一定的毒性，由于其须在完全固化前注射到人体待修复部位，因前体渗漏造成的严重并发症也有见报道。另外，PMMA骨水泥在人体内固化时会放出大量的热，造成周围组织的水肿或坏死。

CPC的前体和固化后产物都没有毒性，固化时放热很少，固化产物在体内会逐渐转变为羟基磷灰石，羟基磷灰石是人骨的主要无机成分，因此，CPC有望取代PMMA骨水泥成为更安全、有效的骨填充材料。然而，CPC的杨氏模量较小，脆性大，在液体环境中易溃散，部分CPC采用高温煅烧结晶的方法提高其力学稳定性，但该方法丧失了骨水泥固化前可根据患者缺损的不规则形状塑形的优势，且煅烧后获得的晶体与人骨的羟基磷灰石晶型及结晶度都差别很大，在人体内难以降解。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，包括：水剂和粉剂，所述水剂包括水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮以及柠檬酸，所述粉剂包括磷酸氢钙和磷酸四钙。发明人经研究发现以水溶性钙盐和水溶性磷酸盐为原料，聚丙烯酸和聚天冬氨酸为稳定剂，可以得到小粒径的磷酸钙纳米簇，本发明通过水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸以及聚天冬氨酸形成磷酸钙纳米簇，在生物活性材料中同时引入纳米级磷酸钙晶体、有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂，得到的生物活性材料保留了CPC的良好生物相容性，自固化且固化过程放热少，完全固化前一段时间内可塑形，完全固化后在液体环境下可吸收环境中的水分而具有良好的韧性和长期力学稳定性，吸水后形成的多孔结构有利于细胞长入与患者组织融合，且材料膨胀会对周围骨形成持续微小的应力，有利于促进骨再生。

具体地，水剂提供固化所需的磷酸钙纳米颗粒、有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂，粉剂提供固化所需的钙离子和磷酸根离子，水剂和粉剂的体积质量比会影响得到的生物活性材料的性能。在一具体实施例中，所述水剂的体积与所述粉剂的质量之间的比例为每1μl水剂加入0.65～35mg粉剂，例如，400μl水剂加入400mg粉剂，在该体积质量比下，水剂和粉剂可以充分混合，形成一块完整的胶状物。

具体地，聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸分别作为有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂，其在水剂中的含量会影响得到的生物活性材料在液体环境下的韧性和长期力学稳定性。在一具体实施方式中，所述水剂中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为1.2％～20％，所述水剂中柠檬酸的质量百分比为0.5％～20％，在该比例下得到的活性材料不仅具有良好的韧性，而且具有一定的力学强度。

具体地，聚天冬氨酸用于与水溶性钙盐中的钙离子形成螯合物，稳定钙离子，考虑到加入的聚天冬氨酸过少会引起钙离子沉淀，加入的聚天冬氨酸过多会导致有机物过量，在一具体实施例中，所述水溶性钙盐和聚天冬氨酸的质量比为1:(1～10)。

具体地，聚丙烯酸用于与水溶性磷酸盐形成凝胶溶液，使最终形成的磷酸钙纳米簇具有凝胶性质。考虑到加入的聚丙烯酸过少会引起后续的磷酸钙沉淀，加入的聚丙烯酸过多会导致有机物过量，在一具体实施例中，所述水溶性磷酸盐和聚丙烯酸的质量比为1:(1～10)。由于水溶性钙盐和水溶性磷酸盐分别先被聚天冬氨酸和聚丙烯酸稳定，制备的磷酸钙纳米簇相对其它无定形磷酸钙更加稳定，并且粒径较小。

进一步地，考虑到低分子量的聚丙烯酸，如相对分子质量为1800Da或5100Da的聚丙烯酸，不能形成纳米簇，本实施例中使用的聚丙烯酸的相对分子质量为10～500kDa，得到的磷酸钙纳米簇为透明的、无定形态的凝胶状物质，具有良好的流动性、注射性、生物相容性和成骨诱导性，在室温放置七天后，可以转变为结晶态的羟基磷灰石。

在一具体实施方式中，所述水溶性钙盐为氯化钙，氯化钙不会引入氧化性酸或有毒物质，所以不会导致杂质出现。考虑到钙离子浓度过高会在后续反应中引发沉淀，所述水剂中水溶性钙盐的浓度不大于0.1mol/L。

在一具体实现方式中，所述水溶性磷酸盐为正磷酸盐、磷酸一氢盐和磷酸二氢盐中的一种或多种。考虑到磷酸一氢盐为弱碱性，可以起到酸碱缓冲作用，且不会对纳米簇的形成产生干扰，在一具体实施例中，所述水溶性磷酸盐为磷酸一氢盐，所述水剂中水溶性磷酸盐的浓度不大于0.1mol/L。

基于上述基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，本发明还提供一种所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料的制备方法，包括：

S1、将磷酸氢钙和磷酸四钙混合，得到粉剂；

S2、将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水混合，得到水剂；

S3、将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌，静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。

具体地，本实施例在制备上述基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料时，首先将磷酸氢钙和磷酸四钙混合，得到粉剂，然后将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮以及柠檬酸混合，得到水剂，最后将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌成粘稠状，在4～37℃下静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。本发明通过水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸以及聚天冬氨酸形成磷酸钙纳米簇，在生物活性材料中同时引入纳米级磷酸钙晶体、有机高分子钙交联剂和无机小分子钙交联剂，得到的生物活性材料保留了CPC的良好生物相容性，自固化且固化过程放热少，完全固化前一段时间内可塑形，完全固化后在液体环境下可吸收环境中的水分而具有良好的韧性和长期力学稳定性，吸水后形成的多孔结构有利于细胞长入与患者组织融合，且材料膨胀会对周围骨形成持续微小的应力，有利于促进骨再生。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。

实施例1

(1)将100mg磷酸氢钙和300mg磷酸四钙混合，得到400mg粉剂；

(2)将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水混合，得到400μl水剂；其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为2％，柠檬酸的质量百分比为2％；

(3)将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌，静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。

实施例2

(1)将100mg磷酸氢钙和300mg磷酸四钙混合，得到400mg粉剂；

(2)将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水混合，得到380μl水剂；其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为2.2％，柠檬酸的质量百分比为2.2％；

(3)将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌，静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。

将本发明实施例1和实施例2制备的有机-无机复合生物活性材料称重后分别浸泡在磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffer saline，PBS)中，浸泡4h后吸干生物活性材料表面水分，并再次称重后计算生物活性材料的吸水量，得到如图1所示的吸水性能图。从图1可以看出本发明实施例1和实施例2制备的有机-无机复合生物活性材料可吸收环境中的水分，吸水后会发生膨胀。

将本发明实施例1和实施例2制备的有机-无机复合生物活性材料分别浸泡于浸提液中，浸泡24h后使用浸提液培养人骨髓间充质干细胞(hMSCs)，并采用cck-8法分别在第1天和第3天测定细胞毒性，得到如图2所示的细胞毒性图。从图2可以看出，本发明实施例1和实施例2制备的有机-无机复合生物活性材料无细胞毒性。

将本发明实施例1制备的有机-无机复合生物活性材料在去离子水中浸泡4h以上后进行压缩疲劳试验，测试参数为加载波形：正弦波。测试次数：1000次。频率：1Hz。测试环境：空气室温中，20.1℃±2/28％RH±5。得到如图3和图4所示的压缩疲劳试验F-N图。从图3和图4可以看出，本发明实施例1制备的有机-无机复合生物活性材料具有弹性。

综上所述，本发明公开了一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料及其制备方法，包括：水剂和粉剂，所述水剂包括水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水，所述粉剂包括磷酸氢钙和磷酸四钙。本发明通过水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸以及聚天冬氨酸形成磷酸钙纳米簇，在生物活性材料中同时引入纳米级磷酸钙晶体、有机高分子钙稳定剂和无机小分子钙交联剂，得到的生物活性材料保留了CPC的良好生物相容性，自固化且固化过程放热少，完全固化前一段时间内可塑形，完全固化后在液体环境下可吸收环境中的水分而具有良好的韧性和长期力学稳定性，吸水后形成的多孔结构有利于细胞长入与患者组织融合，且材料膨胀会对周围骨形成持续微小的应力，有利于促进骨再生。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，包括：水剂和粉剂，所述水剂包括水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水，所述粉剂包括磷酸氢钙和磷酸四钙。

2.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水剂的体积与所述粉剂的质量之间的比例为每1μl水剂加入0.65～35mg粉剂。

3.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水剂中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为1.2％～20％。

4.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水剂中柠檬酸的质量百分比为0.5％～20％。

5.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水溶性钙盐为氯化钙。

6.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水溶性磷酸盐为正磷酸盐、磷酸一氢盐和磷酸二氢盐中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水溶性钙盐中的Ca与所述水溶性磷酸盐中的P的摩尔比为0.5～1.5:1。

8.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水溶性钙盐与所述聚天冬氨酸的质量比为1:1～10。

9.根据权利要求1所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料，其特征在于，所述水溶性磷酸盐与所述聚丙烯酸的质量比为1:1～10。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的基于磷酸钙的有机-无机复合生物活性材料的制备方法，其特征在于，包括：

将磷酸氢钙和磷酸四钙混合，得到粉剂；

将水溶性钙盐、水溶性磷酸盐、聚丙烯酸、聚天冬氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸以及去离子水混合，得到水剂；

将所述粉剂和所述水剂混合，搅拌，静置固化，得到有机-无机复合生物活性材料。

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