CN114053476B - 一种抗菌磷酸镁骨水泥及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗菌磷酸镁骨水泥，它是由下述重量配比的原料制备而成：O‑MgO 10～50份，KH2PO410～20份，ZnO‑NPs或ZiF‑8 0.1～5份；所述O‑MgO是轻质氧化镁煅烧，球磨，过筛后的粉末；所述KH2PO4为磷酸二氢钾球磨，过筛后的粉末。本发明抗菌磷酸镁骨水泥，不仅提高了磷酸镁骨水泥的凝固时间和强度，还使含锌化合物发挥抗菌能力的同时也为生物体提供了必需的微量元素。本发明抗菌磷酸镁骨水泥的制备方法简单，在骨修复材料领域具有广阔的应用前景。

Description

一种抗菌磷酸镁骨水泥及其制备方法和用途
技术领域
本发明具体涉及一种抗菌磷酸镁骨水泥及其制备方法和用途。
背景技术
目前，由于交通事故，运动不当，肿瘤，先天性畸形，骨质疏松以及手术过程中的人为因素造成的骨缺损，是骨科疾病的一种。中国每年约有300多万人正遭受骨损伤的折磨。其中，临床上开放性损伤有很高的细菌感染风险。对于闭合型骨折来说，如果是粉碎性的，感染并发症的几率大概在3％-8％左右；而如果合并开放伤口，感染的发生率可高达20％。在此契机下，发明一种兼具抗菌和骨传导活性的骨修复材料不但可以发挥骨传导的性能，而且可以阻止细菌的黏附和感染的发生，这已成为骨修复材料发展的必然趋势。
相对于需要预先成型并且以特定形状的颗粒或块体形式应用的金属材料、生物陶瓷材料、高分子材料和生物医用复合材料，骨水泥材料因其具有可塑形和自凝固的独特性能，既可以填充形状不规则的骨缺损，又可以用作微创手术的可注射材料，因而获得广泛关注和应用。
相比于丙烯酸、磷酸钙和硅酸钙等骨水泥材料，磷酸镁骨水泥(MagnesiumPhosphate Bone Cement,MPBC)除了具有优异的生物相容性、骨传导性、生物活性之外，其显著的特点是可降解，有望成为替代传统骨水泥的一种新型材料。
锌(Zn)被认为在骨生长发育和维持骨健康中起着重要作用。有报道称，Zn不仅可以上调I型胶原(Collagen I)、碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase，ALP)、骨桥蛋白(OPN)、骨钙素(OCN)和Runx-2等成骨细胞分化相关的蛋白和基因表达，进一步促进细胞外基质矿化和新骨形成，还能明显抑制破骨细胞的骨吸收活性。除此之外，Zn还具有抗菌性能，能够减轻骨科临床手术中细菌感染和随之而来的并发症。
含锌化合物中，以氧化锌(ZnO)最为常见。尤其是氧化锌纳米级粒子(ZnO-NPs)，因粒径小、比表面积大、反应活性强等优点，作为生物体的必需微量元素，具有良好的生物相容性，在生物医学领域具有非常广阔的应用前景。ZnO-NPs不仅可以提高水泥的凝结时间和强度，还能对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生较强的抑制作用。
近些年来，以Zn2+和2-甲基咪唑为原料，构建具有良好骨再生和抗菌作、用的含锌沸石咪唑骨架材料ZiF-8成为研究的热点。如有研究将ZIF-8膜用于钛表面修饰，增强了ALP活性、细胞外基质矿化和成骨基因(ALP和Runx2)在MG63细胞中的表达，同时也抑制了变形链球菌的生长。还有将ZIF-8纳米颗粒引入聚L-乳酸(PLLA)支架中，提高了PLLA/ZIF-8支架的力学性能和降解率。
基于含锌化合物的以上特点，将其作为磷酸镁骨水泥的添加剂，除了提升骨水泥的理化性能，还可以解决手术过程中细菌感染的问题，具有广阔的应用前景。但是利用含微量元素的物质改性骨水泥，可能对骨水泥的结晶度、孔隙率、基体材料物相等有不利影响，最终导致材料的降解性能、力学性能无法符合临床使用要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种抗菌磷酸镁骨水泥，它是由包括下述重量配比的原料制备而成：
O-MgO粉末10～50份，KH2PO4 10～20份，ZnO-NPs或ZiF-8 0.1～5份；
所述O-MgO粉末是轻质MgO煅烧，球磨，过筛得到的粉末。
进一步地，它是由下述重量配比的原料制备而成：
O-MgO粉末20份，KH2PO4 18份，ZnO-NPs或ZiF-8 0.1～2份。
更进一步地，它是由下述重量配比的原料制备而成：
O-MgO粉末20份，KH2PO4 18份，ZiF-8 1.14份。
进一步地，所述ZnO-NPs的粒径为30-80nm,纯度99.0wt.％。
进一步地，所述O-MgO粉末是在1300-1600摄氏度煅烧2次，每次2-6小时，球磨后过300目筛得到的粉末；所述KH2PO4是球磨后过300目筛得到的KH2PO4粉末。
本发明还提供了一种前述抗菌磷酸镁骨水泥的制备方法，它包括以下步骤：
按配比称取各原料，搅拌5～20min，加0.2～0.6倍量mL/g水，搅拌混匀，即得。
进一步地，所述水是去离子水、超纯水或磷酸盐缓冲溶液，优选超纯水。
进一步地，所述搅拌10min，加0.4倍量水搅拌。
本发明最后提供了一种前述的抗菌磷酸镁骨水泥在制备骨修复的材料中的用途。
进一步地，所述材料是修复开放性骨折感染的材料。
本发明所述“轻质MgO”是相对分子质量为40.30，比重为3.58(25)，熔点为2852℃，沸点3600℃，具有微溶于纯水及有机溶剂，能溶于酸或盐溶液的白色轻质疏松无定型粉末。
本发明所述“ZnO-NPs”是粒径小于100nm，平均粒径30～80nm，比表面积21.5m2/g的白色或微黄色粉末，即氧化锌纳米颗粒。
本发明所述“ZiF-8”是由锌离子与2-甲基咪唑配位自组装成的多孔结晶材料，其分子式为C8H12N4Zn，229.58800,CAS：59061-53-9。
本发明抗菌磷酸镁骨水泥，将含锌化合物添加到磷酸镁骨水泥中，不仅提高了磷酸镁骨水泥的凝固时间和强度，还使含锌化合物发挥抗菌能力的同时也为生物体提供了必需的微量元素。本发明抗菌磷酸镁骨水泥的制备方法简单，在骨修复材料领域具有广阔的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1ZnO-NPs增强的抗菌磷酸镁骨水泥细胞毒性与增殖图
图2ZiF-8增强的抗菌磷酸镁骨水泥细胞毒性与增殖图
图3ZnO-NPs增强的磷酸镁骨水泥抗菌性能图(抑菌环法)
图4ZnO-NPs增强的磷酸镁骨水泥抗菌性能图(吸光度法)
图5ZiF-8增强的磷酸镁骨水泥抗菌性能图(抑菌环法)
图6ZiF-8增强的磷酸镁骨水泥抗菌性能图(吸光度法)
具体实施方式
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得，其中购买的ZnO-NPs粒径30-80nm,纯度99.0wt.％。
实施例1本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.019g ZnO-NPs(重量占比0.5wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5276mL超纯水，继续搅拌，待液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例2本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.038g ZnO-NPs(重量占比1.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5352mL超纯水，继续搅拌，待液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例3本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.114g ZnO-NPs(重量占比3.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5656mL超纯水，继续搅拌，待液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例4本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.190g ZnO-NPs(重量占比5.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5960mL超纯水，继续搅拌，带液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例5本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.019g ZiF-8(重量占比0.5wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5276mL超纯水，继续搅拌，带液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例6本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.038g ZiF-8(重量占比1.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5352mL超纯水，继续搅拌，带液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例7本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.114g ZiF-8(重量占比3.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5656mL超纯水，继续搅拌，带液体逐渐变稠呈糊状，即得。
实施例8本发明骨水泥
1)取轻质MgO煅烧1次，球磨后进行第二次煅烧，每次在1300-1600摄氏度下煅烧2-6小时，最后再次球磨后过300目筛得O-MgO粉末；再取KH2PO4球磨后过300目筛，得KH2PO4粉末；
2)称取2.0g步骤1)所得O-MgO粉末、1.8g步骤1)所得KH2PO4粉末、0.190g ZiF-8(重量占比5.0wt％)；
3)将上述配比原料置于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.5960mL超纯水，继续搅拌，带液体逐渐变稠呈糊状，即得。
以下通过试验例来说明本发明的有益效果。
试验例1本发明骨水泥性能研究
一、试验样品
本发明样品：按实施例1～8制备的骨水泥；
对比样品：分别称取与实施例中相同的O-MgO粉末2.0g和KH2PO41.8 g于干净的小烧杯中，用玻璃棒搅拌10min，然后按照液固比0.4mL/g加入1.52mL超纯水，继续搅拌，待液体逐渐变稠呈糊状，即得。
二、方法
①凝固时间测试
将上述液体逐渐变稠呈糊状的试验样品迅速倒入聚四氟乙烯模具中(φ6*12mm)；同时测定水泥的凝固时间。
将成型后的骨水泥从模具中取出，放在37℃、100％相对湿度的环境固化，并进行后的压缩强度、细胞毒性与增殖和抗菌性能测试。
②压缩强度测试
在室温条件下，采用MTS-858微型生物力学试验机对成型后的骨水泥压缩强度进行测定，压缩速率1mm/min，每组样品设置6个平行样，结果以平均数±标准偏差表示。
③细胞毒性与增殖测试
将灭菌后的成型骨水泥，按照固液比为200mg/mL的比例，浸泡在DMEM培养基中24h，离心、过滤后得浸提液。然后用含10％胎牛血清和1％双抗培养基将上述浸提液稀释至不同浓度。待细胞(密度1×103个/100μL)接种并贴壁后，将培养基更换为上述不同浓度的浸提液。接着，在37℃、CO2培养箱中培养1，4，7d，并在相应的时间点加入CCK-8试剂，对细胞毒性与增殖情况进行评价。其中，培养基每隔2d更换一次，DMEM作为对照组。相对细胞存活率按照下述公式计算：
相对细胞存活率(％)＝OD值样品/OD值对照×100％
④抗菌性能测试
菌种：革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(ATCC 43300)和革兰氏阴性大肠杆菌(E.coli,ATCC 25922)。方法：取成型后的骨水泥按照抑菌环法(参照谭才邓等，抑菌试验中抑菌圈法的比较研究[J].食品工业，2016，(11)：122-125)测定其抑菌活性。吸光度法(参照马秀玲等，微生物学杂志，2014，(4)：90-92)，以OD值表示，OD数值越小，表明对细菌的生长抑制效果越好，则抗菌效果越好。
三、结果
1)骨水泥凝固时间和压缩强度结果
具体见表1
表1 ZnO-NPs和ZiF-8增强的抗菌磷酸镁骨水泥凝固时间和压缩强度
Figure BDA0003384958140000071
从表1可见：伴随ZnO-NPs和ZiF-8加入量的增加，磷酸镁骨水泥的凝固时间是增加的，有利于实际的操作；抗压强度随ZnO-NPs和ZiF-8加入量的增加，先增加后降低，在1.0ZNMPC和1.0ZIFMPC时，抗压强度分别达到最大值42.84，38.61MPa。同时在3.0ZIFMPC时，抗压强度达34.61MPa，并未明显降低。
2)骨水泥细胞毒性与增殖结果
具体结果见图1～2，从图1和图2结果可见：对于ZnO-NPs的抗菌磷酸镁骨水泥的相同提取液浓度时，随ZnO-NPs加入量的增加，细胞活性表现出先增加后降低的趋势，在1.0ZNMPC时，表现出最好的生物相容性；根据ZiF-8的抗菌磷酸镁骨水泥的提取液25ml/g浓度时,细胞活性也是表现出先增加后降低，在3.0ZIFMPC时，表现出较佳的生物相容性。
3)骨水泥抗菌性能结果
具体结果见表2及图3～6。
表2 ZnO-NPs和ZiF-8增强的磷酸镁骨水泥抗菌OD值(n＝4)
Figure BDA0003384958140000081
注：与空白相比较，★p<0.05；★★p<0.01；★★★p<0.001
从表2及图3-6结果可见：骨水泥中加入ZnO-NPs，在5.0ZNMPC时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果均显著；骨水泥中加入ZiF-8，在3.0ZIFMPC时，对金黄色葡萄球菌的OD值比空白和纯磷酸镁骨水泥对照组都低，结合生物相容性和力学等结果，综合考虑在3.0ZIFMPC时，ZiF-8增强磷酸镁骨水泥抗菌性能，兼具较高的力学和优良的生物相容性。
综上，本发明抗菌磷酸镁骨水泥，将含锌化合物添加到磷酸镁骨水泥中，不仅提高了磷酸镁骨水泥的凝固时间和强度，还使含锌化合物发挥抗菌能力的同时也为生物体提供了必需的微量元素。本发明抗菌磷酸镁骨水泥的制备方法简单，在骨修复材料领域具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种抗菌磷酸镁骨水泥，其特征在于：它是由下述重量配比的原料制备而成：
O-MgO粉末20份，KH2PO4 18份，ZiF-8 1.14份；
所述O-MgO粉末是轻质MgO煅烧，球磨，过筛得到的粉末。
2.根据权利要求1所述的抗菌磷酸镁骨水泥，其特征在于：所述O-MgO粉末是轻质MgO在1300-1600摄氏度煅烧2次，每次2-6小时，球磨后过300目筛得到的粉末；所述KH2PO4是球磨后过300目筛得到的KH 2PO 4粉末。
3.一种权利要求1所述抗菌磷酸镁骨水泥的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：按配比称取各原料，搅拌5～20min，加0.2～0.6倍量mL/g水，搅拌混匀，即得。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述水是去离子水、超纯水或磷酸盐缓冲溶液。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌10min，加0.4倍量水搅拌。
6.权利要求1或2所述的抗菌磷酸镁骨水泥在制备骨修复的材料中的用途。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于：所述材料是修复开放性骨折感染的材料。
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