CN114209879B

CN114209879B - 一种复合骨水泥材料及其制备方法

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Publication number: CN114209879B
Application number: CN202111627183.6A
Authority: CN
Inventors: 牛亚迪; 李志刚; 牛康民; 危岩; 王海峰; 姜乃生; 伍英; 李宏福; 唐雯; 阮志
Original assignee: Beijing Zhongrui United Biotechnology Co ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: Beijing Zhongrui United Biotechnology Co ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114209879A

Abstract

本发明公开一种复合骨水泥，原材料包括粉相、液相，粉相包括如下质量百分比的组分：30％～90％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、10％～50％的双相磷酸钙（BCP)、0.5％～5％的人发角蛋白、0.8％～3％的过氧化苯甲酰(BPO)、4％～14％的二氧化锆(ZrO₂）；液相包括如下质量百分比的组分：97％～99.5％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、0.5％～3％的N，N‑二甲基对甲苯胺(DMPT)、0.05%～1%的对苯二酚；将粉相、液相充分，混合搅拌均匀，置于模具中固化得到复合骨水泥。本发明在保证PMMA骨水泥易注射、优异的力学性能下，添加BCP和人发角蛋白后，可降低聚合温度，延长操作时间，获得表现出良好的生物活性、生物相容性的复合骨水泥材料。

Description

一种复合骨水泥材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医疗材料技术领域，具体涉及一种复合骨水泥材料及其制备方法。

背景技术

由于人口老龄化的加剧，每年因骨质疏松、骨肿瘤、骨髓炎、创伤等疾病导致大量的骨缺陷或损伤。其中患有骨质疏松症和关节炎的患者占所有慢性病人数的一半以上，严重影响老年人的生活质量。目前临床上治疗骨缺损主要有自体骨移植，异体骨移植和人工骨修复，自体骨移植虽然骨诱导性强，但是取骨需另行切口，增加创伤，术后取骨区可能长期疼痛，另外来源较少，不能满足大量骨移植。异体骨移植虽然来源较为广泛，但是成骨活性以及组织相容性都较差，容易造成免疫排异反应，导致移植失败。人工骨修复材料由于具有良好的生物相容性和骨传导性，因此具有广阔的研究前景。

骨水泥作为一种重要的人工骨修复材料已经用于临床长达半个世纪，在发展过程中形成了两大体系：有机类的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacrylatebonecement, PMMA)和无机类的磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)，磷酸镁骨水泥(Magnesium Phosphate Cement, MPC)以及硫酸钙骨水泥(Calcium Sulfate Cement,CSC)。虽然无机类骨水泥具有良好的生物相容性，但是其固化时间长，粘结性能差，抗水性能及抗溃散性能差，崩解的块体容易造成血管堵塞，机械性能难以与人体正常骨相匹配，造成使用领域局限性大。因此，目前全球临床中仍将易于注射，快速成型，可塑性较好，固化后具有良好的机械性能和稳定的性能的PMMA 骨水泥作为“黄金标准”对患者进行治疗。

但随着 PMMA 骨水泥在临床的应用和随访，也发现了许多不足之处，如不能降解、缺乏生物活性、聚合时温度高容易造成周围组织坏死等。虽然在市场上已经有很多 PMMA骨水泥成品，但是它的缺点也是不容忽视的。

发明内容

本发明的目的是为了改善上述缺点，提供一种新型复合骨水泥材料及其制备方法，利用双相磷酸钙和人发角蛋白的性能优势，通过机械复合，在保证PMMA骨水泥易注射、满足力学性能标准ISO5833下，使PMMA骨水泥降低聚合温度，延长操作时间，提高其生物活性、生物相容性。获得一种综合性能较良好的复合骨水泥材料，为骨科关节置换，固定假体，以及脊柱和肿瘤手术骨水泥提供新的思路和方法。

为此，本发明提供一种复合骨水泥材料，其按照固液比1.0～4.0g/mL，在搅拌均匀的粉相中加入液相，搅拌充分后，注入事先模具中，静置脱模后得到骨水泥；

其中，所述粉相包括如下质量百分比的组分：30％～90％的聚甲基丙烯酸甲酯微球、10％～50％的双相磷酸钙、0.3％～5％的人发角蛋白、0 .8％～3％的过氧化苯甲酰、4％～14％的二氧化锆固相粉末研磨混匀；优选地，所述粉相包括如下质量百分比的组分：50％～70％的聚甲基丙烯酸甲酯微球、30％～40％的双相磷酸钙、0.5％～2％的人发角蛋白、1.2％～2％的过氧化苯甲酰、8％～12％的二氧化锆固相粉末研磨混匀；

所述液相包括如下质量百分比的组分：97％～99.5％的甲基丙烯酸甲酯、0.5％～3％的N，N-二甲基对甲苯胺、0.05%～1%的对苯二酚，液相混匀；优选地，所述液相包括如下质量百分比的组分：98％～99％的甲基丙烯酸甲酯、1％～2％的N，N-二甲基对甲苯胺、0.1%～0.5%的对苯二酚，液相混匀。

优选地，固相研磨混匀的转速为300—500r/min，研磨30-60min。更优选地，固相研磨结束后要把团聚成块以及贴壁的粉末破碎，并用药匙搅拌混合均匀。

在另一优选实施方式中，液相混匀采用漩涡混匀仪混匀，其转速为1000-1500r/min，持续10-15s。

优选实施方式中，在搅拌均匀的骨水泥粉相中加入液相，搅拌充分后灌注注射器中，通过去针头的注射器前端孔注入事先消毒的模具中，静置20-40分钟，脱模后于37℃、100%湿度中保存48h得到骨水泥。

优选地，聚甲基丙烯酸甲酯微球分子量为60000～120000，粒径大小为50～100um，质量百分比为30％～90％。

对于双相磷酸钙，其具体的制备方法为：（1）将两种粉剂配料与玛瑙球按照球料比1：2干法混匀，球磨5~8h，过200～300目筛，获得双相磷酸钙粉末，质量百分比为10％～50％；其中，所述两种粉剂是分子量为400～800的羟基磷灰石，分子量为200～400的β-磷酸三钙，且羟基磷灰石在双相磷酸钙中的质量比为25%—50%，β-磷酸三钙在双相磷酸钙中的质量比为50%—75%。

所述人发角蛋白的制备方法为：人发经清洗、脱脂、研磨，过100～300目筛得到人发角蛋白粉末，质量百分比为0.5％～5％。

优选实施方式中，所述粉相、液相的质量体积比为2.0～3.0g/mL。

本发明提出的一种人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥材料及制备方法，所制备的骨水泥力学强度，可操作性良好，降低聚合温度，延长操作时间，且加入的BCP提高生物活性，加入的人发角蛋白使其生物相容性更好，在临床骨组织修复领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1：制备双相磷酸钙粉末的XRD图谱。

图2：人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥与纯PMMA骨水泥的表面形貌对比图及EDS能谱图。其中，A为SBF模拟液浸泡前纯PMMA骨水泥；B为SBF模拟液浸泡前人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥；C为SBF模拟液浸泡21天后纯PMMA骨水泥；D为SBF模拟液浸泡21天后人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥。E为复合骨水泥EDS能谱图）。

图3：人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥（不同含量角蛋白）细胞毒性-吸光值OD对比图。

图4：人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥（不同含量角蛋白）细胞相对增值率对比图。

具体实施方式

以下实施例是针对本发明的材料特征和制备方法所展开的一系列详细描述，不能凭此理解为是对本发明权利要求的限制。还需指出的是，在不脱离本发明构思的前提下所做出的若干替换和改进，都属于本发明的保护范围。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

1、复合骨水泥材料的制备方法

1) 粉相的制备：

双相磷酸钙，其具体的制备方法为：（1）将两种粉剂配料（羟基磷灰石在双相磷酸钙的质量比为30%，β-磷酸三钙在双相磷酸钙中的质量比为70%。）与玛瑙球按照球料比1：2干法混匀，球磨8h，过200目筛，获得双相磷酸钙粉末，其中，所述两种粉剂是分子量为500的羟基磷灰石，分子量为310的β-磷酸三钙。

聚甲基丙烯酸甲酯微球分子量为～110000，粒径大小为80um。

人发经清洗、脱脂、研磨，过200目筛得到人发角蛋白粉末。

按照下表1质量比称取粉相，粉相研磨混匀的转速为400r/min，研磨40min。研磨结束后要把团聚成块以及贴壁的粉末破碎，并用药匙搅拌混合均匀。置于无菌瓶中密封保存。

2）液相的制备：

按照下表质量比量取MMA、DMPT和对苯二酚，液相混匀采用漩涡混匀仪混匀，其转速为1200r/min，持续15s。

3）复合骨水泥材料的制备：

将所述粉相、液相的质量体积比为2g/m L，在搅拌均匀的骨水泥粉相中加入液相，搅拌充分后灌注注射器中，通过去针头的注射器前端孔注入事先消毒的模具中，静置30分钟，脱模后于37℃、100%湿度中保存48h得到骨水泥。

粉相液相配比如下表，所述粉相、液相的质量体积比为2g/m L，制备实验组人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥与对照组纯PMMA骨水泥。

表1

按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其固化性能；具体是，将该新型复合骨水泥的非粘性面团嵌入φ60mm×5mm圆盘模具中，用测温热感探头接触底部圆截面，探头的另一端连接热温记录仪；从粉液混合时开始记录数据，直到面团完全固化并逐步降温后结束，根据记录数据，选择放热最高峰值作为PMMA骨水泥的最高放热温度，固化时间为固化温度在时间-温度曲线上的对应值。经检测，该复合骨水泥的固化时间为9.5±0.5min，最高放热温度为73.8±1.5℃，分别满足国际标准ISO5833对骨水泥以注射器形式使用时固化时间6.5min～15min，最高放热温度≤90±5℃的相应要求。并与对照组纯PMMA骨水泥固化时间5.52±0.5min最高放热温度为83.4±1.8℃相比，复合骨水泥延长了固化时间，降低了聚合温度，改善了其凝固性能，能够为临床医生提供更为充分的操作时间

2、按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其抗压强度、抗弯强度，抗压测试时，试样尺寸为φ6mm×12mm，十字头下压位移速度为20mm/min，取应变-应力曲线上先出现的2％偏移强度或上屈服点强度作为其抗压强度，抗弯测试时，采用四点弯曲测量法，试样尺寸为75mm×10mm×3.3mm，十字头下压位移速度设定为5mm/min，取样品断裂时的强度作为其抗弯强度。上述方法制备的复合骨水泥材料的抗压强度90.15±2.5MPa，抗弯强度为51.56±2 .7MPa，且满足ISO5833的相关要求。

3、将上述制成的复合骨水泥材料塑形成直径10mm×1mm的薄片，随后投入装有30mlSBF溶液的离心管中，并置于37±1℃的恒温箱中21天，以未复合的纯PMMA骨水泥采用同样的处理方法作为对照，SBF浸泡后骨水泥样品的表面SEM电镜形貌如图2所示。图2中（A）未复合的纯PMMA骨水泥浸泡时间延长至21天，其表面仍无沉积物，呈生物惰性。而复合骨水泥在SBF浸泡21天后表面出现类骨磷灰石沉积物，沉积物明显增多且相互团聚扩展成层，覆盖于整个骨水泥表面，表现出较好的体外生物活性，EDS能谱分析经计算为钙磷比1.775，为钙足型类骨磷灰石。

实施例2至5：

各实施例的样品制备同实施例1过程，但具体成分如下表2：

表2

对制得的骨水泥样品灭菌处理，将样品称重后放入离心管中，按照 0.2g:1 ml的比例添加培养液，在 37℃下浸泡 24h 后即可获得浸提液。采用MTT法：将传代培养的间充质干细胞MSCg用胰蛋白酶消化后将获得的细胞悬液接种到 96 孔板中，每个孔加入 100μl（5×10³个/ml）的细胞悬液，每个实施例的样品接种 5 个孔。孵育 6-24 小时后使细胞完全贴壁，用移液枪吸出上清液，再加入 100ul 浸提液。将细胞在含浸提液的培养液中分别培养1、3、5 天后加入 20ul 的 MTT 溶液，放置于孵箱中(37℃、5%CO₂)孵育 4h，用移液枪小心沿孔板壁吸去上清液，再向每个孔中加入 110ul Formazan溶解液，置摇床上低俗震荡10min，使结晶物充分溶解后将 96 孔板置于酶联免疫分光光度仪上，并在 490nm 波长处测量各组吸光度(optical density, OD)值。并设置空白对照组。计算细胞相对增值率：

细胞相对增值率=实验组OD值/空白对照组OD值

MTT可以被线粒体内的一些脱氢酶还原成结晶状的深紫色产物formazan,在特定溶剂存在的情况下，可以被完全溶解，通过酶标仪测定490nm波长附近的吸光度OD值。细胞增殖越多越快，则吸光度越高；细胞毒性越大，则吸光度越低

由图3可知，随着角蛋白含量的增加，吸光度越高，细胞毒性越小，且随着培养时间的增加，各组吸光度增加，细胞增殖越多，人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥原料能够明显促进细胞增殖。由图4可知，人发角蛋白/BCP/PMMA复合骨水泥的相对增值率均大于80%，并根据国际标准ISO10993判断对应的毒性等级，其细胞毒性反应等级为1级，判定无细胞毒性，表现出良好的体外生物相容性。

Claims

1.一种复合骨水泥材料，其特征在于，

按照固液比1.0～4.0g/mL，在搅拌均匀的粉相中加入液相，搅拌充分后，注入事先模具中，静置脱模后得到骨水泥；

其中，所述粉相包括如下质量百分比的组分：30％～90％的聚甲基丙烯酸甲酯微球、10％～50％的双相磷酸钙、0.3％～5％的人发角蛋白、0.8％～2％的过氧化苯甲酰、4％～14％的二氧化锆固相粉末研磨混匀；

所述聚甲基丙烯酸甲酯微球分子量为60000～120000，粒径大小为50～100μm；所述双相磷酸钙是将两种粉剂配料与玛瑙球干法混匀制备得到，且所述两种粉剂是分子量为400～800的羟基磷灰石，分子量为200～400的β-磷酸三钙，其中羟基磷灰石在双相磷酸钙中的质量比为25%-50%，β-磷酸三钙在双相磷酸钙中的质量比为50%-75%；

所述液相是由如下质量百分比的组分的液相混匀得到：98％～99％的甲基丙烯酸甲酯、1％～2％的N，N-二甲基对甲苯胺、0.1%～0.5%的对苯二酚。

2.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，固相研磨混匀的转速为300-500r/min，研磨30-60min。

3.根据权利要求2所述复合骨水泥材料，其特征在于，固相研磨结束后要把团聚成块以及贴壁的粉末破碎，并用药匙搅拌混合均匀。

4.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，液相混匀采用漩涡混匀仪混匀，其转速为1000-1500r/min，持续10-15s。

5.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，在搅拌均匀的骨水泥粉相中加入液相，搅拌充分后灌注注射器中，通过去针头的注射器前端孔注入事先消毒的模具中，静置20-40分钟，脱模后于37℃、100%湿度中保存48h得到骨水泥。

6.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，双相磷酸钙的制备方法为：（1）将两种粉剂配料与玛瑙球按照球料比1：2干法混匀，球磨5~8h，过200～300目筛，获得双相磷酸钙粉末，质量百分比为10％～50％。

7.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，所述人发角蛋白的制备方法为：人发经清洗、脱脂、研磨，过100～300目筛得到人发角蛋白粉末，质量百分比为0.5％～5％。

8.根据权利要求1所述复合骨水泥材料，其特征在于，所述粉相、液相的质量体积比为2.0～3.0g/mL。