CN118141982A

CN118141982A - 一种用于骨质疏松症的可生物降解、可注射粘结性骨水泥及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN118141982A
Application number: CN202410267656.3A
Authority: CN
Inventors: 袁媛; 伍自涵; 赵凌飞; 刘昌胜
Original assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Rebone Biomaterials Co Ltd
Current assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Rebone Biomaterials Co Ltd
Priority date: 2024-03-08
Filing date: 2024-03-08
Publication date: 2024-06-07

Abstract

本发明提供了一种用于骨质疏松症的可生物降解、可注射粘结性骨水泥及其制备方法和应用，用于制备可注射骨水泥的组合物包含液相组分和固相组分，其中所述液相组分包括聚酯高分子；所述固相组分包括磷酸盐或磷酸盐及其衍生物。所述可注射骨水泥由聚酯高分子、磷酸盐、磷酸盐衍生物经交联反应形成，可注射、可生物降解、可粘结骨组织、可调节骨微环境、可治疗骨质疏松症。本发明的生物安全骨水泥可与复杂组织缺损部位高度契合，固化过程无明显放热现象，可实现与骨组织的强效粘结，其成分与结构能促进骨质疏松病理条件下的骨组织修复，提高骨修复质量，是一种具有临床应用前景的骨组织修复材料。

Description

一种用于骨质疏松症的可生物降解、可注射粘结性骨水泥及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料科学及医学领域，具体涉及一种体内环境自交联与水化增强的可通过注射形成的骨水泥及其制备方法和应用。特别是用于复杂结构或骨质疏松病理环境的骨组织缺损修复的填充材料。

背景技术

骨质疏松症所引起的骨流失、骨质量恶化和骨微结构的破坏是导致骨质疏松性骨缺损的主要原因。微创治疗凭借手术便捷、创伤小、恢复快等优点，成为目前骨质疏松性骨折的主要治疗手段之一。其中，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥、磷酸钙骨水泥(CPC)等可注射材料凭借其良好的可操作性与足够的力学性能被广泛用于临床骨缺损修复。然而，现有骨水泥作为宏观材料无法深入细胞层面，难以原位且精准地调节骨质疏松性骨再生，使其仅作为生物活性低的填充材料被使用，致使骨缺损修复效率有待提高。因此，针对骨质疏松性骨缺损的微环境特点，开发原位、精准调控骨微环境的可注射骨水泥具有重要研究意义。鉴于天然骨中钙磷无机物和有机胶原的紧密网状结构及其力学强度，构建仿生结构的有机/无机复合可注射骨水泥具有重大意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种生物亲和、体内原位水化与成孔、高生物活性、可通过注射形式形成的骨水泥。

在本发明的第一方面，提供了一种可注射骨水泥组合物，所述可注射骨水泥组合物包含：

(c1)液相组分，所述液相组分为聚酯高分子；和

(c2)固相组分，所述固相组分为磷酸盐或磷酸盐与磷酸盐衍生物的组合。

在另一优选例中，所述可注射骨水泥组合物还包含交联剂，所述交联剂为异氰酸酯类交联剂。

在另一优选例中，所述交联剂选自下组：L-赖氨酸二异氰酸酯(LDI)、六亚甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯，或其组合。

在另一优选例中，所述的聚酯高分子和交联剂的质量比为1：0.25～2，优选1：0.25～0.5，更优选1：0.3～0.5，例如1：0.47。

在另一优选例中，所述聚酯高分子为多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯PEGS-OH，LDI中异氰酸酯基团的物质的量为PEGS-OH中羟基物质的量的0.5-2倍。

在另一优选例中，LDI中异氰酸酯基团的物质的量为PEGS-OH中羟基物质的量的1-1.5倍，较佳为1.1、1.15、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4倍。

在另一优选例中，所述液相组分与固相组分的质量比为0.5:9.5-5:5。

在另一优选例中，所述液相组分与固相组分的质量比为1:9-9:1，较佳为2:8。

在另一优选例中，所述聚酯高分子选自：聚癸二酸甘油酯、聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯、多羟基聚乙二醇、多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯PEGS-OH，

其中，多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯PEGS-OH的结构单元如式Ia或式Ib所示：

其中，式Ia中，m₁为1-20的整数，n₁为5-60的整数；

式Ib中，m₂为1-20的整数，n₂为5-60的整数。

在另一优选例中，式Ia中，m₁为2-18的整数、5-15的整数、2-8的整数、8-10的整数。在另一优选例中，n₁为10-50的整数、20-40的整数、30-50的整数、8-35的整数。

在另一优选例中，式Ib中，m₂为2-18的整数、5-15的整数、2-8的整数、8-10的整数。在另一优选例中，n₂为10-50的整数、20-40的整数、30-50的整数、8-35的整数。

在另一优选例中，所述的聚酯高分子的数均分子量为3.0-100.0kDa，优选6.0-50.0kDa，更优选7.0-40.0kDa。

在另一优选例中，所述的聚酯高分子的分散系数为1.1-2.0，优选1.2-1.7；

在另一优选例中，所述的聚酯高分子，在一个结构单元中，平均包含至少2个-OH。

在另一优选例中，所述磷酸盐选自：磷酸四钙、磷酸二氢钙、磷酸三钙中的一种或两种以上的混合物。

在另一优选例中，所述磷酸盐衍生物选自：依替膦酸钠、氯膦酸钠、帕米膦酸钠、替鲁膦酸钠、阿仑膦酸钠、奈立膦酸钠、奥帕膦酸钠、利塞膦酸钠、伊班膦酸钠、唑来膦酸中的一种或两种以上的混合物。

在另一优选例中，所述磷酸盐衍生物为阿仑膦酸钠。

在另一优选例中，所述磷酸盐衍生物的质量分数为0.001％～10％，较佳地0.005％-5％，更佳地0.01％-5％。

在另一优选例中，所述聚酯高分子有以下方法制备：

(s1)提供癸二酸、聚乙二醇二缩水甘油醚和催化剂；

(s2)在第一溶液中，将癸二酸、聚乙二醇二缩水甘油醚和催化剂混合，反应，得到所述聚酯高分子。

在另一优选例中，所述方法在高纯氮气或者高纯氩气氛围下进行。

在另一优选例中，所述聚乙二醇二缩水甘油醚的分子量为500Da。

在另一优选例中，所述癸二酸与聚乙二醇二缩水甘油醚的摩尔比为5:1～1:5。

在另一优选例中，所述催化剂选自癸二酸二(四丁基氢氧化铵)酯。

在另一优选例中，所述第一溶液包括无水N,N-二甲基甲酰胺。

在另一优选例中，所述方法在90～110℃下反应，优选95～105℃，更优选92～103℃，例如100℃。

在另一优选例中，反应时间为65～80h，优选68～78h，更优选70～74h，例如72h。

在另一优选例中，所述方法还包括后处理步骤，优选所述后处理包括沉降、干燥、透析纯化。

在另一优选例中，所述沉降在乙醚中沉降。

在另一优选例中，所述干燥在室温下真空干燥5～20h。

在另一优选例中，所述透析纯化使用3500Da的透析袋透析纯化。

本发明通过有机/无机互穿网络体系实现骨缺损部位的高强度力学支撑，并基于化学/物理双粘结作用，实现材料与骨的强效结合，最后实现骨水泥对骨质疏松性病理骨再生微环境的精准调节。本发明通过生物制造策略设计得到一种原位调节骨微环境、具有骨粘结作用的有机/无机复合可注射骨水泥，满足骨质疏松性骨缺损修复的需求，具有重大的临床意义。

本发明的第二方面，提供一种可注射骨水泥，所述可注射骨水泥由第一方面中所述的可注射骨水泥组合物的液相组分和固相组分以及任选的交联剂混合得到。

在另一优选例中，将所述的液相组分和固相组分进行充分均匀的混合，得到白色面团状浆料。将所述的交联剂与所述浆料均匀混合，得到所述的可注射骨水泥。

在另一优选例中，所述的可注射骨水泥填入注射器中，并注射至相关部位，从而固化形成本发明第四方面所述的骨水泥。

在另一优选例中，所述的可注射骨水泥注射时的储存模量为1×10³-4×10⁴Pa，优选10⁴Pa。

在另一优选例中，所述的可注射骨水泥注射时的损耗模量为2×10³-4×10⁵Pa，优选10⁴Pa。

在另一优选例中，储存模量不高于损耗模量，满足可注射要求。

在另一优选例中，液相组分和固相组分混合后，在25℃-40℃，更佳地35℃-37℃，最佳为37℃与交联剂进行混合。

在另一优选例中，其中液相组份、固相组分以及交联剂同前所述。

本发明的第三方面，提供一种如本发明第二方面所述的可注射骨水泥的制备方法，包括以下步骤：

第一方面中所述的可注射骨水泥组合物的液相组分和固相组分以及任选的交联剂混合，得到所述的可注射骨水泥。

在另一优选例中，液相组分和固相组分混合后，在25℃-40℃，更佳地35℃-37℃；最佳为37℃与交联剂进行混合。

其中液相组份、固相组分以及交联剂同前所述。

本发明的第四方面，提供了一种骨水泥，所述骨水泥由本发明第二方面所述的可注射骨水泥经固化得到。

在另一优选例中，所述的骨水泥的固化时间为15～100min，优选15～40min，更优选12～20min，例如13min、17min。

在另一优选例中，所述的骨水泥在25～40℃固化，优选30～40℃，例如37℃。

在另一优选例中，所述的骨水泥由填入注射器中的可注射骨水泥，注射至相关部位，在体内固化得到。在另一优选例中，所述的骨水泥对骨组织的搭接剪切强度为150～280kPa。

在另一优选例中，所述的骨水泥对破骨细胞有抑制作用。

在另一优选例中，所述的骨水泥具有体外促成骨性能。

在另一优选例中，所述的骨水泥有优异的生物相容性。

在另一优选例中，所述的骨水泥具有以下一种或多种性能：

(p1)提高新骨体积比；

(p2)降低骨小梁分离度；

(p3)快速固化，且固化过程不放热；

(p4)具有高强度和弹性。

本发明的第五方面，提供一种用于制备第二方面所述的可注射骨水泥的试剂盒，所述试剂盒包括：

(a)第一容器，以及位于所述容器内的液相组分；

(b)第二容器，以及位于所述容器内的固相组分；

(c)第三容器，以及位于所述容器内的交联剂；

在第一容器中，所述的液相组分以粘稠液体的形式存在；

在第二容器，所述的固相组分以粉末的形式存在；

在第三容器，所述的交联剂以液体的形式存在，

其中液相组份、固相组分以及交联剂同前所述。

本发明的第六方面，提供本发明第一方法所述的可注射骨水泥组合物、第二方面所述的可注射骨水泥、或本发明第五方面所述的试剂盒的用途，用于以下任意一种或两种及两种以上的应用：

(i)制备组织缺损填充材料；

(ii)制备引导组织再生的材料；

(iii)制备医疗美容材料；

(iv)3D打印基质材料；

(v)生长因子或药物的负载基质或载体。

在另一优选例中，用于制备治疗脊柱融合性骨折的材料。

在另一优选例中，用于制备治疗骨质疏松性骨缺损的材料。

在本发明的第七方面，提供了一种填充组织缺损和/或引导组织再生的方法，所述方法包括将本发明第二方面所述的可注射骨水泥施用于需治疗的部位。

在本发明的第八方面，提供了一种负载生长因子和/或药物和/或细胞的方法，所述方法包括将本发明第二方面所述的可注射骨水泥与所需负载的生长因子和/或药物和/或细胞进行混合。

在本发明的第九方面，提供了一种3D打印复合支架的的方法，所述方法包括将本发明第二方面所述的可注射骨水泥作为3D打印基质材料使用。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1显示了本发明中多羟基PEGS高分子的合成路线(A)；多羟基PEGS高分子的核磁共振氢谱图(B)。

图2显示了本发明中可注射复合骨水泥的傅里叶变换红外光谱图(A)；主要配方可注射骨水泥的可注射性(B)；37℃下可注射骨水泥的流变曲线图(C)。

图3显示了本发明中可注射骨水泥的抗疲劳性能(A)；可注射骨水泥的压缩模量(B)；可注射骨水泥的粘附曲线(C)；可注射骨水泥的搭接剪切强度(D)；可注射复合骨水泥的扫描电镜图像(E)。

图4显示了本发明中可注射骨水泥的细胞毒性(A)；可注射骨水泥的体外抑制破骨细胞性能(B)；各配方可注射骨水泥的促间充质干细胞成骨分化的性能(C)。

图5显示了本发明中最优配方可注射骨水泥对比其他材料进行骨组织修复后的CT重构图像(A)；最优配方可注射骨水泥对比其他材料进行骨组织修复后的新骨体积比(B)；最优配方可注射骨水泥对比其他材料进行骨组织修复后的骨小梁分离度(C)。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次意外地发现了一种具备优异的力学性能和粘附性能、体内快速固化、可调节骨质疏松性骨微环境的可注射骨水泥。

具体地，所述的骨水泥引入了可生物降解的多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯(PEGS-OH)作为骨水泥的有机相，以磷酸盐及其衍生物为无机相，构建了基于异氰酸酯与羟基、氨基交联的有机/无机复合可注射骨水泥体系。所述骨水泥注射性能优良，可在体内环境下快速固化成型，且交联过程温和，无明显放热，对宿主生物体无明显毒性，可用于骨质疏松性骨缺损的填充与骨组织的引导再生。

本发明的骨水泥不仅具有优异的力学性能、粘结性能和生物活性，以及良好的细胞相容性和骨引导性，而且具备理想的组织修复效果和临床适用性，使得该材料的植入无需开放性手术，方便了医生操作的同时减少了患者的痛苦，为微创治疗组织再生技术提供了新的可选择材料和设计思路。在此基础上完成了本发明。

术语

除非另外定义，否则本文中所用的全部技术与科学术语均具有如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如本文所用，在提到具体列举的数值中使用时，术语“约”意指该值可以从列举的值变动不多于1％。例如，如本文所用，表述“约100”包括99和101之间的全部值(例如，99.1、99.2、99.3、99.4等)。

如本文所用，术语“含有”或“包括(包含)”可以是开放式、半封闭式和封闭式的。换言之，所述术语也包括“基本上由…构成”、或“由…构成”。

如本文所用，术语“PEG”、“聚乙二醇”可互换使用。

如本文所用，术语“PEGS”、“PEG化聚癸二酸甘油酯”、“聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯”、“PEGS高分子”可互换使用。

如本文所用，术语“CPC”、“磷酸盐及其衍生物”可互换使用。

如本文所用，术语“LDI”、“L-赖氨酸二异氰酸酯”可互换使用。

如本文所用，术语“PEGS-OH”、“多羟基PEGS”可互换使用。

如本文所用，术语“ALN”、“阿仑膦酸钠”可互换使用。

如本文所用，术语“PCA1”、“PCA2”、“PCA3”中，P代表PEGS，C代表CPC，A代表磷酸盐衍生物，1、2、3指磷酸盐衍生物质量占骨水泥总质量的百分比。

多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯(PEGS-OH)

本发明中多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯(PEGS-OH)具有式Ia或式Ib所示的结构：

式Ia中，m₁为1-20的整数，n₁为5-60的整数；

式Ib中，m₂为1-20的整数，n₂为5-60的整数。

具体地，所述多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯的制备方法包括如下步骤：

(a1)在氩气或者氮气的氛围保护下，将摩尔比为1∶1的二酸和二缩水甘油醚溶于溶剂中(其中二酸可为癸二酸、分子量250Da的羧基化PEG或分子量600Da的羧基化PEG；二缩水甘油醚可为癸二酸二缩水甘油醚或分子量500Da的聚乙二醇二缩水甘油醚)，加入摩尔比为0.6mol％的双四正丁基氢氧化铵盐催化剂(其中铵盐的羧酸部分可为癸二酸、分子量250Da的羧基化PEG或分子量600Da的羧基化PEG)，在90-120℃(更佳地100℃)反应1-3天；

(b1)将步骤(a1)的产物于于乙醚中沉降后，在室温下真空干燥6-12小时(更佳地10-12小时)，得到多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯高分子PEGS-OH。

在另一优选例中，所述制备方法还包括步骤；

(c1)透析纯化步骤(b1)获得的PEGS-OH得到纯化的PEGS-OH。

本发明的骨水泥

骨水泥是一类能在组织缺损部位起到支撑作用的生物医用材料。本发明提供了一种生物亲和、体内水化与成孔、可通过注射形式形成的骨水泥。

如本文所用，术语“可注射骨水泥”、“本发明的骨水泥”可互换使用。

本发明所述的骨水泥通过液相组分、固相组分和任选的交联剂经混合反应形成；所述液相组分为聚酯高分子；所述固相组分为磷酸盐或磷酸盐与其衍生物的组合；所述交联剂为异氰酸酯类交联剂。

在另一优选例中，所述的液相组分包括多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯；

所述的固相组分包括磷酸四钙、无水磷酸钙与阿仑膦酸钠；

所述的交联剂包括L-赖氨酸二异氰酸酯。

在一优选实施方式中，以多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯(PEGS-OH)为有机相，磷酸盐(CPC)及其衍生物阿仑膦酸钠(ALN)为无机相，通过L-赖氨酸二异氰酸酯(LDI)交联固化并以注射器注射的方式注射至相关部位从而得到具有一定力学性能的骨水泥材料。

所述的液相组分与固相组分的质量比为1～3：9～7，优选2：8。

在另一优选例中，所述的磷酸盐及其衍生物和所述的PEGS-OH通过物理混合结合。

本发明所述的PEGS-OH和所述的交联剂通过PEGS-OH的羟基和LDI的异氰酸酯基团之间的加成反应结合。

本发明所述的骨水泥的力学性能和流变性能可通过多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯与磷酸盐及其衍生物的质量比进行调节和优化。

在另一优选例中，所述的聚酯高分子和交联剂的质量比可用于调节所述骨水泥的模量、流变性能与孔含量。

在另一优选例中，所述的聚酯高分子和磷酸盐及其衍生物的质量比可用于调节所述骨水泥的流变性能、固化时间、细胞毒性与促成骨性能。

所述的骨水泥具有以下一个或多个特征：

(1)压缩模量在5～50MPa之间，优选在10～20MPa之间；

(2)37℃下，固化时间在10～40min之间，优选在15～20min之间；

(3)25℃下，固化时间大于25min。

所述的可注射骨水泥的细胞毒性为未加入任何材料的空白对照组的90％。

所述的可注射骨水泥在5000N压力下不碎裂掉渣。

所述的可注射骨水泥的表面具有大小不一的多孔结构。

所述的可注射骨水泥在5-8L/min的普通流速的水流冲击下不溃散。

所述的可注射骨水泥的固化过程无明显放热现象。

所述的可注射骨水泥对骨组织具有较强的粘结性能，搭接剪切强度在150-280kPa之间。

所述的可注射骨水泥对骨髓巨噬细胞来源的破骨细胞有明显的杀伤作用。

所述的可注射骨水泥对骨髓间充质干细胞有明显的促成骨分化作用。

本发明的骨水泥的制备方法

本发明提供了一种PEGS-OH、CPC、ALN复合骨水泥的制备方法，包括如下步骤：

(i)提供多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯(PEGS-OH)、磷酸钙盐(CPC)、磷酸盐衍生物(ALN)、L-赖氨酸二异氰酸酯(LDI)；

(ii)将PEGS-OH与CPC混合后，加入LDI和ALN得到骨水泥浆料。

将上述骨水泥浆料转移到注射器料筒内，即可注射入缺损部位，体内固化形成骨水泥。

在另一优选例中，在所述步骤(i)中，PEGS-OH(聚合物)分子量为12000Da，L-赖氨酸二异氰酸酯(LDI)分子量为226.23g/mol，阿仑膦酸钠(ALN)分子量为272.09g/mol。

在所述步骤(ii)中，CPC与ALN的质量比为20～80:1～4。

在另一优选例中，在所述步骤(ii)中，液相与固相投料质量比为1～3:7～9。

在另一优选例中，在所述步骤(ii)中，LDI中异氰酸酯基团的物质的量为PEGS-OH羟基物质的量的1.5～1.0倍。

在另一优选例中，在所述步骤(ii)中，反应温度为37℃，反应时长为15～30min。

所述可注射骨水泥的固化时间随着交联剂含量的增加而缩短，固化时间在15～40min可调，骨水泥的压缩模量随CPC、ALN含量的增加而增强，初始压缩模量在5～18MPa可调。

本发明的主要优点包括：

1)本发明所述的骨水泥具有优异的可注射性和力学强度；

2)本发明所述的骨水泥的混合物可通过注射至所需部位原位固化，其固化时间在15-40min之间可调节；

3)本发明所述的骨水泥的流变性能、注射性能、力学性质和细胞行为可通过对其组分含量进行改变来实现调控和优化；

4)本发明所述的骨水泥可自由填充缺损部位，可与缺损处高度契合；

5)本发明所述的骨水泥具有可生物降解性；

6)本发明所述的骨水泥具有良好的骨粘附性能，能够较好地提升骨水泥与骨质疏松性骨组织的粘附效果；

7)本发明所述的骨水泥交联过程温和，无明显放热；

8)本发明所述的骨水泥中无机物CPC可引导骨组织再生和调控骨质疏松病理微环境；

9)本发明所述的骨水泥中无机物ALN可修复骨质疏松骨组织并促进骨组织再生；

10)本发明所述的骨水泥所具备的微创属性让其在临床应用上具有可观的前景；

11)本发明骨水泥中所采用的PEGS为高度生物安全的聚合物，所述PEGS来源的PGS已获得FDA批准用于临床应用，无潜在的生物毒性。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

实施例1.多羟基PEGS的合成

(a)称取1.95g癸二酸(0.01mol)和20g(0.07mol)四丁基氢氧化铵(25wt％水溶液)加入到100mL的95％乙醇中，在55℃下搅拌反应30min，然后在40℃下旋蒸除去乙醇，最后冻干得到产物癸二酸二(四丁基氢氧化铵)酯(TBAS)；

(b)在高纯氮气或者高纯氩气氛围保护下称取20.23g癸二酸(0.1mol)，50.00g聚乙二醇二缩水甘油醚(0.1mol)和0.41g步骤(a)的产物TBAS，将上述原料共混溶解至180mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，在100℃下搅拌反应72h；

(c)将步骤(b)所得产物于于乙醚中沉降后，在室温下真空干燥12小时；

(d)用截留分子量为3500Da的透析袋透析纯化步骤(c)的产物得到纯化的线性多羟基PEGS。

合成反应示意图如图1中A所示。

所得多羟基PEGS高分子的核磁共振氢谱如图1中B所示，峰位置符合PEGS氢原子的理论结构。在化学位移3.00ppm处，没有观察到环氧官能团的出峰，说明环氧官能团被反应消耗完全，反应彻底。

实施例2.PEGS-OH/CPC与ALN复合骨水泥的表征

探索聚酯高分子PEGS-OH/CPC与ALN在不同比例下的复合情况。

采用实施例1的方法制备PEGS-OH。称取PEGS-OH 200mg以及CPC 800mg，混合均匀后，向上述浆料中加入交联剂LDI 70.56mg、78.40mg、86.24mg、94.08mg，同时分别加入ALN0mg、10mg、20mg、30mg混合均匀，形成骨水泥浆料PC、PCA1、PCA2、PCA3。

采用溴化钾压片法对上述浆料进行傅里叶变换红外光谱测试。从图2中A中可以看出，无机相的磷酸根基团与PEGS-OH的羟基、亚甲基、羰基以及醚键都有对应红外吸收峰。

如图2中B所示，主要配方PCA1、PCA2、PCA3的骨水泥浆料均具有较好的可注射性。

通过旋转流变仪测试其流变性能随频率的变化，旋转流变仪使用过程包括以下步骤：

(a1)打开旋转流变仪(美国Thermo Hakke)，设定温度为(37℃)并控温，频率设定在10Hz，应变设定在1.0％；

(b1)按上述方法配比不同复合比例的骨水泥浆料(PC、PCA1、PCA2、PCA3)；

(c1)将(b1)中骨水泥浆料装填于注射器的针筒内待用；

(d1)利用(c1)中注射器向20mm直径的钢制平行板上快速注射，并立即开始进行测试；

(e1)记录储存模量(G’)与损耗模量(G”)随时间的变化。

从图2中C中可以看出，损耗模量大于储存模量说明具有流动性，说明骨水泥浆料偏向于液体状态，为适宜的可注射态。

结果表明，相比PC组，PCA1、PCA2、PCA3三组配方的骨水泥均具有更加适宜的临床窗口期以及适宜的可注射性。

实施例3.本发明骨水泥的力学性能与骨粘附性能

称取PEGS-OH 200mg以及CPC 800mg，混合均匀后，向上述浆料中加入交联剂LDI70.56mg、78.40mg、86.24mg、94.08mg，同时分别加入ALN 0mg、10mg、20mg、30mg，记为PC、PCA1、PCA2、PCA3，充分搅拌后，将其填入直径10mm，深6mm的聚四氟乙烯圆柱形模具中。通过循环压缩实验考察骨水泥的抗疲劳性能。程序控制，设置压缩速率为10mm/min。压缩至应力为12MPa后，以10mm/min的速率释放应力至0MPa，以此为一个循环。循环压缩10次，记录应力-应变曲线，图3中A表明，本发明的骨水泥由于PEGS-OH组分为弹性高分子而具有优异的弹性，在10次循环压缩下，骨水泥具有较好的回复性能，这是刚性材料所不具备的。此外，骨水泥在使用时，主要受到来自纵向的压力，故通过压缩测试考察骨水泥的抗压性能。选用万能试验机研究骨水泥抗压性能。将圆柱型骨水泥样品平放于压缩平台中央，输入样品直径与原始标距等参数，选用5kN传感器，每组待测样品设五个平行样。压缩测试时压缩速率为10mm/min，直至力达到5000N，记录应力应变曲线。结果如图3中B所示，随着ALN和LDI的含量增加，骨水泥力学性能上升，PCA1、PCA2、PCA3组明显优于PC组，这是由形成的互穿网络而提升的力学性能。

采用搭接剪切实验查看骨水泥的骨粘附性能。购买新鲜猪骨块，表面用砂纸抛光。按照上述的方法制得PC、PCA1、PCA2、PCA3四种样品，充分搅拌，在骨片间注射骨水泥，实现以搭接的方式粘合连接，在37℃的环境温度下固化，随后采用配备5kN测力传感器的电子机械试验机进行拉伸测试，记录力-位移曲线。此外，计算搭接剪切强度，计算公式如下：搭接剪切强度＝剪切过程最大力/(粘附区域宽度×粘附区域长度)。如图3中C和D所示，随着ALN和LDI含量增加，骨水泥的粘附能力和搭接剪切强度不断上升，PCA1、PCA2、PCA3组明显优于PC组，其中PCA3组的剪切过程失效力可达120N，界面剪切强度可达270kPa，可实现对骨组织的有效粘附。

经上述筛选，基本认定PCA3为各组中力学性能最优配方。最优配方骨水泥的微观形貌如图3中E所示，骨水泥内部均出现了便于组织长入的多孔结构，相比于PC组，PCA3组孔隙较大，连通性更好，这种多孔结构对组织再生中细胞粘附及组织长入具有积极作用。

实施例4.本发明的骨水泥体外抑制破骨性能与促成骨性能

为了评价骨水泥的细胞相容性，本研究按照国标《GB/T 16886.5-2017》采用小鼠成纤维细胞(L929)与骨水泥共培养的方式进行了细胞毒性的考察。称取PEGS-OH 200mg以及CPC 800mg，混合均匀后，向上述浆料中分别加入交联剂LDI LDI 70.56mg、78.40mg、86.24mg、94.08mg，同时分别加入ALN 0mg、10mg、20mg、30mg，记为PC、PCA1、PCA2、PCA3，充分搅拌后，将其填入直径10mm，深6mm的聚四氟乙烯圆柱形模具中，同时选取加入商用PMMA骨水泥(Spineplex，)作为PMMA对照组，不加入任何材料作为空白对照组。参照国标GB/T 16886.5-2017检测要求，在各组样品上接种适量L929细胞，与材料进行共培养，随后进行MTT实验，检测骨水泥的细胞毒性。图4中A的细胞毒性结果说明，PC、PCA1、PCA2、PCA3组骨水泥细胞毒性符合国标要求的同时，明显小于商用PMMA骨水泥的细胞毒性。

采用抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色和F-肌动蛋白环(F-actin ring)免疫荧光染色评价最优配方骨水泥的抑破骨性能。按照上述方法设置组别，制备样品。以1×10⁵/孔的密度接种骨髓巨噬细胞(BMMs)，每组5个平行样品，加入预先准备好的α-MEM培养基(内含100ng/mL的RANKL和60ng/mL的M-CSF)，与细胞共培养。培养7天后，吸去培基，加入2.5％的戊二醛溶液固定细胞，为TRAP染色做准备。对于TRAP染色，PBS清洗3遍后，在避光环境下，每孔中加入200μL TRAP染液，于37℃环境中避光孵育30min，结束后吸除TRAP染液，使用PBS清洗3遍，使用倒置显微镜观察细胞，含有超过3个以上细胞核的细胞即为破骨细胞，拍摄照片。结果如图4中B所示，相较于其他组别，PCA3组破骨细胞数量明显降低，说明PCA3骨水泥的抑破骨性能相较于其他组别最为优越。

采用碱性磷酸酶(ALP)活性及矿化评价骨水泥的成骨性能。按照上述方法设置组别，制备样品。将骨髓间充质干细胞(BMSCs)以2×10⁴/孔的密度接种，每组5个平行样品，并在商用成骨诱导培养基(RAXMX-90021，)中培养(含有2％FBS、0.05mML-抗坏血酸、100mMβ-甘油磷酸酯和100mM地塞米松的α-MEM)。培养14天后，除去培基，用PBS清洗2遍，使用BCIP/NBT碱性磷酸酶显色试剂盒对细胞进行染色，并拍照。结果如图4中C所示，各组别均具有较好的体外促成骨性能。

实施例5.本发明的骨水泥组织修复效果的表征

为了评价骨水泥的体内组织修复效果，本研究选用大鼠股骨缺损修复模型，对比商用PMMA骨水泥与本发明骨水泥的促骨再生能力。

将雌性SD大鼠饲养至6月龄，进行双侧卵巢摘除术(OVX)手术。按照外科手术要求，所有手术器械提前高温高压灭菌，手术在无菌条件下进行。按40mg/kg大鼠体重的剂量腹腔注射1wt％的戊巴比妥钠对大鼠进行麻醉，侧位固定，背部及两侧腹部剃毛并用碘伏消毒，沿在侧的侧腹部剪开皮肤及肌层，暴露脂肪组织。用镊子拨开脂肪团找到粉红色菜花状卵巢组织，用丝线在输卵管与卵巢中间结扎并切除卵巢，对侧卵巢以同样的方式摘除。OVX术后12周，大鼠骨质逐渐流失，并发展为骨质疏松模型。

选用骨质疏松SD大鼠，实施麻醉后，将其股骨远端处除毛，切开皮肤，露出股骨中段。使用直径3mm的圆形环钻在股骨侧面制造一个缺损后待用。称取的PEGS-OH 200mg以及CPC 800mg，混合均匀后，向上述浆料中分别加入交联剂LDI 70.56mg、78.40mg，同时分别加入ALN 0mg、30mg，记为PC、PCA3组，充分搅拌后，将其注入上述股骨缺损中，记为实验组。此外，选用PMMA市售产品植入上述股骨缺损中，作为PMMA对照组，未填充任何材料的作为空白对照组，随后缝合皮肤。

6周后，通过过量麻醉处死大鼠，取出股骨样本，4％多聚甲醛溶液固定一周，随后进行CT检测，并拍摄股骨照片。表1为新骨体积比和骨小梁分离度的具体数据。图5中A为CT重构图像，相较于空白组的大量空缺，PC、PCA3和PMMA骨水泥皆能成功填补缺损部位，PMMA由于生物惰性，难以降解，鲜有组织长入。可以明显看到，PCA3骨水泥组由于其良好的生物相容性，已与骨组织融为一体，但PMMA因其生物惰性，独立于骨组织存在。图5中B为新骨体积比，可以看出PCA3组的新骨生成量大于其他两组，高达21％，具有更加优异的促骨组织再生效果。图5中C为各组骨小梁分离度，PCA3组较其他组更低，为0.655mm，说明该组促进再生的骨组织相较其他组别更为致密。综上，PCA3组的骨水泥在以上组别中具有最优的促修复效果。

表1骨水泥植入6周后骨缺损部位新骨体积比和骨小梁分离度

由上述结果可知，骨水泥在骨缺损部位提供了有效支撑作用，防止了骨坏死的发生。同时其良好的生物相容性还有利于骨组织再生，最终能获得优于PMMA骨水泥的骨修复效果。

综上所述，本发明的可注射、可生物降解的高强度多孔骨水泥具有良好的注射性能，操作期长，能在37℃环境下快速固化，且固化过程不放热。同时，该骨水泥固化后具有高强度和弹性，遇水不溃散。另外，该骨水泥还可以通过调节PEGS-OH、CPC与ALN的比例调控骨水泥浆料的流变性能、力学性能和骨粘结性能。其中，ALN质量分数为3％的样品具有合适的注射性以及最高的模量，同时具有优异的骨粘结性和综合成骨性能。因此，本发明的骨水泥可用于病理状态下的不规则骨缺损，起到填充支撑作用的同时通过和骨组织的强效粘附促进骨再生，是一种具有临床应用前景的可注射骨水泥材料。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述可注射骨水泥组合物包含：

(c1)液相组分，所述液相组分包括聚酯高分子；和

(c2)固相组分，所述固相组分包括磷酸盐与磷酸盐衍生物的组合。

2.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述聚酯高分子选自：聚癸二酸甘油酯、聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯、多羟基聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯PEGS-OH，

其中，式Ia中，m₁为1-20的整数，n₁为5-60的整数；

式Ib中，m₂为1-20的整数，n₂为5-60的整数。

3.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述磷酸盐选自磷酸四钙、磷酸二氢钙、磷酸三钙中的一种或两种以上的混合物。

4.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述磷酸盐衍生物选自依替膦酸钠、氯膦酸钠、帕米膦酸钠、替鲁膦酸钠、阿仑膦酸钠、奈立膦酸钠、奥帕膦酸钠、利塞膦酸钠、伊班膦酸钠、唑来膦酸中的一种或两种以上的混合物。

5.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述可注射骨水泥组合物还包含交联剂，所述交联剂为异氰酸酯类交联剂。

6.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述磷酸盐衍生物的质量分数为0.001％～10％。

7.如权利要求1所述的可注射骨水泥组合物，其特征在于，所述液相组分与固相组分的质量比为0.5:9.5-5:5。

8.一种可注射骨水泥，其特征在于，所述可注射骨水泥由权利要求1中所述的可注射骨水泥组合物的液相组分和固相组分以及任选的交联剂混合得到。

9.一种用于制备权利要求8所述的可注射骨水泥的试剂盒，所述试剂盒包括：

(a)第一容器，以及位于所述容器内的液相组分；

(b)第二容器，以及位于所述容器内的固相组分；以及

任选的(c)第三容器，以及位于所述容器内的交联剂；

在第一容器中，所述的液相组分以粘稠液体的形式存在；在第二容器，所述的固相组分以粉末的形式存在；在第三容器，所述的交联剂以液体的形式存在，

其中，液相组分、固相组分以及交联剂同前所述。

10.权利要求8所述的可注射骨水泥的用途，其特征在于，用于以下任意一种或两种及两种以上的应用：

(i)制备组织缺损填充材料；

(ii)制备引导组织再生的材料；

(iii)制备医疗美容材料；

(iv)3D打印基质材料；

(v)生长因子或药物的负载基质或载体。