CN1189220C - 一种改性羟基磷灰石代骨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种代骨材料及其制备方法。更具体而言，本发明提供一种含有碳酸根及除钙以外的金属阳离子的磷酸盐骨水泥，把该骨水泥与固化液按比例混合固化后，可制得改性羟基磷灰石代骨材料。该材料的晶体和化学组成比烧结的和一般的羟基磷灰石更接近于人骨矿物相，改善了骨水泥溶解度，有利于新骨替代。

Description

一种改性羟基磷灰石代骨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种代骨材料，其制备方法和在原位固化修复骨组织中的应用。更具体而言，本发明提供一种含有碳酸根及除钙以外的金属阳离子的磷酸盐骨水泥，把该骨水泥与固化液按比例混合固化后，可制得改性羟基磷灰石代骨材料。上述材料可直接用于临床手术中原位固化修复骨组织。

背景技术

羟基磷灰石(HAP)是构成骨骼和牙齿的主要矿物质，因此它的各种形式广泛用作代骨材料。羟基磷灰石属难溶盐，log(K_sp)在37℃为58.6，其晶体以六方晶系最稳定，容易长大成为针状或棒状的晶体。矿物学研究表明，羟基磷灰石的基本结构为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，晶体中的PO₄ ^3-离子可以被CO₃ ^2-，SiO₄ ^2-，和SO₄ ^2-等阴离子同相取代，而钙离子可以被镁离子，钾离子，钠离子，锰(II)离子等阳离子同相取代。改变羟基磷灰石的部分化学和晶体结构是提高其生物活性的根本途径。

将羟基磷灰石细粉塑型后，经1000℃以上高温烧结定型，即成为生物陶瓷。烧结使HAP结晶体变大，力学性能更好，但不能降解，多用作齿和骨的替代物，尤其适合作为齿替代物。

骨水泥是指包括各种磷酸盐细粉的混合物。使用时与固化液调和成糊状物，在临床手术中填充到骨的缺损部位，在体温下原位进行固化反应成为一个整体，反应的最终产物为羟基磷灰石，用以修复骨缺损。

Brown，W.E.在US4518430和US4612053中给出了具有指导意义的Ca(OH)₂-H₃PO₄-H₂O体系的溶解度相图，据此很容易由一般的磷酸盐合成羟基磷灰石骨水泥。但是骨水泥是一个复杂的体系，其不同的组成对于其初凝时间，初始强度，最终强度，生物相容性，在体内的骨转换速度，及最终能否完全降解均有很大影响。因此，人们一直进行着广泛的研究工作，针对不同的用途，寻找性能更佳的骨水泥。另外，理想的材料还应具有以下特征：易于生产，具有长的贮存期，容易使用和操作。

US 4880610，US 5009898和CN1003053A中公开了制备强度大于松质骨(30～40MPa)的材料的方法。华东理工大学也研究了以Ca₄P₂O₉为水硬性磷酸盐，合成羟基磷灰石代骨材料的方法。这些研究工作中，合成的最终产物是羟基磷灰石，为了增强骨水泥固化后的强度，而降低了材料的孔隙度，从而影响了骨组织的长入及代骨材料即固化后的骨水泥的降解速度。

医学研究表明，人体骨骼的矿物相不是由纯的羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂组成，其中还含有约6％的碳酸根，0.7％的钠离子，及少量镁，氟，氯，钾等元素。研究发现，碳酸根的存在发挥着非常重要的作用，例如，碳酸盐可以抑制HAP晶粒长大(Blumenthal，et al.，Calcif.Tissue Int.，1984，36：439-441；LeGeros，et al.，“Phosphate Minerals inHuman Tissues”，in Phosphate Minerals(Berlin)，J.Nriagu(eds)：Springer，1984，pp351-385)，并使矿物相的形态从针状和棒状变为球状，改变HAP的内部张力和磷灰石的化学稳定性(LeGeros，et al.，同前，1984；LeGeros，et al.，同前，1989)。因此，碳酸盐取代的HAP具有更小的晶粒和更好的溶解性。

同时，碳酸根是成骨细胞，破骨细胞及其它骨细胞在骨间渗透所必需的。因为矿物取代和骨骼重建均涉及成骨细胞，破骨细胞等，因此人工合成的羟基磷灰石植入物优选本质上是含碳酸根的羟基磷灰石。

WO 94/08458公开了一种含碳酸根的羟基磷灰石代骨材料及其应用。但是在该技术使用Ca₄P₂O₉作为水硬性磷酸盐，反应中需要加入固体正磷酸。而正磷酸的加入使碳酸盐中的碳酸根容易逃逸，反应不易控制，这样其贮存，应用等均不方便。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种代骨材料，这种代骨材料是由含有碳酸根及除钙以外的金属阳离子的磷酸盐骨水泥与固化液混合均匀固化而成的。由于该代骨材料更接近于人体骨骼的矿物相，因此在骨缺损处固化后，具有良好的溶解度，易于组织附着和骨组织的生长。

本发明的另一个目的是提供上述改性羟基磷灰石代骨材料的制备方法。

本发明的又一个目的是把上述代骨材料用于临床修复骨组织中。

本发明涉及一种改性羟基磷灰石代骨材料，其特征在于，该羟基磷灰石中含有碳酸根和除钙以外的金属离子，该代骨材料具有如下通式：

 Ca_10-xyM_wH_v(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2-x

其中：M为Li⁺，Na⁺或K⁺等一价金属阳离子，

x表示碳酸根的取代量，为0＜x≤1，

y表示一个碳酸根取代一个磷酸根后所产生的钙空位数，与Ca/P原子数目比相关，为1.33～1.70的正数，

v表示用于补偿电荷不平衡的氢离子的数量，

w为0.10～0.30的正数，并且

w+v＝2x(y-1)。

按照本发明的一个优选实施方案，在上述通式中的M为钠离子。

本发明中使用的骨水泥，是一种含有碳酸根及除钙以外的金属阳离子的磷酸盐骨水泥，其中包括磷酸盐，碳酸盐，含M金属的盐，优选钠盐，该骨水泥在应用时与固化液混合而固化。

所述磷酸盐基于骨水泥总重量的含量为78～95wt％。所述磷酸盐中，以α-Ca₃(PO₄)₂作为水硬性磷酸盐，构成骨水泥的主要部分，其基于骨水泥总重量的含量为75～92wt％。所述磷酸盐中还包括选自其它磷酸盐，例如CaHPO₄、CaHPO₄·2H₂O、Ca(H₂PO₄)₂或Ca(H₂PO₄)₂·H₂O中的一种或几种，其它磷酸盐的含量为余量。

原则上，对所述碳酸盐无限制，但优选使用碳酸钙，其基于骨水泥总重量的含量为2～17wt％。

所述含M元素的金属盐为M金属的碳酸盐，碳酸氢盐，磷酸三盐和水合磷酸盐中的一种或几种，其中M为Li⁺，Na⁺或K⁺一价金属阳离子，其基于骨水泥总重量的含量为1～5wt％。

骨水泥中的各个组分，包括磷酸盐，碳酸盐，含M元素的金属盐，例如钠盐，以及下面述及的其它组分，均研磨成细粉。研磨得到的细粉的平均粒径约为0.5μm～30μm，优选1μm～10μm，更优选1μm～5μm。将固体颗粒研磨成超细粉可以按照各种已知的方法进行。

按照本发明的一个实施方案，所述骨水泥中还含有氧化钙，其基于骨水泥总重量的含量为0～3wt％。

按照本发明的一个实施方案，所述骨水泥中还含有抗稀散剂，该抗稀散剂选自海藻酸钠和黄腐酸钠，其基于骨水泥总重量的含量为0～0.5wt％。

按照本发明的一个实施方案，所述骨水泥中还含有预先在水相中合成的含碳酸盐的晶种，该晶种是由可溶性钙盐，磷酸盐，碳酸盐反应制备的，其中：

(1)钙盐为硝酸钙，是0.01～0.04M的水溶液；

(2)磷酸盐为磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸三钠，和磷酸三铵中的一种或几种，为0.01～0.5M的水溶液；

(3)碳酸盐为碳酸钠和/或碳酸氢钠，为0.01～0.5M的水溶液。晶种中碳酸盐的含量最高可达～20wt％，晶种在骨水泥中的含量为0～20wt％。

因为在通常的水硬性磷酸盐固化反应合成的碳酸化的羟基磷灰石中含有约2％～4wt％的碳酸根，且含量不稳定，所以为了得到更接近人体骨骼矿物相的HAP，即得到约含有6％碳酸根的HAP，可以采取一定的措施。按照本发明，通过在骨水泥中加入含碳酸盐的晶种，有效地提高了固化后的骨水泥中的碳酸根含量。并且通过调节晶种中碳酸盐的含量和/或调节骨水泥中晶种的用量，可以调节改性代骨材料中的碳酸根的含量。

所述固化液是将磷酸钠和/或碳酸钠溶解于去离子水中配成的溶液，其浓度0.1～0.4M。在使用骨水泥时，将该固化液与骨水泥按0.3～1ml/g的比例混合均匀，填充至骨缺损部位进行原位固化。

按照本发明的另一个实施方案，当所述骨水泥中含有磷酸钠和/或碳酸钠时，固化液也可以仅是去离子水。

本发明还涉及所述骨水泥的制备方法，其中先将骨水泥的各个组分分别研磨成细粉，然后按照前述比例混合均匀。

本发明还涉及所述改性羟基磷灰石代骨材料的制备方法，是将骨水泥与固化液混合进行固化而得到，所述固化液与骨水泥按0.3～1ml/g的比例混合。

本发明还涉及所述改性羟基磷灰石代骨材料在修复骨组织中的应用。将所述骨水泥与所述固化液按比例混合均匀，在临床手术中填充或注射到受损骨组织处，原位固化成为改性羟基磷灰石代骨材料，修复骨缺损。

本发明的改性羟基磷灰石代骨材料的晶体和化学组成比烧结的和一般的羟基磷灰石更接近人体骨骼矿物相(见附图1a和1b)。红外谱图表明，其中的碳酸根取代了羟基磷灰石结构中的磷酸根，而不是以杂质形式存在(见附图2a和2b)。由于本发明的改性羟基磷灰石代骨材料中含有较高含量的碳酸根和钠离子，而与碳酸根和钠离子相结合的化学键相对较弱，使得晶体容易从这些地方开始溶解和降解。另外，由于含有较多的碳酸根和钠离子，使得HAP的晶粒更小，也提高了HAP的溶解度。因此，本发明的改性羟基磷灰石代骨材料具有更好的溶解度和可降解性，有利于新骨替代和骨整合。体内植入实验表明，本发明的改性羟基磷灰石代骨材料在体内与骨界面结合紧密，16周后材料部分溶解，新骨长入材料中。

本发明骨水泥中的各组分均采用研磨机研磨，粒度很小，所以材料的注射和抗稀散性能良好，操作性能好。另外，骨水泥的固化反应明显加快，抗压强度明显提高，这样，手术后骨替代物更快成型，可以缩短病人术后静卧时间，从而减少病人健康骨骼和肌肉因长期不承担负荷而发生萎缩的机会。

本发明的骨水泥为固体粉末材料，原则上，只要隔绝湿气，其可以无限期地贮存。在应用时，将本发明骨水泥与固化液按比例混合均匀即可使用，非常方便。

附图说明

图1a为本发明的含碳酸根和钠离子的改性羟基磷灰石代骨材料的X射线衍射谱图；

图1b为人体松质骨矿物相的X射线衍射谱图；

图2a为本发明的含碳酸根和钠离子的改性羟基磷灰石代骨材料的红外谱图；

图2b为人体皮质骨矿物相的红外谱图。

图3a为动物模型中制成的骨缺损；

图3b为骨缺损中填入碳酸化磷灰石；

图3c为骨缺损中填入碳酸化磷灰石后5天的标本；

图3d为骨缺损中填入碳酸化磷灰石后16天的标本；

图3e为动脉瘤样骨囊肿；

图3f为术中所见骨缺损；

图3g为骨缺损填充本材料；

图3h为术后X片。

具体实施方式

下面将结合实施例进一步详细阐述本发明。

实施例1

将0.88g α-Ca₃(PO₄)₂，0.09g CaCO₃，0.01gNaHCO₃，0.08gCa(H₂PO₄)₂·H₂O，0.03g CaO磨细到10μm以下，加入0.4ml 0.2M的Na₃PO₄水溶液，搅拌成糊状，注入模内固化。在100％湿度，37℃下保持半小时后脱模，浸入去离子水中，5天后抗压强度53MPa，Ca/P＝1.67，CO₃ ^2-含量4.32％，Na₂O含量0.8％。

材料的化学组成式为Ca_8.9Na_0.26H_0.54(PO₄)_5.3(CO₃)_0.7(OH)_1.3

实施例2

0.78g α-Ca₃(PO₄)₂，0.10g合成的Ca₅(PO₄，CO₃)₃OH晶种，其他组分和含量，操作同实施例1，五天以后测抗压强度。五次平行实验中，抗压强度为38MPa～48MPa，CO₃ ²-含量4.95％～5.3％，Na₂O含量0.8％。

实施例3

同实施例1的配方，在细粉中加入5mg海藻酸钠，搅拌成糊状，用手轻揉成面团状后经注射器注入到37℃温水中，不稀散，10分钟后固化。

实施例4

将0.84g α-Ca₃(PO₄)₂，0.123g CaCO₃，0.01gNaHCO₃，0.03gCa(H₂PO₄)₂·H₂O细粉混合后，加入0.4ml 0.2M的Na₃PO₄水溶液，搅拌成糊状，注入模内固化。在100％湿度，37℃下保持半小时后脱模，浸入去离子水中，5天后抗压强度37MPa。

实施例5

配方及操作同实施例4，细粉分别为研磨后过400目筛(平均粒径为23.6μm)，过600目筛(平均粒径为12.3μm)，和经超细研磨机研磨的超细粉(平均粒径为3.1μm)，测试样品的强度。超细粉的强度为51.042±3.728MPa，弹性模量为15.23±1.65，而600目和400目CHA的压缩强度分别为31.799±3.621MPa和23.817±2.973MPa，弹性模量为13.61±2.12和14.38±1.92。

实施列6

取实施例4配方的超细粉骨水泥制作样品，植入杂种犬股骨远端骨缺损(图3a，3b)，5天和16周后处死动物，取标本进行大体、体视显微镜、脱钙切片和不脱钙切片观察，实验中以含钡丙烯酸骨水泥(BCBC)作对照。大体观察：5天时CHA在植入部位原位固化良好，表面有部分新生骨形成，与骨的界面结合紧密，未发现纤维结缔组织形成。在16周时CHA与骨结合紧密，切面可见部分CHA降解和新骨长入。对照组BCBC均保持完整，与骨的界面间可见到纤维组织形成。体视显微镜检测结果显示在植入后5天CHA原位固化的体积保持完整，随时间的延长，16周时可明显观察到CHA逐渐降解，新骨逐渐长入(图3c，3d)。而植入BCBC组在16周时可明显见到BCBC与骨组织之间形成一层纤维组织。半脱钙切片HE染色检测结果显示标本经过不完全脱钙，可在切片上见到部分CHA，在骨与CHA的界面之间始终没有发现纤维、肉芽组织和炎性细胞浸润。随时间的延长，可见CHA降解，新骨逐渐长入，并且出现围绕新生血管形成的骨岛，成骨细胞分泌骨基质，界面可见破骨细胞。在BCBC组，可观察到界面间形成纤维组织。荧光染色检测结果显示荧光物质可以沉积到新生骨中，因此采用荧光标记可观察到新生骨的形成。从4周到16周材料与骨界面间都有四环素沉积，表明材料表面始终存在矿化过程。而BCBC与骨的界面没有明显的新生骨形成。

实施例7

取实施例6的实验模型和实验材料，手术时在材料中埋入金属螺钉，分别在术后5天和16周处死动物，检测材料与骨界面之间的生物力学结合强度。生物力学检测结果显示，分离试验：正常股骨下端松质骨之间的结合力为322±17N。植入CHA后界面结合力5天仅为56N，并且断裂面在骨和CHA之间，随着时间的延长结合力逐渐增强，在16周时达到281N，断裂面大部分仍在界面间，但可以观察到部分CHA表面附有松质骨屑。植入含钡骨水泥的界面结合力5天达到288.5N，但随着时间的延长，结合力逐渐缩小，16周时结合力降为228N，并且短裂面可见有纤维组织形成。拔出试验：术后5天CHA组螺钉的拔出力仅为250N，在骨与CHA界面之间断裂，螺钉表面完整覆盖一层已固化的CHA，随着时间的延长，螺钉拔出力逐渐增大，在16周时CHA的拔出力达到512.5N，断裂面仍在CHA与骨的界面，但CHA不能保持完整，可见部分断裂，并且表面附有大量的松质骨骨屑。术后5天含钡骨水泥组螺钉拔出力达到753N，但随着时间的延长，拔除力逐渐缩小，16周时拔除力降为603N，断裂面在含钡骨水泥与松质骨之间，界面可见纤维组织形成，螺钉表面始终覆盖一层完整的含钡骨水泥。

实施例8

取实施例4配方的材料，严格无菌操作下制作，包装，经钴⁶⁰消毒，备临床使用。病例1，女性，15岁，胫骨近端动脉瘤样骨囊肿，MRI显示肿瘤侵入软组织，术中刮除肿瘤，磨钻磨削瘤床，将碳酸化羟基磷灰石固液相混合，填入骨缺损中，约十分钟固化，术后X线显示，缺损填充满意，切口正常愈合(图3e-3h)。病例2，女性，49岁，胫骨近端骨巨细胞瘤，术中刮除肿瘤，磨钻磨削瘤床，将碳酸化羟基磷灰石固液相混合，填入骨缺损中，约十分钟固化，术后X线显示，缺损填充满意，切口正常愈合。

原有手术是将患者的自体骨或异体骨碎块充填入患处腔体内，其缺点为(1)在充填物中及充填物与腔壁之间存在间隙，(2)无抗压强度，(3)异物排斥反应，(4)患者必须接受自体骨移植所造成的痛苦(自体骨移植)，(5)疾病传播(异体骨移植)。

前面结合实施例，对本发明及其效果进行了说明。然而，本领域的技术人员应该理解，在此所讨论的特定的方法和结果，仅仅是为了举例说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明将由随后的权利要求更完整地公开。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明的任何修改和修饰，均在本发明范围内。

Claims (5)

1.一种改性羟基磷灰石代骨材料，其特征在于，该代骨材料具有如下通式：

Ca_10-xyM_wH_v(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2-x

其中：M为Li⁺，Na⁺或K⁺一价金属阳离子，

x表示碳酸根的取代量，为0＜x≤1，

y表示一个碳酸根取代一个磷酸根后所产生的钙空位数，与Ca/P原子数目比相关，为1.33～1.70的正数，

v表示用于补偿电荷不平衡的氢离子的数量，

w为0.10～0.30的正数，并且

w+v＝2xy-2x。

2.根据权利要求1所述的改性羟基磷灰石代骨材料，其特征在于，所述M为钠离子。

3.一种如权利要求1所述的改性羟基磷灰石代骨材料的制备方法，是将骨水泥与固化液混合进行固化而得到，其中所述固化液是将磷酸钠和/或碳酸钠溶解于去离子水中配成的溶液，其浓度为0.1～0.4M，或者在骨水泥中含有磷酸钠和/或碳酸钠时，所述固化液为去离子水；所述骨水泥由含钙磷酸盐，碳酸钙，含M元素的金属盐及非必要的含碳酸盐的晶种，氧化钙，抗稀散剂组成，各组成成分含量按重量百分比为：

(1)含钙磷酸盐：78～95％，所述含钙磷酸盐为水硬性磷酸钙α-Ca₃(PO₄)₂和选自CaHPO₄、CaHPO₄·2H₂O、Ca(H₂PO₄)₂或Ca(H₂PO₄)₂·H₂O中的一种或几种的其它磷酸钙盐，并且水硬性磷酸钙含量为骨水泥总重量的75～92％，余量为其它磷酸钙盐的含量；

(2)碳酸钙：2～17％；

(3)含M元素的金属盐：1～5％，其中M为Li⁺，Na⁺或K⁺一价金属阳离子，所述含M元素的金属盐为M金属的碳酸盐，碳酸氢盐，磷酸三盐和水合磷酸盐中的一种或几种；

预先在水相中合成的含碳酸盐的晶种在骨水泥中的含量为0～20wt％，所述含碳酸盐的晶种是由可溶性钙盐，磷酸盐，碳酸盐反应制备的，其中：(1)钙盐为硝酸钙，是0.01～0.04M的水溶液；(2)磷酸盐为磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸三钠，和磷酸三铵中的一种或几种，为0.01～0.5M的水溶液；(3)碳酸盐为碳酸钠和/或碳酸氢钠，为0.01～0.5M的水溶液；氧化钙在骨水泥中的重量百分含量为0～3％；抗稀散剂选自海藻酸钠和黄腐酸钠，其在骨水泥中的重量百分含量为0～0.5％；

并且将按上述组成配比混合的物料研磨成平均粒径为0.5～30μm的细粉，制成骨水泥；所述固化液与骨水泥按0.3～1ml/g的比例混合。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含M元素的金属盐为钠盐。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述细粉是平均粒径为1～10μm的超细粉。

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