CN116354632B - 一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学生物材料技术领域，提供了一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥及其制备方法，包括以下质量比的组分的粉体：磷酸盐组合物36‑75%；氧化镁18‑50%；促修复组合物1.5‑35%；所述促修复组合物用于螯合钾离子和镁离子并诱导骨细胞向成骨细胞分化，通过添加促修复组合物能够在骨愈合过程为骨干细胞提供脂质，促进骨干细胞分化为成骨细胞；脂质、天冬氨酸和羟基磷灰石共同作用改善骨愈合环境，促进骨干细胞分化，使磷酸镁骨水泥的降解速率与新骨生长速率匹配，避免形成围绕材料的骨性包壳导致的骨缺损修复效率低的问题。

Description

一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥及其制备方法

技术领域

本发明属于医学生物材料技术领域，具体涉及一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥及其制备方法。

背景技术

随着人口老龄化、中、青年创伤的增加，由外伤、骨肿瘤、车祸、先天性疾病等导致的骨缺损问题逐步凸显，一直困扰和影响着人类健康。骨缺损易造成骨不连接、延迟愈合甚至不愈合，以及局部功能障碍，需要大量优质骨移植材料以供临床修。骨修复材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。每年的骨组织缺损患者有数百万人，其中自体骨移植因其优异的成骨诱导性、无免疫排斥反应而成为金标准，但其来源有限，二次手术也易带来其他风险；同种异体移植虽来源更广，但存在病原传播和免疫原性问题，因此，人工骨修复材料由于其来源不受限、可对机体组织进行修复与再生、可不断改进等优势，受到研究学者的广泛关注。

磷酸镁骨水泥(Magnesium phosphate bone cement，MPBC)主要由氧化镁(MgO)、磷酸盐、固化液按一定比例配制而成。由于其凝结时间可控、早期强度较高、固化产物具有胶黏性能和微膨胀性能，而广泛应用于骨折粘结固定及骨缺损填充修复等领域，骨修复过程是生物材料在植入前期承受载荷，而后逐渐降解,期间伴随着新骨的不断生成，并逐渐发挥力学及生物学功能的过程。骨缺损的修复速率与缺损部位、缺损尺寸大小以及患者个体差异均有很大联系，修复时间长达数月乃至更久。

骨修复材料开发所面临的关键问题是：1）如何加速骨的愈合；2）如何解决降解成分在局部异常增多，产生毒性，引起组织慢性炎症问题。例如，国外上市的磷酸镁骨水泥（商品名osteocrete)在一项动物研究中(J Hand Surg Am.2009;34(6):1066-1073)，组织学分析表明，这种材料作为异物能引起组织慢性炎症，而且这种相对差的生物相容性表现是导致该材料没有达到预期治疗效果的原因。

来自动物和临床的组织学和放射学证据表明目前在临床使用的骨填充材料所引起的骨性连接都是经膜内化骨和软骨内化骨两种成骨方式结合并伴随大量软骨痂形成来进行的。这种骨形成过程相当于骨折的二期愈合，也被称作间接愈合或自然愈合。与此相对是骨折一期愈合，是指通过直接成骨和骨单位重建来达到骨性连接，很少有软骨痂形成，是在人为的干扰下的快速骨愈合过程。因此，使骨修复材料引起的骨形成过程从二期愈合向一期愈合转化无疑是加速骨愈合的方案。

发明内容

针对目前的骨修复材料存在的如何加速骨愈合及解决降解成分在局部异常增多，产生毒性，引起组织慢性炎症的问题，本发明的目的在于提供一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥及其制备方法。

本发明一方面提供了一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，包括以下质量比的组分的粉体：

磷酸盐组合物 36-75%；

氧化镁 18-50%；

促修复组合物 1.5-35%；

所述促修复组合物用于螯合钾离子和镁离子并诱导骨细胞向成骨细胞分化。

进一步，所述磷酸盐组合物由磷酸二氢钾和磷酸二氢钠组成，所述磷酸二氢钾和磷酸二氢钠的质量比例为（35-60）:（1-15）。

进一步，所述促修复组合物包括天冬氨酸和脂质；所述天冬氨酸和脂质的重量比为（1-10）:（0.5-15），所述脂质包括脂肪酸和脂肪酸盐。

促修复组合物能够在骨愈合过程为骨干细胞提供脂质，促进骨干细胞分化为成骨细胞；天冬氨酸能够促进降解成分钾离子和镁离子向细胞内转运，降低细胞外这两种离子的游离浓度，避免局部PH过高，增强材料的生物相容性，脂质和天冬氨酸共同作用改善骨愈合环境，促进骨干细胞分化。

进一步，所述脂肪酸是软脂酸或硬脂酸中的一种，所述脂肪酸盐是所述脂肪酸的钙盐。

进一步，所述促修复组合物还包括羟基磷灰石；所述天冬氨酸、脂质和羟基磷灰石的重量比为（1-10）:（0.5-15）:（0.5-10）。

羟基磷灰石能够促进破骨细胞的粘附，加速材料的降解。

进一步，所述促修复组合物由天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石组成。

进一步，所述促修复组合物占粉体质量的最优比为12%

另一方面提供了一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备促修复组合物；

（2）将步骤（1）制备的促修复组合物与磷酸盐组合物、氧化镁混合制备磷酸镁骨水泥粉体；

（3）将步骤（2）制备的磷酸镁骨水泥粉体按照固液质量比为1:0.25的比例与液剂混合搅拌，得到骨水泥浆体。

进一步，所述促修复组合物包括天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石，所述天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石的重量比为4:5:3。

进一步，所述液剂为去离子水、生理盐水或磷酸溶液中的一种或多种。

本发明的优点在于：

本发明通过添加促修复组合物能够在骨愈合过程为骨干细胞提供脂质，促进骨干细胞分化为成骨细胞；天冬氨酸能够促进降解成分钾离子和镁离子向细胞内转运，降低细胞外这两种离子的游离浓度，避免局部PH过高，增强材料的生物相容性；羟基磷灰石能够促进破骨细胞的粘附，具有引导作用，骨细胞能够吸附在骨水泥材料内部，加速材料的降解，脂质、天冬氨酸和羟基磷灰石共同作用改善骨愈合环境，促进骨干细胞分化，使磷酸镁骨水泥的降解速率与新骨生长速率匹配，避免形成围绕材料的骨性包壳导致的骨缺损修复效率低的问题。

附图说明

图1是实施例2的失重率曲线图；

图2是实施例3中的实验例1植入胫骨时的照片；

图3是实施例3中的对照例植入胫骨第12周的照片；

图4是实施例3中的实验例1植入胫骨第12周的照片；

图5是实施例3中的实验例1和对照例植入部位第12周的micro-CT扫描；

图6是实施例3中的实验例1和对照例植入部位第12周的HE染色显微镜4x观察图；

图7是实施例3中的实验例1和对照例植入部位第12周的软骨染色显微镜40x观察图。

具体实施方式

下面通过具体实施对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1制备提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥

实验例1：磷酸镁骨水泥的粉体包括41%的氧化镁，44%的磷酸二氢钾，3%的磷酸二氢钠，12%的促修复组合物，促修复组合物由羟基磷灰石、硬脂酸钙，和天冬氨酸组成，羟基磷灰石、硬脂酸钙，和天冬氨酸的添加比例为3:5:4。

实验例2：与实验例1不同的是促修复组合物由硬脂酸钙和天冬氨酸组成，硬脂酸钙和天冬氨酸的添加比例为5:4。

将实验例1和实验例2的粉体按照以下步骤制备骨水泥浆体：

（1）制备促修复组合物；

（2）将步骤（1）制备的促修复组合物与氧化镁，磷酸二氢钾，磷酸二氢钠混合均匀的得到磷酸镁骨水泥粉体；

（3）将步骤（2）制备的磷酸镁骨水泥粉体按照固液质量比为1:0.25的比例与去离子水混合搅拌，得到骨水泥浆体。

对比例1

与实验例1不同的是，促修复组合物由硬脂酸钙组成。

对比例2

与实验例1不同的是，促修复组合物由天冬氨酸组成。

对照例

选用同类产品（商品名为osteocrete）的公开信息和专利制定，粉体包括41%的氧化镁，44%的磷酸二氢钾，3%的磷酸二氢钠，8%的羟基磷灰石，4%的葡萄糖；按照实施例1的制备方法制备对照例的骨水泥浆体。

实施例2力学性能实验

测量实验例1、实验例2、对比例1、对比例2和对照例的磷酸镁骨水泥的压缩强度和与骨组织的粘结强度，

将磷酸镁骨水泥放入直径0.6cm，高1.2cm 的模具中，用2kg物体压平以尽可能赶走气泡，制成圆柱体，放入直径为0.6cm 的小玻璃管中，放入37℃、100％湿度环境中固化一定时间，取出用岛津材料力 学性能测试机测量抗压强度，施加载荷速度为1mm/min。每组至少5个平行测试点，压缩强度如表3所示。

取关节头处骨头，加工成圆柱状，中间钻孔，骨表面经除 油剂擦洗处理，将磷酸镁骨水泥填入10mmD×15.7mmH的骨洞中，将填好材料的骨头放入37℃,100％湿度环境中，在骨洞中固化一段时间，然后由岛津材料力学性能测试机测量压力，施加载荷速度为1mm/min，粘结强度为该压力与材料和骨洞壁的接触面积的比值，粘结强度结果如表1所示。

表1不同组分的磷酸镁水泥力学性能

实施例3体外降解实验

配置模仿体液（SBF），SBF的成分如表2所示。

表2模仿体液的成分（mmol/L）

分别取实验例1、实验例2、对比例1、对比例2和对照例制备的磷酸镁骨水泥各5份，分别在扭力天平上精确称量初重（W0）、记录、编号；再将SBF平分装入5个玻璃瓶中，5个玻璃瓶分别与实验例1、实验例2、对比例1、对比例2和对照例对应，每个玻璃瓶中放入5份相同的磷酸镁骨水泥试样。

将容器置于37℃二氧化碳孵箱中每7天换一次SBF保持pH值恒定。分别于2、8、16、24、28周取一组试样（5份）滤纸吸去水分体视显微镜下观察每一试样的形态、色泽及透明度的变化。将试样真空干燥后称重（Wt）按下面公式计算每一试样的失重率。失重率＝（W0—Wt）/W0×100％，取平均值，失重率结果如图1所示，实验例1和实验例2整体的降解速度都优于对比例和对照例，在16周时，实验例1和实验例2失重率已区域100%，对比例和对照例在16周前降解速度缓慢，在16周后降解速度增加，但在24周后又进入了降解平台区，整体降解速度较慢，最终失重率明显低于实验例1和实验例2。

通过对比例1可知，单独使用硬脂酸钙虽然降解速度优于对照例，但对于降解速度及失重率都明显低于实验例1和实验例2，对比例1对改善促进骨再生微环境无显著效果。

通过对比例2可知，单独使用天冬氨酸虽然降解速度优于对照例，但对于降解速度及失重率都明显低于实验例1和实验例2，对比例2对改善促进骨再生微环境无显著效果。

通过实验例2可知，将硬脂酸钙和天冬氨酸配合使用，其降解速度及失重率都显著高于对比例1和对比例2，因此硬脂酸钙和天冬氨酸配具有相互协同作用，通过添加促修复组合物能够在骨愈合过程为骨干细胞提供脂质，促进骨干细胞分化为成骨细胞；天冬氨酸能够促进降解成分钾离子和镁离子向细胞内转运，降低细胞外这两种离子的游离浓度，避免局部PH过高，增强材料的生物相容性，共同提供促进骨再生微环境。

通过实验例1可知，将硬脂酸钙、天冬氨酸和羟基磷灰石配合使用，其降解速度及失重率都显著高于对比例1、对比例2和实验例2，羟基磷灰石能够促进破骨细胞的粘附，具有引导作用，骨细胞能够吸附在骨水泥材料内部，加速材料的降解，脂质、天冬氨酸和羟基磷灰石共同作用改善骨愈合环境，促进骨干细胞分化，使磷酸镁骨水泥的降解速率与新骨生长速率匹配，避免形成围绕材料的骨性包壳导致的骨缺损修复效率低的问题。

实施例4磷酸镁骨水泥骨植入实验

选用降解效果最优的实验例1的磷酸镁骨水泥进行骨植入检测，将样品植入到家兔股骨内，以评价样品对骨组织产生刺激及毒性反应的潜在可能性。

根据国家标准 GB/T 16886.6-2015《医疗器械生物学评价第6部分：植入后局部反应试验》的要求进行实验。将试验样品材料和对照材料用骨科钻植入到家兔的股骨内，每只新西兰大白兔一条腿归为实验组，另一条腿归为对照组。实验部位为胫骨缺损填充。耳缘静脉麻醉后，无菌条件下取兔一侧胫骨外侧切口，显露胫骨，切去骨膜。作直径约2mm、深度6mm的骨缺损。直径2mm、长度6mm固化后小棒植入，一条腿植入3个点。

于植入1周、4周、12周、26周分别处死动物，肉眼观察植入部位并切取包括植入材料及周围足够多的未受影响的组织，肉眼观察1周、4周、12周、26周样品植入点周围组织反应未见异常。骨植入第12周，对照材料与骨接合紧密，两端被骨膜成骨覆盖，无异物反应，样品植入点周围新骨发育良好，皮质骨致密，无异物反应，试验样品被发育良好的新骨替代，可见大量新生疏松的板层骨和骨小梁，可见成骨细胞、破骨细胞和新生血管，即植入12周已基本被完全降解。

选择植入第12周为对比评价时间点，对材料植入时和植入第12周的胫骨进行拍照对比，并通过micro-CT扫描进行观察，对植入部位通过HE染色、软骨染色进行显微镜下观察。

结合图2-图5进行说明，第12周，实验例1的材料基本降解完成，对照例的材料还有相当残留。

结合图6进行说明，第12周，进行HE染色，于显微镜4x下观察，实验例1缺损区域出现大面积成熟板层骨覆盖，材料几乎完全降解，缺损边缘界限消失。对照例还有相当数量未降解材料，缺损边缘有新生骨长入，但缺损边缘仍可见。

结合图7进行说明，第12周，通过软骨染色(番红O法)，于显微镜40x下观察，在实验组，未见明显软骨痂存在；在对照组，可见软骨痂存在。黑色的箭指示软骨痂的存在。

第12周，对实验例1和对照例进行胫骨生物力学测试，实验例1胫骨最大压力载荷较对照例高，差异具有统计学意义（P＜0.05），具体数据如表3所示。

表3 第12周胫骨生物力学测试样本的最大载荷

通过表3可知，实验例1新骨生成量显著增多，未见软骨痂，材料降解更快，骨愈合强度更高，实验例1的骨修复材料引起了骨形成过程从二期愈合向一期愈合转化，为骨愈合提供促进骨再生微环境。

对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，包括以下质量比的组分的粉体：

磷酸盐组合物 36-75%；

氧化镁 18-50%；

促修复组合物 1.5-35%；

所述促修复组合物用于螯合钾离子和镁离子并诱导骨细胞向成骨细胞分化；所述促修复组合物包括天冬氨酸和脂质，所述脂质包括脂肪酸和脂肪酸盐；

所述促修复组合物还包括羟基磷灰石；所述天冬氨酸、脂质和羟基磷灰石的重量比为（1-10）:（0.5-15）:（0.5-10）。

2.根据权利要求1所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，所述磷酸盐组合物由磷酸二氢钾和磷酸二氢钠组成，所述磷酸二氢钾和磷酸二氢钠的质量比例为（35-60）:（1-15）。

3.根据权利要求2所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，所述天冬氨酸和脂质的重量比为（1-10）:（0.5-15）。

4.根据权利要求3所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，所述脂肪酸是软脂酸或硬脂酸中的一种，所述脂肪酸盐是所述脂肪酸的钙盐。

5.根据权利要求4所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，所述促修复组合物由天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石组成。

6.根据权利要求5所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥，其特征在于，所述促修复组合物占粉体质量比为12%。

7.应用于权利要求1-6任一项所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备促修复组合物；

（2）将步骤（1）制备的促修复组合物与磷酸盐组合物、氧化镁混合制备磷酸镁骨水泥粉体；

（3）将步骤（2）制备的磷酸镁骨水泥粉体按照固液质量比为1:0.25的比例与液剂混合搅拌，得到骨水泥浆体。

8.根据权利要求7所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥的制备方法，其特征在于，所述促修复组合物包括天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石，所述天冬氨酸、硬脂酸钙和羟基磷灰石的重量比为4:5:3。

9.根据权利要求8所述的一种提供促进骨再生微环境的磷酸镁骨水泥的制备方法，其特征在于，所述液剂为去离子水、生理盐水或磷酸溶液中的一种或多种。